PROPAGACJA WYBUCHU PRZEZ SZCZELINĘ POWIETRZNĄ SILNIKA OGNIOSZCZELNEGO

Podobne dokumenty
Fot. 1. Przekrój nowoczesnego silnika w osłonie ognioszczelnej

Rdzeń stojana umieszcza się w kadłubie maszyny, natomiast rdzeń wirnika w maszynach małej mocy bezpośrednio na wale, a w dużych na piaście.

J. Szantyr Wyklad nr 6 Przepływy laminarne i turbulentne

Trójfazowe silniki indukcyjne. serii dskgw do napędu organów urabiających kombajnów górniczych Wkładka katalogowa nr 11a

SPALANIE PALIW GAZOWYCH

WYSOKONAPIĘCIOWE SILNIKI PRZECIWWYBUCHOWE BUDOWY WZMOCNIONEJ

J. Szantyr Wykład nr 19 Warstwy przyścienne i ślady 1

SPRĘŻ WENTYLATORA stosunek ciśnienia statycznego bezwzględnego w płaszczyźnie

dn dt C= d ( pv ) = d dt dt (nrt )= kt Przepływ gazu Pompowanie przez przewód o przewodności G zbiornik przewód pompa C A , p 1 , S , p 2 , S E C B

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA Wydział Mechaniczny Katedra Pojazdów Mechanicznych i Transportu LABORATORIUM TERMODYNAMIKI TECHNICZNEJ

Laboratorium. Hydrostatyczne Układy Napędowe

MASZYNY ELEKTRYCZNE CELMA SA

PRZEGLĄD KONSTRUKCJI JEDNOFAZOWYCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM

Materiały pomocnicze do laboratorium z przedmiotu Metody i Narzędzia Symulacji Komputerowej

ZWARTE PRĘTY ROZRUCHOWE W SILNIKU SYNCHRONICZNYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM

MASZYNY ELEKTRYCZNE CELMA SA

PL B1. INSTYTUT NAPĘDÓW I MASZYN ELEKTRYCZNYCH KOMEL, Katowice, PL BUP 05/12

PBM wentylator promieniowy

AERODYNAMIKA SPALANIA

Wnikanie ciepła przy konwekcji swobodnej. 1. Wstęp

mgr inż. Aleksander Demczuk

NAPĘDY PRZEKSZTAŁTNIKOWE SILNIKÓW W WYKONANIU PRZECIWWYBUCHOWYM

LABORATORIUM SPALANIA I PALIW

Z powyższej zależności wynikają prędkości synchroniczne n 0 podane niżej dla kilku wybranych wartości liczby par biegunów:

PROFIL PRĘDKOŚCI W RURZE PROSTOLINIOWEJ

J. Szantyr Wykład 4 Podstawy teorii przepływów turbulentnych Zjawisko występowania dwóch różnych rodzajów przepływów, czyli laminarnego i

WIROWYCH. Ćwiczenie: ĆWICZENIE BADANIE PRĄDÓW ZAKŁ AD ELEKTROENERGETYKI. Opracował: mgr inż. Edward SKIEPKO. Warszawa 2000

Obliczenia polowe silnika przełączalnego reluktancyjnego (SRM) w celu jego optymalizacji

PL B1. INSTYTUT NAPĘDÓW I MASZYN ELEKTRYCZNYCH KOMEL, Katowice, PL BUP 15/16

. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest porównanie na drodze obserwacji wizualnej przepływu laminarnego i turbulentnego, oraz wyznaczenie krytycznej licz

Ćwiczenie: "Silnik indukcyjny"

Oddziaływanie wirnika

Stopnie ochrony zapewniane przez obudowy (IP)

SILNIK SYNCHRONICZNY ŚREDNIEJ MOCY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI ZASILANY Z FALOWNIKA

SILNIK INDUKCYJNY KLATKOWY

AKADEMIA GÓRNICZO HUTNICZA INSTRUKCJE DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH: TECHNIKA PROCESÓW SPALANIA

PRĄDNICE I SILNIKI. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Numeryczna symulacja rozpływu płynu w węźle

Spalanie detonacyjne - czy to się opłaca?

dr inż. Gerard Kałuża Konstrukcja i badania zatapialnych pomp wirowych przeznaczonych do pracy w przestrzeni zagrożonej wybuchem.

