Об улучшении вентиляции взрывобезопасных электродвигателей серии "Кузбасс"

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том 98 1960 г.

ОБ УЛУЧШЕНИИ ВЕНТИЛЯЦИИ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ СЕРИИ «КУЗБАСС»

Г. А. СИПЛИЛОВ, К. К. СОНЧИК, ф. А. СЕРДЮК, Д. И. САННИКОВ {Представлено научно-методическим семинаром электромеханического факультета)

Введение

Совершенствование вентиляции электрических машин является одной из основных задач современного электромашиностроения. За последние 30 лет в этом направлении были проведены значительные теоретические и экспериментальные исследования, благодаря которым улучшилось конструктивное исполнение машин и использование активных материалов.

Наряду с совершенствованием конструктивных форм воздухопроводов за рассматриваемый период значительно расширился диапазон мощностей и скоростей вращения, охватываемых закрытыми обдуваемыми электродвигателями.

Однако благодаря чрезвычайному многообра зию и сложности форм воздухопроводов точный расчет вентиляционной системы представляет большие трудности. Стремление упростить вентиляционные и тепловые расчеты приводит к ряду допущений и приближений, которые, хотя и облегчают расчет, однако, часто приводят к значительным ошибкам.

Настоящая статья является результатом работы, выполненной для Кемеровского электромеханического завода. В ней рассматриваются вопросы снижения перегрева обмотки статора взрывобезопас-иых обдуваемых электродвигателей серии „Кузбасс" на 3000 об/мин с конкретизацией некоторых положений вентиляционных и тепловых расчетов применительно к двигателям серии так, чтобы эти расчеты не были слишком громоздкими и отличались достаточной точностью.

Принимаемые допущения обосновываются в ходе расчета.

Вентиляционный расчет

Количество воздуха, необходимое для охлаждения машины, может быть подсчитано по известной формуле

П)

Се [Ггор *хол)

В литературе имеются указания, что разность {1гор—1Х0Л) для закрытых двигателей, имеющих ребристый корпус, колеблется в пределах 15—23°С. Так как корпуса электродвигателей серии „Кузбасс" не имеют ребер, то для них, на основании проведенных нами опытов можно принимать (¿гор—£гОЛ)=3—8°С.

При проектировании воздухопровода нужно стремиться к тому, чтобы давление, создаваемое вентилятором, было использовано главным образом на активной части машины, то есть там, где происходит наибольшее выделение тепла. Потери* давления в местах, где не производится теплосъема (вход воздуха в машину), должны быть возможно малыми.

Известно, что отвод тепла с нагретой поверхности будет тем эффективнее, чем больше эта поверхность и чем больше скорость движения охлаждающего воздуха.

Мы занимались вопросами увеличения теплосъема только за счет изменения скорости воздуха. Эта задача решалась путем выбора оптимальных размеров кожуха и вентилятора.

Вентиляционные расчеты серийных электродвигателей показали, что преобладающую часть общего аэродинамического сопротивление воздухопровода составляет сопротивление выхода воздуха в атмосферу. Вентиляционный расчет позволил также определить скорость воздуха при выходе его из-под кожуха. Однако она не может служить исходной для выполнения теплового расчета, так как скорость воздуха по длине машины сильно уменьшается по мере удаления от выходного отверстия кожуха. С наибольшей скоростью обдувается только часть корпуса, расположенная под кожухом, тогда как остальная часть корпуса, в том числе и наиболее теплотворная его зона, в месте соприкосновения со спинкой статора обдувается со значительно уменьшенной скоростью.

У существующих обдуваемых двигателей серии „Кузбасс" на 3000 об/мин кожух покрывает лишь небольшую часть поверхности по длине корпуса (фиг. 1).

Для аналитического определения перегрева корпуса над температурой охлаждающего воздуха нужно или разделить корпус на отдельные небольшие участки с различными, соответствующими каждому из участков скоростями воздуха, или определить среднюю для всей поверхности скорость.

Естественно, что тепловой расчет с использованием средней скорости воздуха является менее трудоемким. Для ее определения производились измерения скоростей воздуха вдоль корпуса и по его окружности в нескольких точках (фиг. 2, а\ 3).

Т

Фиг. 1. Схема расположения вентилятора и серийного кожуха на электродвигателе КО—22—2.

На основании опытных данных была установлена картина распределения скорости воздуха по длине машины (рис. 2 б, ломаная лилия), откуда средняя скорость

_ 1\ 1^+0,5/9 (г^-И^) +----+0>5/д(/я-1 +1п)_ /9ч

Анализ опытных данных показал, что ломаную линию с достаточной степенью точности можно заменить экспонентом (рис. 2,6, пунк-

Фиг. 2. а) Схема расположения сечении ил электродвигателе КО -Т2—2 с серийным кожухом.

