книги из ГПНТБ / Борисенко А.И. Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах

А-А

Рис. 3-30. Установка датчиков теплоотдачи в радиальном канале

ротора.

по центробежному ускорению. В. К- Щукин [Л. 50] обобщил опыт­ ные данные по теплоотдаче в глухом канале зависимостями:

«петушков». Коэффициент теплообмена на вращающихся роторных лопатках асинхронного двигателя измерен нами [Л. 52] с помощью датчиков теплоотдачи (рис. 3-18)

Анализ результатов измерений показал, что теплообмен на ло­ патках, расположенных на обеих сторонах ротора, одинаков и на­ правление вращения не влияет на теплообмен. Результаты опи­ сываются уравнением

120

ширине лопатки ротора. Эта зависимость справедлива для Rer=(l-T- 2) • ІО3 и может использоваться для расчета теплоотдачи с петушков машин постоянного тока и выступающих стержней короткозамкну­ того ротора, так как характер обдува их примерно такой же, как и лопаток ротора.

Теплоотдача с наружной поверхности вращающихся цилиндри­ ческих труб и стержней. Такая задача при вращении относительно оси на некотором радиусе R исследовалась М. А. Михеевым [Л. 32]. Результаты опытов показывают, что теплообмен хорошо описывается

Теплообмен явновыраженных полюсов синхронных машин иссле­ довался Либе (Л. 51] на вращающейся модели для определения влияния осевой и окружной скорости охлаждающей среды. Резуль­ таты опытов, представленные на рис. 3-31, показывают, что осевая скорость имеет меньшее влияние, особенно при больших окружных скоростях ротора.

Теплообмен коллектора и щеточно-контактного узла. Задача сводится к теплоотдаче с поверхности вращающегося цилиндра. По данным Дропкина {Л. 57] теплоотдача цилиндра начинает зависеть от его вращения при числах Рейнольдса, превышающих критическое

В качестве характерных параметров приняты окружная ско­ рость цилиндра и его диаметр. Число Грасгофа определено через ускорение силы тяжести.

Если осевая скорость обдува коллектора мала по сравнению с окружной, то теплоотдачу с его боковой поверхности можно рас­ считать по формуле (Л. 58]

Коэффициент теплоотдачи контактных колец можно рассчиты­ вать по этой же формуле (3-60).

При поперечном обдуве коллектора воздухом со скоростью wc

121

Рис. 3-32. Теплоотдача коллектора.

коллекторы без вентиляционных каналов; 2 — малые коллекторы с креп­ лением посредством пластмассы; 3 — заштрихованная зона — коллекторы с осе­

выми каналами и развитой боковой поверхностью.

Здесь Re„ определено по окружной скорости коллектора и в качестве характерной тем­ пературы выбрано среднее зна­ чение температур поверхности коллектора и воздуха.

Ориентировочный расчет теплообмена коллектора (рис. 3-32,а) можно выполнять при заданной окружности скорости коллектора и по данным, пред­

на^рис. 3-33, справедливы для любых газов. В числах Нуссельта и Рейнольдса за характерный геометрический размер принят диаметр цилиндра d; характерная скорость для Rem (параметр кривых) —

окружная, для Reu, (ось абсцисс) — осевая. Эти данные можно ис­ пользовать для расчета теплоотдачи коллектора и контактных колец.

3-4. Теплообмен в зазоре между ротором и статором

Структура потока в зазоре. Теплообмен в зазоре между ста­ тором и ротором происходит в поло центробежных сил и сопровож­

122

возникает неустойчивость движения. Иногда вместо Re вводят число

Рис 3-35. Режимы течения газа в кольцевом зазоре между вращаю­ щимися цилиндрами. __

a — области течения (/ — ламинарное течение; I I —ламинарное течение с вих­

123

лентное и турбулентное течение с крупномасштабными вихрями [Л. 61]. Закономерности теплообмена в этих режимах течения раз­

личны.

При течении в зазоре между ротором и статором с шероховаты­ ми поверхностями, когда движение газа обусловлено не только вра­ щением ротора, но и осевым градиентом давления, граница режимов течения, при которых вихри Тейлора не возникают или не оказывают существенного влияния на гидродинамику и теплообмен, опреде­ ляется величиной числа ReE, подсчитанного по эффективной скоро­

названа переходнойі.* Она характеризуется постепенным усилением воздействия центробежных сил на поток по мере роста до мо­

мента образования вихрей типа Тейлора, которые затем уже суще­ ствуют при Re^/Re^ > 5 -і- 6.

На рис. 3-35 показаны профили скорости в зазоре. При чисто турбулентном режиме скорость воздуха непрерывно убывает вдоль радиуса от ротора к статору, а после образования вихрей монотон­ ное изменение скорости нарушается. С изменением режима течения резко меняется и характер турбулентных пульсаций. При чисто тур­ булентном течении пульсации скорости имеют обычный нерегуляр­ ный характер, но после образования крупных вихрей наблюдаются регулярные пульсации с большой амплитудой. Интенсивность вихре­ вого движения с увеличением осевой скорости уменьшается, так как осевое течение газа оказывает стабилизирующее влияние.