Laboratorium z Konwersji Energii SILNIK SPALINOWY

ANALiZA WPŁYWU PARAMETRÓW SAMOLOTU NA POZiOM HAŁASU MiERZONEGO WEDŁUG PRZEPiSÓW FAR 36 APPENDiX G

Politechnika Poznańska

1. Wprowadzenie: dt q = - λ dx. q = lim F

ciąg podciśnienie wywołane róŝnicą ciśnień hydrostatycznych zamkniętego słupa gazu oraz otaczającego powietrza atmosferycznego

Charakterystyka rozruchowa silnika repulsyjnego

Historia bezpieczeństwa przeciwwybuchowego w Polsce

Ciśnienie definiujemy jako stosunek siły parcia działającej na jednostkę powierzchni do wielkości tej powierzchni.

OPŁYW PROFILU. Ciała opływane. profile lotnicze łopatki. Rys. 1. Podział ciał opływanych pod względem aerodynamicznym

Nauka o Materiałach. Wykład XI. Właściwości cieplne. Jerzy Lis

Indukcja własna i wzajemna. Prądy wirowe

LABORATORIUM PRZETWORNIKÓW ELEKTROMECHANICZNYCH

SILNIK INDUKCYJNY KLATKOWY

Siatka spiętrzająca opis czujnika do pomiaru natężenia przepływu gazów. 1. Zasada działania. 2. Budowa siatki spiętrzającej.

PL B1. Urządzenie wentylatorowe do recyrkulacji gazów w wysokotemperaturowym ogniwie paliwowym. POLITECHNIKA WARSZAWSKA, Warszawa, PL

APARATY GRZEWCZO-WENTYLACYJNE FAGW

Doświadczenia w eksploatacji gazomierzy ultradźwiękowych

ZASTOSOWANIE SKOSU STOJANA W JEDNOFAZOWYM SILNIKU SYNCHRONICZNYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

Skraplanie czynnika chłodniczego R404A w obecności gazu inertnego. Autor: Tadeusz BOHDAL, Henryk CHARUN, Robert MATYSKO Środa, 06 Czerwiec :42

POLOWO - OBWODOWY MODEL BEZSZCZOTKOWEJ WZBUDNICY GENERATORA SYNCHRONICZNEGO

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Laboratorium z Elektrotechniki z Napędami Elektrycznymi

Silniki indukcyjne. Ze względu na budowę wirnika maszyny indukcyjne dzieli się na: -Maszyny indukcyjne pierścieniowe. -Maszyny indukcyjne klatkowe.

POMIAR NATĘŻENIA PRZEPŁYWU

Buduje się dwa rodzaje transformatorów jednofazowych różniące się kształtem obwodu magnetycznego (rdzenia). Są to:

Zanieczyszczenia pyłowe i gazowe : podstawy obliczenia i sterowania. poziomem emisji / Ryszard Marian Janka. Warszawa, 2014 Spis treści

Silniki przeciwwybuchowe zasilane z przetwornic częstotliwości

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, INSTYTUT INŻYNIERII BIOMEDYCZNEJ I POMIAROWEJ LABORATORIUM POMIARÓW WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH I-21

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 72/

Temat: Analiza pracy transformatora: stan jałowy, obciążenia i zwarcia.

ZAKŁAD POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH I SILNIKÓW SPALINOWYCH ZPSiSS WYDZIAŁ BUDOWY MASZYN I LOTNICTWA

MECHANIKA PŁYNÓW Płyn

KOOF Szczecin:

CHARAKTERYSTYKA TECHNICZNA

MSBN wentylator promieniowy

Wydajne wentylatory promieniowe Fulltech o wysokim ciśnieniu statycznym

WSPÓŁCZYNNIK PRZEJMOWANIA CIEPŁA PRZEZ KONWEKCJĘ

Płyny newtonowskie (1.1.1) RYS. 1.1

konfuzor wlotowy redukuje zawirowania strugi między obudową a krawędziami łopatek maksymalna temperatura pracy

JETTEC EC TECHNOLOGIA EC PRODUKT ENERGOOSZCZĘDNY OSZCZĘDNOŚĆ PRZESTRZENI. wentylatory kanałowe

Wykład 2 Silniki indukcyjne asynchroniczne

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

PL B1. AIC SPÓŁKA AKCYJNA, Gdynia, PL BUP 01/16. TOMASZ SIEMIEŃCZUK, Gdańsk, PL WUP 10/17. rzecz. pat.

