Simcenter FloEFD 全尺寸汽轮发电机冷却设计_产品动态

Simcenter FloEFD 全尺寸汽轮发电机冷却设计

日期：2023-12-15

无论在船舶或石油平台，工业厂房、大型燃气或蒸汽发电厂，还是用于同步调相机以促进再生能源并网，西门子发电机都可以快速、可靠和高效地发电。最新的水/氢冷高功率发电机采用经过验证的设计和技术，并应用模块化方法，保障了高功率的输出。

新型SGen-3000W系列继承了西门子产品组合中的其他产品的特性，这使得优化材料选择和性能成为可能，从而为客户提供低成本、高效和易于维护的大功率发电机。

设计SGen-3000W系列的工程师们面临的挑战之一是气冷发电机的冷却概念问题。经过多年验证、长期稳定和可靠的设计过程包括对四个不同部分的分析：冷却器、定子、鼓风机和转子（图2）。

图2：设计工艺冷却概念

模拟整个发电机冷却，总共包括四个部分，这是非常有用的，但需要投入相当大的精力和成本，常常被认为不值得。因为需要传递边界条件，研究复杂几何体的各个部分使得它们的相互连接点有很大不确定性。如果将其简化为一个一维模型，确实能够快速解决问题，但会降低几何分辨率，这在开发的这个阶段并不理想。我们必须考虑几何模型的细节，才能更好地验证一维仿真参数。因此，有必要在计算流体动力学（CFD）和一维分析之间进行一些迭代，这需要大量的努力和资源。我们考虑了许多优化解决方案的方法，但在所有情况下，付出都大于收获。

典型转子的直径约为1.2米，而定子的长度为5米，功率输出可达850 MVA。转子冷却回路中最小的间隙设计为2毫米，而定子为5毫米，导致几何比为2：5000，这在仿真中可能会产生问题。

为了改进仿真过程，我们引入了Simcenter™ FLOEFD™软件。第一次测试是导入一个完整的、高度复杂的NX™ CAD软件模型，评估准备、设置和分析这样一个复杂的CAD模型所需的总人工投入。目标之一是调查整个模型内的全局压力和流量分布，包括转子、换热器和所有小的冷却通道。由于该几何模型也将用于实际生产制造，它的结构包含了数千个零部件，且无法简化，因此它是最复杂的模型之一。

图3：SGen-3000 W系列CAD剖面图

通常来讲，在仿真中，未使用和不必要的组件会被禁用。这个软件压力测试的一个目标在于调查运行如此复杂的模型所需的总体工作量。

由于使用了Teamcenter的完整制造模型，因此需要一些几何准备工作。例如，闭合焊缝和螺孔的间隙，以确保获得适当的仿真模型。定义物理仿真模型和网格需耗时约一个人两天的工作量。在Simcenter FLOEFD中，所有边界条件都直接应用于CAD模型，这使用户的图形用户界面交互时间缩短。网格仅需在特定的局部区域（如小间隙和梯度高的区域）进行细化，进一步减少用户的整体计算工作。最终的计算网格包含1450万个单元。

Simcenter FLOEFD的SmartCells引入了多控制域法，将流体域和固体域结合在一个单元中，并具有流体/固体边界的分辨率，实现用户的输入最小化，保证自动、有效地进行复杂CAD网格划分。自动化的网格生成，包括流体体积检测，需要在普通CAD工作站上运行8小时（图4 a，b）。求解大约需要四天的计算工作量，采用了Sliding旋转域模型，在瞬态分析模式下转子旋转了六周。