CN110926824A - 发电机内循环风阻特性和散热量的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发电机内循环风阻特性和散热量的测量装置，包括辅助风机、进风管道、发电机、出风管道、风压风速测量仪，所述辅助风机安装在风机机座上，辅助风机出风口与进风管道进风侧连接，进风管道出风侧连接发电机进风口，发电机出风口连接出风管道进风侧，出风管道出风侧连接辅助风机进风口；进风管道出风侧周向等距开有进风测量孔，出风管道出风侧周向等距开有若干出风测量孔，进风测量孔和出风测量孔内放均置L型皮托管，风压风速测量仪与L型皮托管连接。本发明记录进、出风管道风压风速风量，对测量数据进行处理，求解发电机的内部风阻特性曲线，根据风阻特性测试结果，决定电机内部结构是否需要优化，降低风阻，减小损耗。

Description

发电机内循环风阻特性和散热量的测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及电机领域，特别涉及一种发电机内循环风阻特性和散热量的测量装置及测量方法。

背景技术

随着现代技术发展，发电机呈现出小型化、低损耗、高效率、大功率发展趋势。发电机高功率密度意味着高损耗，高损耗导致发电机工作温度会剧烈升高，而发电机温度直接影响发电机使用安全和运行寿命，因此设计一种精准测出发电机内部风阻系数的测试装置及发电机工作状态下所需散热量，对于发电机的设计显得尤为重要。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单的发电机内循环风阻特性和散热量的测量装置，并提供其测量方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种发电机内循环风阻特性和散热量的测量装置，包括辅助风机、进风管道、发电机、出风管道、风压风速测量仪，所述辅助风机安装在风机机座上，辅助风机出风口通过风路转换接头与进风管道进风侧连接，进风管道出风侧通过进风管道接头连接发电机进风口，发电机出风口经出风管道接头连接出风管道进风侧，出风管道出风侧通过直角弯管接头连接辅助风机进风口；所述进风管道出风侧周向等距开有若干进风测量孔，出风管道出风侧周向等距开有若干出风测量孔，进风测量孔和出风测量孔内放均置L型皮托管，L型皮托管测量口正对管道内风向，风压风速测量仪与L型皮托管连接，用于测量发电机进风端和出风端的风压、风速、风量、风温；辅助风机吹风通过风路转换接头进入进风管道，经过进风管道接头后从发电机进风口进入发电机内部，再由发电机出风口出风，通过出风管道接头，再经过出风管道和直角弯管接头，返回辅助风机，等效模拟发电机内部气流循环散热。

上述发电机内循环风阻特性和散热量的测量装置，所述进风管道进风侧和出风管道进风侧内部均安装圆形蜂窝稳流网，蜂窝稳流网上的通风孔为六边形蜂窝孔。

上述发电机内循环风阻特性和散热量的测量装置，整个测量装置连接位置全部夹装密封垫过盈安装并涂抹密封胶二次密封。

上述发电机内循环风阻特性和散热量的测量装置，所述进风管道和出风管道均为圆筒结构且等高度平行放置；所述进风管道接头、出风管道接头与发电机连接的密封面采用流线型设计。

上述发电机内循环风阻特性和散热量的测量装置，所述风路转换接头风机风路转换接头一端为矩形进风口，另一端为圆形出风口，用来连接辅助风机和进风管道。

上述发电机内循环风阻特性和散热量的测量装置，所述辅助风机通过紧固装置固定安装在风机机座上，紧固装置包括螺栓和固定圆盘。

上述发电机内循环风阻特性和散热量的测量装置，还包括用于支撑进风管道和出风管道的风管支撑架。

一种发电机内循环风阻特性和散热量的测量方法，包括以下步骤：

步骤I：检测测量装置的密封性：测量装置安装完毕，启动辅助风机，用风压风速测量仪对整个装置所有连接处进行检测，若风压风速仪参数显示不为零，则表示所测连接处漏风，重新安装所测连接处，直至风压风速仪参数显示零，此时表明整个风阻测量装置无漏风；测量装置密封状态下，调整辅助风机转速，记录出风测量孔位置的风压风速测量数据，数据经过处理绘制曲线，记作装置密封曲线，后续密封性检查，通过若干组数据与密封曲线比对，即可检查风阻测量装置密封性；

