Содержание
Предыдущий § Следующий

9.5. Вентиляция электрических машин

Почти все электрические машины снабжаются устройствами для улучшения охлаждения. Вращающиеся машины охлаждаются вентилирующими устройствами.

Назначение вентиляции состоит в том, чтобы, во-первых, избежать чрезмерного подогрева воздуха в машине (особенно в застойных «мешках») и, во-вторых, увеличить коэффициент теплоотдачи k_TO-

При спокойном воздухе коэффициент теплоотдачи, учитывающий лучеиспускание и конвекцию, сравнительно мал и при температуре 100^сС составляет примерно 20 Вт/м².

При обдувании поверхности струей воздуха, имеющей скорость v относительно поверхности, коэффициент теплоотдачи увеличивается приблизительно в соответствии с уравнением

Рис. 9.3. Зависимость коэффициента теплоотдачи от скорости охлаждающего воздуха

При ода 16 м/с коэффициент теплоотдачи увеличивается примерно в 5 раз по сравнению со значением при отсутствии вентиляции. Следовательно, наличие вентиляции позволяет резко увеличить мощность машины. Из рис. 9.3 видно, что с увеличением скорости воздуха коэффициент теплоотдачи растет сначала быстро, а потом этот рост замедляется. Следовательно, очень большие скорости, т. е. чрезмерное количество прогоняемого воздуха, нецелесообразны, так как при этом резко возрастают потери, связанные с вентиляцией.

Пусть некоторый объем воздуха Q в воздухопроводе длиной / переместился под влиянием силы Р на эту длину /. Тогда работа силы

где y= 1.23 кг/м³ — плотность воздуха при Ф = 50°С и давление 760 мм рт.ст.; g=9,81 м/с².

Приравнивая (9.33) и (9.34), найдем удельное давление (или, что то же самое, напор Нд_иа в мм вод. ст.)

Напор Ядин, который вызывает движение воздуха в воздухопроводе, не имеющем сопротивления, называется динамическим. Реальный воздухопровод всегда имеет сопротивление, обусловленное трением воздуха о стенки, завихрениями при резких изменениях сечения воздухопровода и т. п. Для преодоления этих сопротивлений кроме напора Я_дин надо приложить еще дополнительный напор Нет — статический. Его значение определяется по формуле

где а — коэффициент сопротивления движению воздуха, определяемый опытным путем.

Результирующий напор, требующийся для продувки воздуха сквозь воздухопровод,

где 2Я_СТ — сумма местных статических напоров, нужных для преодоления суммарного аэродинамического сопротивления воздухопровода.

Наибольшие сопротивления представляют вход и выход воздуха в машину (а«0,5), вход в каналы (а«0,5), повороты струи (а«1,0) и т. п., для преодоления этих сопротивлений требуется полный напор, в 2...3 раза больший, чем динамический.

Для удобства расчетов динамического и статического напоров можно пользоваться формулой другого вида:

Напор создается вентилятором. При вращении вентилятора (рис. 9.4) его лопасти захватывают воздух, придавая ему скорость. На вращающийся воздух действует центробежная сила, выбрасывая его по направлению от центра вентилятора со скоростью и. При

радиальных лопастях полный теоретический напор, создаваемый вентилятором,

где v\ и V2 — тангенциальные составляющие скорости на внутреннем и внешнем диаметрах лопаток.

Действительный напор Н_о, создаваемый вентилятором, всегда меньше теоретического из-за наличия потерь на трение воздуха, на завихрение при выходе на удар при входе:

где ria — 0,5 — аэродинамический КПД вентилятора при холостом

ходе.

Если расход воздуха, прогоняемого вентилятором, увеличивается, то потери в нем растут и действительный напор падает. Максимальный расход

Рис. 9.4. Принцип действия вентилятора

Рис. 9.5. Характеристики вентилятора

воздуха при работе вентилятора на воздухопровод без сопротивлений получается при действительном напоре Н, равном нулю, когда вся работа вентилятора затрачивается лишь на преодоление собственного сопротивления.

Значение этого максимального расхода воздуха

Для вентилятора заданных размеров по формулам (9.42) и (9.43) можно построить характеристику вентилятора H=f(Q), как показано на рис. 9.5. Там же показана характеристика воздухопровода, построенная по (9.39). Точкой пересечения двух характеристик определяется объем продуваемого через машину воздуха и

Значения КПД вентилятора r\ = f(Q) видны из рис. 9.5. На практике Ti~0,15.

Обычно в машинах в основном применяются вентиляторы с радиальными лопастями из-за их технологичности и из-за того, что их эффективность не зависит от направления вращения.

В специальных вентиляционных установках применяются вентиляторы с наклонными лопастями, которые имеют более высокий КПД из-за безударного входа воздуха в вентилятор. В быстроходных вентиляторах лопасти делаются наклоненными назад (рис. 9.6, а), в тихоходных — вперед (рис. 9.6, б).

Для машин постоянного тока, имеющих сравнительно небольшую длину якоря, типична осевая вентиляция (рис. 9.7). На валу у двигателя расположен вентилятор, который создает разрежение внутри двигателя, и воздух забирается со стороны коллектора, т. е. со стороны, противоположной вентилятору, а затем проходит двумя параллельными потоками: часть воздуха омывает наружную сторону якоря и катушки полюсов, а другая часть проходит через вентиляционные каналы, выштампованные в сердечнике якоря. Каналы обычно делаются круглой формы и выштамповываются вместе с пазами. Пазы такой формы (рис. 9.8, а) более технологичны, чем овальные (рис. 9.8,6) и ромбовидные (рис. 9.8,в), круглые каналы меньше забиваются пылью.