б) Картина распределения скоростей по длине электродвигателя КО—22—2 с серийным кожухом.

Фиг. о. Картина распределения скоростей но поверхности эл ект род в ига т ел я КО — 22 — 2 с серж'шьш

КОЖУХОМ.

тарная линия) и тогда скорость воздуха в любом сечении корпуса, не покрытого кожухом, будет равна г''е

—х Т

На основании изложенного, для определения средней скорости воздуха можно предложить следующую эмпирическую формулу

* _ _______________________

/, + /.

где —скорость воздуха под кожухом в ж'сек,

1а—длина части корпуса двигателя, закрытая кожухом, в см, 1в—длина части корпуса, свободная от кожуха, в см, Т— постоянная убывания скорости, причем для рассматриваемых электродвигателей можно принимать Г=(0,35-:-0,4) 1С, -Ь 1-е—дли-

на корпуса в см.

Итак, для увеличения теплосъема нужно подобрать такую форму воздухопровода, чтобы средняя скорость оказалась наибольшей при условии наименьших затрат мощности, расходуемой на вентиляцию.

Далее вентиляционные испытания показали, что давление воздуха по высоте зазора под кожухом распределяется неравномерно, оно повышается от корпуса к кожуху, поэтому скорость воздуха у поверхности кожуха выше, чем у поверхности корпуса, тогда как для усиления теплосъема необходимо иметь большую скорость воздуха у поверхности корпуса. Уменьшение диаметра кожуха позволяет „прижать" воздух к корпусу и тем самым увеличить скорость воздуха у поверхности корпуса.

Однако не всякое уменьшение зазора между кожухом и корпусом будет приводить к увеличению теплосъема. Здесь нужно найти оптимальное решение, исходя из двух взаимнопротиворечивых условий: с одной стороны, с уменьшением зазора уменьшается сечение для прохождения воздуха, вследствие чего скорость должна возрасти; с другой стороны, с уменьшением зазора возрастает аэродинамическое сопротивление воздухопровода, из-за чего уменьшается расход воздуха; с уменьшением расхода воздуха скорость должна упасть. В зависимости от того, какой из указанных факторов преобладает, скорость воздуха при изменении диаметра кожуха будет или увеличиваться или уменьшаться.

Оптимальная высота зазора между корпусом и кожухом может быть установлена как экспериментальным, так и расчетным путем, причем для различных длин кожуха оптимальная величина зазора будет различной. Однако при коротком кожухе уменьшение зазора не будет эффективным, так как при этом преобладающая часть давления, создаваемого вентилятором, будет расходоваться на выходе и средняя скорость обдува может даже уменьшиться. При длинном кожухе уменьшение зазора ведет к сильному увеличению аэродинамического сопротивления и тем самым к уменьшению расхода воздуха в такой мере, что средняя скорость также может упасть.

Кроме того, как следует из |3] и наших опытных данных (фиг. 3), движение воздуха под кожухом совершается по впнтово линии. При выходе из-под короткого кожуха воздушный поток отрывается от корпуса, вследствие чего лишь небольшая часть прогоняемого вентилятором воздуха участвует в теплооъеме с поверхности, не покрытой кожухом.

При длине кожуха, равной длине машины, при движении воздуха по винтовой линии на его пути встречаются многочисленные преграды в виде лап, выводных коробок, бонок, вследствие чего об-

разуются „воздушные тени", уменьшающие эффективность охлаждения. При средней длине кожуха на пути воздушного потока встречается меньше преград, благодаря чему отмеченные выше факторы сказываются в значительно меньшей степени.

Для выяснения влияния длины и диаметра кожуха на величину средней скорости воздуха по предварительным расчетам были изготовлены и подверглись исследованию короткие, средние и длинные кожухи, причем: короткие—это серийные кожухи, покрывающие по длине примерно четвертую часть длины корпуса (фиг. 1); средние-кожухи, покрывающие корпус до конца пакета стали статора (до выводных коробок, фиг. 4); длинные —кожухи, покрывающие корпус по всей длине.

Фиг. 4. Схема расположения вентилятора и кожуха предлагаемой конструкции на электродвигателе КО—22—2.

Многочисленными экспериментальными данными установлено, что формула для расчета средней скорости, выведенная для короткого кожуха, справедлива и для кожухов других длин.

Изменение длины кожуха в значительной степени влияет на величину средней скорости: при удлинении кожуха увеличивается аэродинамическое сопротивление воздухопровода, что приводит к уменьшению количества воздуха, прогоняемого вентилятором, и тем самым к уменьшению скорости воздуха под кожухом. Однако даже при уменьшенной скорости иод удлиненным кожухом средняя скорость воздуха при удлинении кожуха все же возрастает.