步骤II：测量发电机冷态风压和风速：启动辅助风机，调节辅助风机转速控制风压跟风速，进风管道上的L型皮托管尾部连接风压风速测量仪，测量进风管道内的风压和风速，气流稳定后，记录数据；同理，出风管道上的L型皮托管尾端连接风压风速测量仪，测量出风管道内的风压和风速，气流稳定后，记录数据，绘制辅助风机转速与进、出管道的冷态风速、风压、风量的关系曲线，求取不同风速风压下发电机风阻特性曲线，进入步骤III；

步骤III：测量发电机热态风压和风速：通过调节辅助风机转速，控制风压风速配合调整发电机热源温度，令发电机稳定运行在安全温度下，记录进风管道和出风管道内的风压、风速和风量数据，记录辅助风机转速，同时通过发电机电压传感器、电流传感器和转速传感器记录发电机工作电压、电流和转速；发电机运行在安全温度下基础下，通过加大散热风量，绘制风压风速风量与发电机温度的关系曲线及求取风阻特性曲线。

上述发电机内循环风阻特性和散热量的测量方法，所述步骤II具体步骤为：

2-1)发电机静止状态，启动辅助风机，设定某一转速n，L型皮托管根据预设圆周均布测量点，风压风速测量仪记录进风测量孔处全部测量点的风压P₀、风量Q₀和风速v₀，求取平均值，记录不同转速下对应的进风风压数据P_in、进风流速数据v_in、进风风量数据Q_in；同法，出风测量孔处记录风压、风量和风速，记录不同转速下对应的出风风压数据P_out、出风流速数据v_out、出风风量数据Q_out；

2-2)计算发电机压力损失ΔP：ΔP＝P_in-P_out，根据风阻特性系数计算公式，发电机风阻特性ξ：

ρ为空气密度；

2-3)调节辅助风机转速，绘制多条辅助风机转速与进、出风冷态风压风速风量的关系曲线，得到不同风速下的发电机内部风阻特性曲线，为发电机内部风道结构优化，减小发电机内部风道的风阻，提供数据支持。

上述发电机内循环风阻特性和散热量的测量方法，所述步骤III具体步骤为：

3-1)通过调节辅助风机转速控制风压风速配合调整发电机热源温度，令发电机运行在安全温度下，风压风速测量仪记录进风测量孔处全部测量点的风压P′₀、风量Q′₀和风速v′₀，求取平均值，记录不同转速下对应的进风风压数据P′_in、进风流速数据v′_in、进风风量数据Q′_in；同法，出风测量孔处记录风压、风量和风速，记录不同转速下对应的出风风压数据P′_out、出风流速数据v′_out、出风风量数据Q′_out；

3-2)计算电机压力损失ΔP′：ΔP′＝P′_in-P′_out，风阻特性系数计算公式，发电机风阻特性：

ρ′为热态空气密度；

3-3)计算气体散热量

Tout为出风温度；Tin为进风温度；c为空气比热容；Q为管道风量，

d为风管风道直径；

3-4)发电机运行在安全温度下，加大散热风量，绘制风压风速风量与发电机温度的关系曲线，为设计发电机高效散热风扇，提供测量数据。

本发明的有益效果在于：本发明通过发电机内循环风阻特性及散热量高精度测量装置，记录进、出风管道风压风速风量，对测量数据进行处理，求解发电机的内部风阻特性曲线，根据风阻特性测试结果，决定电机内部结构是否需要优化，降低风阻，减小损耗；发电机额定工作状态时，运行在安全温度下，记录进、出风管道风压风速风量、风温数据，计算机处理测量数据，求解发电机的内部风阻特性曲线，求解不同风压风速风量下发电机的散热量，为电机风扇精准设计提供数据输入，达到减少能耗目的。

