Материал: Гидравлические и тепловые расчеты в электрических машинах. Писаревский Ю.В., Писаревский А.Ю

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический

университет»

Ю.В. Писаревский А.Ю. Писаревский С.А. Сафонов

Гидравлические и тепловые расчеты в электрических машинах

Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов

Российской Федерации по агроинженерному образованию

в качестве учебного пособия для подготовки магистров,

обучающихся по направлению «Агроинженерия»

Воронеж 2012

УДК 621.313

Писаревский Ю.В. Гидравлические и тепловые расчеты в электрических машинах: учеб. пособие / Ю.В. Писаревский, А.Ю. Писаревский, С.А. Сафонов. Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2012. 126 с.

ISBN 978-5-7731-0319-6

В учебном пособии сформулированы задачи тепловых и вентиляционных расчётов электрических машин (ЭМ), показана связь между тепловыми и вентиляционными расчётами при проектировании ЭМ, а также указаны нормы нагрева и регламентирующие их документы. На основе теории гидравлических и аэродинамических расчётов выполняется расчёт вентиляторов электрических машин и трактов охлаждения.

Учебное пособие включает программный материал дисциплины «Гидравлические и тепловые расчеты в электрических машинах», где сформулированы задачи гидравлических, тепловых и вентиляционных расчетов электрических машин.

Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки магистров 110800.68 «Агроинженерия» (программы магистерской подготовки «Автоматизация и управление технологическими процессами в сельском хозяйстве», «Энергосберегающие технологии в сельском хозяйстве»), дисциплине «Гидравлические и тепловые расчеты в электрических машинах». Может быть использовано бакалаврами соответствующих направлений подготовки.

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS Word и содержится в файле УМК_ТИГР.doc.

Табл. 10. Ил. 98. Библиогр.: 10 назв.

Научный редактор канд. техн . наук, доц. В.П. Шелякин

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

Рецензенты: кафедра электрификации сельского хозяйства

Воронежского государственного аграрного

университета имени императора Петра I

(зав. кафедрой канд. техн. наук, доц. В.В. Картавцев);

д-р техн. наук, проф. А.Н. Анненков

ISBN 978-5-7731-0319-6  Писаревский Ю.В., Писаревский А.Ю.,

Сафонов С.А., 2012

 Оформление. ФГБОУ ВПО

«Воронежский государственный

технический университет», 2012

Оглавление

ПРЕДИСЛОВИЕ 5

ВВЕДЕНИЕ 6

1.1. Содержание дисциплины 7

1.2. Самостоятельная работа и контроль знаний студентов 8

1.3. Учебно-методические материалы по дисциплине 8

1. Общие вопросы теплообмена

В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ 9

1.1. Требования к электрическим машинам по уровню нагрева 10

1.2. Общая характеристика физических процессов

тепловыделения и теплопередачи 13

1.3. Эффективность и экономичность систем охлаждения электрических машин……. 15

1.4. Расчёт и проектирование систем охлаждения электрических машин…………….. 16

1.5. Достижения отечественных научных школ в создании

прогрессивных систем охлаждения электрических машин 19

2. Основы теории гидравлических

И АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ 21

2.1. Основные понятия и уравнения аэродинамики и гидравлики 22

2.2. Охлаждающие среды 23

2.3. Основные понятия и уравнения гидростатики 31

2.4. Кинематика жидкости, основные понятия и уравнения

гидродинамики 35

2.5. Элементы теории сопротивления жидкостей 47

3. Вентиляторы электрических машин

И ВЕНТИЛЯЦИОННЫЕ РАСЧЕТЫ 62

3.1. Устройство и принцип действия вентиляторов 63

3.2. Теория идеального центробежного вентилятора 65

3.3. Потери давления и мощности в центробежном вентиляторе 69

3.4. Характеристика давления центробежного вентилятора 70

3.5. Вентиляционные расчеты. Графическое решение уравнения

равновесия 71

3.6. Проектирование вентиляторов 74

4. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ 82

4.1. Основные процессы передачи тепла. Поле температуры 82

4.2. Основной закон теплопроводности. Формулировка уравнения

теплопроводности 84

4.3. Начальные и граничные условия для уравнения

теплопроводности 86

4.4. Фундаментальное решение уравнения теплопроводности 87

4.5. Простейшие задачи теплопроводности 92

4.6. Основное уравнение конвективного процесса 96

5. ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН 105

5.1. Задачи и методы теплового расчета 105

5.2. Эквивалентные тепловые схемы 107

5.3. Тепловой расчет с помощью тепловых схем замещения 110

5.4. Упрощенный тепловой расчет установившегося

режима работы 113

5.5. Классическая теория нестационарного теплового процесса

в электрической машине………………………………………………………………… 116

5.6. Нестационарный нагрев в стандартных режимах работы

электрических машин 119

5.7. Общий метод расчета нестационарных процессов

по тепловой схеме 122

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 125

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 126

Предисловие

Учебное пособие «Гидравлические и тепловые расчёты в электрических машинах» состоит из пяти основных глав:

1. Общие вопросы теплообмена в электрических машинах.

2. Основы теории гидравлических и аэродинамических расчетов.

3. Вентиляторы электрических машин и вентиляционные расчеты.

4. Основы теории теплопередачи.

5. Тепловые расчеты электрических машин.

В учебном пособии сформулированы задачи тепловых и вентиляционных расчётов электрических машин (ЭМ), показана связь между тепловыми и вентиляционными расчётами при проектировании ЭМ, а также указаны нормы нагрева и регламентирующие их документы. На основе теории гидравлических и аэродинамических расчётов выполняется расчёт вентиляторов электрических машин и трактов охлаждения.

