книги из ГПНТБ / Борисенко А.И. Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах

А. И. БОРИСЕНКО, В. Г. ДАНЬКО, А. И. ЯКОВЛЕВ

АЭРОДИНАМИКА

ИТЕПЛОПЕРЕДАЧА

ВЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

МАШИНАХ

«ЭНЕРГИЯ» МОСКВА 1974

6П2.1.081 Б 82

УДК 621.313.617.71.001.24

Г Ь V

if/46

Борисенко А. И. и др.

Б 82 Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах. М., «Энергия», 1974.

560 с. с ил.

Перед загл. авт.: А. И. Борисенко, В. Г. Данько, А. И. Яковлев.

Книга освещает основы аэродинамики и теплопередачи и примене­ ния их к тепловым и вентиляционным расчетам вращающихся электри­ ческих машин. Имея в виду стремительное совершенствование методов расчетов и усложнение систем охлаждения в первой части авторы дали несколько расширенные сведения общего характера по аэродинамике и теплообмену. Во второй части обобщены результаты исследований систем вентиляции электрических машин; приводятся методы гидрав­ лического и теплового расчетов.

Книга рассчитана на инженеров электромашиностроительных спе­ циальностей, работников лабораторий и студентов энергетических и машиностроительных вузов.

30307-307

© Издательство «Энергия», 1974 г.

П Р Е Д И С Л О В И Е

Рациональное охлаждение является важнейшим сред­ ством снижения массы электрических машин наряду с увеличением нагрузки активных элементов, .применени­ ем новых изоляционных материалов, качественных ста­ лей. Распределение охлаждающего потока в соответствии с распределением источников тепла должно обеспечить допустимую равномерно распределенную температуру проводников.

В электрической машине можно наметить шесть по­ токов энергии и вещества: электрический, магнитный, силовой, тепловой, охлаждающий, смазочный.

По первым трем-— электрическому, магнитному и си­

нашло свое выражение в довольно точных методах рас­ чета, которыми сейчас широко пользуются при проекти­

и теплообмена изучены меньше.

Если на заре электромашиностроения конструкция машины определялась в основном требованиями пра­ вильного построения электрического, магнитного и сило­ вого потоков, то с повышением удельных нагрузок пра­ вильная организация отвода тепла, выделяемого в актив­ ных частях электромашин, приобретает решающее зна­ чение. Для получения лучших характеристик новых -серий электрических машин и, в частности, новых мощных тур­ богенераторов приходится применять меры для интенси­ фикации теплоотдачи и снижения температуры машин. Выбор конструктивных мероприятий должен базировать­ ся на тепловом расчете, который еще в ходе проектиро­ вания должен дать возможность -вычислить распределе­ ние температуры в машине и оценить влияние на него различных факторов.

Обычно охлаждающей средой является либо газ, либо жидкость и все процессы теплообмена определяют­ ся очень сложным характером течения охлаждающей среды, связанным с такими явлениями, как турбулент­ ность, вихреобразования и в отдельных случаях сжимае­ мость газа. Получить точные решения соответствующих

3

уравнений движения охлаждающей среды, как правило, не удается. Большой опыт теоретического и эксперимен­ тального изучения движения жидкости и газа, накоплен­ ный за последние три-четыре десятилетия, используется в электромашиностроении все еще недостаточно. Отдель­ ные, иногда даже значительные, исследования носят слу­ чайный характер, часто страдают бедностью применяе­ мой экспериментальной техники, не имеют достаточного теоретического обоснования и представляются в такой форме, что результаты их трудно применить в расчетной практике.

Для обобщения результатов экспериментальных аэрогидромеханических исследований электрических машин большое значение имеют методы теории подобия.

Следует отметить, что если охлаждающий воздух рас­ сматривать как активный материал, входящий в конст­ рукцию электрической машины, то он является наиболее дорогим. На перемещение охлаждающей среды в элек­ трических машинах расходуется 2—3% всей вырабаты­ ваемой электроэнергии.

