Použití numerických metod u ventilačních výpočtů

Rok / Year: 2011

Svazek / Volume: 13

Číslo / Number: 6

Použití numerických metod u ventilačních výpočtů Application of numerical methods for the ventilation calculations Jaroslav Chlup, Marcel Janda [email protected],[email protected] Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně.

Abstrakt: Tento článek se zabývá využitím výpočetní techniky při řešení fyzikálních problémů u elektrických strojů. Je zaměřen na hydrodynamický výpočet u synchronního stroje s vyniklými póly. Pro tento výpočet byl použit program ANSYS CFX, který slouží pro výpočet CFD úloh (výpočet dynamických vlastností tekutin).

Abstract: This article deals with the use of computer technology for solving physics problems in electrical machines. It focuses on the hydrodynamic calculation of the synchronous machine with salient poles. For this calculation the ANSYS CFX was used, which is intended for calculations of the CFD problems (estimation of dynamic properties of fluids).

2011/57 – 3. 11. 2011

VOL.13, NO.6, DECEMBER 2011

Použití numerických metod u ventilačních výpočtů Jaroslav Chlup, Marcel Janda Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Email: [email protected] Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Email: [email protected]

Abstrakt – Tento článek se zabývá využitím výpočetní techniky při řešení fyzikálních problémů u elektrických strojů. Je zaměřen na hydrodynamický výpočet u synchronního stroje s vyniklými póly. Pro tento výpočet byl použit program ANSYS CFX, který slouží pro výpočet CFD úloh (výpočet dynamických vlastností tekutin).

1 Úvod Ţijeme ve světě, kde je největší snahou co nejefektivnější přeměna jedné formy energie na jinou formu energie. Elektrické stroje se řadí do kategorie elektromechanické přeměny energie, a to buď elektro-mechanické (elektromotory), nebo mechanicko-elektrické (elektrické generátory). Protoţe platí zákon zachování energie, nikdy nezískáme víc energie neţ, kterou jsme soustavě dodali. Tyto energetické přeměny bohuţel nepracují bezeztrátově, vzniká při nich parazitní teplo (joulovy ztráty, ztráty v magnetickém materiálu, ztráty třením apod.). Takto vzniklé teplo je nutné odvést ze soustavy pryč, aby nedošlo k tepelnému přetíţení a následnému zničení součástí soustavy. Moţností, jak teplo odvádět, je hodně, ale je potřeba tyto metody co nejvíce zefektivnit. Při zlepšení chlazení je potom moţné soustavu o stejné velikosti více zatíţit, aniţ by došlo k jejímu zničení. Jednou z moţností, jak zlepšit chlazení, jsou hydrodynamické výpočty chladících okruhů, u kterých můţe být chladící médium např. vzduch, voda, vodík, helium apod. Na základě těchto výpočtů, lze zjistit koeficienty přestupu tepla na teplosměnných plochách mezi chladícím médiem a chlazenou částí soustavy. Tyto výpočty nám usnadní průběh vývoje lepšího chlazení, protoţe výroba a testování nových prototypů je velmi finančně a časově náročné. Hydrodynamické výpočty lze provádět analyticky, nebo numericky. Analytické výpočty se pouţívali před nástupem výpočetní techniky a pro přiblíţení k realistickým výsledkům se pouţívají dodnes. Numerické metody se pouţívají od 70.– tých let minulého století. Na počátcích se k výpočtům pouţívaly velké výpočetní stanice, které svou velikostí zabraly velikou místnost. Mezi první programy, které se pouţívali pro numerické řešení problémů byl program TPS-10. V dnešní době je na trhu k dispozici program ANSYS, ve kterém lze řešit široké spektrum fyzikálních úloh. Tento program se rovněţ vyvíjí jiţ od roku 1970. Pro hydrodynamické výpočty se pouţívá CFX modul, ve kterém je spočítán model synchronního motoru s vyniklými póly. Modely, u kterých se provádí výpočet, lze vytvořit pomocí grafických programů, nebo v grafickém prostředí samot-

