3.5. Вентиляционные расчеты.

Графическое решение уравнения равновесия

Подавляющее большинство электрических машин охлаждается газом. В одних случаях газ, например воздух или водород, является единственной охлаждающей средой, в других он применяется в комбинации с иными охлаждающими средами, например водой или маслом.

От интенсивности и рациональности циркуляции газа в каналах охлаждающих трактов зависят важнейшие характеристики машины: термическая надежность (долговременность без аварийной работы при температуре не выше номинальной), габаритные размеры и масса, КПД и др.

Охлаждающий газ циркулирует в каналах под воздействием источников избыточного давления. Совокупность каналов охлаждающего тракта электрической машины и нагнетательных элементов называется схемой вентиляции.

Классификация систем охлаждения или классификация систем вентиляции

По способу создания движения охлаждающей среды (или охлаждающего газа) различают вентиляционные схемы с самовентиляцией и с независимой вентиляцией или принудительной вентиляцией.

В машинах с принудительной вентиляцией в качестве нагнетательных элементов применяются посторонние источники давления, а в машинах с самовентиляцией нагнетатели устанавливаются на валу ротора электрической машины.

В зависимости от условий работы схемы самовентиляции подразделяются на два больших класса: нагнетательные и вытяжные.

Нагнетательная схема вентиляции:

газоохладитель → вентилятор → каналы охлаждающего тракта.

Вытяжная схема вентиляции:

газоохладитель → каналы охлаждающего тракта → вентилятор.

Нагнетательные и вытяжные схемы подразделяют на одноструйные и многоструйные.

Число струй в машине определяется числом независимых выходов подогретого воздуха в сборную зону перед нагнетателем.

В зависимости от направления движения хладагента в машинах следует различать схемы вентиляции:

радиальные, осевые, тангенциальные.

Изменение схемы вентиляции может иногда решающим образом отразиться не только на картине циркуляции газа но и на тепловых характеристиках электрической машины.

Вентиляционный расчет ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН.

Задачи вентиляционного расчета

Основной задачей вентиляционного расчета ЭМ является выбор схемы вентиляции в целом и, в частности, нагнетательных элементов, которые должны обеспечить циркуляцию необходимого количества охлаждающей среды в единицу времени или, иначе говоря, необходимый расход среды (Q), м³/с.

Необходимый расход газа Q определяется количеством отводимых потерь, т.е. при проектировании машины – результатами электромагнитного и теплового расчетов. Таким образом, в пределах вентиляционного расчета номинальный расход Q_Н является величиной заданной.

Циркулируя по каналам вентиляционного тракта машины газ преодолевает сопротивление своему движению. Поэтому, чтобы обеспечить циркуляцию газа, необходимо затратить механическую работу. Эту работу совершают нагнетательные элементы, которые создают разность давлений между входными и выходными сечениями вентиляционного тракта.

Любой участок вентиляционного тракта обладает сопротивлением, в связи с чем полное давление газа в конце участка всегда меньше, чем в его начале, на количество необратимых потерь давления, которые обозначают Δр. Независимо от формы движения газа, т.е. и для ламинарного и для турбулентного движений потери давления вычисляются по формуле

, (3.27)

которую нужно понимать следующим образом. В тех случаях, когда потери давления пропорциональны второй степени расхода, коэффициент пропорциональности z в формуле (1) есть величина постоянная. Если же указанная пропорциональность в действительности не соблюдается, коэффициент z должен быть взят таким, чтобы формула (1) оставалась справедливой. Отсюда следует, что коэффициент пропорциональности z, который называют аэродинамическим сопротивлением, определяемый по формуле

, (3.28)

зависит от размеров канала (S), свойств среды (ρ) и коэффициента ξ, последнее означает, что именно коэффициент сопротивления ξ следует брать (например, из эксперимента) в соответствующей форме.

Выбор нагнетательных элементов машины, т.е. определение необходимого номинального давления вентиляторов Р_н исходя из заданного номинального расхода Q_н, может быть произведен на основе уравнения или

, (3.29)

где z – суммарное аэродинамическое сопротивление электрической машины.

Соблюдение этого равенства означает, что потери давления в машине как раз равны давлению, развиваемому нагнетательными элементами.

Таким образом, в вентиляционном расчете электрической машины должно быть определено ее аэродинамическое сопротивление z и решено уравнение равновесия (3.28). После этого может быть вычислено распределение расходов по отдельным ветвям схемы.

ГРАФИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЯ РАВНОВЕСИЯ

Расчет суммарного аэродинамического сопротивления составляет главное содержание вентиляционного расчета электрической машины. Здесь значение будем считать известными.

По известному аэродинамическому сопротивлению могут быть определены потери давления в машине .

, (3.30)

где – потери отводимые воздухом, Вт; С_В – 1100 Дж / ( См³) – теплоемкость воздуха; – превышение температуры воздуха; – температура горячего воздуха при выходе его из машины,  С; – температура холодного воздуха при входе его в машину,  С, которые затем нужно сравнить с номинальным давлением вентиляторов р_Н при данном расходе Q_Н.

Дело осложняется тем, что давление вентилятора является, как правило, сложной функцией расхода , которая называется аэродинамической характеристикой вентилятора. Аэродинамическая характеристика, полученная опытным путем, не всегда поддается достаточно простой аналитической записи. Поэтому и решение уравнения равновесия

, (3.31)

в аналитической форме бывает затруднительным.

В практике проектирования ЭМ широко распространен графический метод решения уравнения (3.30). В координатах Q, р (рис.3.7) наносятся две функции расхода и потерь давления . Точка их пересечения является точкой равновесия, т.е. точкой взаимного соответствия потерь давления в машине и давления вентилятора.

Рис. 3.7. Графическое определение рабочего расхода

В результате вентиляционного расчета рабочий расход Q_р никогда не бывает в точности равен номинальному расходу Q_н. Это происходит по двум причинам.

С одной стороны, сложно подобрать нагнетательные элементы так, чтобы их характеристика пересекалась с кривой потерь давления именно в точке (Q_н, ΔР_H).

С другой стороны, всегда имеют в виду, что характеристика вентилятора, и кривая потерь давления определены с некоторыми погрешностями, что может привести к нежелательному уменьшению расхода газа в построенной машине по сравнению с необходимым значением Q_н.

В связи с этим выбор нагнетательных элементов производят с таким расчетом, чтобы рабочий расход Q_р был больше номинального примерно на 10 %. Такой запас соответствует компенсации ошибки в определении потерь давления примерно 20 %.