Интенсификация охлаждения взрывозащищенных электродвигателей средней мощности Севостьянов Виктор Алексеевич

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА I. Анализ состояния, тенденции развития охлаждения двигателей и задачи исследований 9

1.1. Краткий обзор и анализ внутренней и внешней теплопередачи и охлаждения двигателей 9

1.2. Краткий обзор и анализ патентной ситуации конструкций двигателей с тепловыми трубами

1.3. Обзор научно-исследовательских работ по двигателям с тепловыми трубами 30

1.4. Задачи исследований 34

Выводы 35

ГЛАВА 2. Теоретические исследования интенсификации охлаждения роторов двигателей средней мощности 38

2.1. Анализ теплопередачи ротора с аксиальными вентиляционными каналами 38

2.2. Исследование интенсификации охлаждения роторов двигателей 41

2.3. Разработке метода сравнения эффективности систем охлаждения роторов 48

Выводы 61

ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования процессов теплообмена вращающихся тепловых труб ротора 63

3.1. Методика проведения эксперимента и первичной обработки опытных денных 63

3.2. Описание экспериментальной установки...

3.3. Анализ погрешности измерений 78

3.4. Характеристики вращающейся тепловой трубы 83

3.5. Влияние заполнения теплоносителем на характеристики тепловой трубы 96

3.6. Внешний теплообмен зоны охлаждения вращающейся трубы 98

3.7. Исследование влияния воздуха на характеристики тепловой трубы 107

3.8. Исследование внутреннего теплообмена в зоне нагрева тепловой трубы 112

3.9. Исследование внутреннего теплообмена в зоне конденсации тепловой трубы 120

Выводы 127

ГЛАВА 4. Разработка методики теплового расчета ротора с аксиальными теплоотводящими каналами 129

4.1. Термическое сопротивление тепловой трубы 129

4.2. Методика теплового расчета тепловой трубы 136

4.3. Физические предпосылки уточнения теплового расчета ротора с аксиальными каналами 139

4.4. Расчет тепловой проводимости роторе с аксиальными каналами 144

Выводы 154

ГЛАВА 5. Разработка и экспериментальные исследования опытных образцов двигателей с тепловыми трубами в роторе 155

5.1. Описание разработанных конструкций двигателей с тепловыми трубами 155

5.2. Исследование опытных образцов двигателей 159

5.3. Анализ экспериментальных исследований двигателей 168

Выводы 177

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 179

ЛИТЕРАТУРА 182

ПРИЛОЖЕНИЕ 199

• Краткий обзор и анализ внутренней и внешней теплопередачи и охлаждения двигателей
• Анализ теплопередачи ротора с аксиальными вентиляционными каналами
• Методика проведения эксперимента и первичной обработки опытных денных
• Термическое сопротивление тепловой трубы
• Описание разработанных конструкций двигателей с тепловыми трубами

Введение к работе

І. ХХУІ съезд КПСС поставил перед машиностроителями задачу на П-ю пятилетку и последующую перспективу до 2000 г. по всемерному и последовательному снижению материало- и металлоемкости машин и оборудования. Обеспечить в 1985 г. по сравнению с 1980 г. снижение норм расхода в среднем проката черных металлов не менее чем на 18...20 %_ч проката цветных металлов - на 9...II %. Одновременно увеличить выпуск продукции машиностроения не менее чем в 1,4 раза.

Электротехническая промышленность является сегодня самым крупным потребителем меди, а по потреблению проката черных металлов занимает одно из первых мест среди машиностроительных отраслей [71] .

По оценкам футурологов считается, что асинхронный двигатель, просуществовавший около 90 лет (с 1889 г) в перспективе сохранится и на второе столетие при непрерывном нарастающем применении, в частности парк электродвигателей к 2000 году возрастет в 2,8... 3,9 раза [89,157] . Очевидно, во столько раз возрастет расход металлов на изготовление этих двигателей в сфере производства и потребляемой ими электроэнергии в сфере эксплуатации. Одновременно при этом непрерывно увеличиваются капитальные и эксплуатационные затраты на добычу, транспорт, переработку сырья и топлива при производстве металлов и электроэнергии. Поэтому проблема экономии металлов рассматривается в электромашиностроении не как важнейшее, а как генеральное направление [71,72] . В настоящее время Министерство электротехнической промышленности СССР поставило перед электромзшиностроителями задачу наращивания производства электрооборудования, в том числе и взрывозэщищенного^х', без уве- х) Термины и определения, касающиеся взрывоззщищенных электродвигателей приведены по государственным стандартам СССР на взрывозащищенное и рудничное электрооборудование. личения потребления металлов и материалов. Это обусловлено тем, что планируемые темпы развития многих отраслей и, прежде всего, машиностроения опережают рост производства металлопродукции.

