Основы аэродинамических и тепловых расчетов в электромеханике (стр. 3 )

В связи с большой сложностью и актуальностью теплового и вентиляционного (гидравлического) расчетов электрических машин результаты расчета должны быть подтверждены экспериментальными исследованиями. Постановка эксперимента должна быть обоснована для каждой конкретной задачи, иначе полученные результаты эксперимента на моделях не могут быть распространены на оригинал. Научную основу эксперимента дает теория гидромеханического подобия при аэродинамических (гидравлических) расчетах и теплового подобия при тепловых расчетах. В теории подобия коэффициенты уравнения выражаются в числах представляющих собой значения физических констант (безразмерные критерии).

Чаще других в прикладной теплофизике и прикладной гидродинамике, а том числе в соответствующих разделах теории электрических машин, применяются критерии подобия, приведенные ниже.

Критерий Рейнольдса является мерой отношения инерционных сил в потоке движущейся среды к силам внутреннего трения.

Критерий Фурье определяет отношение между темпом изменения окружающих условий (t0) и темпом перестройки температурного поля внутри тела ().

Критерий Био есть мера отношения температурного перепада в теле к температурному перепаду между средой и телом.

Критерий Эйлера характеризует падение давления при движении охлаждающей среды.

Критерий Прандтля является сложной физической константой среды.

Критерий Грасгофа характеризует свободное движение жидкой или газообразной среды под действием разности температур.

Число (критерий) Нуссельта является по существу безразмерной формой коэффициента теплообмена (коэффициента теплоотдачи).

В этих соотношениях обозначены: -характерный линейный размер (например гидравлический диаметр); - скорость движения среды; -кинематическая вязкость; -характерный отрезок времени; - коэффициент теплоотдачи; - коэффициент теплопроводности тела; - потери давления; - плотность среды; - разность температур; - коэффициент теплового расширения; - теплопроводность охлаждающей среды (газ или жидкость); g – ускорение силы тяжести; - температуропроводность.

Температуропроводность определяется соотношением:

,

где - удельная теплоемкость окружающей среды (газ или жидкость) при постоянном давлении.

Результаты экспериментальных исследований обрабатываются в виде критериальных уравнений, которые позволяют определить искомые величины (например - коэффициент теплоотдачи с поверхности тела в окружающую среду). Следует отметить, что результаты экспериментальных исследований могут быть перенесены на широкий диапазон объектов, которые характеризуются критериями подобия равными исследуемому объекту.

Разработка разделов проектирования систем охлаждения, аэродинамических и тепловых расчетов была начата основоположниками теории и проектирования электрических машин Г. Арнольдом, Р. Рихтером, Г. Готтером и другими за рубежом, , и другими в нашей стране. Вопросы, касающиеся аэродинамических, гидравлических и тепловых расчетов электрических машин в большей или меньшей мере отражены в учебной литературе по проектированию электрических машин [1,2 11, 13, 14, 16, 17]. Объем материала в учебной литературе позволяет выполнить аэродинамические и тепловые расчеты на оценочном уровне и практически не раскрывает теоретические основы этих расчетов.

В наибольшей мере отвечает требованиям по изучению проектирования систем охлаждения электрических машин учебник «Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах» (авторы , , ), в котором в достаточной мере раскрыты вопросы теории газогидродинамики и термодинамики и приводятся рекомендации по выполнению вентиляционных и тепловых расчетов электрических машин с учетом последних достижений научных работ в этой области.

Возросшие требования к повышению технико-экономических показателей электрических машин, которые во многом могут быть реализованы совершенствованием систем охлаждения и методов их расчета, обусловили и рост во второй половине 20 века научных исследований в области аэродинамических и тепловых расчетов электрических машин как общепромышленного, так и специального (тяговые, погружные и др.) назначения.

Вопросы аэродинамических и тепловых расчетов электрических машин общепромышленного назначения достаточно полно отражены в [5, 6, 10 и др.], крупных электрических машин (гидрогенераторы, турбогенераторы и др.) - в [4, 12, 14 и др.], краново-металлургических электродвигателей – в [15].

Важнейшие научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по системам охлаждения, разработке методов аэродинамических, гидравлических и тепловых расчетов выполнены на отечественных электромашиностроительных предприятиях и научно-исследовательских институтах электромашиностроения, таких как «Электросила», ВНИИЭМ, ВНИИЭлектромаш, Институт электродинамики и другие.

Результаты исследований, опубликованные в большом количестве научно-технической литературы, позволяют повысить точность аэродинамических и тепловых расчетов и, в конечном итоге, обеспечить главную цель проектирования электрических машин – максимально повысить уровень технико-экономичесих показателей.

2. Нагрев и охлаждение электрических машин

При работе электрической машины в процессе преобразования механической энергии в электрическую (генератор) и наоборот (двигатель) выделяются потери: электрические (основные и добавочные), магнитные (основные и добавочные) и механические, которые вызывают ее нагрев, оказывающий наиболее вредное влияние на изоляцию, определяющую в конечном итоге надежность и срок службы электрической машины. Таким образом, электрическая машина должна рассматриваться не только как электромеханическая система, но и как гидравлическая и тепловая.

Обеспечение допустимого температурного режима является основной задачей при разработке системы охлаждения электрической машины. Решение ее заключается в выработке рационального сочетания источников тепла и путей теплопередачи энергии в окружающее пространство.

Сложность теплового расчета заключается в том, что конструкция любой электрической машины представляет собой композицию, состоящую из активных элементов (электротехническая сталь, медный обмоточный провод) и конструкционных элементов (изоляция, узлы из различных материалов). Хотя применяемые материалы являются изотропными, электрическая машина в общем случае является анизотропной или ортотропной. Основные свойства такой системы - теплоемкость, теплопроводность, плотность – меняются в зависимости от направления передачи тепла.

2.1. Системы охлаждения электрических машин, эффективность и экономичность

Повышение технико-экономических показателей электрических машин определяется свойствами обмоточных проводов, электротехнической стали, изоляции, конструкционных материалов, совершенствованием конструкции и разработкой эффективных систем охлаждения. В настоящее время свойства материалов практически исчерпаны и ожидать резкого их повышения не приходится. Достаточно полно использованы и возможности совершенствования конструкции и технологии изготовления электрических машин. Следовательно, практически единственным решением для повышения технико-экономических показателей электрических машин является разработка новых эффективных систем охлаждения.

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 др.). Принудительное движение охлаждающей среды повышает эффективность съема тепла с поверхности тела, при этом необходимо обеспечить движение охлаждающей среды возможно ближе к местам выделения тепловой энергии. Решение этих задач достигается формированием тракта охлаждения (каналы, направляющие диффузоры и т. д.) и установкой 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 составляет систему охлаждения электрической машины.