Основы аэродинамических и тепловых расчетов в электромеханике (стр. 10 )

3.5.3.2. Расчет внешней аэродинамической характеристики центробежного вентилятора по выбранным размерам.

По выбранным размерам центробежного вентилятора расчет внешней аэродинамической характеристики может быть проведен по методики, излагаемой в [7], которая базируется на значительном экспериментальном материале.

Более простая методика предложена в [4], где приводится выражение универсальной внешней аэродинамической характеристики встроенных центробежных вентиляторов электрических машин, полученная в результате обобщения значительного количества экспериментального материала. Эта характеристика описывается в относительных единицах соотношением:

,

где: - напор в относительных единицах;

- расход в относительных единицах;

- относительный радиус;

- коэффициент восстановления статического давления.

Знак «-« для лопаток отогнутых назад, «+» для лопаток отогнутых вперед. Относительный радиус равен .

За базисные значения напора и расхода принимаются:

В этих соотношениях:

, м/сек – окружная скорость на внешней кромке вентилятора,

- ширина лопатки вентилятора на внешнем диаметре.

Внутренний диаметр вентилятора определяется по выбранным предварительным размерам

.

Коэффициент восстановления статического давления определяется конструкцией вентиляционной системы и получен по результатам обработки экспериментальных исследований:

-  при наличии после вентилятора спрямляющего аппарата ;

-  при наличии диффузора (после вентилятора) ;

-  при наличии камеры в щитах ;

-  при выходе на лобовую часть обмотки или в зазор .

При определении рабочей точки аэродинамическая характеристика воздухопровода () также должна быть рассчитана в относительных единицах (полученные значения H и Q в абсолютных единицах должны быть разделены на их базисные величины - и ). Если ввести понятие базисного аэродинамического сопротивления, то выражение для аэродинамической характеристики воздухопровода запишется в виде:

,

где: .

Соответственно, величина базисного аэродинамического сопротивления равна:

.

Расчет внешней аэродинамической характеристики встроенного вентилятора с использованием универсальной характеристики дает, как показал опыт проектирования таких вентиляторов, результаты достаточно близкие к действительным и может быть использован в вентиляционных расчетах электрических машин.

3.5.3.3. Аналитический метод расчета центробежного вентилятора с радиальными лопатками.

Центробежные вентиляторы с радиальными лопатками находят наиболее широкое применение в электрических машинах, так как позволяют обеспечить независимость охлаждения от направления вращения ротора. Почти все асинхронные электродвигатели с короткозамкнутой обмоткой ротора, выполняемой заливкой алюминием, снабжаются лопатками, отливаемыми одновременно с обмоткой и выполняющими роль вентилятора. Аналитический расчет центробежного вентилятора с радиальными лопатками достаточно полно приведен в [1, 2].

Аэродинамическая характеристика центробежного вентилятора, выраженная в относительных единицах, определяется уравнением:

.

По выбранному внешнему диаметру вентилятора (м) определяется окружная скорость на выходной кромке колеса, м/сек:

.

Из условия максимального КПД:

.

Сечение на выходной кромке, м2:

.

Ширина лопатки вентилятора, м:

,

где 0,92 учитывает уменьшение выходного сечения за счет конечной толщины лопаток.

Требуемое давление, которое должно создаваться вентилятором в системе охлаждения электрической машины, кг/м2:

,

где - полное аэродинамическое сопротивление охлаждающего тракта, .

Из уравнения аэродинамической характеристики вентилятора определяем напор холостого хода , кг/м2:

,

С другой стороны напор холостого хода определяется уравнением:

.

В этом соотношении:

- аэродинамический КПД вентилятора в режиме холостого хода;

- удельный вес газа, (для воздуха кг/м3);

, м/сек2 – ускорение силы тяжести.

Совместное решение системы двух последних уравнений позволяет определить окружную скорость на входной кромке вентилятора, м/сек

По окружной скорости определяется внутренний диаметр, м:

.

При определении рабочей точки построение аэродинамических характеристик вентилятора и охлаждающего тракта следует проводить в относительных единицах. За базисные значения для центробежного вентилятора с радиальными лопатками приняты:

Аэродинамическая характеристика охлаждающего тракта в относительных единицах может быть рассчитана по соотношению:

или получена переводом абсолютных значений напора и расхода в относительные путем их деления на базисные.

3.5.4. Проектирование осевых вентиляторов

Давление, создаваемое осевым вентилятором, определяется циркуляцией скорости потока вокруг профиля лопатки. Аналитическое определение этой скорости невозможно ввиду неопределенности целого ряда факторов, не поддающихся учету. На лопасть осевого вентилятора при его работе действуют подъемная сила , которая определяет величину развиваемого давления, и сила лобового сопротивления . Отношение этих сил называется качеством профиля лопатки

где: - коэффициент подъемной силы;

- коэффициент лобового рассеяния.

Наибольшее качество крыла обеспечивает лопатка крыловидной формы (рис. 3.12в), наименьшее – прямой лопаткой (рис. 3.12а).

Качество профиля лопатки определяется испытаниями в аэродинамической трубе для каждого конкретного профиля.

Эти обстоятельства обуславливают значительные трудности при проектировании осевых вентиляторов. Методика их расчета, базирующаяся на понятиях условных коэффициентов расхода q и напора h, все необходимые рекомендации по выбору размеров и углов установки лопаток (с различными профилями) для осевых вентиляторов, встраиваемых в электрические машины, наиболее полно приведены в [7, 8].

При наличии зависимостей коэффициентов подъемной силы и лобового сопротивления в функции угла атаки (угол между плоскостью лопатки и направлением вектора скорости потока), получаемых испытаниями в аэродинамической трубе, расчет осевого вентилятора возможен как по методике [7,8], так и по методике, представленной в [1,2].