Feldmann, Markus

Hechler, Oliver

Kühn, Bertram

RWTH Publications

Fatigue monitoring of steel railway bridges

Жадан, Валерий Афанасьевич

Санников, Д. И.

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University

/Том 1 9 0  1 9 6 8И З В Е С Т И ЯТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВАМ ЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕМПЕРАТУРЫ  РЕБРИСТЫ Х  ОБДУВАЕМ Ы Х КОРПУСОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН|В. А . Ж А Д А Н , Д . И . С А Н Н И К О В(П редставлена научны м  сем и н ар ом  каф едр  эл ектрических маш ин и общ ейэлектротехники).Рабочая температура обмоток электричеаких двигателей закрыто­го обдуваемого наполнения зависит ів наибольшей степени от ,превыше­ния температуры их оболочки над окружающей средой. Однако точ­ность расчета данного перегрева у машин ,малой мощности по имею­щимся в литературе методикам чрезмерно низка. В настоящее время накопленные опытные данные по нагреванию асинхронных двигателей мощностью до 10 квт позволяют разработать методику расчета пере­грева оболочки, обладающ ую необходимой точностью.На теплоотдачу с  поверхности оболочки, состоящей из ребристой  станины и подшипниковых щитов, влияет большое число факторов, главными из которых являются скорость !воздуха, акорость (вращения двигателя, спад скорости воздуха по длине станины, подогрев воздуха, перепад температуры по высоте ребра, различие коэффициентов тепло­отдачи станины и подшипниковых щитов и т. д. Определенная доля тепла с оболочки отводится излучением и, хотя эта доля незначительна при искусственной конвекции, следует учитывать ее при расчете коэф­фициента теплоотдачи.Уравнение (Конвективной теплоотдачи изображается степенной за- E и с и м ост ыю видаN u =  cR em, (1)гдеN u =  | ~  — критерий Нуссельта,, R e =  Ѵ| - — критерий Рейнольдса.За определяющий размер при расчете этих критериев принят ги­дравлический диаметр канала между двумя соседними ребрамиCr - 4 5 ; ,  ,2 )где S k — поперечное сечение канала,Пк — «смоченный» периметр канала,À и V — теплопроводность и кинематическая вязкость воздуха при температуре окружающей среды.Исследования проводились на 'макетном образце электродвигателя Д -132, который представляет собой оболочку данного двигателя со106встроенными секционированными (нагревателями. Регулируя мощность отдельных секций нагревателя, можіно добиться полной идентичноеги температурного поля оболочки двигателя и макета. Суммарная мощ­ность нагревателя равна греющим потерям исследуемого двигателя. Увеличение расхода воздуха достигалось путем различных усовершен­ствований івентиляции, а также путем наддува воздуха от постороннего вентилятора. Уменьшение расхода вентилятора осуществлялось путем увеличения аэродинамического сопротивления входа ів кожух. Средняя температура оболочки определялась по 40 термопарам, расположенным  равномерно на цилиндрической поверхности оболочки.Для определения результирующего коэффициента теплоотдачи, учитывающего теплоотдачу конвекцией и излучением, предвари­тельно находим условный коэффициент теплоотдачи без учета перепа­да температуры по высоте ребра«у =  Ѳ7 8Г-  > (3 )где Pr — греющие потери двигателя, вт;Ѳ — средний перегрев оболочки по термопарам, град.;S 0 =  Srn +  Sp — полная поверхность охлаждения оболочки, см2;Эгл — поверхность гладкой части станины и подшипниковых щи­тов, см 2;Sp — поверхность ребер, ем 2.В критерий Рейнольдса предварительно подставляем расходную  скорость воздуха іпіри выходе из-под кожуха.Vp =  + - ,  (4)^вы хгде Vp — расход воздуха, м3/сек;S b b i x  —  ПЛОЩаі ДЬ ВЫХОДНОГО С б Че НИЯ ,  M2.