ného ANSYSu (DesignModeller). Pro výpočet generátoru byl 3D model vytvořen v programu Unigraphics. Hydrodynamické výpočty jsou důleţité pro zjištění rozdělení vzduchu uvnitř stroje, kde na základě tohoto rozdělení dochází k různému navýšení (sníţení) rychlosti vzduchu, čímţ dojde k ovlivnění součinitele přestupu tepla. Velikost tohoto součinitele značně ovlivní účinnost chladící plochy při odvodu neţádoucího tepla ze stroje. Pomocí těchto výpočtů lze zjistit tyto součinitele a značně zpřesnit tepelný výpočet. 1.1 Diskretizační metody U numerických výpočtů lze pouţít různých metod pro rozdělení daného modelu na oblasti, ve kterých proběhne výpočet poţadovaných fyzikálních vlastností. Volba těchto metod závisí na typu řešené fyzikální úlohy. 1.1.1 Metoda konečných objemů MKO MKO se pouţívá pro řešení CFD (Computational Fluid Dynamics) úloh. U této metody řešení není zaručena přesnost výsledku. Při pouţití MKO je daný model rozdělen na konečný počet objemových elementů. U těchto jednotlivých objemových elementů jsou řešeny řídící rovnice. MKO je řízena soustavou parciálních diferenciálních rovnic řešící Navier-Stokesovy rovnice, které se pouţívají pro zjištění rychlostního profilu kapaliny v daném okamţiku v prostoru a čase. Nezabývají se polohou. 1.1.2 Metoda konečných prvků MKP MKP se pouţívá při řešení strukturálních analýz pevných látek, ale je moţné ji aplikovat i na oblast kapalin. Při pouţití této metody je model rozdělen na konečný počet prvků. Jedná se o numerickou metodu pro nalezení přibliţného řešení parciálních diferenciálních rovnic v kaţdém prvku konečnoprvkové sítě (meshe). Postup řešení je zaloţen, buď na úplné vyřešení diferenciální rovnice (v ustáleném stavu), nebo na přiblíţení k řešení za pouţití obyčejných diferenciálních rovnic, které se potom řeší pomocí standardních metod (Eulerova apod.). Pouţití MKP je stabilnější neţ pouţití MKO, ale v souvislosti s náročností na paměť výpočetní soustavy je MKO méně náročná.

57 – 1

2011/57 – 3. 11. 2011


1.1.3 Metoda konečných diferencí MKD Tepelná třída izolace

Metodu konečných diferencí (FDM) lze vyuţít při aproximaci řešení spojených s teplotním přenosem. Pouţití této metody se doporučuje kvůli relativně jednoduchému nastavování okrajových podmínek a zároveň i jednoduchost v nelineárních matematických modelech. Negativní vlastností této metody je, ţe v hraničních oblastech vzniká problém z aproximací okrajových podmínek kvůli různorodé hustotě sítě, coţ má za následek sníţení přesnosti řešení, kvůli různorodým vzdálenostem jednotlivých uzlů. Ke zpřesnění je nutné pouţít vhodné nastavení časového kroku (TimeScale). 1.1.4 Metoda hraničních prvků MHP MHP je obvykle pouţitelná na řešení polí v lineárních homogenních médiích, coţ způsobí značné omezení pouţitelnosti. Výhoda pouţití této metody je u oblastí, kde je malý poměr plochy/objemu. MHP můţe být pouţita v mnoha oblastech vědy a techniky včetně mechaniky tekutin, akustiky, elektromagnetismu a lomové mechaniky.[1]

Y A E B F H

Dovolené oteplení (K) 90 105 120 130 155 180

Tab.1 - Tepelné třídy izolace vinutí elektrických strojů [6] Pro různé ventilační systémy je nutné navrhnout vhodný ventilátor (ventilační jednotku), který pokryje tlakové ztráty vzniklé na hydrodynamickém odporu stroje. Vhodnost ventilátoru určíme z pracovního bodu, který získáme průsečíkem odporové charakteristiky stroje (1.2) a charakteristiky ventilátoru, kterou získáme měřením, dále dle empirických vzorců, nebo simulací.