附图说明

图1为本发明测量装置的总体结构示意图。

图2为本发明待测发电机的结构示意图。

图3为本发明进风管道接头的结构示意图。

图4为本发明进风管道接头的俯视结构示意图。

图5为本发明出风管道接头的结构示意图。

图6为本发明出风管道接头的俯视结构示意图。

图7为本发明蜂窝稳流网的结构示意图。

图8为本发明皮托管流量测试截面测点位置及结构示意图。

图9为图8的侧视图。

图10为本发明辅助风机及风机机座的安装示意图。

图11为本发明风路转换接头的结构示意图。

图12为本发明测量发电机冷态风压和风速内循环测试方法的示意图。

图13为本发明测量发电机热态风压和风速内循环测试方法的示意图。

图14为本发明风管支撑架的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、图2所示，一种发电机内循环风阻特性和散热量的测量装置，包括辅助风机1、风机机座2、风路转换接头3、进风管道4、进风测量孔5、进风管道接头6、发电机7、出风管道接头8、出风管道9、出风测量孔10、直角弯管接头11、风管支撑架12、L型皮托管13、风压风速测量仪14、蜂窝稳流网15，所述辅助风机1安装在风机机座2上，辅助风机1出风口28通过风路转换接头3与进风管道4进风侧连接，进风管道4与进风管道4接头过盈配合安装，进风管道4出风侧通过进风管道4接头连接发电机7进风口16，进风管道接头6出风口19与发电机7进风口16居中对正放置，由于不能伤害发电机产品外观，接触缝隙采用锡焊填补密封，测量结束后便于清理。

发电机7出风口17经出风管道接头8连接出风管道9进风侧，出风管道接头8进风口20与发电机7出风口17居中放置，接触缝隙也采用锡焊填补密封，出风管道接头8与出风管道9过盈安装；出风管道9出风侧通过直角弯管接头11连接辅助风机1进风口，由于受辅助风机1结构影响，辅助风机1进风口25、出风口28不在同一平面，使用直角弯管接头11改变出风管道9走向接回风机进风口28；整个测量装置连接位置全部夹装密封垫过盈安装并涂抹密封胶二次密封。

所述进风管道4出风侧周向等距开有若干进风测量孔5，出风管道9出风侧周向等距开有出风测量孔10，进风测量孔5和出风测量孔10内放均置L型皮托管13，如图8所示，L型皮托管13穿过测量孔固定，且测量口正对管道内风向，按预设四层圆周均布测量点，测量全部测量点数据，比对数据间误差，判断管道内部气流是否均匀流动。

风压风速测量仪14与L型皮托管13连接，用于测量发电机7进风端和出风端的风压、风速、风量、风温；风管支撑架1212支撑进风管道4和出风管道9；辅助风机1吹风通过风路转换接头3进入进风管道4，经过进风管道接头6后从发电机7进风口16进入发电机7内部，再由发电机7出风口17出风，通过出风管道接头8，再经过出风管道9和直角弯管接头11，返回辅助风机1，等效模拟发电机7内部气流循环散热，称为内循环测试方法。

所述进风管道4进风侧和出风管道9进风侧内部均安装圆形蜂窝稳流网15，蜂窝稳流网15上的通风孔为六边形蜂窝孔。如图7所示，蜂窝稳流网15材质为铝合金，重量小强度高，蜂窝孔壁设计0.2mm厚，壁面越薄风阻越小，根据流体力学原理原理计算及实验分析，蜂窝稳流网15风阻对测量误差的影响忽略不计。由于气流经过风路转换接头3流入进风管道4是不均匀的，单纯借助管道自身达到稳定，根据理论计算进风管道4、出风管道9至少需要长度约20米，将会导致测量装置体积巨大，管道内装蜂窝稳流网15可以起到快速稳定风管内部气流的功能，管道内部气流均匀流动，提高了风压风速测量仪14测量精度，大大了缩短进风管道4、出风管道9长度，进而减小了测量装置体积。

辅助风机1由蜗壳风箱24、离心风扇、变频驱动电机22组成，风机出风风速范围：0.5～35m/s。

所述进风管道4和出风管道9均为圆筒结构且等高度平行放置。

如图3-图6所示，进风管道4、出风管道接头8材质为普通碳钢，根据空气动力学原理计算，所述进风管道接头6、出风管道接头8与发电机7连接的密封面18采用流线型设计，可以减小气流进入发电机7内部前的风损耗，减小测量装置误差。