Турбулентное течение в зазоре между цилиндрами, когда вну­

вихрями гидродинамическое сопротивление и теплообмен зависят от окружной и осевой скоростей. По данным работ ]Л. 61, 63] границы перехода чисто турбулентного течения к турбулентному с макрових­ рями и к развитому турбулентному течению с макровихрями при

1 Понятие — граница режима течения — несколько условно; пра­ вильнее говорить о некоторой области, которую можно назвать пере­ ходной, отделяющей один полностью сформировавшийся тип тече­ ния, от другого.

124

Рис. 3-36. Теплоотдача в воздушном зазоре асинхронного двигателя

(Л. 71] при йр = л;0рЯ/60, м/сек.

Числовые подсчеты, проведенные для многих малых и средних электрических машин с малыми зазорами, показали, что в этих ма­ шинах Re<ReHp и движение в зазоре ламинарное.

Теплообмен в зазоре электромашин при ламинарном и турбу­ лентном течении без осевого движения жидкости. Температурное поле в зазоре обусловлено теплом, подведенным от ротора и статора, и условиями течения жидкости и теплообмена.

Измерения профиля температуры по высоте зазора и коэффи­ циента теплоотдачи при чисто ламинарном течении, выполненные Газлеем (Л. 70], показали, что тепло от одной поверхности к дру­ гой передается путем чистой теплопроводности и интенсивность теп­ лообмена не зависит от частоты вращения.

Поэтому коэффициент теплоотдачи о£ для этого случая независи

При измерениях, проведенных на малых неявнополюсных ма­ шинах (малые асинхронные и синхронные двигатели и т. п.), полу­ чены данные (Л. 71], хорошо согласующиеся с (3-67). Эти данные приведены на рис. 3-36. При Re<ReKp графики сливаются и прохо­ дят параллельно оси абсцисс с Nu « 2 .

Тахибана и Фукуи [Л. 72], исследуя теплообмен в зазоре, за­ полненном техническими маслами, при GrPr>104, больших тепловых нагрузках, ламинарном течении и Та<41,2, обнаружили существен­ ное влияние архимедовых сил и рекомендовали для определения ко­ эффициента теплообмена формулу

125

126

Рис. 3-37. Установка для моделирования теплообмена в кольцевом зазоре электрических машин.

При турбулентном течении (Та>41,2) и относительно больших зазорах (8/г( «0,03+0,9) они получили уравнение

1п ( 1 + ^г)

Решение задачи о теплообмене в зазоре для турбулентного те­ чения с макровихрями при наличии ламинарного подслоя на стен­ ках цилиндров и отсутствии осевого течения газа было получено А. И. Борисенко и Е. И. Янтовским [Л. 68]. Нами было проведено сравнение этого решения с опытными данными, полученными на асинхронном двигателе (Л. 75] и модельной установке (рис. 3-37). Выражения для расчета коэффициентов теплоотдачи в общеприня­ тых критериях подобия в диапазоне Re=2-102+104 имеют вид:

Для машин, заполненных жидкостью, теплопередача в зазоре между ротором и статором должна существенно зависеть от числа Прандтля. По аналогии со случаем каналов с неподвижными стен­ ками влияние Рг на теплоотдачу в зазоре можно учесть, введя мно­ житель (Ргш/Рго) в формулу (3-71).

Поверхности статора и ротора в зазоре во многих электрических машинах не являются гладкими (рис. 3-38). Нами определены ко­

а во втором варианте значения коэффициентов теплообмена согла­ суются с формулой (3-71).

На рис. 3-39 сравниваются результаты исследований теплообме­ на в зазоре при отсутствии осевого течения. Теоретическая кривая 1 для ламинарного режима течения и малого относительного зазора между гладкими цилиндрами рассчитана на основании проведенного нами теоретического исследования [Л. 67]. Значение числа Нуссельта в области Re<ReKP примерно равно двум. Превышение экспери­ ментальных значений Nu (кривая 2) над расчетными обусловлено влиянием естественной конвекции при малых скоростях. Результаты исследований И? Гака [Л. 80] и наши данные, описываемые зависи-

127

123

сильношероховатых цилиндров с пазами [Л. 70]; 9 — данные для вращающихся гладких цилиндров [Л. 69]; 10 — данные для шероховатых цилиндров при боль­ ших значениях Та [Л. 69].

мостями (3-71) и (3-72), в связи с шероховатостью поверхностей ро­ тора и статора располагаются несколько выше тех, которые полу­ чены для гладких поверхностей. Кроме того, наличие пазов на ста­ торе и роторе, действие центробежных сил и вибрация конструкции машины, по-видимому, приводят к значительному снижению вели­ чины ReKp по сравнению с величиной, рассчитанной по формуле Тей­ лора (3-62).

Теплообмен в зазоре при чисто турбулентном течении и турбу­ лентном течении с крупномасштабными вихрями при наличии осевого течения среды. При наличии такого течения явление теплообмена в зазоре между ротором и статором усложняется. В асинхронных машинах с очень малым зазором можно пренебрегать течением вдоль оси, но, в турбогенераторах, например, осевое течение оказывает заметное влияние на распределение температуры.

С. И. Костериным и Ю. П. Финатьевым (Л. 61] при обобщении опытных данных по теплоотдаче внутреннего цилиндра в качестве универсального критерия теплообмена, независимого при определен­ ных условиях от режимов турбулентного потока и учитывающего