Z Qv2

p

,

(1.2)

1.2 Ventilační výpočty u elektrických strojů

kde Z … je aerodynamický odpor

Při průchodu chladícího média dochází k působení rotoru na procházející médium vzduchovou mezerou. Toto působení vyvolá změnu směru proudění a to ve směru otáčení rotoru. Při průchodu dochází ke zpomalení média díky působení třecí síly v oblasti statoru a rotoru. Z tohoto důvodu je důleţité zjistit ztrátové součinitele procházejícího vzduchu, a to pro více případů, aby je bylo moţné určit za jakýchkoli okolností. Při ventilačním výpočtu je nutné určit mnoţství vzduchu, které má kaţdou sekundu projít strojem (objemový průtok vzduchu) a tlak potřebný pro průchod poţadovaného mnoţství vzduchu. Mnoţství chladícího vzduchu nesmí být malé (přehřívání), ale nesmí být ani nadměrné, neboť pak narůstají ventilační ztráty a klesá účinnost stroje. Proud vzduchu obvykle odvádí veškeré teplo vzniklé ztrátami ve stroji, kromě tepla vznikajícího v loţiskách stroje. Takto vzniklé teplo se z povrchu odvádí pomocí konvekce. Zdroje chlazení mohou být různé např. vlastní, kdy má chlazená soustava umístěný ventilátor na hřídeli, nebo cizí, kdy ventilační jednotka je nezávislá na otáčkách soustavy apod.[5]

Konstanta Z závisí pouze na geometrických rozměrech a tvarech vzduchovodu [4].

Qv

Pv cv 1

1 v

[m 3 s 1 ] ,

(1.1)

k 1 2 S2

2 S2 k (1.3)

kde ξ ... ztrátový součinitel S ... průřez plochy do které médium vstupuje Ρ ... hustota chladícího média k ... aerodynamický odpor Pro ventilační výpočet je nutné mít k dispozici výkresy nebo náčrty podélného a příčného řezu elektrického stroje. Podle nich lze vytvořit 3D model (pro numerický výpočet), nebo je lze pouţít pro upřesnění jednotlivých ventilačních cest vzduchu (analytický výpočet).

1.3 Konstrukční programy pro tvorbu geometrie

kde Pv ... jsou ztráty odváděné vzduchem [W] cv ... měrná tepelná kapacita vzduchu [J. kg-1 .K-1] ... oteplení vzduchu [K] v Oteplení vzduchu je pro různé třídy izolace odlišné. U třídy izolace B je v =20°C a u třídy izolace F je v =30°C, při okolní teplotě 40°C. Třídy izolace vinutí elektrických strojů jsou členěny dle dovoleného oteplení do tepelných tříd viz. tab.1.

Základem při řešení zadaného problému je vytvoření geometrie zkoumaného objektu. V dnešním světě výpočetní techniky, kdy se předhání softwarové firmy, kdo vytvoří lepší program pro modelování, jsou k dispozici různé softwarové balíčky pro tvorbu geometrie a modelování. Mezi tyto programy patří např. Autodesk INVENTOR, AutoCad, SolidWorks, Pro/Engineer, Unigraphics nebo ANSYS DesignModeler. Geometrii lze také vytvářet v programech určených pro vytváření meshe, jako např. ANSYS ICEM. V tomto programu je její vytváření poněkud odlišné, neţ u obvyklých konstrukčních programů. Při vytváření geometrie se postupuje od jednoduchých entit (body, čáry), ze kterých lze později vytvářet

57 – 2

2011/57 – 3. 11. 2011


povrchy a objemy, anebo lze z těchto jednoduchých entit vytvářet rovnou výpočetní síť, která nám vytvoří daný model. 1.4 Programy pro tvorbu výpočetní sítě

k-epsilon (2 rovnicový model), k-omega (2 rovnicový model), přechod sst (4 rovnicový model), přechod k-kl-omega (3 rovnicový model), V závislosti na rychlosti procházejícího vzduchu jednotlivými částmi stroje se mění hodnota Reynoldsova čísla dle 1.4.