由于辅助风机1出风口28与进风管道4接口不匹配，所述风路转换接头3一端为矩形进风口26，另一端为圆形出风口27，用来连接辅助风机1和进风管道4，辅助风机1出风口28与风路转换接头3矩形进风口26夹装密封垫、螺栓紧固密封，风路转换接头3圆形出风口27与进风管道4过盈安装。

所述辅助风机1通过紧固装置23固定安装在风机机座2上，紧固装置23包括螺栓和固定圆盘，紧固装置用来固定辅助风机1，防止辅助风机1运转时震动导致测量装置偏移，从而影响整个装置测量精度。

实际使用中，本发明的测量装置外部陪试设备，包括：2台风压风速测量仪14和1台计算机(图未示)即可完成测量内容，降低测量装置安装操作的复杂性和制造成本。测量装置安装完毕后，控制辅助风机1调节进风管道4内的风速，风压风速测量仪14将测量数据传输至计算机处理，绘制辅助风机1转速与进风管道4内部的风压、风量和风速关系曲线，计算机对测量数据进行记录处理，得到风阻特性曲线及发电机散热曲线。

一种发电机内循环风阻特性和散热量的测量方法，包括以下步骤：

步骤I：检测测量装置的密封性：测量装置安装完毕，启动辅助风机1，用风压风速测量仪14对整个装置所有连接处进行检测，若风压风速仪参数显示不为零，则表示所测连接处漏风，重新安装所测连接处，直至风压风速仪参数显示零，此时表明整个风阻测量装置无漏风；测量装置密封状态下，调整辅助风机1转速，记录出风测量孔10位置的风压风速测量数据，数据经过处理绘制曲线，记作装置密封曲线，后续密封性检查，通过若干组数据与密封曲线比对，即可检查风阻测量装置密封性。

步骤II：测量发电机7冷态风压和风速：启动辅助风机1，调节辅助风机1转速控制风压跟风速，进风管道4上的L型皮托管13尾部连接风压风速测量仪14，测量进风管道4内的风压和风速，气流稳定后，记录数据；同理，出风管道9上的L型皮托管13尾端连接风压风速测量仪14，测量出风管道9内的风压和风速，气流稳定后，记录数据，绘制辅助风机1转速与进、出管道的冷态风速、风压、风量的关系曲线，求取不同风速风压下发电机风阻特性曲线，进入步骤III。具体步骤为：

2-1)发电机7静止状态，启动辅助风机1，设定某一转速n，L型皮托管13根据预设圆周均布测量点，风压风速测量仪14记录进风测量孔5处全部测量点的风压P₀、风量Q₀和风速v₀，要求测量数据任意两者之间误差不超1％，可认定管道内流速均匀且记录数据真实有效；反之，认定管道内流速紊乱，可调整蜂窝整流网位置或者长度，令流速均匀。求取平均值，记录不同转速下对应的进风风压数据P_in、进风流速数据v_in、进风风量数据Q_in；同法，出风测量孔10处记录风压、风量和风速，记录不同转速下对应的出风风压数据P_out、出风流速数据v_out、出风风量数据Q_out；

2-2)计算发电机压力损失ΔP：ΔP＝P_in-P_out，根据风阻特性系数计算公式，发电机风阻特性ξ：

ρ为空气密度；

2-3)调节辅助风机1转速，绘制多条辅助风机1转速与进、出风冷态风压风速风量的关系曲线，得到不同风速下的发电机内部风阻特性曲线，为发电机内部风道结构优化，减小发电机内部风道的风阻，提供数据支持。

步骤III：测量发电机7热态风压和风速：热态风阻，就是发电机工作情况下风阻，由于发电机自身损耗生热，发电机工作温度上升，散热气流温度上升，空气自身物理性质受温度影响发生变化，不同于发电机静止，发电机转子运转导致发电机内部气体流动，风阻发生了变化，需要重新测量。