Отметим и тот факт, что в некоторых случаях усло­ вия охлаждения определяют возможность постройки ма­ шины. Так, создание генераторов в 200, 300, 500, а те­ перь в 1 000 Мвт и более было бы невозможно без суще­ ственных достижений в области охлаждения, например без применения внутреннего непосредственного охлаж­ дения обмоток. Этим объясняется то, что основные иссле­ дования касались крупных машин, хотя относительные потери на охлаждение в них невелики. В то же время миллионы мелких и средних машин, потребляющих энер­ гию, выработанную крупными производителями энергии,

ив которых процент потерь на охлаждение в 3—4 раза

иболее выше, чем в турбогенераторах, обладают очень несовершенной конструкцией вентиляторов, вентиляцион­ ных каналов, теплоотдающих поверхностей. Если учесть, что эффективное использование электроэнергии электро­ станций требует примерно трехкратной установленной

мощности у потребителей, то несовершенство систем охлаждения миллионов электродвигателей малой и сред­ ней мощности может свести к нулю всю экономию, до­ стигнутую в мощных генераторах.

4

электромашиностроения А. Е. Алексеевым, М. П. Кос­ тенко, так и за рубежом — Лившицом, Рихтером и др. Большие успехи аэрогидромеханики и учения о тепло­ обмене последних лет, связанные в значительной мере с развитием авиации, позволяют применить эти резуль­ таты и в электромашиностроении при более тщательном анализе теплового и охлаждающего потоков.

Смазочный поток в электрической машине таков же, как и в других машинах. Теоретической основой расче­ та смазки подшипников и подпятников скольжения, при­ меняемых в крупных электрических машинах, является решение некоторых задач о течении вязкой жидкости в узких каналах между движущимися и неподвижными границами. Аналогичные задачи о течении вязкой жидкости выдвигаются ери расчете жидкостных уплот­ нений мощных турбогенераторов с водородным охлаж­ дением.

Для отвода тепла, кроме воздуха, применяются так­ же вода, масло, а в крупных турбогенераторах-—водо­ род; по-видимому, в ряде случаев целесообразно приме­ нение непосредственного охлаждения жидкостями, на­ пример фреоном; испарительного охлаждения; систем с применением вихревых и тепловых труб; использова­ ние криогенной техники и т. д.

Следует учесть, что во всех электрических машинах, имеющих практическое применение в настоящее время, теплопередача с активных частей и конструктивных эле­ ментов, в которых выделяется тепло в результате движе­ ния электрического тока и магнитного потока, направ­ лена в сторону окружающей среды. Чем эффективнее эта теплопередача, т. е. чем меньше тепловое сопротив­ ление между активными материалами и окружающей средой, тем большие удельные электромагнитные нагруз­ ки могут быть допущены, тем выше будет использование электрической машины.

В последние годы появилось несколько моделей крупных электрических машин, в которых используется явление сверхпроводимости. Энергетические затраты на поддержание сверхпроводимости являются здесь основ­ ными потерями, и главной проблемой, связанной с воз­ можностью использования сверхпроводящих материалов и чистых металлов, является проблема создания надеж­ ной и высокоэффективной тепловой изоляции и созда­ ния надежных методов расчета.

5

В предлагаемой книге сделана попытка наряду с на­ ложением результатов исследований в области аэроди­ намики и теплопередачи электрических машин, которые авторы ведут в течение многих лет в Харьковском авиа­ ционном институте и на заводах ХЭМЗ и «Электротяжмаш», обобщить и систематизировать литературный ма­ териал. Ознакомление конструкторов и расчетчиков элек­ трических машин с новыми методами тепловых и аэро­ динамических расчетов поможет им при разработке но­ вых электрических машин. Авторы надеются, что книгапривлечет внимание аэромеханикой и теплотехников к этой важной области техники.

Перенос достижений и опыта, методов и точности аэродинамических и тепловых расчетов, характерных для некоторых отраслей промышленности (например, авиа­ ционной) в электротехническую отвечает по мнению авторов духу времени. Этим путем можно существенно улучшить технические показатели электрических машин и аппаратов и получить значительный экономический эффект.

Главы 1—8, § 10-1, 10-2 и частично § 10-5 написаны доктором техн. наук А. И. Борисенко и канд. техн. наук

влекаются результаты экспериментальных работ, сохра­ нены единицы измерения величин в других единицах, применяющихся в практике, например кгс/см2, мм вод. ст. и др.