Je více moţností, jak vytvářet výpočetní síť. Pro tvorbu sítě můţeme vyuţít předem vytvořenou geometrii nebo lze vytvořit model vytvořením sítě. Pro tvorbu sítě lze vyuţít např. nadstavbu programu ANSYS, a to CFX mesher, nebo lze vyuţít programu ANSYS ICEM. [6]

Re

,

(1.4)

kde v … je rychlost proudícího média [m/s] D … průměr protékané oblasti [m] υ … dynamická viskozita [m]

1.5 Software pro řešení proudění Dostupné programy pro řešení proudění jsou např. ANSYS CFX nebo Fluent. Program Fluent byl ještě do roku 2009 samostatným simulačním programem, nyní je součástí programového balíčku programu ANSYS. Pro simulaci proudění byl pouţit program ANSYS 12-CFX. Jedná se o výkonný program pro výpočet CFD (výpočet dynamických vlastností tekutin) aplikací. ANSYS CFX obsahuje kombinaci pokročilého řešiče s moderním uţivatelským rozhraním a adaptivní architekturou, tak aby výpočet CFD úloh byl přístupný i pro designéry se všeobecnými znalostmi z oblasti strojírenství a zároveň byl vhodný i pro specialisty, kteří potřebují detailnější ovládání programu. Pouţívá se v široké škále průmyslových odvětví, aby poskytl podrobný pohled na průběh procesů uvnitř zařízení, díky čemuţ lze zvýšit efektivitu při výrobě těchto zařízení, čímţ dojde k prodlouţení jejich ţivotnosti. [6]

v D

K přechodu mezi laminárním a turbulentním prouděním dochází při hodnotě Re = 2000. Tato hodnota byla zjištěna u kruhových hladkých kanálů. U elektrických strojů se tato hraniční hodnota můţe lišit, protoţe záleţí na převládajícím vlivu ovlivňující turbulenci, jestli turbulenci zmírňuje, nebo podporuje. Vzhledem k této situaci se přechodná oblast rozšiřuje na pásmo o rozsahu od Re= 1800 ÷ 4000, téţ označován jako přechodný obor. Při silných vlivech podporující turbulenci můţe vzniknout turbulentní proudění i při Re=1000 a menší (u elektrických strojů k tomu dochází velmi často). V tomto přechodném oboru záleţí především na pravidelnosti a rozdělení nerovností, tudíţ záleţí na celém charakteru drsnosti stěn. V závislosti na oboru, ve kterém se proudění nachází, se mění i hodnoty součinitelů tření a to v závislosti na Re. Pouze v turbulentním oboru jsou hodnoty součinitelů tření konstantní. Hodnota tohoto konstantního součinitele závisí na poměrné drsnosti stěny

1.6 Turbulentní modely e/D, Při řešení CFD úloh je nutné si uvědomit, ve které oblasti proudění se bude model nacházet. Zda se bude jednat o převáţně laminární proudění, převáţně turbulentní, nebo se bude nacházet v přechodné oblasti mezi laminárním a turbulentním.

(1.5)

kde e … je střední výška vyvýšenin drsné stěny [m] D … průměr kanálu Průměr D se pouţívá u kruhových kanálů, u kanálů jiného tvaru se pouţívá tzv. hydraulický průměr DH.[3]

1.6.1 Laminární proudění Při laminárním proudění je tok rovnoměrně rozloţen po délce kanálu, kde střední rychlost proudění je rovna polovině maximální rychlosti toku v kanále. Součinitelé přestupu tepla při tomto druhu proudění jsou podstatně niţší neţ v turbulentním. Z tohoto důvodu se snaţíme dosáhnout ve strojích turbulentního proudění.

DH

4S , U

(1.6)

kde S … průřez kanálu [m2] U … obvod kanálu [m]

2 Metodologie 1.6.2 Turbulentní proudění

2.1 Tvorba geometrie

Při tomto proudění dochází ke shlukování chladícího média a dochází k nerovnoměrnému vybočování těchto shluků molekul ze směru proudění, kdy později dochází k jejich rozpadu a následnému opětovnému shlukování. Toto nerovnoměrné uspořádání toku má za následek zvětšení střední rychlosti proudění, coţ nám pozitivně ovlivní zvětšení součinitelů přestupu tepla V závislosti na těchto poznatcích musíme vhodně nastavit prostředí simulace, protoţe pro řešení CFD úloh je k dispozici několik výpočtových turbulentních modelů. Mezi které patří

Pro dosaţení realistických výsledků ze simulací je nutné vytvořit realistický model, který bude zjednodušený v rámci poţadované simulace. Např. při simulaci proudění je zbytečné mít model obsahující části, které směr toku chladícího média neovlivní. Těmito částmi mohou být plechy, které leţí přímo na sobě, tudíţ je lze udělat jako jednu součást. Je nutné si uvědomit, ţe při simulaci proudění je zapotřebí mít model vzduchu, ne stroje. Při dosaţení optimálního zjednodušení modelu následuje vytvoření konečnoprvkové sítě.