LABORATORIUM PODSTAW BUDOWY URZĄDZEŃ DLA PROCESÓW MECHANICZNYCH

Badania wentylatora. Politechnika Lubelska. Katedra Termodynamiki, Mechaniki Płynów. i Napędów Lotniczych. Instrukcja laboratoryjna

CHARAKTERYSTYKA TECHNICZNA STOPIEŃ OCHRONY SKRZYNKA ZACISKOWA

Seria Prowadnice siłownika zaprojektowano w dwóch wersjach:

POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA w Kielcach WYDZIAŁ MECHATRONIKI I BUDOWY MASZYN KATEDRA URZĄDZEŃ MECHATRONICZNYCH LABORATORIUM FIZYKI INSTRUKCJA

PEŁZANIE WYBRANYCH ELEMENTÓW KONSTRUKCYJNYCH

H a. H b MAGNESOWANIE RDZENIA FERROMAGNETYCZNEGO

Przy prawidłowej pracy silnika zapłon mieszaniny paliwowo-powietrznej następuje od iskry pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej.

PL B1. SOLGAZ SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Dzierżoniów, PL BUP 22/04. STANISŁAW SZYLING, Dzierżoniów, PL

KARTA KATALOGOWA 1. ZASTOSOWANIE

Silniki prądu stałego z komutacją bezstykową (elektroniczną)

WYDZIAŁ LABORATORIUM FIZYCZNE

BADANIE SILNIKA WYKONAWCZEGO PRĄDU STAŁEGO

POLITECHNIKA ŁÓDZKA INSTRUKCJA Z LABORATORIUM W ZAKŁADZIE BIOFIZYKI. Ćwiczenie 5 POMIAR WZGLĘDNEJ LEPKOŚCI CIECZY PRZY UŻYCIU

Szczegółowy rozkład materiału z fizyki dla klasy I gimnazjum zgodny z nową podstawą programową.

KONSTRUKCJA, BUDOWA I EKSPLOATACJA UKŁADÓW UPLASTYCZNIAJĄCYCH WYTŁACZAREK JEDNOŚLIMAKOWYCH. Mgr inż. Szymon Zięba Politechnika Warszawska

Metoda Elementów Skończonych

Transkrypt:

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 2/2013 (99) 121 Michał Górny Główny Instytut Górnictwa, Kopalnia Doświadczalna BARBARA, Mikołów PROPAGACJA WYBUCHU PRZEZ SZCZELINĘ POWIETRZNĄ SILNIKA OGNIOSZCZELNEGO GAS EXPLOSION PROPAGATION THROUGH FLAMEPROOF INDUCTION MOTOR S AIR GAP Streszczenie: W publikacji przedstawiono opis zjawiska przenoszenia się płomienia przez szczelinę powietrzną silnika ognioszczelnego (Exd). Dokonano porównania średnic gasnących i prześwitów gaszących (parametry mieszaniny gazowej) ze szczelinami powietrznymi typowych silników ognioszczelnych. Przeprowadzono ponadto analizę turbulencji powstających w szczelinie powietrznej silnika i w jej sąsiedztwie (w obszarze czół uzwojeń). Abstract: This paper presents short description of flame transmission phenomena through air gap of flameproof motor (Exd). A comparison of quenching diameters and quenching distances (gas mixture parameters) with typical flameproof motor s air gap dimensionwas made. Moreover an turbulence analysis forming in air gap and in its nearby (in region of endshield) was made. Słowa kluczowe: maszyny elektryczne, osłona ognioszczelna, ciśnienie wybuchu, turbulencja Keywords: electrical machines, flameproof enclosure, explosion pressure, turbulence 1. Wstęp Rozprzestrzenianie się płomienia w przepływie turbulentnym odbywa się ze znacznie większą prędkością niż w spokojnej mieszance. Wpływ turbulencji wstępnej na przebieg wybuchu mieszanki gazowej w zamkniętym zbiorniku był wielokrotnie badany, przeważnie przez generację turbulencji za pomocą wirującego śmigła. Przykładowe wyniki takich badań w zbiorniku o objętości 2.53 m 3 przedstawia Rys. 1. Rys. 1 Zależność maksymalnej szybkości wzrostu ciśnienia wybuchu mieszaniny pentanu z powietrzem od prędkości obrotowej śmigła [1] Wstępna turbulencja może być wywołana także innym zaburzeniem, np. przez wprowadzenie do zbiornika turbulentnego strumienia gazu, silne zawirowanie czynnika lub wrzucenie do zbiornika rozdrobnionego ciała stałego. Generalnie, gwałtowniejszy przebieg wybuchu w przepływie turbulentnym niż w spokojnej mieszance jest spowodowany większą prędkością propagacji płomienia w burzliwym ośrodku. Płomień rozprzestrzeniający się w spokojnej mieszaninie, na skutek autoturbulizacji może przejść w płomień turbulentny. Najistotniejszym jest hydromechaniczny mechanizm turbulizacji. Ważną rolę w tym mechanizmie odgrywają przeszkody. Rozprężające się spaliny napierają na świeżą mieszankę przed czołem płomienia, indukując przepływ w części zbiornika nie objętej spalaniem. W pobliżu ścian powstaje warstwa graniczna, a za przeszkodami tworzą się obszary recyrkulacji - gdzie przepływ łatwo staje się burzliwy. Płomień napotykając na strefę burzliwego ruchu gwałtownie przyspiesza, co wywołuje kolejne zaburzenia pola prędkości przed nim i dalszą turbulizację przepływu,w wyniku czego powstaje dodatnie sprzężenie zwrotne polegające na przyspieszeniu płomienia w obszarach intensywnej turbulencji i generowaniu przed płomieniem coraz silniejszych zaburzeń pola przepływu (Rys. 2).