Авторы выражают глубокую благодарность и призна­ тельность доктору техн. наук П. М. Ипатову, канд. техн. наук Г. Г. Счастливому и канд. физ.-мат. наук Э. П. Зи­ мину, взявшим на себя труд по рецензированию и ре­ дактированию и сделавшим ряд. ценных указаний, что несомненно улучшило книгу. Авторы признательны кол­ лективам кафедры ГТД и РД Харьковского авиаинсти­ тута и отраслевой лаборатории аэродинамики и тепло­ передачи в электрических машинах и аппаратах (ОЛАТЭМА). Особенно большую помощь при оформле­ нии рукописи оказали канд. техн. наук Т. Н. Травкина и инж. О. Н. Костиков.

Авторы

6

Г л а в а п е р в а я ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАГРЕВАНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

1-1. Источники тепловыделения

Источниками тепла в электрических машинах явля­ ются места сосредоточения потерь.

Потери определяются в ходе электромагнитного рас­ чета при проектировании машины [Л. 1, 2, 11] и при те­ пловом расчете предполагаются заданными; приведен­ ные здесь соотношения могут служить только для пред­ варительной оценки.

Обычно потери разбивают на четыре группы.

1.Механические потери: а) на трение токосъемных щеток, б) на трение в подшипниках и в) вентиляцион­ ные (на перемещение охлаждающей среды).

2.Электрические потери: а) в обмотках статора и ротора, б) в скользящем контакте щеток и в) на воз­ буждение.

3.Магнитные потери: а) гистерезисные и б) вихре­ вые в стали, связанные с основным магнитным потоком.

4.Добавочные потери: а) в стали и б) в обмотках. Потери первых трех групп принято называть основ­

ными.

Добавочные потери связаны с высшими гармониками магнитного потока, с вытеснением его в пазы и рассеи­ ванием в области концевых частей. Эти потери довольно значительным и распределены неравномерно. Так как большая часть добавочных потерь сосредоточена в по­ верхностном слое толщиной несколько миллиметров, то их удельное значение может во много раз превосходить удельное значение основных потерь [Л. 3, 10, 11].

В общем случае потери являются функцией коорди­ нат и времени. Однако в большинстве практических за­ дач достаточно знать суммарные распределенные потери в отдельных элементах машины при установившемся те­ пловом режиме.

Потери в коллекторах и контактных кольцах. Нагрев коллектора и колец обусловлен потерями в скользящем контакте Рщ.к, которые складываются из механических

7

металлографитных на один контакт. По опытным дан­

потерь в машине І[Л. 4] и нагрев коллектора оказывает значительное влияние на тепловое состояние обмоток.

Доля потерь, отводимая щетками Рщ, зависит от те­

8

Потери в подшипниках. Для подшипников скольже­ ния потери определяются выражением

вала на диаметральную плоскость вала, мг\ Fn— нагруз­ ка на подшипник, н\ dn и /п — диаметр и длина цапфы, м; wa— окружная скорость цапфы, м/сек, и ka— коэффици­ ент трения. Согласно исследованиям Тоцера и Детмара

[Л. 6] &п= СѴ ®п//щ7цпри шп=0,5ц-4ж/сс/с и kn= C/fuTn

при wп^ЛО місек. Здесь Тц — температура цапфы и С — константа, определяемая формулой

Потери в подшипниках качения определяются выра­ жением

где G — нагрузка на кольцо подшипника, н; dnm— диа­ метр окружности, проведенной через центры -шариков или роликов, м, и Шщд — окружная скорость вала, місек.

Для шариковых подшипников (машины малой перед­ ней мощности) -Атр= 0,002-ь0,003.

Вентиляционные потери. Основную долю этих потерь составляет мощность привода -вентиляторов [Л. 346]

Здесь Q — расход воздуха; Я т — теоретический напор вентилятора, Нп — фактический напор, цг и цмех— ги­ дравлический и меха­ нический к. п. д. Рас­

ход Q обычно с по­ мощью теоретических или эмпирических фор­ мул связан с геометри­ ческими параметрами вентилятора [Л. 121, 122, 296].

9