В последнее время, в связи с увеличением энергоемкости производственных помещений в 2,3...2,9 раза наметилась тенденция в создании двигателей с низким уровнем шума. Поэтому при выборе систем охлаждения в дальнейшем ожидается сокращение двигателей с вентиляторами [89] .

В настоящее время ряд капиталистических фирм стран Западной Европы, США, Великобритании, в связи с энергетическим кризисом, перешли на выпуск асинхронных двигателей с повышенными энергетическими показателями за счет увеличения расхода металлов на 20...30 % [158], при этом к.п.д. увеличен на 3...6 %, cos

При дальнейшем увеличении мощности степень увеличения к.п.д. снижается. В частности получено, что в двигателе мощностью 150 кВт экономически эффективное повышение к.п.д. 38 счет увеличения расхода металла составляет около I %,

В будущем ожидается учитывать компактность двигателей, которая будет оцениваться экономически наряду с к.п.д. и coscf [89 ] ,

Таким образом тенденции дальнейшего развития асинхронных двигателей средней мощности определяются многими улучшенными показателями, и в первую очередь, снижением металлоемкости.

К настоящему времени исчерпэны практически все возможности снижения металлоемкости двигателей. Нет изоляционных материалов с повышенной теплопроводностью и электротехнических сталей с уменьшенными потерями, коэффициент заполнения паза практически остается прежним, не ожидается снижения длины лобовых частей обмотки, которое могло бы существенно снизить расход меди и изоляционных материалов. Не ожидается замены медного провода обмоток на другой металл с большей электропроводностью.

Максимальная температура взрывобезопасной оболочки взрывоза-щищенных двигателей, в зависимости от группы электрооборудования (I и П) и температурного класса (ТІ...Т6), не должна превышать значений от 65 до 450С.^Х)

Известно, что одним из важных факторов, способствующим снижению металлоемкости двигателей является, в определенной степени, совершенствование охлаждения. В последние годы в СССР и за рубежом накоплен положительный опыт в теории и практике интенсификации охлаждения электрических машин. Для вентилируемых асинхронных двигателей малой мощности (0,12...45 кВт) высотой оси вращения Н= 56...200 мм) создан научный задел по применению высоко теплопроводящих заполнителей обмоток, центробежноосевых тепловых труб (ТТ) в валу двигателей Н= 132 ...235 мм. Некоторые зарубежные фирмы Англии, ФРГ и Японии поставляют не рынок электрические машины с тепловыми трубами в валу. Для охлаждения двигателей средней мощности 55 ...355 кВт ( Н = 225...355 мм), основой которых является аксиальная вентиляция, объем научно-исследовательских работ, научных заделов в рассматриваемом аспекте, восьме ограничен. К ним относятся следующие работы: создание статических теплообменников на базе термосифонов и охлаждение ротора наружным воздухом. Последнее направление, реализованное в общепромышленных двигателях серии 4-А, не решено полностью во взрыво-защищенных двигателях из-за специфических требований, предъявляемых стандартом к взрывозэщищвнному электрооборудованию в части изотермичности и допустимому нагреву элементов двигателей.

К настоящему времени не создан научный задел и по применению тепловых труб в роторах двигателей средней мощности. х) ГОСТ 22782.0-81. Электрооборудование взрывозащищенное. Общие технические требования и методы испытаний. Изд-во стандартов, М., 1981. 28 с.

2. На основании изложенного состояния вопроса и тенденций развития охлаждения двигателей назрела настоятельная неооходи -мость в поиске и разработке путей интенсификации охлаждения взры-возащищенных двигателей средней мощности.

3. Новым в проблеме интенсификации охлаждения взрывозащищенных двигателей является применение эксцентриковых тепловых труб в роторах и охлаждением их наружным воздухом.¹ Полное решение этой проолемы предопределяет проведение ряда других научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических раоот,в частности исследования двигателя в режимах с заторможенным ротором, исследование надежности и долговечности,технологии изготовления^ также освоение новых производственных операций на заводах-изготовителях.

Целью работы является поиск и разраоотка нового способа экономичной интенсификации охлаждения взрывозащищенных электродвигателей средней мощности и метода его расчета.

Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи: проведено обобщение и определено направление исследований по разработке нового способа экономичной интенсификации охлаждения двигателей; разраоотаны критерии и проведена оценка эффективности разработанной системы охлаждения двигателей; определены области эффективного применения эксцентриковых тепловых труб в роторах; разработаны методика и средства экспериментального исследования эксцентриковых тепловых труб роторов; изучены экспериментально основные закономерности теплопередачи и характеристики эксцентриковых тепловых труб,на основании которых разработана методика выбора и расчета труб и произ- веден тепловой расчет двигателей с тепловыми трубами в роторе; предложены,разработаны,изготовлены и проведены стендовые испытания опытных образцов двигателей с тепловыми трубами; выполнен расчет экономической эффективности и дано обоснование разработки новой перспективной серии взрывозащищенных электродвигателей с эксцентриковыми тепловыми трубами мощностью от НО до 315 кВт.