В двигателях с короткозамкнутым ротором (рис. 9.9) лопасти вентилятора являются продолжением короткозамыкающих колец и отливаются вместе с кольцами и обмоткой из алюминия. Охлаждающий воздух забирается с обоих торцов машины и омывает сначала лобовые части обмотки статора, а потом охлаждает сердечник статора, проходя по каналам между ним и станиной. Выбрасывается воздух наружу в средней части машины, через вентиляционные отверстия в станине.

В машинах большой мощности в сердечниках ротора и статора делаются радиальные вентиляционные каналы (рис. 9.10), которые сами способны создавать напор, обеспечивающий циркуляцию воздуха через машину. В машинах с явновыраженными полюсами на роторе (в синхронных двигателях, гидрогенераторах) движению

соответствующего ему значения действительного напора вентиля-юра.

Мощность в Вт, потребляемая вентилятором, определяется по

Рис. 9.6. Вентиляторы с лопастями, наклоненными назад (а) и вперед (б)

Рис. 9.7. Машина постоянного тока с осевой вентиляцией

воздуха через радиальные каналы способствуют полюсы ротора. Если длина сердечников велика, то с обеих сторон ставятся вентиляторы, обеспечивающие достаточную интенсивность охлаждения. Преимуществами радиальной вентиляции являются: одинаково хорошее охлаждение лобовых соединений с обеих сторон; небольшая

разница между средней температурой и максимальной.

В машинах предельного исполнения (машинах максимальной мощности в строго заданных

Рис. 9.8. Осевые вентиляционные каналы

Рис. 9 9 Разрез асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Рис. 9.10. Радиальная вентиляция асинхронного двигателя

габаритах) применяется комбинация осевого и радиального принципов вентиляции с подачей воздуха от специальных вентиляторов. Для интенсивного охлаждения машины требуется продувать большой объем воздуха. Если этот воздух забирается из атмосферы, то иногда возникает вопрос борьбы с загрязнением машины. Грязью забиваются вентиляционные каналы, ею покрываются поверхности катушек и сердечников, что ухудшает условия охлаждения.

Рис 9.11. Охлаждение закрытого двигателя

Возникает и опасность пробоя по поверхности, если есть открытые токоведущие части (пробой по поверхностям изоляторов щеткодержателей, изоляционного конуса коллектора и т. д).

Особенно сложны условия эксплуатации в угольных шахтах, на цементных заводах и т. д. Установка фильтров на входе машины, как правило, не дает эффекта; фильтр забивается грязью и охлаждение резко ухудшается.

В этих случаях машины малой мощности приходится делать закрытыми. Их охлаждение производится обдувом поверхности статора, который снабжается ребрами для увеличения поверхности охлаждения (рис. 9.11). Внутри машины также создается циркуляция воздуха для того, чтобы предотвратить возникновение застойных мест с повышенной температурой.

Конечно, охлаждение закрытых машин ухудшается, что требует уменьшить удельные нагрузки: плотность тока, линейную нагрузку и т. д. Это ведет к увеличению габаритов и массы закрытых машин.

В машинах большой мощности — 3 МВт и больше — часто применяется охлаждение по замкнутому циклу: вентиляторы, установленные на роторе или отдельно, прогоняют воздух через радиальные каналы ротора и статора, а затем через кольцевые камеры станины к охладителю (рис. 9.12). Воздух, прошедший через воздухоохладитель, вновь поступает в машину.

В быстроходных машинах большой мощности в качестве охлаждающего агента иногда применяют водород. Использование водорода позволяет резко уменьшить вентиляционные потери, так как его плотность примерно в 8 раз меньше плотности воздуха. Кроме того, несколько улучшается отвод теплоты, так как теплопроводность водорода больше, чем воздуха.

Рис. 9.12. Охлаждение крупной машины по замкнутому циклу

Рис. 9.13. Жидкостное охлаждение статора мощного асинхронного двигателя

Для статоров может применяться и жидкостное охлаждение (рис. 9.13). Машины, устанавливаемые в помещениях, имеют водяное охлаждение; при наружной установке применяется минеральное масло. В трансформаторах масло является не только охлаждающим агентом, но и изолятором; витковая изоляция (изоляция проводника) в трансформаторах делается из хлопчатобумажной

Рис. 9.14 Каналы в проводниках при непосредственном охлаждении

пряжи, а главная изоляция — масляные промежутки. Небольшая толщина витковой изоляции способствует хорошему охлаждению обмоток, и масляные трансформаторы по массе (вместе с маслом) примерно равны сухим трансформаторам, но значительно дешевле.

Во вращающихся машинах с замкнутым циклом охлаждения широко применяется непосредственное охлаждение проводников обмоток статора и ротора. При водородном охлаждении он пропускается через каналы внутри проводников (рис. 9.14). Непосредственное охлаждение обмотки статора крупных турбогенераторов производится дистиллированной водой, которая пропускается через специальные трубы, укладываемые в пазу, рядом с проводниками. В каждом пазу укладывается 2.. .4 трубы. В последних конструкциях мощных турбогенераторов непосредственное водяное охлаждение делается и у роторов.

Содержание
Предыдущий § Следующий