Основы аэродинамических и тепловых расчетов в электромеханике: Учебное пособие, страница 4

Практическая неразрешимость уравнений движения охлаждающей среды обусловила необходимость проведения обширных экспериментальных исследований по определению аэродинамических (гидравлических) сопротивлений. Было установлено что геометрическое подобие еще не определяет подобия механического, т.к. при этом не обеспечивается подобие поля скоростей и давлений в соответствующих точках пространства. На основе анализа сил действующих на жидкость (газ), была разработана теория гидромеханического подобия течений вокруг геометрически подобных тел. Закон гидромеханического подобия течений сформулирован Рейнольдсом и гласит, что гидродинамическое подобие течений вокруг геометрически подобных тел будет соблюдено в тех случаях, когда отношение инерционных сил к силам трения в соответствующих точках пространства будет одинаковым в любой момент времени. Критерий гидродинамического подобии, названный критерием Рейнольдса, имеет вид:

,

где :  - скорость движения среды, м/с;

      d – гидравлический диаметр (определяющий размер), м;

       - кинематическая вязкость среды, м²/с.

Закон гидромеханического подобия оказал огромное влияние на развитие гидродинамики (аэродинамики) и позволил решать задачи проектирования систем охлаждения с достаточной степенью точности, используя результаты экспериментальных исследований на моделях.

Важнейшим этапом при проектировании систем охлаждения является выбор и расчет нагнетательных элементов. В электрических машинах в подавляющем большинстве в качестве охлаждающей среды используются газы (воздух, водород) и нагнетательным элементом является вентилятор – центробежный или осевой, теория и методика расчетов которых наиболее полно приведена в [7, 8]. При проектировании вентилятора электрической машины следует учитывать, что:

-  к.п.д. вентилятора влияет на к.п.д. электрической машины в целом;

-  частота вращения вентилятора определяется частотой вращения электрической машины;

-  внешний диаметр вентилятора ограничен размерами электрической машины и местом установки его.

Все эти факторы определяют необходимость обоснованного выбора типа вентилятора и рационального размещения его в электрической машине при проектировании системы охлаждения.

Результаты расчета системы охлаждения являются исходными данными при выполнении тепловых расчетов. Условия передачи тепла и теплообмена с окружающей средой и формирования на этой основе температурных полей являются предметом изучения теплопередачи, лежащей в основе тепловых расчетов различных электрических машин. В различных частях электрической машины в процессе их работы выделяются потери (электрические, магнитные, механические), которые формируют тепловые поля, зависящие от условий отвода потерь из электрической машины. Процесс переноса  тепла в системе физических тел называется теплообменом, который обусловлен неравномерностью распределения температуры в данной системе, т.е. температурным полем.

Непосредственной задачей теплового расчета является расчет температуры активных частей электрической машины с целью проверки выполнения требований по допустимому уровню нагрева в соответствии с требованиями ГОСТов или технического задания. В результате расчета определяются максимальные значения температуры в наиболее нагретых зонах активных частей электрической машины. Практически чаще бывает достаточно ограничится расчетом среднего значения температуры, что значительно упрощает тепловой растет.

Тепловой расчет электрических машин базируется на основе решения неоднородного дифференциального уравнения теплопроводности. Сложность решения такого уравнения обуславливается неравномерным распределением потерь , неоднородностью физический свойств материалов частей электрической машины, явновыраженной анизотропией свойств по радиусу и длине, сложностью форм поверхностей теплоотдачи и т.д.

Решение дифференциального уравнения невозможно без определения условий теплопередачи на границах твердых тел и охлаждающей среды. Для определения условий теплообмена на граничных поверхностях необходимо знать закон движения охлаждающих сред в системе охлаждения электрической машины.