6. В работе защищаются: аналитические зависимости,по которым определены основные пути интенсификации охлаждения роторов двигателей; методика теплового расчета ротора; критерии и области эффективного применения эксцентриковых тепловых труб; основные закономерности теплообмена эксцентриковых тепловых труб ротора; сформулированный принцип экономичной интенсификации охлаждения роторов,на основании которого разработана система охлаждения двигателей.

7. Все работы по исследованию интенсификации и разработке новой системы охлаждения двигателей выполнены во Всесоюзном на учно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологичес ком институте взрывозащищенного и рудничного электрооборудова ния (ВНИИВЭ,г.Донецк) Министерства электротехнической промышлен ности GGGP. Работа выполнялась в соответствии с международной программой йнтерэлектро в период с 197? по 1980 г.г.

Краткий обзор и анализ внутренней и внешней теплопередачи и охлаждения двигателей

К настоящему времени как в СССР, так и в зарубежных странах проведены многочисленные теоретические и экспериментальные исследования внутренней и внешней теплопередачи, вентиляции закрытых и взрывозэщищеяных двигателей средней мощности 55...355 кВт ( Н = 225...355 мм) . Основные из них приведены в табл.1.1 и ниже анализируются.

Увеличение расхода наружного воздуха через оребренный корпус машины на 30 % приводит к снижению температуры обмотки статора на 5...7 % [78] , однако при этом увеличиваются потери на вентиляцию и шум, т.к. мощность на вентиляцию пропорциональна пятой степени диаметра вентилятора ( Pi = ), а расход воздуха пропорционален третьей степени диаметра вентилятора ( #.= ,), при этом мощность, забираемая вентилятором в двигателях средней мощности составляет около I...2 % полезной мощности двигателя . Уровень шума пропорционален doa 7t , где п - частота вращения. Кроме того увеличение диаметре колеса вентилятора ограничено высотой оси вращения двигателя. Последние исследования в определении оптимальных параметров оребрения корпусов показывают, что этот метод теплоотвода в значительной мере исчерпан [95, 104] . Наиболее существенный эффект достигается при применении теплопроводящих заполнителей (паст), которые позволяют снизить температуру обмотки статора на 20...40 % [IIДО?] .

Анализ теплопередачи ротора с аксиальными вентиляционными каналами

При хорошо разработанном расчете температурных полей двигателя методом эквивалентных тепловых схем замещений [і,7,12,ПО] в настоящее время широко применяются для анализа и прогнозирования интенсификации охлаждения и методы упрощенных расчетных моделей [29,НО] , которые отличаются простотой и наглядностью. Ниже рассматривается такая модель для количественного анализа теплового состояния короткозамкнутого ротора при охлаждении его через аксиальные каналы.

Раскрывая значения перепадов температур в (2.1) получим выражение для расчета среднего превышения температуры

Аналогичным образом получим выражение для расчета максимального превышения температуры где - тепловой поток, отводимый через аксиальные каналы ротора; ij- среднее расстояние от пазной зоны ротора до аксиальных каналов; Aj - поперечное сечение тепловому потоку; Л; - коэффициент теплопроводности стаж вдоль листов ротора; S joL— соответственно, поверхность аксиальных каналов и их коэффициент теплоотдачи; С - теплоемкость охлаждающего воздуха; в. - расход воздуха через каналы. Выражения (2.2, 2.3) составлены для объема ротора, занятого стержнями обмотки и магнитопроводом при следующих допущениях: перепады температур между элементами в радиальном направлении по длине ротора принимаются постоянными, т.е. &tj-co nst и д -canst. Распределение температур по длине ротора принимается линейным, отсутствует теплопередача в короткоззмкнутые кольца обмотки и в воздушный зазор; потери в стержнях, теплопроводность стержней и электротехнической стали не зависят от температуры; кривизной спинки мзгнитопроводэ, перепадом температуры между стержнями ротора и стенками паза пренебрегаем.

Выражения (2.3) определяют теоретические предпосылки уменьшения температур тТсх и г%,а , стержней обмотки ротора за счет интенсификации теплопередачи через аксиальные каналы мзгнитопроводэ ротора, при сохранении передаваемого теплового потока Фат , или наоборот, удержания температуры йіт на заданном уровне при повышении потерь отводимых средой в каналах. К таким предпосылкам относятся: увеличение коэффициентов теплопроводности электротехнической стали А; , теплоотдачи &-Q.K в каналах, поверхности аксиальных каналов SQ.K , расхода охлаждающей среды 61 и ее теплоемкости с , уменьшения расстояния j от стержней обмотки к каналам, а также ликвидации подогрева среды в каналах 0,5dXg. Рассмотрим количественное влияние упомянутых факторов на снижение средних и максимальных превышений температур стержней обмотки ротора при охлаждении каналов ротора наружным воздухом и вытекающие отсюда частные задачи проектирования охлаждения роторов.

