Вентиляционные и тепловые расчеты электрических машин в примерах и задачах. Учебно-методическое пособие

Глава 2

ВЕНТИЛЯЦИОННЫЕ РАСЧЕТЫ

Отвод тепла от нагретых поверхностей осуществляется охлаждающими средами, в качестве которых могут использоваться газы и жидкости (воздух, водород, вода, масло, жидкий азот или гелий и т. д.). Формирование тракта охлаждения (каналы, направляющие диффузоры и т. д.) и установка в электрической машине или вне ее нагнетательных устройств (вентиляторов, насосов) обеспечивают направленное движение охлаждающей среды. Совокупность каналов и нагнетателей со-

ставляет систему охлаждения электрической машины. Основные типы систем охлаждения электрических машин представлены в работах [1–4]. Важнейшая характеристика любой системы охлаждения – эффективность. Критериями эффективности системы охлаждения служат коэффициенты интенсивности охлаждения, качества конструкции системы охлаждения и затрат мощности в системе охлаждения. Универсальный критерий – коэффициент использования

Kи P D2ln

( В А с/м3 ), который характеризует количество энергии, получаемое с

единицы активного объема. Здесь Р – полная энергия, D – внутренний диаметр, l – длина и n – частота вращения.

Экономичность системы охлаждения оценивается отношением

11

2.1. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ

По результатам электромагнитного расчета разрабатывается конструкция, формируется тракт охлаждения (каналы, направляющие диффузоры и т. д.) и установка в электрической машине или вне ее нагнетательных устройств (вентиляторов, насосов), обеспечивающих направленное движение охлаждающей среды. Таким образом, охлаждающая среда, циркулирующая по каналам тракта охлаждения под воздействием нагнетательных устройств, совокупность каналов и нагнетателей составляют систему охлаждения электрической маши-

ны. Только после этого выполняется вентиляционный и тепловой расчеты. Обычно расчеты выполняются по аналогичным электрическим схемам замещения, для которых определяют аэродинамические и тепловые (термические) сопротивления. Аналогом электрического тока в аэродинамических схемах замещения является расход охлаждающей среды (воздуха, водорода и т. д.) Q, а напряжения – динамическое давление – напор H. Динамическое давление определяется соотношением

Нd 2g v2

или

Hd d v2

при d 2g (кг с2 м 4 ) , где γ – удельный вес охлаждающей среды,

кг/м3 ; g – ускорение силы тяжести, м/с2 ; v – скорость движения среды, м/с. Коэффициент d называется коэффициентом динамического

давления. Потери напора на каком-либо участке схемы вентиляции аналогичны падению напряжения в электрической цепи. Соотношением

Коэффициент аэродинамического сопротивления принято выражать через коэффициент динамического давления:

i i d ,

где i – коэффициент местного сопротивления.

Охлаждающий тракт электрической машины состоит из ряда участков, которые могут образовывать последовательные и параллельные цепочки, соединения треугольником и т. д., как в электрической цепи. Полное аэродинамическое сопротивление охлаждающего тракта получают, как в электрической цепи, при последовательном соединении расход на всех участках одинаков, а полный напор равен сумме

напоров. Полное (аэродинамическое) сопротивление Zэкв рассчитывается по правилам электрической цепи, а напор равен H ZэквQ2 .

2.2. ТРЕБУЕМЫЙ РАСХОД ОХЛАЖДАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Вентиляция электрической машины позволяет за счет воздушного (или газового) потока отводить все тепло, обусловленное потерями в активном объеме, за исключением тепла, выделяемого в подшипниковых узлах. Количество охлаждающего воздуха (газа), прогоняемого через электрическую машину, должно быть достаточным для обеспечения допустимых значений перегревов активных частей, устанавливаемых Госстандартом. Недостаточный расход охлаждающей среды приведет к нагреву выше допустимого, а чрезмерный расход – к увеличению затрат энергии на вентиляцию и, следовательно, к уменьшению коэффициента полезного действия электрической машины. Исходной величиной для вентиляционного расчета является требуемый расход охлаждающей

среды Qн , определяемый суммой греющих потерь:

Qн P , C a

где P – сумма греющих потерь, Вт; С – теплоемкость среды,

Дж/ С м3 ; a Tг Tx – перегрев охлаждающей среды при прохож-

дении через электрическую машину, С.

При применении в качестве охлаждающей среды воздуха теплоемкость его принимается равной Св = 1100 Дж/м3 С , а перегрев берется

13

в зависимости от класса изоляции: класс изоляции А, Е, В – а = 20 °С, класс изоляции F, H – а = 30 С.

Для электрических машин с внешним обдувом при определении расхода воздуха учитывают изменение условий охлаждения по длине поверхности корпуса, обдуваемого наружным вентилятором, коэффициентом, учитывающим изменение условий охлаждения, значение которого приводится в специальной литературе.

2.3. НЕОБХОДИМЫЙ НАПОР

Напор Hн для обеспечения прохождения требуемого количества охлаждающего газа определяется соотношением

Hн ZэквQ2 , кг/м2 ,

где Zэкв – эквивалентное сопротивление охлаждающего тракта, кг с2 м 8 .