Для уменьшения вентиляционных потерь была предложена конструкция кожуха с уменьшенным диаметром и с раструбом на конце (фиг. 4). Достигаемое такой конструкцией плавное увеличение выходного сечения в значительной степени снижает потери скоростного давления при выходе воздуха в атмосферу. При этом раструб должен быть выполнен по лемнискате. Однако практически хороши-.* результаты получаются при профилировании раструба по дуге окружности, сопряженной с образующей кожуха и имеющей радиус, равный 0,26 от внутреннего диаметра кожуха. Необходимо отметить, что желательное, с точки зрения уменьшения аэродинамического сопротивления выхода воздуха в атмосферу, увеличение раструба было ограничено требованиями к внешнему виду машины и конструктивными соображениями.

При уменьшенном диаметре кожуха с раструбом на конце лучшие результаты в отношении средней скорости воздуха и расхода мощности на вентиляцию были получены при кожухе средней дли-

ны (фиг. 4). Такая конструкция кожуха была принята за оптимальную и предложена заводу.

По давлению Н, рассчитанному для оптимального варианта кожуха, были определены размеры вентилятора. Чтобы избежать слишком крутых поворотов воздушной струи, край вентиляторного диска с лопатками выполнялся отогнутым, приблизительно параллельно конической части кожуха.

Результаты вентиляционных расчетов, выполненных для электродвигателя КО—22—2 с серийными и предлагаемыми конструкциями кожухов и вентиляторов, даны в табл. 1. Там же для сравнения приведены опытные данные.

Таблица 1

Конструкция кожуха и вентилятора

Серийная Предлагаемая

у,

м-' сек

0,575 0,465

м сек

22.2 3(1,0

см

16,0

37,6

во* Т - м сек

СМ расчет опыт

45,0 22,5 12,9 12,7

23,4 22,5 25,7 24,5

Тепловой расчет

0.-х

1-лллН

^ я, I

-аллгч я

. ¿Эх+Оу -А/У

к*

1-ЛЛЛг

Г'

Потери, возникающие в обмотках и стали, в виде теплового потока передаются к внешней поверхности машины. На пути теплового потока происходит перепад температуры в частях машины, различных по своим геометрическим размерам и физическим свойствам. Так, например, мы имеем перепад температуры в изоляции обмотки, в зубцах статора, в зазоре между сталью статора и корпусом и, наконец, перепад температуры при выходе теплового потока с наружной поверхности корпуса в окружающую среду.

В асинхронных двигателях закрытого исполнения имеется два основных пути отвода тепла от внутренних погретых частей к охлаждающему наружному воздуху:

1) от ротора и статора через сталь статора и прилегающую к статору часть корпуса;

2) от лобовых частей обмотки статора и торцевых поверхностей ротора через воздух внутри машины и остальную часть корпуса.

•При выполнении теплового расчета физическая картина распределения тепловых потоков в машине заменена схемой замещения с сосредоточенными параметрами (фиг. 5). При этом для боль-

-'УУ,-

К„

К. у

+Л +П -**_»/ ]

г л

5Г

1,

АЛЛ,-

Фи

схема серии

для КО.

электродвигателей

шего приближения к реальной картине распределения температурных перепадов между отдельными частями машины, кроме перепадов по толщине изоляции и от поверхности к охлаждающему воздуху, учтены перепады по длине меди и алюминия обмоток статора и ротора и перепады вдоль листов активной стали.

Поэтому в принятой нами схеме замещения пазовая и лобовые части обмотки статора, короткозамыкающие кольца и стержни беличьей клетки ротора рассматриваются как отдельные источники тепла.

На схеме (фиг. 5) стрелками указаны вероятные направления тепловых потоков <3, образованных потерями: С?!—в зубцах и стержнях ротора,

в короткозамыкающих кольцах роторп, <3з - на поверхности ротора, (Зд на поверхности зубцов статора,

в зубцах статора, (3Г1—в пазовой части обмотки статора, (37—в лобовых частях обмотки статора, (р*—в ярме статора,

—во внутренней вентиляционной системе. Предполагается, что потери в зубцах и ярме статора сосредоточены в среднем сечении по высоте зубцов и ярма. Соответственно тепловые сопротивления:

стержней ротора по длине, £!2—от колец и лопаток ротора к внутреннему воздуху, /?3—зубцов и пазов ротора при радиальном направлении теплового потока, /?4—воздушного зазора,

/?5—до среднего сечения по высоте зубцов статора при радиальном направлении теплового потока, /?(;— изоляции паза статора,

между пазовой и лобовой частями обмотки статора, /?* —от лобовых частей обмотки статора к воздуху,

от среднего сечения по высоте зубцов статора до среднего сечения по высоте ярма статора,

от соеднего сечения по высоте ярма статора до наружной поверхности корпуса, включая зазор между спинкой статора и корпусом, и—от внутреннего воздуха к корпусу, —от внешней поверхности корпуса в охлаждающий воздух. Расчет тепловых сопротивлений выполняется по обычной методике ]1], при этом предполагается, что из вентиляционного расчета известны необходимые скорости воздуха. Подробный расчет тепловых сопротивлений дан в [3].