Показано как строится инженерная методика расчёта, которая основана на эквивалентных гидравлических схемах замещения (ЭГС) машины.

Аналогично на основе теории теплопередачи выполняются тепловые расчёты электрических машин, которые также сводятся к инженерным методикам расчёта, базирующимся на эквивалентных тепловых схемах замещения (ЭТС).

ЭГС и ЭТС являются частным случаем полевых методов расчёта связанных с решением сложных дифференциальных уравнений в частных производных. Применение современных программ высокого уровня, таких как MATHCAD, MATLAB, Quick Field, ANSYS позволяет поднять инженерные методы расчёта на новый более высокий уровень. Структурно-логическая схема дисциплины приведена на рисунке.

ВВЕДЕНИЕ

Охлаждение электрических машин является одной из главных проблем современной электромеханики, определяющих прогресс электромашиностроения. В настоящее время решение проблем теплообмена является неотъемлемой частью теории электрических машин. Повышение технического уровня производства электрических машин, уменьшение их массы и габаритных размеров требуют наряду с улучшением свойств изоляционных и магнитных материалов, совершенствования конструкции машин и интенсификации их охлаждения. Предельные допустимые температуры активных частей машины относятся к числу важнейших ограничений, которые необходимо соблюдать при создании электрических машин, наряду с максимальными допустимыми механическими и электрическими напряжениями. Таким образом, очевидна актуальность курса, рассматривающего тепловые и вентиляционные расчеты электрических машин в неразрывной связи с электромеханическим преобразованием энергии.

После изучения дисциплины необходимо знать

 Роль и значение тепловых, гидравлических и аэродинамических явлений в электрических машинах, типы систем охлаждения, области их применения.

 Основы гидравлики, аэродинамики и теории теплопередачи применительно к электрическим машинам, теплофизические свойства используемых материалов и охлаждающих сред.

 Задачи тепловых и вентиляционных расчетов и методы их решения.

 Методы экспериментальной проверки данных расчета.

После изучения дисциплины необходимо уметь

 Выполнять проектный и поверочный расчеты вентиляторов электрических машин.

 Составлять тепловые и гидравлические схемы замещения электрических машин, определять их параметры, составлять расчетные алгоритмы и выполнять расчеты на основе современных методов компьютерного моделирования.

 Решать частные задачи определения тепловых полей в элементах электрических машин.

1.1. Содержание дисциплины

Учебным планом бакалавров, обучающихся по направлению 110800.62 «Агроинженерия», профиль «Электроснабжение и электрооборудование сельскохозяйственных предприятий» предусмотрено изучение дисциплины «Гидравлические и тепловые расчеты в электрических машинах», программный материал которой включает изучение следующих тем.

 Общие вопросы теплообмена в электрических машинах. Роль и значение тепловых и гидродинамических явлений в электрических машинах (ЭМ). Требования к ЭМ по уровню нагрева. Общая характеристика физических процессов тепловыделения и теплопередачи в ЭМ.

 Источники тепловыделения в ЭМ. Теплостоки и их рациональное размещение. Виды, способы и системы охлаждения ЭМ. Эффективность и экономичность систем охлаждения. Оценка эффективности охлаждения ЭМ.

 Расчёт и проектирование систем охлаждения. Связь теплового и вентиляционного расчётов и роль эксперимента. Теория подобия. Перенос теплоты. Конвективный теплообмен.

 Достижения отечественных научных школ в создании прогрессивных систем охлаждения ЭМ.

 Основы теории гидравлических и аэродинамических расчётов. Основные понятия и уравнения аэродинамики и гидравлики. Охлаждающие среды. Жидкости и газы. Вязкость среды. Законы для идеального газа. Уравнение состояния реальных газов. Кривые фазового перехода.

 Кинематика жидкости. Описание движения жидкости. Сплошные среды. Линии и трубки тока в поле скоростей. Гидравлические элементы потока. Основные понятия гидростатики и уравнения гидростатики. Уравнение движения жидкости. Основные уравнения гидродинамики.

 Элементы теории сопротивления жидкостей. Гидромеханическое подобие течений. Природа сопротивления жидкости. Пограничный слой. Обобщения уравнения Бернулли для движения жидкости с трением. Режимы движения жидкости. Сопротивление жидкости при ламинарном движении. Сопротивление жидкости при турбулентном движении.

 Теорема количества движения. Потери давления при внезапном расширении канала. Потери давления при сужении канала, движении через отверстия и решётки, при плавном изменении сечения и поворотах. Аэродинамическое и гидродинамическое сопротивление электрической машины.

 Вентиляторы электрических машин и вентиляционные расчёты. Устройство и принцип действия вентиляторов. Схемы вентиляции. Задачи вентиляционного расчёта. Графическое решение уравнения равновесия. Проектирование вентиляторов. Проектирование центробежных вентиляторов электрических машин. Проектирование осевых вентиляторов электрических машин.

 Основы теории теплопередачи. Основные процессы передачи тепла: теплопроводность, конвективный и лучистый теплообмен. Поле температуры, его аналитическое и графическое представление. Градиент температуры. Основной закон теплопроводности.

 Формулировка уравнения теплопроводности. Начальные и граничные условия для уравнения теплопроводности. Решение задач теплопроводности. Фундаментальное решение уравнения теплопроводности. Простейшие задачи теплопроводности. Стационарные одномерные температурные поля в плоской и цилиндрической стенках. Понятия о тепловом сопротивлении и тепловой проводимости.