Действительный коэффициент теплоотдачиІ =  Ш — X T  С > ( 5 )0W n i i к р ' Ьр)гдеtgßкоэффициент эффективности ребра,=  (6)і /  +V  ^ibcpP ^ h 1 /  ^ i i L -  (7)коэффициент распространения температурного поля іпо высоте ребра,h — высота ребра,Xi — теплопроводность материала ребра,ЬСр — средняя толщина ребра.Раізложив в ряд tgß в ураівнении (6), получимI 1“р , +  J L - J L  -  і.+  J 2 / ,  _  J L+  3 45 +  3 (  15Д ля  среднего значения ß, полученного для большого числа станин,S2I -  =  0,94,107и, учитывая (7), получим кг.==--------1 +  0,625h 2(8)* ЬсрРешая совместно уравнения (3) и (5), получимas =  а, Sra "Г Sp (9)гдеS™ +0,625I +  C-OCvh 2(10)cpРешая полученное уравнение (9) относительно as и применяя формулу упрощенного деления и 'извлечения корня, іполучим решениеas =  ay( l  +  хосу), (I I)гдеh2 Л  . S1x =  0,156*i# I^ cp I S гл( 12)ос dЗависимости Nus =  —IJL = f (R e )  для различных скоростей вра-ктен и  я двигателя Д-132 приведены на ірис. 1 в логарифмической ана­морфозе. «Кривые такого же вида получены Г. Г. Счастливым ,для дви­гателей АО 10-го габарита [2]. В обоих случаях видно, что при одной и2,2V2.01,01.5И1.6FyNuzа =\з  ООО -qZ-МП ип = 1500/  У<т? - 750 —»1—г  2é У /А/ J ?е9 л е32 14 Sfi 3 8 40 42Р ис. 1. Зависим ость теплоотдачи поверхности ребристы х корпусов  эл ектродвигател ей  Д -1 3 2  (б ез  учета эф ф ективной ск ор ости  в о зд у х а )той же расходной скорости воздуха коэффициент теплоотдачи корпуса больше для больших скоростей вращения двигателя. Это явление, оче­видно, объясняется более высоким уровнем турбулентности воздушного потока, выходящего из вентилятора, при большей скорости вращения, а также условиями охлаждения подшипникового щита со стороны вен­тилятора. Одинаковый наклон кривых на рис. 1 позволяет предполо­жить, что можно получить единую критериальную зависимость для:108всех скоростей (вращения, если вместо расходной скорости взять эффек­тивную окорость воздуха, учитывающую ка,к расход воздуха так и ок­ружную  скорость вентилятора ѵ0. ’Д ля расчета эффективной скорости воздуха рекомендуется следѵ- ющая эмпирическая формулаѵ»ф = ѵр( і  +  ( і з )Зависимость N ue в функции R e3* = N dp изображена на рис. 2V(линия 2 ). Опытные точки для различных скоростей вращения удов­летворительно располагаются на прямой линии, которая описывается уравнениемIgNus =  -  0,454 +  OtST eigR e3(J) (H )илиN u s =  0 ,737R e°^ 6в  диапазоне0 ,2 5 -IO4 <  R e3(J) <  4 ,5 - IO4.Среднеквадратичеокий разброс опытных точек составляет 2,35 прац что вполне допустимо для тепловых расчетов. Данная методика была проверена на макете двигателя А 0 2  3-го габарита. Результаты экспе­римента на этом макете вместе с опытными данными по макету Д-132  приведены на рис. 2 (линия 2). Малый разброс опытных точек, полу-0 5 )212.01.0PP461.5Ыи / / //IIіI 1I»4)/•Ar 9/оЛ/J /гг3--- 7/АУZ 1А JZ&/Z i/ Z 'LZ//к/ ____ А//3 ,5  3.7 3 ,9  40 (/іиния2)___________3 ,5  3 .7  3,9 9,1Рис. 2. Зависимость теплоотдачи поверхности ребристых корпусов (с учетом эффективной скорости воздуха)•  — макет двигателя Д-132 п=3000 об/минО — макет двигателя Д-132 п=1500 об/мин,Д  — макет двигателя Д-132 п=750 об/мин,T — макет двигателя А02-32 п=3000 об/минX  — макет двигателя А02-32 п=1500 об/мин ’7  макет двигателя А02-32 п=  1000 об/мин ▲ — макет двигателя А02-32 п=750 об/мин109ченных при испытаниях -макетных образцов «с разными геометрически­ми размерами, позволяет 'сделать ,вывод, что метод учета скорости вра­щения выбран правильно и дальнейшие исследования следует .прово­дить <с учетом эффективной скорости вращения.