Для расчета схемы (фиг. 5) обозначим тепловые потоки в сопротивлениях /?! и /?6 соответственно через х и у, тогда тепловые потоки в других ветвях можно выразить через эти неизвестные.

В соответствии со схемой замещения составляем систему уравнений, которая после простых преобразований примет вид:

X (ЯН-Я.+Яз-ЬЯН-ЯбЬз' ' - <2, (Я3+/?4+До) - 1

-02Я2+(33(/?4 +(Я7+Ян) + (2Т ЯН; |

- (<3,+(?3 -г -С?,) (/?,-;-/?,„) + Я,„ - 0« (Ят-гЯн)- |

Таблица 2

Определив из (4) х и у, находим перепады температур в отдельных частях -машины, которые для удобства сводим в табл. 2.

По данным табл. 2 можно определить превышение температур интересующих нас частей машины.

Например, перегрев меди пазовой части обмотки статора над охлаждающим наружным воздухом

№

R-.

Q,

Q, X

R2 yQh+x)

Перегрев меди лобовых частей обмотки статора Перегрев стержней ротора

вер = е3 +е4 + е5 + ец +е10 -:-е12.

Перегрев алюминиевых колец обмотки ротора

&кр =г 02 -}- Ои -)- 912.

7)

Результаты тепловых расчетов для электродвигателя ко - 22— 2 даны в табл. 3, где для сравнения приведены также опытные данные.

Таблица :>

Конструкция кожуха и вентилятора

Перегрев кожуха , °С

расчет

Существующая Предлагаемая

47,9

опыт

47 36

Перегрев обмотки статора, °С

¡опыт

Мощность, расходуемая на вентиляцию, 67 П

81,3 71

82

71,6

950 Ы0

Измерения превышений температуры при установившемся режиме производились с помощью термопар (схема их расположения представлена на фиг. 1), а также по увеличению сопротивления.

Для уменьшения ошибки при определении сопротивления горячей обмотки необходимо производить его измерения по возможности скорее после отключения двигателя от сети. Чтобы исключить ошибку, вносимую экстраполированием в результаты измерения, необходимо первую точку для нескольких тепловых испытаний одного двигателя брать через одинаковый промежуток времени. Например, если при одном испытании первое измерение было сделано через 20 сек после отключения двигателя от сети, а при другом—через 40 сек, то в обоих случаях нужно начинать отсчет точек при экстраполировании через 40 сек. Последние точки также следует выравнивать. Например, если в первом случае последний замер сделан через 250 сек, а во втором—через 300 сек, то в обоих случаях последнюю точку нужно брать через 250 сек. Количество промежуточных точек должно быть по возможности одинаковое.

Выводы

На основании сравнения результатов, полученных для существующей и предложенной конструкций вентиляционной системы, можно сделать следующие выводы.

1. Выбранная конструкция кожуха и вентилятора позволила увеличить среднюю скорость воздуха, обдувающего корпус электродвигателя, почти в два раза, благодаря чему теплоотдача с поверхности сильно возросла и перегревы корпуса и меди обмотки статора снизились примерно на 10°С.

2. Для электродвигателей с серийной конструкцией кожуха и вентилятора средняя скорость воздуха почти в два раза ниже скорости воздуха под кожухом, тогда как для предлагаемой конструкции различие между этими скоростями невелико. Этим достигается более равномерное обдувание корпуса по длине, благодаря чему температура отдельных частей машины по длине ее распределяется более равномерно.

3. Благодаря применению раструба на выходном конце кожуха и сокращению воздушного зазора между корпусом и кожухом уменьшились потери давления при выходе воздуха из-под кожуха и расход воздуха, что позволило снизить мощность, расходуемую на вентиляцию примерно на 35%.

4. Выполненные вентиляционные и тепловые расчеты да. л и результаты, близко совпадающие с опытными данными.

В заключение следует отметить, что затраты, связанные с конструктивными и технологическими изменениями кожуха и вентилятора., незначительны.

ЛИТЕРАТУРА

¡.Алексеев А. Е. Конструкция электрических машин, ГЭИ, 1949.

2. Борисе и ко А. И.,„ Г о р о ж а и к и н А. И. Результаты исследования вен тиляции и охлаждения закрытых электромашин. Сборник трудов лаборатории проблем быстроходных машин и механизмов. АН УССР, вып. 4. 1953,

3. С и и а й л о в Г. А., С о н ч и к К. К., Сердюк Ф. А. Улучшение иетиляци;* закрытых обдуваемых электродвигателей серии „Кузбасс". Техотчет ТПИ, 1954.