122 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 2/2013 (99) i prędkością obrotową silnika stwarza dogodne warunki do powstawania turbulencji mikroskopowej. Rys. 2. Mechanizm przyspieszania płomienia turbulentnego Zjawisko przyspieszania płomienia na przeszkodach występuje tym łatwiej im szybszy jest płomień laminarny. Przyspieszeniu płomienia towarzyszy szybki wzrost ciśnienia wybuchu, a maksymalna wartość ciśnienia wybuchu P max zwykle przekracza P max mierzone w warunkach standardowych. Co więcej, nawet w przypadku zastosowania otwartego (częściowo) zbiornika, to w wyniku autoturbulizacji płomienia ciśnienie wybuchu może znacznie przekroczyć P max w zamkniętym zbiorniku. 2. Propagacja wybuchu we wnętrzu silnika indukcyjnego Przeprowadzając pomiary ciśnienia wybuchu w osłonie ognioszczelnej o regularnym kształcie (prostopadłościennej skrzynce) otrzymywane są powtarzalne przebiegi zmian wartości ciśnienia w czasie. Przykład typowego przebiegu przedstawia Rys. 4. W poniższym przykładzie przedstawiono przebieg ciśnienia wybuchu w przypadku mieszaniny metanu z powietrzem. Rys. 4. Przebieg ciśnienia wybuchu w skrzynce o regularnych kształtach (o regularnym kształcie) Rys. 3. Przekrój silnika indukcyjnego ExdIIB (ZME "EMIT") Odnosząc się do wewnętrznej konstrukcji silnika (Rys. 3) można zauważyć, że po obydwu stronach wirnika, w obszarach w pobliżu tarcz łożyskować będzie występowała turbulencja opisywana skalą całkową (duża skala turbulencji), natomiast w bezpośrednim sąsiedztwie skrzydełek przewietrzających wirnika, w pobliżu czół uzwojeń, a zwłaszcza w szczelinie powietrznej silnika będzie występowała turbulencja mikroskopowa. Szczególnie podatnym na turbulencje mikroskopową będzie obszar wzdłuż szczeliny powietrznej silnika. Zarówno powierzchnia zewnętrzna wirnika oraz powierzchnia wewnętrzna pakietu stojana są porowate - w obydwu elementach występują rowki (wzdłużne), co w połączeniu ze średnicą Jak można zaobserwować przebieg ma charakter dwuwykładniczy z rozładowaniem ciśnienia. Rozładowanie ciśnienia następuje przez złącze ognioszczelne oraz na skutek ochładzania przez ścianki skrzynki ognioszczelnej. Praktyczna realizacja układu do pomiaru ciśnienia wybuchu zawiera cztery niezależne kanały pomiarowe. W przypadku skrzynki o regularnych kształtach cztery czujniki ciśnienia zostały umieszczone w bezpośrednim sąsiedztwie. Rys. 4 faktycznie przedstawia cztery niezależne przebiegi czasowe. Taki wynik pomiaru ciśnienia wybuchu dowodzi poprawności konstrukcji układu pomiarowego. Przeprowadzając próby dla różnych mieszanin gazowych, można zaobserwować różnice w uzyskanych przebiegach. Obserwowanymi zmianami są: czas narastania i wartość maksymalna. Szybkość rozładowania dla tej samej konfiguracji układu (dla tej samej skrzynki ognioszczelnej) jest taka sama - złącze ognioszczelne jest wciąż takie samo. Można zaobserwować jedynie wpływ wartości energetycznej (opałowej) mieszanki gazowej na uzyskane wartości maksymalne.

