р₀ – удельные потери энергии, Вт/м³;

λ_г – коэффициент теплопроводности газа, .

Важно заметить, что если системы подобны, численно равны именно безразмерные комплексы параметров, характерные для этих систем, но не сами параметры.

Так, например, при равенстве чисел Рейнольдса в системах с воздушным и водяным охлаждением скорости движения воздуха и воды в трубах равного диаметра должны различаться более чем на порядок для достижения подобия. Учёт таких особенностей позволяет исследовать физические процессы на моделях и модельных машинах и использовать полученные результаты при проектировании широкого класса промышленных образцов машин.

Как следует из сказанного, измерять в эксперименте нужно лишь те (но обязательно все) параметры, которые входят в критерии подобия.

Теория подобия доказывает, что результаты измерений могут быть обработаны в критериальной форме. Рассмотрим в качестве примера следующую задачу.

ЗАДАЧА

Теплообмен полюсных катушек электромашин постоянного тока с аксиальной вентиляцией описывается выражением

Nu = 0,158Rе^0.7,

в котором за характерный размер принята длина катушек в направлений обдува [1].

Уравнение справедливо для чисел Рейнольдса находящихся в следующем диапазоне

Rе = 0,110⁵ ÷ 2,5∙10⁵

В данном случае для выполнения расчёта коэффициента теплоотдачи поверхности полюсных катушек вычисляется число Рейнольдса

,

где ω – скорость движения среды (ω = 2 м/с); – длина полюсных катушек в направлении обдува (l = 0,2 м);  – вязкость воздуха при рабочей температуре +40 С (16.96∙10^-6м²/с).

Rе = = 0.23∙10⁵

или Rе = 0,23 ∙ 10⁵, что соответствует заданному диапазону чисел Рейнольдса. Далее определяется число Нуссельта

Nu = 0.158 Rе^0.7 = 0.158 ∙ (0,23 ∙ 10⁵)^0.7 = 178,6

отсюда

,

где λ – теплопроводность воздуха (при рабочей температуре +40 ⁰С

λ = 2.76 · 10^-2 ).

= = 24,6 .

Условием возникновения теплообмена является разность температур рассматриваемых тел. Поток энергии, передаваемой частицами более горячего тела частицами более холодного, называется тепловым потоком.

Конвективный теплообмен между потоком жидкости или газа и поверхностью твёрдого тела называется теплоотдачей.

Для расчёта теплоотдачи обычно используют формулу Ньютона-Рихмана

,

где α – коэффициент теплообмена или коэффициент теплоотдачи; - разность температур стенки и жидкости (температурный напор), ^ К; Р – тепловой поток, Вт; F – поверхность теплообмена, м².

Если в предыдущем примере задать потери в полюсной катушке (Р=500 Вт) и определить теплоотдающую поверхность катушки (F = 0,3 м²), то на основании формулы Ньютона можно определить температуру поверхности катушки

1.5. Достижения отечественных научных школ в создании

прогрессивных систем охлаждения электрических машин

Достижения отечественных научных школ в создании прогрессивных систем охлаждения электрических машин реализованы в наиболее крупных машинах турбо- и гидрогенераторах, в которых, применяется водородное охлаждение и форсированное непосредственное водяное охлаждение. Например, серийные турбогенераторы Ленинградского электрообъединения «Электросила» мощностью 800 МВт имеют тройное водяное охлаждение (обмоток статора, ротора и стали статора). С уверенностью можно сказать, что достигнутый уровень мощностей обеспечен по преимуществу применением новых прогрессивных систем охлаждения электрических машин.

Перспективы дальнейшей интенсификации охлаждения машин связаны с применением сжиженных газов и эффекта сверхпроводимости. Разработка и испытания опытных образцов таких генераторов успешно осуществляется в нашей стране.

Важнейшие научно-исследовательские и опытно-конструкторение работы по системам охлаждения машин и вопросам их теплового расчёта были выполнены в АЭО «Электросила», ВНИИЭМ (г. Москва), ВНИИЭлектромаш (г. Ленинград), институте электродинамики АН УССР, ПО «Электротяжмаш» (г. Харьков), ВНИИПТИЭМ (г. Владимир), Харьковском ордене Ленина авиационном институте им. Н.Е. Жуковского, Всесоюзном НИИ взрывобезопасного электрооборудования (г. Донецк), ПО «Сибэлектротяжмаш» (г. Новосибирск) и др. Дальнейшее развитие данного научного направления идёт по пути исследования теплофизических и гидрогазодинамических процессов, как в традиционных, так и в принципиально новых системах охлаждения с использованием современной лабораторной и математической базы.

Выводы

Эффективность теплоотдачи электрических машин можно повысить различными способами, но при этом следует иметь в виду прежде всего экономические соображения. Можно считать, что наиболее экономичной будет машина, спроектированная с использованием оптимизационных расчётов по минимуму приведённой стоимости (суммарной стоимости капитальных и эксплутационных затрат).

Такая машина будет иметь оптимальный КПД и, следовательно, оптимальный уровень потерь. Требование к эффективности системы охлаждения при этом ограничивается необходимостью отвода потерь при обеспечении допустимого превышения температуры основных частей.