В предлагаемой методике, в отличие от существующих, не рассчи­тывается отдельно влияние второстепенных факторов, таких, как отвод тепла излучением, различие условий охлаждения щитов и станины, по­догрев воздушного потока снимаемыми потерями и спад скорости воз­духа по длине станины. Все перечисленные факторы учтены коэффи­циентом теплоотдачи a s  . Благодаря этому получается существенное упрощение методики расчета; допускаемая в результате івоех указан­ных упрощений погрешность может быть оценена іпо ,разбросу опытных точек на графике (рис. 2 ). Этот разброс находится в допускаемых пре­делах, хотя перечисленные -второстепенные факторы изменялись в опы­тах в достаточно широком диапазоне. Так, отношение площадей охлаж ­даемой поверхности щитов и станины составляло 0,13— 0,17, отношение скорости івоздуха при выходе из каналов станины ік начальной состав­ляло 0,35—0,55.В качестве примера рассмотрим, насколько улучшается методика расчета, если учесть отдельно один из факторов, например, теплоотда­чу излучением.Коэффициент теплоотдачи излучением определяется по известной формулеSC I l V -  / I l V  100 у! I iooJ ( і б )где гС =  Cj — коэффициент излучения;T2 и Ti — абсолютные температуры оболочки и окружающей среды. В электромашиностроении, согласно [1], для большинства тештоиз- лучающих поверхностей коэффициент излучения Q  можно принять ра­вным 5 вт/м2 (гр ад)4.Приведенный коэффициент теплоотдачи излучениемV „ ^OXB / 1 7 \'Л =  а л - F — > O Oгде S oxb — поверхность, охватывающая станину по вершинам ребер  и подшипниковый щит, не закрытый кожухом.Коэффициент теплоотдачи конвекциейaK =  as — агл . (18)зависимостьN uk =  =  R R e94,),Xописываемая уравнениемN u k =  0,599R e°406, (J9 )показана на рис. 2 (линия 3). Среднеквадратический -разброс опытных точек в данном случае ôK =  2,8%. Отсюда видно, что особый учет теплоотдачи излучением не снижает разброс опытных точек и не повы­шает, следоівательно, точность расчета.В  связи с  этим возникает вопрос, следует ли учитывать отдельно т г кой фактор, как эффективность ребра. Бели пренебречь зависимостя­ми (6— 12), то теплоотдача оболочки будет рассчитываться через ус­ловный коэффициент теплоотдачи ау (3).HOЗависимостьN u , =  =  f(R е .ф).которая описывается уравнениемN u v =  0 ,826R e« |47, (20)приведена на графике рис.. 2 (линия 1). Среднеквадратический разброс  в данном случае увеличился с 2,35 до 2,6 проц. Хотя увеличение погреш­ности в данном случае является незначительным, но ввиду того, что погрешность существенно увеличивается при больших значениях Re, а современная тенденция заключается в повышении скорости обдува, следует при расчете учитывать эффективность ребра.Таким образом, расчет перегрева оболочки производится по сле­дующей формулерѲ =   —I  (2\)as(S rji +  Kp-Sp) ’ l Uгде суммарный коэффициент теплоотдачи«. =  - + F  , (22)dr — гидравлический диаметр канала, который определяется по формуле (2);Nus — определяется по формуле (15);Re3(J) — определяется через эффективную скорость воздуха (13);Kp — по формуле (8).Выводы1. ,Предложенная методика расчета температуры корпуса достаточ­но проста ідля инженерных расчетов и превосходит по точности суще­ствующие методики при использовании их для теплового расчета дви­гателей мощностью до 10 квт.2. Методика впервые позволяет учесть неодинаковые условия теп­лоотдачи при одном и том же расходе воздуха, но различной скорости вращения двигателя.3. Отдельный расчет подогрева воздуха, теплоотдачи излучением, теплоотдачи щитов и т. п. не способствует повышению точности тепло­вого расчета (В целом. Указанные факторы достаточно учитывать в об­щем коэффициенте теплоотдачи a s  (5).Л И Т Е Р А Т У Р А1. Г. Г о т  т е р .  Н агревание и охл аж ден и е электрических маш ин, ГЭИ , 1 9 6 1 .2. Г. Г. С ч а с т л и в ы  й. Н агревание закры ты х асинхронны х эл ектродви­гателей , Н аукова дум к а, 1 9 6 6 .

Методика расчета температуры ребристых обдуваемых корпусов электрических машин

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

RWTH Publications

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University