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 2/2013 (99) 123 Badania silników indukcyjnych w osłonie ognioszczelnej są przeprowadzane w Laboratorium 1 wg powtarzalnej procedury badawczej. Wpływ konstrukcji wewnętrznej na wielkość ciśnienia wybuchu był dyskutowany w innych publikacjach [2]. Na podstawie wieloletnich doświadczeń, jako najistotniejsze punkty pomiaru ciśnienia wybrano punkty w obydwu tarczach łożyskowych oraz w płycie pośredniej pomiędzy skrzynką przyłączową, a komorą stojana. Rozmieszczenie czujników ciśnienia oraz punktów zapłonu w typowym silniku przedstawia Rys. 5. Rys. 5. Przekrój silnika indukcyjnego w osłonie ognioszczelnej. Zaznaczone czujniki ciśnienia i punkt zapłonu (CELMA INDUKTA SA w Cieszynie). Wymagane normą PN-EN 60079-1 badanie maszyn elektrycznych wirujących obliguje do przeprowadzania badań zarówno w przypadku silnika w spoczynku, jak i w przypadku silnika w ruchu[3]. Wewnętrzna konstrukcja silnika, warunki wewnętrznej wentylacji silnika oraz wydzielanie się ciepła na skutek przepływu prądu podczas pracy silnika prowadzą do przebiegów ciśnień wybuchu znacznie odbiegających od przebiegów uzyskiwanych podczas badań skrzynki o regularnych kształtach. Najbardziej niekorzystne (dające najwyższe wartości ciśnienia wybuchu) jest badanie silnika w ruchu. Takie badanie skutkuje powstawaniem turbulencji, podgrzewaniem mieszaniny w szczelinie powietrznej silnika oraz powstawaniem lokalnych różnic ciśnień na skutek pracy wewnętrznego układu przewietrzającego. Taką sytuację przedstawia Rys. 6. 1 Laboratorium Systemów i Zabezpieczeń Przeciwwybuchowych oraz Eksplozymetrii - laboratorium własne GIG KD BARBARA Rys. 6. Ciśnienia wybuchu we wnętrzu silnika. Badanie silnika w ruchu Najbardziej istotne elementy konstrukcji silnika, które mają wpływ na propagację ciśnienia wybuchu, określono jako[2]: dwie objętości oddzielone stosunkowo długą cylindryczną szczeliną; praca wewnętrznego układu chłodzenia powodująca lokalne różnice ciśnień; turbulencja w obszarach zabudowy przewietrzników (wentylatorów) wewnętrznych; turbulencja w szczelinie powietrznej silnika; podgrzewanie przestrzeni w szczelinie powietrznej na skutek przepływu prądu w uzwojeniach wirnika oraz stojana; dodatkowa wolna objętość pod skrzynką przyłączową umieszczona za przewężeniem. Osobnym zagadnieniem jest wpływ temperatury na propagację, a tym samym na wielkość maksymalnego ciśnienia wybuchu. Źródła literaturowe potwierdzają wzrost ciśnienia wybuchu wraz ze spadkiem temperatury [2]. Niniejsze opracowanie nie obejmuje zagadnień związanych z próbami zapłonu silników budowy wzmocnionej (Exe), ale należy zauważyć, że wewnętrzna konstrukcja silników budowy wzmocnionej i silników w osłonie ognioszczelnej jest podobna [4]. 3. Wewnętrzne układy przewietrzające silników Układy chłodzenia silników indukcyjnych ujęte są w normie PN-EN 60034-6:1999[5]. Norma ta wprowadza oznaczenie kodowe (kod IC) oraz klasyfikację układów chłodzenia. Odnośnie silników w wykonaniu przeciwwybuchowym, wykorzystywane są jedynie 3 wykonania: chłodzenie za pomocą wentylatora wewnętrznego i zewnętrznego, chłodzenie za pomocą jedynie wentylatora zewnętrznego oraz chłodzenie za pomocą dodatkowej chłodnicy powietrze - powietrze. W przypadku silników górniczych oraz silników do ciężkich warunków przemysłowych (np. do pracy w zapyleniu) stosowane są również silniki z zewnętrznym płaszczem wodnym (chłodzenie wodne), ale niniejsze opracowanie