Методика проведения эксперимента и первичной обработки опытных денных

Измерение температур потока пара и стенки осуществлялось известными методами [99J с помощью медь-константэновых термопар диаметром электродов 0,25 мм. Регистрация значений их производилась потенциометром ПП-63 класса точности 0,(3, Все термопары тарировались до температуры 200С. Крепление головок термопэр с корпусом ТТ осуществлялось пайкой мягким припоем IIOC-40. Во избежание окисления меди тотчас же после спайки спай охлаждался водой.

За температуру насыщения теплоносителя дистиллированной воды принималась измеренная температура пара, что соответствует методам ряда исследований [39,41,57,87] , а не температура жидкости на свободной поверхности, исходя из условий однозначности [35,55J. Измерение температуры пара осуществлялось четырьмя термопарами с общим константановым проводом, которые фиксировались по центру парового канала в торцевых пробках, выполненных из вакуумного шланга (рис.3.1).

Термопарный жгут в максимальном утолщении составлял около 2 % парового пространства. Таким образом, можно предположить, что наличие термопар в паровом пространстве не вносило существенных изменений в структуру парового потока. Температура окружающего воздуха измерялась с двух сторон ТТ ртутными термометрами типа "ТЛ" с ценой деления 0,1 С.

Термическое сопротивление тепловой трубы

Вследствие асиметричного течения теплоносителя, относительно продольной оси трубы (рис.3.3), а также переменности КТО по периметру и по длине трубки температура ее будет изменяться по трем направлениям: радиальном, тангенциальном и осевом, чем существенно отличается от температурного поля симметричных ТТ.

Расчетная модель ТТ представлена для половины периметра зоны нагрева и охлаждения (рисЛ.2). В зоне нагрева трубы заданы граничные условия второго рода, a = c-onst .

Процесс теплопередачи в зонах нагрева и охлаждения ТТ иллюстрирован с помощью системы термических сопротивлений, каждое из которых определяется конкретным физическим процессом передачи тепла: л, - термические сопротивления стенки ТТ в радиальном направлении, соответственно, зон нагрева и охлаждения; Rv Р - термические сопротивления стенки ТТ в тангенциальном направлении, соответственно в зонах нагрева и охлаждения; расчет сопротивлений Rx Ял2 h 4 производится с использованием общей теории теплопроводности [55] ; - сопротивление теплоотдачи от несмачиваемой поверхности трубы к движущемуся пару; R - сопротивление теплоотдачи кипения (испарения) на смачиваемой стенке трубы; $Ф ,R p - сопротивления фазового перехода на границах раздела "жидкость-пар" в зоне нагрева и "пар-жидкость" в зоне конденсации.

Эти сопротивления определяются скачком температуры на границе раздела фаз, возникающем в результате того, что не все молекулы испарившейся жидкости остаются в паровом канале или, -наоборот, при конденсации не все молекулы пара, попавшие на поверхность жидкости, остаются на ней. Они могут быть определены из газокинетической теории испарения (конденсации) по известному уравнению

Описание разработанных конструкций двигателей с тепловыми трубами

На основании сформулированного в первой главе принципа экономичной интенсификации охлаждения роторов двигателей и выполненных теоретических исследований автором разработана базовая система охлаждения двигателей [іЗб] и ряд ее модификаций Г131, 135, 137, 138] . Общим конструктивным признаком системы является использование ТТ в роторе, охлаждаемые наружным воздухом, в частности через отверстия в подшипниковых щитах. Разработанные конструкции выполнены на уровне изобретений и защищены авторскими свидетельствами СССР.

Принципиальная схема охлаждения опытных образцов двигателей показана на рис.5.1, общий вид - рис.5.2. Исследования проводились на двигателях \-\ - 250 и 280 мм с тремя роторами, отличающимися конструкцией тепловых труб. ТТІ ротора 2 охлаждались наружным воздухом через отверстия 3,4 в подшипниковых щитах с двух сторон двигателя в обособленных камерах 5,6, отделенных от полости статора перегородками 7,8. Расход воздуха через камеры обеспечивался с одной стороны двигателя наружным вентилятором с зэборникэми 10, а с другой - за счет самовентиляции концов труб. Для уменьшения рециркуляции воздуха установлен дефлектор 9. Охлаждаемые концы тепловых труб отогнуты к оси вращения ротора на угол 1-2 по рекомендациям [l4l] .