книги из ГПНТБ / Борисенко А.И. Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах
.pdfА. И. БОРИСЕНКО,В.Г. ДАНЬКО, А. И. ЯКОВЛЕВ
■ |
- .* |
; .■ |
" '■ |
АЭРОДИНАМИКА
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
МАШЙЙАХ • .....
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
Я |
. .-г'. |
Ч |
U ^ .^ b H O lP O |
ЗАЛА I |
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
Б 051(01)-74 |
107-73 |
6П2.1.081 |
|
|
© 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
ловому— потокам проведено много исследований, |
хоро |
шо раскрывающих физическую картину явлений. |
Это |
нашло свое выражение в довольно точных методах рас чета, которыми сейчас широко пользуются при проекти
ровании машин. Три |
другие — тепловой, охлаждающий |
и смазочный потоки, |
т. е. объекты аэрогидродинамики |
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.
Характеристики теплового |
потока и |
решение задач |
охлаждения электрических |
машин |
рассматривались |
в первом приближении как |
у нас основоположниками |
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
А. И. Яковлевым совместно; гл. 9 и 10, |
а также § 6-4, |
|
«д», «е», |
«ж» написаны доктором техн. наук В. Г. Данько. |
|
При |
изложении материала используется преимуще |
|
ственно Международная система единиц |
(СИ). Однако |
|
в некоторых случаях, когда в качестве |
примеров при |
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
|
|
|
|
|
|
Рис. 1-1. Переход |
|||||
|
|
|
|
|
|
ное |
|
напряжение |
|||
|
|
|
|
|
|
щеток |
в |
зависи |
|||
|
|
|
|
|
|
мости |
от |
плотно |
|||
|
|
|
|
|
|
|
сти тока. |
|
|||
|
|
|
|
|
|
1 — состояние покоя, |
|||||
|
|
|
|
|
|
постоянный ток; 2 — |
|||||
|
|
|
|
|
|
вращение, |
постоян |
||||
|
|
|
|
|
|
ный ток; 3 — враще |
|||||
|
|
|
|
|
|
ние, |
|
переменный |
|||
|
|
|
|
|
|
ток; |
4 — эффектив |
||||
|
|
|
|
|
|
ная |
плотность |
тока |
|||
|
|
|
|
|
|
для кривых За и 36; |
|||||
|
|
|
|
|
|
а — направление то |
|||||
|
|
|
|
|
|
ка |
металл — щетка; |
||||
|
|
|
|
|
|
б — направление |
то |
||||
|
|
|
|
|
|
ка щетка—металл. |
|||||
потерь на трение Р тр.щ и |
электрических |
потерь |
Рэщ |
||||||||
[Л. 5, 11]: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рщ.к== Ртр.щ_ЬРа.щ= ^тр/щ5щШк_Ь2АІ/щ/щ, |
вТ. |
|
(1-1) |
||||||||
Здесь |
wK— окружная |
скорость |
коллектора, |
ж/сек; |
|||||||
5 Щ— общая площадь соприкосновения, |
сж2; &Тр— коэф |
||||||||||
фициент |
трения; |
/щ— давление щетки |
на |
|
коллектор, |
||||||
кгс/сж2; |
А0 Щ— переходное напряжение в контакте меж |
||||||||||
ду щетками и коллектором, в; |
/ щ — полный ток, а. |
|
|
||||||||
Обычно £тр=0,2-ь0,3 для |
коллекторов и &тр=0,15-т- |
||||||||||
0,17 для |
контактных колец; для обычных |
машин |
|
|
|||||||
= 0,15 ч-0,25 кгс/сж2; для тяговых /щ= 0,5 |
кгс/сж2 и более. |
||||||||||
Согласно ГОСТ 11828-66 ДНЩ=1 в |
для угольных и гра |
||||||||||
фитных |
щеток, |
АНЩ= 0,3 |
в — для |
металлоугольных |
и |
металлографитных на один контакт. По опытным дан
ным (Л. 11] Аи щ иногда достигает 2 в |
(рис. 1-1). |
|
|
Для контактных колец асинхронных машин |
|
||
Рэ.щ = tnД іП щ /к, |
|
(1 -2 ) |
|
где /,(— ток кольца (при соединении |
обмотки |
ротора |
|
звездой т = 3 и /к= /2; при |
соединении треугольником |
||
т = 3 и I K = h V 3 ). |
постоянного тока |
потери |
|
В быстроходных машинах |
|||
в щеточном контакте могут достигать |
40—50% |
суммы |
потерь в машине І[Л. 4] и нагрев коллектора оказывает значительное влияние на тепловое состояние обмоток.
Доля потерь, отводимая щетками Рщ, зависит от те
плопроводности |
щеток |
и частоты |
вращения коллектора |
и составляет |
[Л. 5] |
15—35% |
общих потерь Рщ.к |
(рис. 1-2). |
|
|
|
8
Потери в подшипниках. Для подшипников скольже ния потери определяются выражением
Pn = kudnlnW\\fxi, |
(1-3) |
где fn= Fn/Sn— давление, н/л2; Sn— проекция |
шейки |
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
С — 9,75 |
1+ 0,5wa |
(1-4) |
|
|
Потери в подшипниках качения определяются выра жением
Р |
|
= г£ |
|
G |
■wn |
(1-5) |
|
ПТГГ |
тр |
dUyi |
|||||
1 |
|
------- |
К |
||||
|
|
|
|
|
|
|
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]
Рмех.вн = Q H i = Q Дп/'йгЦмех- |
(1 - 6 ) |
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].
Потери на трение де талей о воздух (или другой газ, или жид кость) составляют зна чительную часть общих
Рис. 1-2. Зависимость потерь, отво димых щетками, от скорости на кол лекторе [Л. 5].
------ — щетки марки Э Г 8 ;------------ щет ки марки МГС7. Превышение температу
ры коллектора |
над корпусом: ф — 30; |
0 — 50; |
Д — 70 и □ — 80 °С. |
9