124 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 2/2013 (99) ogranicza się jedynie do wnętrza silnika, więc chłodzenie zewnętrzne nie jest rozważane. Na potrzeby niniejszego opracowania omówione zostaną jedynie układy przewietrzające najbardziej typowe dla silników w wykonaniu ognioszczelnym (Exd) tzn. chłodzenie za pomocą wentylatora wewnętrznego oraz chłodzenie bez wewnętrznego wentylatora. Chłodzenie za pomocą wentylatora wewnętrznego Ten rodzaj chłodzenia stosowany jest w przypadku maszyn o dużych mocach, w których uzwojenia pracują w zakresie temperatur bliskich dopuszczalnym. W przypadku silników górniczych, ten rodzaj wewnętrznego przewietrzania stosowany jest w przypadku silników chłodzonych wodą. Schematycznie silnik z takim układem chłodzenia przedstawiono poniżej (Rys. 7). Rys. 7. Silnik z chłodzeniem wymuszonym wentylatorem wewnętrznym (ZME EMIT w Żychlinie) Układ ten charakteryzuje się zabudową wentylatora wewnętrznego (promieniowego lub osiowego) wymuszającego wewnętrzny przepływ powietrza w kierunku przeciwnym (zazwyczaj) do kierunku przepływu powietrza wymuszanego przez wentylator (przewietrznik) zewnętrzny. Producenci silników, dążąc do zwiększenia sprawności silników starają się ograniczać straty wentylacyjne, więc taki rodzaj chłodzenia korzystny jest w przypadku maszyn o dużych mocach lub w przypadku maszyn specjalistycznych. Poprawność funkcjonowania tego typu chłodzenia wymaga specjalnych kanałów chłodzących pozwalających powietrzu opływać stojan silnika. Chłodzenie bez wewnętrznego wentylatora dodatkowego Najbardziej rozpowszechnioną konstrukcją wewnętrzną silników jest układ bez dodatkowego wentylatora przewietrzającego. Wymagany przepływ powietrza wewnętrznego realizowany jest za pomocą skrzydełek wirnika. Wirnik aluminiowy na skutek zastosowania technologii zalewania aluminium wyposażony jest w wystające na ok. 2-7 cm aluminiowe skrzydełka rozmieszczone symetrycznie na obwodzie wirnika (patrz Rys. 3). Takie rozwiązania ma na celu przede wszystkim chłodzenie najbardziej narażonych na przegrzewanie pierścieni zwierających klatkę wirnika. W przypadku wirników prętowanych, wykonywanych z prętów miedzianych lub mosiężnych przyspawanych do pierścieni zwierających stosowane jest podobne rozwiązanie - przy czym liczba wystających skrzydełek jest równa liczbie prętów klatki wirnika. Dodatkowym efektem (poza chłodzeniem klatki) zastosowania skrzydełek jest wymuszenie przepływu powietrza chłodzącego czoła uzwojeń stojana wystające poza pakiet. Najczęściej spotykanym rozwiązaniem wśród polskich producentów jest umieszczenie skrzydełek w kierunku prostopadłym do pierścieni zwierających. W przypadku silników małej mocy, w miejsce skrzydełek stosowane są cylindryczne nadlewki. Umieszczenie skrzydełek po obu stronach wirnika powoduje powstanie dwóch niezależnych obszarów przewietrzania. Mimo, iż jest to najbardziej powszechne rozwiązanie chłodzenia zarówno pierścieni zwierających, jak i czół uzwojeń, nie jest ono opisane żadnymi ogólnymi regułami. Każda z fabryk silników stosuje własne rozwiązania konstrukcyjne. Dobór liczby i wymiarów skrzydełek wynika z własnych doświadczeń i nie jest poparty badaniami modelowymi. Po części powodem jest pomijalnie mały wkład konstrukcji skrzydełek na straty wentylacyjne. Przy małych objętościach wewnętrznych, niewielkim sprężu przewietrznika oraz stosunkowo mało zwartej zabudowie obszarów po obydwu stronach wirnika, takie rozwiązanie nie przenosi się na dodatkowe obciążenie silnika. Jednak z punktu widzenia własności propagacji wybuchu takie rozwiązanie wydaje się być bardzo istotne. Nawet niewielkie podniesienie ciśnienia (lokalnie) w połączeniu z powstawa-