为保证发电机长时间安全运行，要求发电机运行在安全温度下，发电机安全工作温度根据产品使用要求来标定。通过调节辅助风机1转速，控制风压风速配合调整发电机7热源温度，令发电机7稳定运行在安全温度下，记录进风管道4和出风管道9内的风压、风速和风量数据，记录辅助风机1转速，同时通过发电机电压传感器、电流传感器和转速传感器记录发电机工作电压、电流和转速；发电机运行在安全温度下基础下，通过加大散热风量，绘制风压风速风量与发电机温度的关系曲线及求取风阻特性曲线。具体步骤为：

3-1)通过调节辅助风机1转速控制风压风速配合调整发电机热源温度，令发电机运行在安全温度下，风压风速测量仪14记录进风测量孔5处全部测量点的风压P′₀、风量Q′₀和风速v′₀，要求数据间误差不超1％，可认定管道内流速均匀且记录的数据真实有效，求取平均值，记录不同转速下对应的进风风压数据P′_in、进风流速数据v′_in、进风风量数据Q′_in；同法，出风测量孔10处记录风压、风量和风速，记录不同转速下对应的出风风压数据P′_out、出风流速数据v′_out、出风风量数据Q′_out；

3-2)计算电机压力损失ΔP′：ΔP′＝P′_in-P′_out，风阻特性系数计算公式，发电机风阻特性：

ρ′为热态空气密度；

3-3)计算气体散热量

Tout为出风温度；Tin为进风温度；c为空气比热容；Q为管道风量，

d为风管风道直径；

3-4)发电机运行在安全温度下，加大散热风量，绘制风压风速风量与发电机温度的关系曲线，为设计发电机高效散热风扇，提供测量数据。

Claims (10)

1.一种发电机内循环风阻特性和散热量的测量装置，其特征在于，包括辅助风机、进风管道、发电机、出风管道、风压风速测量仪，所述辅助风机安装在风机机座上，辅助风机出风口通过风路转换接头与进风管道进风侧连接，进风管道出风侧通过进风管道接头连接发电机进风口，发电机出风口经出风管道接头连接出风管道进风侧，出风管道出风侧通过直角弯管接头连接辅助风机进风口；所述进风管道出风侧周向等距开有若干进风测量孔，出风管道出风侧周向等距开有若干出风测量孔，进风测量孔和出风测量孔内放均置L型皮托管，L型皮托管测量口正对管道内风向，风压风速测量仪与L型皮托管连接，用于测量发电机进风端和出风端的风压、风速、风量、风温；辅助风机吹风通过风路转换接头进入进风管道，经过进风管道接头后从发电机进风口进入发电机内部，再由发电机出风口出风，通过出风管道接头，再经过出风管道和直角弯管接头，返回辅助风机，等效模拟发电机内部气流循环散热。

2.根据权利要求1所述的发电机内循环风阻特性和散热量的测量装置，其特征在于，所述进风管道进风侧和出风管道进风侧内部均安装圆形蜂窝稳流网，蜂窝稳流网上的通风孔为六边形蜂窝孔。

3.根据权利要求1所述的发电机内循环风阻特性和散热量的测量装置，其特征在于，整个测量装置连接位置全部夹装密封垫过盈安装并涂抹密封胶二次密封。

4.根据权利要求1所述的发电机内循环风阻特性和散热量的测量装置，其特征在于，所述进风管道和出风管道均为圆筒结构且等高度平行放置；所述进风管道接头、出风管道接头与发电机连接的密封面采用流线型设计。

5.根据权利要求1所述的发电机内循环风阻特性和散热量的测量装置，其特征在于，所述风路转换接头风机风路转换接头一端为矩形进风口，另一端为圆形出风口，用来连接辅助风机和进风管道。

