Основы аэродинамических и тепловых расчетов в электромеханике (стр. 9 )

Рис. 3.12. Конструкция осевого вентилятора.

Лопатки осевого вентилятора могут выполняться из прямых пластин (рис.3.12а), пластин изогнутых по профилю крыла равной толщины (рис. 3.12б), и пластин крыловидной формы (рис. 3.12в). Крыловидная форма лопатки обеспечивает наилучшие характеристики осевого вентилятора и ей следует отдавать предпочтение несмотря на большую трудоемкость изготовления.

Теория вентиляторов электрических машин, принципы их работы и вопросы проектирования рассматриваются в [1, 2, 3, 4, 7, 8] в достаточно полном объеме, позволяющем использовать приведенный материал при конкретном проектировании вентиляторов электрических машин. Рекомендации по проектированию вентиляторов электрических машин базируются на результатах большого количества экспериментальных исследований, позволяющих обеспечить необходимую точность расчета. В последующих разделах рассматриваются методы расчетов вентиляторов с использованием указанных рекомендаций.

3.5.2. Особенности проектирования вентиляторов электрических машин.

Встроенный вентилятор конструктивно связан с электрической машиной, что требует при его проектировании учета ряда особенностей:

-  частота вращения вентилятора предопределена частотой вращения электрической машины;

-  размеры вентилятора и возможности применения диффузора ограничены конструктивными размерами электрической машины и местом размещения самого вентилятора;

-  коэффициент полезного действия вентилятора должен быть максимально возможным, т. к. потери в вентиляторе влияют на полный коэффициент полезного действия электрической машины;

-  шумы механического происхождения вентилятора влияют на уровень шума электрической машины;

-  основные величины – расход охлаждающего газа и давление – обеспечиваемые вентилятором, определяются аэродинамической характеристикой охлаждающего тракта электрической машин, которая в свою очередь обусловлена выбранной системой вентиляции.

Выбор типа вентилятора следует производить с учетом следующих факторов:

-  центробежный вентилятор характеризуется тем, что развивает большой напор, но имеет малый коэффициент полезного действия (с лопатками, отогнутыми вперед - ; с радиальными лопатками - ; с лопатками, отогнутыми назад - );

-  осевой вентилятор характеризуется тем, что развивает небольшой напор, но имеет коэффициент полезного действия, равный 0.8.

Специфика конструкции электрических машин такова, что аэродинамическое сопротивление охлаждающего тракта у машин малой и средней мощности достаточно велико. Поэтому для обеспечения требуемого расхода газа следует создать большое давление, что обуславливает выбор центробежного вентилятора. Если при этом электрическая машина должна обеспечивать реверсивную работу, то применяется только центробежный вентилятор с радиальными лопатками, имеющий наиболее низкий КПД.

В крупных электрических машинах, а также если удается обеспечить низкое аэродинамическое сопротивление тракта в любых машинах, следует применять осевой вентилятор.

Для расчета вентилятора электрической машины в общем случае необходимо решить систему двух уравнений, состоящую из уравнений аэродинамической характеристики охлаждающего тракта и аэродинамической характеристики вентилятора

.

Трудоемкость решения этой системы уравнений заключается в том, что аэродинамическая характеристика вентилятора является сложной функцией и не всегда можно получить решение системы уравнений в аналитической форме (исключение центробежный вентилятор с радиальными лопатками). Поэтому в практических расчетах наиболее распространен графический метод решения, сущность которого заключается в следующем (рис.3.13):

-  строится аэродинамическая характеристика охлаждающего тракта ;

-  по выбранным размерам вентилятора строится внешняя характеристика ;

-  точка пересечения характеристик определяет расчетные значения напора и расхода охлаждающего газа , обеспечиваемого вентилятором.

Для рационально спроектированной системы охлаждения должны выполняться условия

В этих соотношениях - требуемый расход охлаждающего газа, - максимальный расход, обеспечиваемый вентилятором в режиме к. з. (для центробежных вентиляторов).

При невыполнении этих условий следует соответствующим образом изменить размеры вентилятора и, если этого недостаточно, размеры охлаждающего тракта.

3.5.3. Проектирование центробежных вентиляторов.

3.5.3.1. Предварительный выбор размеров вентилятора

Задача аэродинамического расчета встроенных вентиляторов электрических машин сводится е определению его конструктивных размеров, типов лопаток, углов их установки и направляющих аппаратов, если они применяются. Исходными данными являются необходимый расход охлаждающего газа для отвода потерь, выделяемых в электрической машине, и напор, величина которого определяется аэродинамическим сопротивлением охлаждающего тракта. С учетом сложной зависимости выражения для внешней аэродинамической характеристики вентилятора может быть рекомендован следующий порядок проектирования центробежного вентилятора:

-  с учетом конструкции и места установки вентилятора выбирается его наружный размер – диаметр ;

-  из условия обеспечения максимального расхода охлаждающего газа , или по рекомендациям [7, 8] определяется ширина лопатки с учетом её формы;

-  по рекомендациям [7, 8] выбираются: высота лопатки, внутренний диаметр, углы установки, число лопаток;

-  рассчитывается внешняя аэродинамическая характеристика вентилятора и определяются рабочие значения расхода , и напора , как было показано в предыдущем разделе.

По анализу полученных результатов принимаются решения по корректировке размеров вентилятора, и повторяется расчет внешней аэродинамической характеристики до обеспечения необходимых результатов.

Расчет внешней аэродинамической характеристики вентилятора приводится в [1, 2, 4, 7] с учетом значительного экспериментального материала. Методики расчетов, приводимые в литературе, различны, но в той или иной степени обеспечивают удовлетворяющие практику результаты. Предварительный выбор размеров вентилятора, необходимых для расчета внешней аэродинамической характеристики, может быть произведен в соответствии с рекомендациями [7, 8], а расчет внешней аэродинамической характеристики – по методике, изложенной как в [7, 8], так и в [4].

Следует отметить, что для центробежного вентилятора с радиальными лопатками внешняя аэродинамическая характеристика может быть представлена в аналитическом виде, что позволяет непосредственным решением системы уравнений аэродинамической характеристики воздухопровода и внешней аэродинамической характеристики вентилятора определить все размеры вентилятора с учетом конструкции электрической машины без их предварительного выбора [1, 2].

Оптимальная длина лопатки для вентиляторов с радиальными и наклоненными назад лопатками составляет . Угол наклона лопатки (угол между касательными к лопатке и внешней окружности, см. рис.3.11) равен: вентиляторы с радиальными лопатками , с наклоненными назад (до 40°). Число лопаток обычно выбирается а пределах (наиболее близким к оптимальному является ).

Для вентиляторов с загнутыми вперед лопатками соответственно длина хорды равна при радиусе кривизны ; (до 40°), число лопаток .

Предварительная ширина лопатки на внешнем диаметре определяется из условия работы вентилятора при максимальном значении энергетического КПД по соотношению

,

где: - линейные размеры, м;

n – частота вращения, об/мин.

Значение коэффициента k берется в зависимости от формы лопатки: для загнутых назад - , радиальных - , загнутых вперед - .