57 – 3

2011/57 – 3. 11. 2011


turbulentní model pro výpočet. Dále je nutné zvolit vhodné okrajové podmínky pro CFD výpočet. Nastavení vstupu

Nastavení odtoku

Nastavení periodicity Obrázek 3: Ukázka nastavení okrajových podmínek

Obrázek 1: Ukázka zjednodušené geometrie 2.2 Tvorba meshe Princip výpočetní sítě spočívá v rozdělení poţadovaného modelu na konečný počet elementů, kterými jsou např. křivkové, plošné nebo objemové elementy. Toto rozdělení má důleţitý vliv na přesnost výsledků získaných simulací. Je vhodné si nastavení sítě vhodně rozvrhnout tak, aby v poţadovaných oblastech modelu, kde je potřeba přesnějších výsledkům nebo zde dochází k výrazným změnám fyzikálních vlastností simulovaného děje, byla hustota sítě co nejmenší. Při tvorbě sítě je snahou přiblíţení vrcholových úhlů elementů, které svírají jejich hrany, k úhlu 90°. Při tomto úhlu jsou zaokrouhlovací chyby nejmenší.

Běţně se u CFD úloh nastavuje vstup, výstup, rotační domény popř. periodické plochy, u kterých se nastavuje symetrie. 2.3.1 Okrajové podmínky Nastavení vtokuje nutné zvolit vhodné Před samotným zahájením simulace nastavení okrajových podmínek, kterými jsou počáteční tok vzduchu a tlak na odtoku z modelu generátoru. Další podmínkou je nastavení rotace rotoru, kterou se nastavuje na rotační plochy vytvořené konečnoprvkové sítě. Těmto rotačním plochám nastavujeme vlastnost "Wall" a zadáváme u nich radiální rychlost (rad/s). Tuto radiální rychlost zjistíme dle vztahu (4.1).

2 n , 60

(4.1)

kde n ... jsou otáčky rotoru [min-1]

Obrázek 2: Ukázka meshe 2.3 Nastavení simulace Při nastavování simulace je třeba si uvědomit, jakých rychlostí bude procházející médium dosahovat a podle toho zvolit

Pro zjednodušení a vyuţití jemnější sítě pro přesnější výsledky, je moţné vytvoření symetrické časti modelu (pouze u symetrických modelů – všechny symetrické části mají stejné vlastnosti). U symetrické části modelu je nutné, na rozdíl od celku, ještě nastavovit rotační periodicitu na symetrické plochy. Tato periodicita je důleţitá pro úspěšnou simulaci, bude představovat jakoby celek, proudnice se nebudou lámat o symetrickou plochu, ale budou skrze ni procházet, coţ je podstatou rotační periodicity. Jako počáteční podmínka, na vstupu do rotoru, je moţné nastavit tlak (Pa), nebo hmotnostní průtok média (kg/s). V programu ANSYS se zadává „Mass flow rate“ coţ znamená hmotnostní průtok. Vzhledem k tomu, ţe většinou máme k dispozici hodnotu objemového toku, tak je ho potřeba přepočítat na hmotnostní. Při pouţití vzduchu jako chladícího média se k přepočtu musí pouţít hustota vzduchu a to 1,2 kg/m3 (v závislosti na teplotě). Tato okrajová podmínka se zadává na vstupní plochy a přidává se jim vlastnost „Inlet“.