6.根据权利要求1所述的发电机内循环风阻特性和散热量的测量装置，其特征在于，所述辅助风机通过紧固装置固定安装在风机机座上，紧固装置包括螺栓和固定圆盘。

7.根据权利要求1所述的发电机内循环风阻特性和散热量的测量装置，其特征在于，还包括用于支撑进风管道和出风管道的风管支撑架。

8.一种基于权利要求1-7中任一项所述的测量装置的发电机内循环风阻特性和散热量的测量方法，包括以下步骤：

步骤Ⅰ：检测测量装置的密封性：测量装置安装完毕，启动辅助风机，用风压风速测量仪对整个装置所有连接处进行检测，若风压风速仪参数显示不为零，则表示所测连接处漏风，重新安装所测连接处，直至风压风速仪参数显示零，此时表明整个风阻测量装置无漏风；测量装置密封状态下，调整辅助风机转速，记录出风测量孔位置的风压风速测量数据，数据经过处理绘制曲线，记作装置密封曲线，后续密封性检查，通过若干组数据与密封曲线比对，即可检查风阻测量装置密封性；

步骤Ⅱ：测量发电机冷态风压和风速：启动辅助风机，调节辅助风机转速控制风压跟风速，进风管道上的L型皮托管尾部连接风压风速测量仪，测量进风管道内的风压和风速，气流稳定后，记录数据；同理，出风管道上的L型皮托管尾端连接风压风速测量仪，测量出风管道内的风压和风速，气流稳定后，记录数据，绘制辅助风机转速与进、出管道的冷态风速、风压、风量的关系曲线，求取不同风速风压下发电机风阻特性曲线，进入步骤Ⅲ；

步骤Ⅲ：测量发电机热态风压和风速：通过调节辅助风机转速，控制风压风速配合调整发电机热源温度，令发电机稳定运行在安全温度下，记录进风管道和出风管道内的风压、风速和风量数据，记录辅助风机转速，同时通过发电机电压传感器、电流传感器和转速传感器记录发电机工作电压、电流和转速；发电机运行在安全温度下基础下，通过加大散热风量，绘制风压风速风量与发电机温度的关系曲线及求取风阻特性曲线。

9.根据权利要求8所述的发电机内循环风阻特性和散热量的测量方法，其特征在于，所述步骤Ⅱ具体步骤为：

2-1)发电机静止状态，启动辅助风机，设定某一转速n，L型皮托管根据预设圆周均布测量点，风压风速测量仪记录进风测量孔处全部测量点的风压P₀、风量Q₀和风速v₀，求取平均值，记录不同转速下对应的进风风压数据P_in、进风流速数据v_in、进风风量数据Q_in；同法，出风测量孔处记录风压、风量和风速，记录不同转速下对应的出风风压数据P_out、出风流速数据v_out、出风风量数据Q_out；

2-2)计算发电机压力损失ΔP：ΔP＝P_in-P_out，根据风阻特性系数计算公式，发电机风阻特性ξ：

ρ为空气密度；

2-3)调节辅助风机转速，绘制多条辅助风机转速与进、出风冷态风压风速风量的关系曲线，得到不同风速下的发电机内部风阻特性曲线，为发电机内部风道结构优化，减小发电机内部风道的风阻，提供数据支持。

10.根据权利要求8所述的发电机内循环风阻特性和散热量的测量方法，其特征在于，所述步骤Ⅲ具体步骤为：

3-1)通过调节辅助风机转速控制风压风速配合调整发电机热源温度，令发电机运行在安全温度下，风压风速测量仪记录进风测量孔处全部测量点的风压P′₀、风量Q′₀和风速v′₀，求取平均值，记录不同转速下对应的进风风压数据P′_in、进风流速数据v′_in、进风风量数据Q′_in；同法，出风测量孔处记录风压、风量和风速，记录不同转速下对应的出风风压数据P′_out、出风流速数据v′_out、出风风量数据Q′_out；

3-2)计算电机压力损失ΔP′：ΔP′＝P′_in-P′_out，风阻特性系数计算公式，发电机风阻特性：

ρ′为热态空气密度；

3-3)计算气体散热量

Tout为出风温度；Tin为进风温度；c为空气比热容；Q为管道风量，

d为风管风道直径；

3-4)发电机运行在安全温度下，加大散热风量，绘制风压风速风量与发电机温度的关系曲线，为设计发电机高效散热风扇，提供测量数据。

Images