Всякое повышение интенсивности охлаждения сверх необходимого уровня экономически не оправдано, так как сопровождается повышением вентиляционных потерь и шума, создаваемого вентилятором, а также не оправдано возрастает стоимость системы охлаждения.

Таким образом, очевидно, что роль вентиляционных (гидравлических) и тепловых расчётов в обеспечении требуемых технико-экономических показателей электрической машины чрезвычайно высока.

Вопросы для самоКОНТРОЛЯ

1. Каковы допустимые значения температур обмоток электрических машин с классом изоляции В, F, Н?

2. Почему по ГОСТ 183-74 регламентируются не только допустимые значения температур, но и допустимые превышения температур обмоток электрических машин?

3. Сформулируйте правило Монтзингера?

4. Классификация потерь энергии в электрических машинах?

5. Как оценивается эффективность и экономичность системы охлаждения электрической машины?

2 . Основы теории гидравлических

И АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ РАСЧЁТОВ

В главе рассматриваются основы теории гидравлических и аэродинамических расчетов, которые базируются на представлении охлаждающих сред в виде жидкости с различными свойствами, но имеющей особенности сплошной среды. Рассматриваются основные уравнения гидростатики и гидродинамики, которые позволяют описывать охлаждающую среду в виде поля скоростей движения жидкости, поля давлений и температур. Показан переход к упрощённым инженерным методикам расчёта.

ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ГЛАВЫ НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ

• Основные понятия гидравлики и аэродинамики;

• Параметры, характеризующие основные физические свойства охлаждающих сред;

• Основные газовые законы. Уравнения Менделеева – Клапейрона.

• Уравнение Ван-дер-Ваальса.

• Основное уравнение гидростатики.

• Основные понятия гидродинамики. Гидравлические элементы потока жидкости.

• Уравнение непрерывности потока жидкости.

• Уравнение Эйлера. Уравнение Навье – Стокса. Уравнение Бернулли.

• Режимы течения жидкостей.

• От чего зависит сопротивление жидкости при ламинарном течении?

• Как рассчитывается сопротивление жидкости при турбулентном течении?

• Понятие местного гидравлического сопротивления.

• Теорема количества движения. Расчёт коэффициентов местных сопротивлений.

• Порядок составления эквивалентной гидравлической схемы электрической машины.

• Последовательное и параллельное соединение гидравлических сопротивлений.

2.1. Основные понятия и уравнения аэродинамики гидравлики

Гидравлика – наука, изучающая законы равновесия и движения жидкостей с соприкасающимися с ними покоящимися или движущимися твёрдыми телами.

Гидравлика состоит из гидростатики и гидродинамики.

Гидростатика – изучает законы равновесия жидкостей и их действие на ограничивающие стенки.

Гидродинамика – изучает законы движения жидкостей и их взаимодействие с ограничивающими стенками.

Жидкость – физическое тело, обладающее свойствами текучести, ввиду чего жидкость не имеет собственной формы и принимает форму сосуда, который она напоминает.

Жидкости бывают двух видов: капельные и газообразные.

Капельные жидкости характеризуются высоким сопротивлением сжатию (почти полной не сжимаемостью и малым сопротивлением, растягивающим усилиям и касательным усилиям, обусловленным незначительностью сил сцепления и сил трения между частицами. К капельным жидкостям относится вода, спирт, трансформаторное масло и т.п.

Газообразные жидкости обладают большой сжимаемостью, не оказывают сопро-тивления растягивающим усилиям и имеют малую вязкость.

В гидравлике принято рассматривать жидкость как сплошную среду. При этом рассматривают движение элементарных объемов жидкости, которые достаточно больше по сравнению с расстояниями между молекулами, благодаря чему движение жидкости можно рассматривать как движение непрерывной среды с непрерывно меняющимися параметрами (давление, плотность и т.д.).

В тепловом отношении электрическая машина – это совокупность твёрдых и нетвёрдых тел, взаимодействие которых в процессе теплопереноса формирует поле температуры Т.

При этом нетвёрдые тела в электрических машинах  это охлаждающие среды.

Таким образом, всё нетвёрдые тела можно подразделить на три группы:

1. жидкие тела с большой вязкостью;

2. жидкие тела с малой вязкостью; (капельные жидкости);

3. газообразные жидкие тела (газы).

При анализе электрической машины, как гидравлической и тепловой системы, используют уравнения гидромеханики и теплообмена с соответствующими краевыми уравнениями.

Эти уравнения связывают основные и формирующие параметры гидродинамических и тепловых систем и для стационарного трёхмерного случая имеют вид [1,8].

, (2.1)

где ρ, ν, с, λ, – плотность, кинематический коэффициент вязкости, теплоёмкость (при постоянном объёме), коэффициент теплопроводности среды;

– вектор скорости охладителя; f – вектор напряжённости массовых сил;

р – гидростатическое давление;

μD – функция диссипации, учитывающая подогрев среды за счёт рассеивания в ней работы сил вязкости;

– оператор Гамильтона.