57 – 4

2011/57 – 3. 11. 2011


Na výstupu ze symetrické části modelu se musí nastavit relativní tlak 0 Pa, aby bylo moţné zjistit rozdíl tlaku mezi vstupem a výstupem. Na výstup se nastavuje charakter „Outlet“. 2.4 Výsledky simulace Simulací je moţné získat širokou škálu výsledků potřebných pro další studii daných fyzikálních vlastností u simulovaného předmětu. 2.5 Praktické použití metodiky Tato metodika byla pouţita pro zjištění rozloţení chladícího média u synchronního stroje s vyniklými póly. Snahou projektu bylo zjištění závislosti mnoţství chladícího procházející strojem na rozloţení chladícího média do jednotlivých radiálních kanálů statoru. Dalším bodem bylo vyšetření závislosti polohy rotoru na mnoţství vzduchu vstupujících do radiálních kanálů nad póly rotoru a mezi póly. 2.5.1 Úprava geometrie Aby bylo moţné provést simulaci, je nutné vhodně upravit geometrii pro CFD výpočet. U synchronního stroje se musela geometrie výrazně zjednodušit kvůli sloţitosti modelu. Byly odstraněny prvky, které nebyly důleţité pro průchod vzduchu (různé matice, šrouby apod.). Jakmile je model optimálně zjednodušený, tak se z něho vytvoří model vzduchu viz. obrázek 4. Pokud se jedná o symetrický stroj, tak lze vyuţít moţnosti nasimulování pouze symetrické části (např. ¼ stroje).

Obrázek 5: Ukázka konečnoprvkové sítě 2.5.3 Výsledky simulace - Změna mnoţství vzduchu a její vliv na rozdělení média do radiálních kanálů statoru Pro nalezení závislosti byly vytvořeny 4 simulace, s různým nastavením vstupního hmotnostního průtočného mnoţství vzduchu. Q [%] 25 50 75 100

Δp [%] 7,6 26,92 57,47 100

Tabulka 1: Procentuální závislost tlakového rozdílu vstupu a výstupu a objemového průtoku

Obrázek 4: model vzduchu synchronního generátoru 2.5.2 Vytvoření konečnoprvkové sítě (meshe) Při vytváření konečnoprvkové sítě je důleţité se zaměřit na oblasti, kde dochází ke zhuštění objemového průtoku média. Kvůli laminárním vrstvám proudění je nutné v blízkosti ochlazovaných povrchu vytvořit prismatické hladiny (vrstvy) meshe, coţ zajistí úspěšnou konvergenci celé simulace.

Graf 1: Odporová charakteristika stroje Při ventilačním výpočtu je velmi důleţité si umět představit, jak a v jakém poměru chladící médium prochází jednotlivými částmi stroje. Pouţívání numerických metod je jednou

57 – 5

2011/57 – 3. 11. 2011


z moţností, jak vyřešit otázku rozloţení chladícího média ve stroji. Je to důleţité nejen pro chlazení, ale i pro samotný návrh stroje, kdy lze chladícímu médiu usnadnit cestu k těm zdrojům tepla, které je potřeba uchladit. Na obrázku 6 je naznačen postup vykreslení výsledků jednotlivých simulací, a to pro Q = 25%, 50%, 75%, 100% Qmax.[2]

Obrázek 6: Topologické schéma k tabulkám s výsledky

1 2 3 4 5 6 7 8 9 Celk. výstup z rad. kan. Výstup z rotoru

10,39 10,31 9,97 9,1 8,75 8,8 8,6 9,26 8,28

Qin50%(%)

100

83,47 16,53

Tab. 3: Výsledky simulace pro vstupní tok Qin=50%

Číslo Qrad_chan1/4 radiálního (%) kanálu 1 11,89 2 11,44 3 9,92 4 8,23 5 9,43 6 8,85 7 8,16 8 9,37 9 7,31 Celk. výstup z 84,87 rad. kan. Výstup z 15,13 rotoru Qin25% (%)

Číslo Qrad_chan1/4 radiálního (%) kanálu

100

Graf 3: Mnoţství vzduchu procházející jednotlivými radiálními kanály statoru při Qin=50%


Číslo radiálního kanálu 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Celk. výstup z rad. kan. Výstup z rotoru


Qin75%(%)

Qrad_chan1/4 (%) 9,07 8,93 9,69 8,81 8,44 8,57 8,89 9,56 9,14 81,1 18,9 100


57 – 6

2011/57 – 3. 11. 2011


Barvy jednotlivých proudnic vzduchu znázorňují rychlost proudícího vzduchu v dané části modelu.