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 2/2013 (99) 125 niem turbulencji zwiększa prędkość spalania mieszaniny gazowej i prowadzi do zwiększenia podatności na przeniesienie się wybuchu na wzdłuż szczeliny powietrznej silnika drugą stronę wirnika. 4. Turbulencja Turbulencja jest właściwością przepływu płynu. W teorii turbulencji rozróżnia się trzy podstawowe skale (rozmiary) zawirowań turbulentnych. Największą skalę mają zawirowania wzbudzane naprężeniami stycznymi powstałymi przy przepływie. Mają one rozmiar charakterystyczny dla źródła wzbudzenia turbulencji (warunki początkowe). Wiry rozpadają się następnie na mniejsze wskutek lepkości, która powstaje na brzegach cienkich strużek uformowanych w przepływie. Silnik elektryczny, ze względu na swą konstrukcję, zasadę działania i metodę chłodzenia jest źródłem turbulencji. Całkowa skala turbulencji Skala całkowa nazywana także makroskalą turbulencji jest zdefiniowana następująco: 0 l= Rx dx (1) gdzie R x jest współczynnikiem korelacji (autokorelacji) przestrzennej i określa związek między turbulentną pulsacją prędkości u w punkcie o współrzędnej x 0 i pulsacją prędkości ' 0 i u x w odległości x od tego punktu w tej samej chwili i wyrażony jest zależnością: ' ' u0ux R= (2) u u Fizycznie skala całkowa jest miarą średniej średnicy największych zawirowań i od niej zależy dyfuzja masy, pędu i energii. Jest także identyfikowana z prandtlowską drogą mieszania. '2 0 Mikroskala Kołomogorowa Mikroskala Kołomogorowa η K jest rozmiarem najmniejszych zawirowań. Charakteryzuje turbulentną dyssypację energii kinetycznej małych wirów, która zamienia się w ciepło. Skala długości Kołomogorowa wyrażona jest jako funkcja lepkości kinematycznej ν oraz średniej szybkości dyssypacji energii kinetycznej turbulencji ε. '2 x przy czym 1 4 δ ν η = K (3) ε k 2 δ gdzie k jest energią kinetyczną. ε = [4] l W przypadku, gdy w płynie powstanie turbulencja, zostanie zapoczątkowana przez duże różnokierunkowe wiry, które następnie na skutek rozrywania zawirowań przejdą w turbulencję mikroskopową. 5. Szczelina powietrzna silnika, a quenchingdistance Średnica gasząca (d 0 ) oraz prześwit gaszący (d (ǁ)) Pojęcie quenchingdistance, czyli średnicy gaszącej (prześwitu gaszącego) zostało wprowadzone przez Bernarda Lewisa i Güntera von Elbe[6]. Badając własności spalania oraz parametry wybuchowości gazów, obliczyli oraz potwierdzili eksperymentalnie istnienie granicznej wartości średnicy rury (d 0 ) oraz prześwitu pomiędzy płytkami (d (ǁ)),poniżej której wybuch się nie może rozwinąć. Pierwsze zastosowanie tej właściwości miało miejsce w zabezpieczeniach palników gazowych, chociaż jak sami autorzy uważają, w sposób spontaniczny prześwit gaszący zastosował sir HumphryDavy w swojej bezpiecznej górniczej lampie wskaźnikowej. Rys. 8. Średnica gasząca d 0 oraz prześwit gaszący d (ǁ) Quenchingdistance jest zależny od składu mieszaniny, ciśnienia, ilości gazu obojętnego (balastu), temperatury itp. Wartości odległości i średnic gaszących dla metanu, przy różnych składach przedstawia Rys. 9.

