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

Рис. 3-22. Распределение средней скорости воздуха по длине межреберных каналов закрытых оребренных элек­ тродвигателей мощностью 1,5—16 кет различных серий и фирм.

лах статора при пакетированном сердечнике. Результаты измерений дают:

где коэффициент Ei=f(l/d) определяется из рис. 3-7 (кривая 1). Течение воздуха и теплообмен в межреберных каналах обду­ ваемых электродвигателей исследовались нами непосредственно на натурных корпусах [Л. 307, 310]. В полуоткрытых межреберных каналах следует учитывать рассеяние (торможение) потока и по­ вышение температуры воздуха при протекании вдоль ребер. Изме­ рения показывают, что на начальных участках межреберных кана­ лов имеется существенная неравномерность скоростей по попереч­ ному сечению. При движении воздуха область максимальной скорости в различных сечениях может перемещаться от одной стенки канала к другой, а по длине канала наблюдается торможе­ ние потока. Для количественной характеристики торможения скорость в нескольких фиксированных сечениях осреднялась по 5—9 замерам. На рис. 3-22 показано изменение средней скорости

с различием высоты h и ширины Ьі межреберных каналов {эквива­

ПО

111

I

теплоотдачи на входе для межреберных каналов верхней и нижней частей машины соответственно. Зависимость параметра у для полу­ открытых каналов от DKjdaKB приведена на рис. 3-24. Значения а вхі

Здесь при обработке экспериментальных данных в качестве характерных параметров приняты daІ!ВІ и эффективная скорость шЭф, равная среднеквадратичному значению скорости воздуха на входе в межреберные каналы шр, определяемой по расходу воздуха, и половинной окружной скорости наружного вентилятора, т. е.

определены эмпирические формулы для коэффициентов теплоотдачи наружной поверхности щитов со стороны вентилятора ащі и со

3-3. Теплообмен в роторах

В роторах электрических машин встречаются осевые и радиаль­ ные каналы. Опыт показывает, что вращение ротора может оказы­ вать заметное влияние на гидравлическое сопротивление и тепло­ отдачу в этих каналах. Эффект связан с влиянием центробежных и кориолисовых сил на движение охлаждающей среды. При этом могут возникать вторичные течения, накладывающиеся на основ-

112

ное течение. Вторичные течения представляют собой установив­ шееся циркуляционное движение среды в отдельных зонах течения в результате действия активных массовых сил и градиента плот­ ности. Как известно, свободная конвекция в поле тяжести может привести к интенсивному движению среды и теплоотдаче в каналах.

и конвекция, обусловленные разностью плотностей горячей и хо­ лодной жидкости, во вращающихся каналах оказываются довольно значительными. При этом существенно возрастает и теплоотдача, причем критериальное уравнение теплоотдачи во вращающихся

скорость.

Вторичные течения приводят к увеличению сопротивления и теплообмена в каналах, но в ряде случаев вращение оказывает на сопротивление и теплообмен противоположное воздействие.

Теплообмен в каналах, вращающихся вокруг оси. При малых Re, когда турбулентность еще не возникает, коэффициент тепло­ отдачи увеличивается с ростом угловой скорости. Однако имею­ щихся в литературе данных недостаточно для установления кри­ териального уравнения.

При переходе к турбулентному течению интенсивность тепло­

при u/w = 0,95-i-10.

Для расчета теплообмена на начальном участке вращающейся трубы можно использовать формулу, полученную опытным путем при исследовании теплообмена в короткой трубе (ljd~30) при тур­ булентном течении воздуха [Л. 340]

и и w соответственно. В качестве характерного линейного размера

принимается диаметр трубы d.

Теплообмен в каналах, вращающихся вокруг внешней оси, при отсутствии вынужденного движения среды. Опыт показал, что

113

его температура повышается, а плотность уменьшается. В резуль­ тате действия центробежных сил более нагретый газ отжимается холодным к нижней части трубы, откуда через открытые концы канала вытекает наружу вытесняемый новой массой подогревае­ мого газа. Образуется конвекционное течение, при котором нагре­ тый легкий газ движется в направлении, противоположном дейст­ вию центробежной силы. Этот эффект аналогичен свободной конвекции в неподвижном подогреваемом коротком канале, разви­ вающейся под действием гравитационного поля. Однако так как центробежное ускорение во много раз превышает ускорение силы тяжести, то свободная конвекция во вращающемся канале оказы­

щающегося канала электрической машины может обеспечить тепло­ отдачу того же порядка, что и вынужденная конвекция.

Для оценки величины а во вращающихся каналах можно пользоваться уравнением, полученным при исследовании теплоот­ дачи воздуха в условиях свободной конвекции [Л. 32]:

причем ускорение в Gr* равно со2/?.