Graf 4: Mnoţství vzduchu procházející jednotlivými radiálními kanály statoru při Qin=75% Číslo Qrad_chan1/4 radiálního (%) kanálu 1 8,48 2 8,32 3 9 4 8,73 5 8,92 6 9,14 7 9,04 8 9,23 9 9,34 Celk. výstup z 80,19 rad. kan. Výstup z 19,81 rotoru Qin100%(%)

Obrázek 7: Grafické znázornění rozloţení proudnic a detail vtoku vzduchu do rotoru a následně do 1. radiálního kanálu pro Q = 25 % [3]

100


Obrázek 8: Grafické znázornění rozloţení proudnic a detail vtoku vzduchu do rotoru a následně do 1. radiálního kanálu pro Q = 50 %


57 – 7

Obrázek 9: Grafické znázornění rozloţení proudnic a detail vtoku vzduchu do rotoru a následně do 1. radiálního kanálu pro Q = 75 %

2011/57 – 3. 11. 2011


Použitá literatura [1] BOUCNIK, Pavel . Simulace mikrostruktury s ohledem na dosažení požadovaných vlastností odlitků . Brno, 2002. 179 s. Dizertační práce. Vysoké učení technické v Brně. [2] CHLUP, J. Model proudění chladicího média v synchronním stroji. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2010. 60 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Marcel Janda, Ph.D. [3] HAK, Josef; OŠLEJŠEK, Oldřich . Výpočet chlazení elektrických strojů. První. Brno : Výzkumný ústav elektrických strojů točivých v Brně, 1973. 628 s. Obrázek 10: Grafické znázornění rozloţení proudnic a detail vtoku vzduchu do rotoru a následně do 1. radiálního kanálu pro Q = 100 %

[4] HAK, Josef. Termika elektrických strojů. Praha : Státní nakladatelství technické literatury, 1969. 194 s. [5] KOPYLOV, I.P. Stavba elektrických strojů. Praha : Státní nakladatelství technické literatury, 1988. 530 s. [6] CHLUP, Jaroslav. MODEL PROUDENÍ CHLADICÍHO MÉDIA V SYNCHRONNÍM STROJI. Brno, 2010. 60 s. Diplomová práce. VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ.

3 Závěr V dnešním světě moderních počítačů, je čím dál víc vyuţívána moţnost nahrazení nákladné výroby prototypů různých zařízení, za vyuţití numerických metod k výpočtu fyzikálních vlastností a ověření funkčnosti na simulovaném modelu. Ukázkou bylo vyuţití programu ANSYS, pracujícím na základě řady numerických metod, k simulaci proudění chladícího média u synchronního stroje s vyniklými póly. Simulace byla provedena pro čtyři různé vstupní hodnoty objemového průtoku vzduchu a na základě výsledků byla vytvořena jednak odporová charakteristika stroje a zároveň byly vyneseny charakteristiky rozloţení vzduchu do jednotlivých radiálních kanálů statoru. Zhodnotíme-li vliv rychlosti vtoku vzduchu do stroje na rozdělení do jednotlivých kanálů, můţeme dojít k závěru, ţe při pomalém vstupu vzduchu do stroje dochází k upřednostnění bliţších kanálů ke vstupu do stroje oproti vzdálenějším. Při zvyšování mnoţství vstupujícího vzduchu do stroje, dojde kvůli zvětšování rychlostí proudění k postupnému uplatňování vzdálenějších kanálů. Při Q = 75 % z maximálního testovaného mnoţství vzduchu, došlo k částečnému srovnání objemového mnoţství média vstupujícího do radiálních kanálů, coţ je důleţité s hlediska chlazením, aby jedna strana stroje se nezahřívala víc, neţ ta druhá. U synchronních strojů s vyniklými póly a s jednostrannou ventilací, se pouţívá přepáţka na konci rotoru, aby chladícímu médiu kladla odpor, protoţe chladící médium prochází cestou nejmenšího odporu, tudíţ kdyby na výstupu z rotoru byl menší odpor jak u radiálních kanálů, nedošlo by k efektivnímu chlazení vinutí statoru. Z výsledků vyplývá, ţe přes vzduchovou mezeru, kterou ucpávka nevyplňuje, proudí z rotoru přibliţně kolem 15 – 20 % z celkového vstupujícího vzduchu do stroje.

Poděkování Tento příspěvek vznikl za podpory Centra výzkumu a vyuţití obnovitelných zdrojů energie CZ.1.05/2.1.00/01.0014 a výzkumného plánu MSM 0021630516 „Zdroje, akumulace a optimalizace vyuţití energie v podmínkách trvale udrţitelného rozvoje“.

57 – 8

Použití numerických metod u ventilačních výpočtů

Recommend Documents