2.4. НАГНЕТАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

При расчете вентиляции электрической машины выбираются и рассчитываются нагнетательные элементы – вентиляторы. Проектный расчет вентилятора заключается в определении всех его размеров аналитическим путем исходя из требуемых значений расхода охлаждаю-

щего газа Qн и напора Нн с учетом ограничений на размеры вентиля-

тора, диктуемых конструкцией электрической машины и местом размещения вентилятора в ней. Задача вентиляционного расчета считается решенной, если выполнены условия:

Наибольшее применение в электрических машинах находит система самовентиляции. В этом случае вентилятор является элементом электрической машины, а место его установки определяется схемой охлаждения (внутренняя вентиляция, наружный обдув) и конструкцией самой электрической машины. Виды и основные размеры вентиляторов определяются при проектировании электрических машин.

14

2.5. ПРИМЕРЫ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ РАСЧЕТОВ

Задача 1. Разработать схему вентиляции для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, включенного в сеть с частотой 50 Гц. Составить описание схемы замещения для конкретного двигателя.

Основные технические данные асинхронного двигателя закрытого исполнения

аэродинамических сопротивлений, соединенных последовательно.

Участки схемы вентиляции

1.Вход через решетку кожуха вентилятора ( Z1 ).

2.Поворот потока к вентиляционным лопаткам при выходе из решетки ( Z2 ).

3.Поворот потока перед входом в межреберные каналы ( Z3 ).

4.Косой вход в межреберные каналы ( Z4 ).

5.Поворот потока в межреберных каналах ( Z5 ).

6.Выход потока из межреберных каналов в свободное простран-

ство ( Z6 ).

Схема вентиляции определяется конструкцией машины и охлаждающего тракта.

15

Задача 2. Определить величину сопротивления входа через решетку с прямоугольными краями при известных диаметрах входного кана-

ла: D3 = 0,183 м – внешний диаметр входного канала; D1 = 0,05 м –

внутренний диаметр входного канала.

По [2, стр. 7] выбирается коэффициент местного аэродинамическо-

го сопротивления решетки a1 = 0,563 и d 61 10 3 – коэффициент

динамического давления. Площадь входного сечения

Sвх 4 D32 D12 3,144 (0,1832 0,052 ) 0,0324 м2 .

Площадь сечения решетки

S1 0,5Sвх 0,012 м2 .

16

Сопротивление входа через решетку Z1

Z1 1 d 0,563 61 10 3 231,69 кгс2 /м8 . S12 0,0122

Задача 3. Рассчитать аэродинамические сопротивления поворотов потока в охлаждающем тракте схемы вентиляции. Конструкция схемы вентиляции обеспечивает поворот потока к вентиляционным лопаткам

при выходе из решетки ( Z2 ) и поворот потока перед входом в межреберные каналы ( Z3 ). При известных размерах (см. рис. 2.1) D4 = 0,167 м – расчетный диаметр лопатки вентилятора; D2 = 0,065 м – диаметр втулки вентилятора; D6 = 0,277 м и D5 = 0,243 м – размеры, определяемые

конструкцией вентилятора.

Выбор коэффициентов местного аэродинамического сопротивления производится по учебным пособиям и методическим указаниям,

например, по [2, рис. 1.4] 2 = 0,5 и 3 = 0,5 – для угла поворота

2 = 45o.

Сопротивление поворота потока к вентиляционным лопаткам при выходе из решетки Z2 :

Сопротивление поворота потока перед входом в межреберные каналы Z3 :

Задача 4. Рассчитать все аэродинамические сопротивления в межреберных каналах (вход, поворот и выход). Размеры ребер:

р 3, 4 10 3м – толщина ребра у основания; hp = 0,023 м – высота ребра; np = 21 – количество ребер.

Сопротивление косого входа в межреберные каналы Z4 :

Z4 4 d 0,475 61 10-3 181,23 кгс2 /м8 , S42 0,0132

где 4 – коэффициент местного аэродинамического сопротивления:

сечение канала согласно [2, с. 16]:

Сопротивление выхода потока из межреберных каналов в свободное пространство Z6 :

18

Z6 6 d 1 61 10 3 381,71 кгс2 /м8 , S62 0,0132

где 6 = 1 по рекомендациям [2, с. 17]:

S6 S5 0,013 м2 .

Задача 5. Определить необходимый расход воздуха для охлаждения, если известны все греющие потери, выделяющиеся в двигателе за исключением потерь в подшипниках, и подогрев воздуха в межреберных каналах.

Класс изоляции обмотки F: Pгр P Рмех 1870 123 1747 Вт –

все греющиепотери, выделяющиеся вдвигателе.

Расход воздуха, необходимого для охлаждения по [2, с. 5]:

воздуха.

Задача 6. Определить эквивалентное аэродинамическое сопротивление вентиляционной цепи. Схема замещения вентиляционной цепи – это последовательное соединение рассчитанных в задачах 2–4 сопротивлений. Тогда при коэффициенте запаса (1,1 – 1,3):

Zэкв (1,1 1,3)(Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 ) ,

Zэкв 1, 2(Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 )

1,2(231,69 43,9 79,09 181,238 419,88 381,71) 1605 кгс/м8 .

Задача 7. Рассчитать нагнетательный элемент (вентилятор) для вентиляционной цепи. Исходные данные (расход воздуха и эквивалентное аэродинамическое сопротивление вентиляционной цепи) берутся из задач 5 и 6.

19

Определяем следующее.

1. Необходимый напор воздуха:

Hном ZэквQном2 1605 0,0792 10,114 кг/м2 .

2.Окружная скорость вентилятора на выходной кромке:

4. Из условия максимального энергетического КПД вентилятора определяем максимальный расход охлаждающего агента:

тилятора по [2, стр. 30]; k = 0,42 – коэффициент, выбирается по [2, табл. 3.1]; b = 0,038 м – ширина лопатки вентилятора.