Теплообмен в каналах ротора при вынужденном течении охла­ дителя. Надежные данные по теплоотдаче при этих условиях были получены в экспериментах, проведенных на электромашинах и мо­ делях. Опыты, проводившиеся Либе [Л. 51] на модели ротора турбогенератора, показали, что для вычисления коэффициента теп­ лоотдачи в гладких и относительно длинных каналах стержней

сти имеют малую относительную длину и значительную шерохо­ ватость поверхности. Вынужденное течение среды в таких каналах является неустановившимся.

Результаты исследований теплоотдачи в осевых каналах рото­ ров, проведенных нами на асинхронных электродвигателях с акси­

114

В (3-49) и (3-50) за характерную скорость принята скорость охладителя в канале, а за характерный размер — эквивалентный диаметр канала. Для других диапазонов чисел Re, частот враще­ ния, длины каналов и шероховатостей это уравнение может иметь иной вид. Поэтому нами было проведено исследование теплоотдачи во вращающихся каналах на модельной установке [Л. 304] (рис. 3-26). Ротор установки состоит из пустотелого вала 10, на котором расположены текстолитовые несущие диски 11 с радиаль­ ными прорезями для размещения и регулирования положения экс­ периментальных каналов. Исследования проводились на каналах кругового и прямоугольного сечения с относительной длиной l!d~AQ. Нагревание стенок каналов производилось омическим способом с питанием от силового трансформатора через контактное устрой­ ство 14. Воздух в каналы подается через камеры 3 и 6. Измерение расхода воздуха осуществлялось диафрагмами и газовым счетчи­ ком. Для измерения температуры стенок труб и воздуха в несколь­ ких сечениях по длине канала установлены термопары. В этих же сечениях производилось измерение статического давления. Для поочередного измерения давления по длине канала служит электро­ магнитный переключатель 8. Все данные с ротора выводились с помощью ртутного 3 и контактного 6 токосъемников. Экспе­

ных расходных скоростях воздуха w и окружных скоростях труб и.

лась с помощью двигателя постоянного тока.

Коэффициент теплообмена определялся по известному коли­ честву тепла, отведенному воздухом, и измеренному перепаду тем­ пературы между стенкой канала и воздухом.

Экспериментальные данные по теплоотдаче во вращающихся каналах приведены на рис. 3-27. В критериях подобия за харак­ терные параметры принимались внутренний диаметр канала, рас­ ходная скорость воздуха, средние температуры стенок и воздуха. Исследования проведены при Re= (1-э-4,8) • ІО4 и «=0-ъ30 місек. Видно, что эффект вторичных течений усиливается с ростом угло­ вой скорости и ослабляется с увеличением скорости воздуха. Тепло­

воздуха.

Результаты опытов удовлетворительно согласуются с данными Бэроу и Хэмфриза [Л. 290, 291].

Коэффициент еш, учитывающий влияние вращения на теплообмен,

приведен на рис. 3-28. В исследованных диапазонах и и Re зависи­ мость еа = f (u/w) является линейной.

Окружная скорость канала, число Рейнольдса при температуре воз­

духа 50 °С и относительная длина равны: «=25,1 м/сек\ Re=16 700;

Z=//fif=20.

Из рис. 3-7 находим еі, который для заданных значений числа Re и l\d равен 1,1. Для u/w = 1,67 из графика на рис. 3-28 находим

«„=1,97.

В соответствии с (3-51) получаем: Ииш = 0,018е1еш/?0.* = 0.018Х X 1,1 • 1,97 Re0.* = О.ОЗЭР0.', так что

Коэффициент теплоотдачи неподвижного гладкого канала такой же длины и при той же скорости движения воздуха в соответствии

118

наличием поворотов и изгибов в канале. В і[Л. 293] описаны иссле­ дования теплообмена в радиальных каналах ротора, образованных короткозамкнутыми стержнями и пакетами сердечника (рис. 3-30). Коэффициенты теплообмена измерялись при двух направлениях те­ чения охлаждающей среды по радиальному каналу — центробежном и центростремительном, что соответствует согласной и встречной системам охлаждения. Для расчета среднего коэффициента тепло­ отдачи стержня обмотки ротора, расположенного в радиальном ка­ нале, при Центробежном и центростремительном течении охлаждаю­ щей среды можно рекомендовать зависимости:

ная скорость в канале. Число Rep определено по расходной скоро­ сти и гидравлическому диаметру радиального канала в среднем по высоте канала сечения. В этом сечении при экспериментах были установлены датчики теплоотдачи.

Теплообмен в глухом радиальном вращающемся канале опре­ деляется конвективным движением среды под действием кориолисо­ вых сил. Интенсивность соответствующего циркуляционного движе­ ния можно оценить с помощью числа Грасгофа Gr*, вычисленного

119