Основы аэродинамических и тепловых расчетов в электромеханике (стр. 8 )

3.4.3. Учет влияния вращения ротора на аэродинамическое (гидравлическое) сопротивление.

Коэффициенты местных сопротивлений, приведенные в предыдущих разделах, справедливы для неподвижных охлаждающих трактов. В электрических машинах ротор (якорь) является вращающимся элементом, что должно быть учтено при расчете аэродинамических (гидравлических) сопротивлений, т. к. при вращении на поток охлаждающей среды воздействуют центробежные силы, вследствие чего изменяется поле скоростей в участках тракта. Изменение аэродинамического сопротивления происходит по нескольким причинам: возрастают местные сопротивления входа и выхода; движение охлаждающей среды под действием сил Кориолиса приобретает винтовой характер по отношению к стенкам канала, центробежные силы стабилизируют поток, вследствие чего увеличивается критическое число Рейнольдса .

3.4.3.1. Аксиальные вращающиеся каналы.

Как правило, во вращающихся аксиальных каналах течение потока является по своему характеру турбулентным. В этом случае для каналов, параллельных оси вращения, коэффициент трения определяется соотношением:

где: - коэффициент трения для неподвижного канала;

- линейная скорость потока в канале, м/сек;

u – окружная скорость по среднему диаметру каналов от оси вращения, м/сек.

Коэффициенты местных сопротивлений (вход и выход из каналов) определяются по эмпирическому соотношению:

где - коэффициент местного сопротивления на входе (сужение) или выходе (расширение) потока в каналах.

Линейная скорость потока в каналах определяется по расходу воздуха через каналы (в первом приближении эту скорость можно определить, рассчитав расходы воздуха по ветвям охлаждающего тракта без учета влияния вращения на величину аэродинамического сопротивления ротора).

Определение коэффициента трения в наклонных каналах по отношению к оси вращения (в зависимости от направления потока будет центростремительное или центробежное течение) приводится в [3,4].

3.4.3.2. Радиальные вращающиеся каналы

Коэффициент трения в радиальных вращающихся каналах определяется характером движения потока. Критическое число Рейнольдса для вращающихся радиальных каналов равно:

,

где - коэффициент вращения.

,

где: - средний радиус расположения сечения канала от оси вращения, м;

- гидравлический диаметр канала, м;

- линейная (средняя) скорость потока в канале, м/сек;

- окружная скорость канала по среднему радиусу , м/сек.

При характер движения потока ламинарный, при - турбулентный. Соответственно, коэффициент трения равен:

-  для ламинарного течения:

,

-  для турбулентного течения:

.

В этих соотношениях коэффициент определяется как для невращающихся каналов с учетом характера движения среды.

3.5. Вентиляторы электрических машин

3.5.1.Общие сведения о вентиляторах

Для обеспечения требуемого направления движения охлаждающего газа в электрической машине необходима установка специальных напорных элементов, которые называются вентиляторами. Вентилятор создает давление, которое компенсирует потери напора в системе охлаждения и обеспечивает прохождение через электрическую машину необходимого количества охлаждающего газа.

При использовании системы независимого охлаждения, как правило, применяются вентиляторы со своим приводным электродвигателем, представляющие отдельные устройства, выпускаемые промышленностью. Выбор такого вентилятора производится по требуемому для электрической машины количеству охлаждающего газа и напора , а установка определяется конструктивной схемой – на корпусе электрической машины или отдельно. Соединение вентилятора с охлаждающим трактом электрической машины осуществляется системой газопроводов.

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.

По конструктивному исполнению вентиляторы электрических машин подразделяются на три типа: центробежный, осевой (или пропеллерный) и комбинированный (объединяющий в себе оба первых типа, причем осевой вентилятор располагается внутри центробежного).

Принцип действия центробежного вентилятора основан на действии центробежных сил, которые при вращении рабочего колеса выбрасывают частицы рабочего газа наружу. При этом на входе создается разряжение, а на выходе колеса - повышенное давление. За счет созданной разности давлений обеспечивается направленное движение потока охлаждающего газа. Схематичная конструкция центробежного вентилятора показана на рис. 3.10.

а) б) в)

Рис. 3.10. Конструкция центробежного вентилятора

Для обеспечения нормального функционирования центробежного вентилятора он должен иметь следующие основные части (рис. 3.10а): сплошной диск 1, кольцо 2 и лопатки 3. В зависимости от места установки вентилятора с целью предотвращения циркуляции потока вокруг кольца 2 необходимо разделить области повышенного давления на выходе и разряжения на входе вентилятора. Эта задача решается установкой диффузора 4, что повышает эффективность работы вентилятора. При установке вентилятора в электрической машине в качестве его основных элементов могут использоваться конструктивные части самой электрической машины (например, торцевая поверхность сердечника ротора асинхронного электродвигателя вместо диска, щиты - вместо кольца и т. д.). Форма лопаток также выбирается исходя из условий повышения характеристик вентилятора. При обеспечении одинаковых сечений на входе и выходе (рис. 3.10б) повышается коэффициент полезного действия вентилятора, а фигурная конструкция выходной кромки лопатки (рис. 10в) обеспечивает безударный вход потока, что снижает уровень шумов механического происхождения.

В зависимости от конструкции и установки лопаток, а также характеристик электрической машины, центробежные вентиляторы подразделяются на три типа:

-  с лопатками, отогнутыми вперед по направлению вращения (для тихоходных нереверсивных электрических машин);

-  с радиальными лопатками (для реверсивных электрических машин независимо от частоты вращения);

-  с лопатками, отогнутыми назад против направления вращения (для быстроходных нереверсивных электрических машин).

Виды и основные обозначения размеров лопаток центробежных вентиляторов приведены на рис. 3.11.

а) б) в)

Рис. 3.11. Конструктивная форма и установка лопаток центробежного вентилятора: а – лопатки отогнуты вперед; б) – радиальные лопатки; в – лопатки отогнуты назад.

Следует отметить, что специфика конструкции электрической машины позволяет использовать конструктивные детали в качестве напорных элементов. Так, ротор явнополюсной синхронной машины можно рассматривать как центробежный вентилятор с радиальными лопатками.

Еще более эффективными напорными элементами являются распорки в вентиляционных каналах сердечника ротора асинхронной машины или шихтованном ободе ротора синхронной машины при радиальной схеме вентиляции. В целом ряде случаев вентилирующего действия конструктивных элементов электрической машины вполне достаточно для обеспечения циркуляции требуемого количества охлаждающего газа, что позволяет обойтись без установки отдельного вентилятора или проектировать его на более низкие величины расхода и напора.

Работа осевого вентилятора основана на принципе крыла, обеспечивающего осевое перемещение охлаждающего газа. Ввиду отсутствия радиального перемещения потока давление в осевом вентиляторе создается только за счет преобразования кинетической энергии вращения в циркуляцию скорости потока вокруг крыловидного профиля лопатки, вследствие чего на выходе вентилятора создается повышенное давление. Конструктивные элементы и определяющие размеры осевого вентилятора показаны на рис.3.12. Основными конструктивными элементами осевого вентилятора являются: 1 – втулка вентилятора, 2- цилиндрический кожух, 3 – лопатка.