126 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 2/2013 (99) Rys. 9. Średnice gaszące d 0 oraz prześwit gaszący d (ǁ) dla mieszanin metan-tlen-azot w temperaturze pokojowej i przy ciśnieniu atmosferycznym [6] Szczelina powietrzna silnika Konstrukcja silnika indukcyjnego wymaga, aby w celu zapewnienia jak najlepszych parametrów elektrycznych, szczelina powietrza była jak najmniejsza oraz równomierna na całym obwodzie. Również kształt żłobków wirnika i stojana ma istotny wpływ na jednorodność pola elektromagnetycznego w szczelinie powietrznej. Typowe wielkości szczelin powietrznych dla popularnych silników podano w Tablica 1. Jak można zauważyć, szczelina powietrzna silnika jest mniejsza od prześwitu gaszącego. Należy jednak zwrócić uwagę na niejednorodność powierzchni zewnętrznej wirnika i powierzchni wewnętrznej pakietu stojana. Rowki w pakiecie stojana powiększają lokalnie prześwit o ok. 3-5 mm. Powstają w ten sposób kanały wypełnione burzliwą mieszaniną gazową. Przeniesienie płomienia przez szczelinę powietrzną silnika Uwzględniając dotychczasowe rozważania odnośnie turbulencji oraz prześwitu gaszącego z przebiegami ciśnień wybuchu można odnaleźć analogię. Wybuch mieszanki gazowej w silniku indukcyjnym łatwiej przenosi się na drugą stronę wirnika wzdłuż szczeliny powietrznej gdy silnik badany jest w ruchu. Oczywiście spotykane są sytuacje, gdy nawet badając silnik w spoczynku dochodzi do przeniesienia się wybuchu, ale dotyczy to raczej większych maszyn. Istotne wtedy są wymiary żłobków pakietu stojana i stopień ich wypełnienia oraz konstrukcja wirnika. W przypadku wirników prętowanych, analogiczne rowki wzdłuż pakietu powstają na zewnętrznej powierzchni wirnika. Można założyć, że w przypadku skonstruowania silnika z idealnie wypełnionymi rowkami, w którym na całym obwodzie wirnika szczelina powietrzna byłaby mniejsza od 1 mm (bez lokalnych powiększeń na skutek kształtu rowków) - w silniku takim uzyskano by niższe wartości ciśnień wybuchu. Założenie to wymaga potwierdzenia dodatkowymi badaniami. 6. Podsumowanie Jako główny czynnik decydujący o propagacji wybuchu we wnętrzu silników indukcyjnych należy przyjąć powstającą turbulencję. Ruch obrotowy wirnika prowadzi do powstawania turbulencji dużej skali w przestrzeniach przyległych do tarcz łożyskowych (wolne objętości po obu stronach wirnika) oraz do powstawania turbulencji małej skali wzdłuż szczeliny powietrznej silnika. Turbulencja małej skali jest odpowiedzialna za zwiększenie burzliwości czoła płomienia, a tym samym za łatwe przenoszenie się wybuchu na drugą stronę wirnika. W przypadku silników indukcyjnych parametry konstrukcyjne decydujące o propagacji ciśnienia we wnętrzu można uszeregować od najważniejszych do mniej istotnych: turbulencja w tym wielkość prędkości obrotowej i średnica wirnika, kształt komory ognioszczelnej silnika (przewężenia), nadciśnienia na skutek pracy układu przewietrzającego (również w przypadku silników bez wewnętrznego wentylatora), Silnik Tablica 1. Szczeliny powietrzne i średnice wirników popularnych silników (CELMA INDUKTA w Cieszynie) Średnica wirnika [mm] Szczelina powietrzna [mm] Długość szczeliny powietrznej [mm] csg 200 L2A 187,4 1,3 160 EcSg 225 M6 268,8 0,6 220 csgb 250 M2 226,8 1,5 190 csg 280 S8 323,8 0,6 180

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 2/2013 (99) 127 podgrzewanie mieszaniny wybuchowej w szczelinie powietrznej silnika. Dalszym badaniom należy poddać ostatni czynnik. Badania można by przeprowadzić wprowadzając silniki w ruch za pomocą zewnętrznego napędu i porównując uzyskane rezultaty (ciśnienia wybuchu, nadciśnienia przewietrzania) z wynikami uzyskanymi podczas pracy silnika z napędem własnym. 7. Literatura [1]. K. Kordylewski, Spalanie paliwa, Wrocław: Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 1999. [2]. M. Górny, Ciśnienie wybuchu we wnętrzu ognioszczelnych silników indukcyjnych w niskich temperaturach, Zeszyty Problemowe - Maszyny Elektryczne, nr 80, pp. 99-105, 2008. [3]. Polska Norma, PN-EN 60079-1 "Urządzenia elektryczne w przestrzeniach zagrożynych wybuchem. Część 1 - Osłony Ognioszczelne", Polski Komitet Normalizacyjny, 2011. [4]. M. Górny, Wysokonapięciowe silniki przeciwwybuchowe budowy wzmocnionej, Zeszyty Problemowe - Maszyny Elektryczne, nr 95, pp. 77-82, 2012. [5]. Polska Norma, PN-EN 60034-6:1999 "Maszyny elektryczne wirujące -- Sposoby chłodzenia (kod IC)", Warszawa: Polski Komitet Normalizacyjny, 1999. [6]. G. von Elbe i B. Lewis, Combustion Flames and Explosion of Gases, Academic Press Inc., 1961. O autorze dr inż. Michał Górny Główny Instytut Górnictwa Kopalnia Doświadczalna BARBARA tel. (32) 32 46 550, fax. (32) 32 24 931 e-mail. m.gorny@gig.eu, www.kdbex.eu Podziękowanie Autor pragnie podziękować producentom silników w wykonaniu przeciwwybuchowym (ZME EMIT, CELMA INDUKTA SA, DFME DAMEL ) za udostępnienie materiałów pomocnych w opracowaniu publikacji.