Bestimmung der Kühlgasverteilung in Turbogeneratoren durch Kombination der Finite-Elemente-Berechnung und der Netzwerkanalyse

Abstract

Der Bedarf an elektrischer Energie, insbesondere in der dritten Welt, nimmt ständig zu. Um diesen Bedarf zu decken, bedarf es neuer leistungsstarker und gleichzeitig bezahlbarer Kraftwerke mit hohen Wirkungsgraden. Die Kosten der eingesetzten Kraftwerksgeneratoren lassen sich deutlich durch die Steigerung der Leistungsdichten senken. Dies kann nur erreicht werden, wenn die bei der Energieumwandlung entstehenden Verluste wirkungsvoll abgeführt werden. Somit hat die Problematik der effektiven Kühlung bei der Auslegung von elektrischen Maschinen großer Leistungen einen sehr hohen Stellenwert. Die folgende Arbeit befasst sich mit den Volumenströmen des Kühlgasmediums in Kraft-werksgeneratoren, die durch die speziell hierfür installierten Gebläse erzwungen werden. Es wird ein neues Verfahren zur Berechnung der Volumenstromverteilung des Kühlgases in elektrischen Maschinen großer Leistungen entwickelt. Die beiden bisher getrennt angewand-ten Berechnungsarten, nämlich die Netzwerkanalyse mit den Wärmequellen sowie die FE-Methode, werden miteinander so verknüpft, dass die jeweiligen Vorteile ausgenutzt und die Nachteile weitgehend reduziert werden. Auf diese Weise werden eine verbesserte Genauigkeit und leichtere Handhabung bei der Berechnung der Kühlgasverteilung erreicht. Das Verfahren der klassischen Netzwerktheorie wird beibehalten, jedoch werden für die wichtigsten Komponenten, wie Nutgrundkanäle, Stator und Rotorwickelköpfe mit Hilfe eines dreidimensionalen FE-Programms die Widerstandskennlinien bestimmt und in das klassische Strömungsnetzwerk eingebunden. Die Auflösung des Netzwerks erfolgt mit Hilfe des kom-merziellen Programms Flowmaster, das speziell für die Analyse von Wärmenetzwerken entwickelt wurde. Die durchgeführte Simulation wurde für einen reellen Generator durchgeführt, für den auch im Prüffeld die Volumenströme und Druckabfälle an allen signifikanten Maschinenorten gemessen wurden. Die Berechnungen wurden sowohl für das „klassische“ als auch für das erweiterte Netzwerkmodell durchgeführt und miteinander verglichen. Hierbei hat sich gezeigt, dass durch Einsatz des neuentwickelten kombinierten Verfahrens gerade in den durch die Verluste stark beanspruchten Bereichen, wie z. B. den Wickelköpfen der Maschine oder den Nutgrundkanälen, eine deutliche Verbesserung der Berechnungsgenauigkeit von Volumenströmen (bis zu 20 %) erreicht werden konnte. Für die Auslegung der Maschinen ergeben sich hierdurch wichtige Erkenntnisse, da gerade diese Bereiche bei aktuellen Konstruktionen die angestrebte Leistungserhöhung begrenzen. Ein weiterer Vorteil des neuen Verfahrens liegt darin, dass durch die weitgehend formalisierte Erstellung des Modells der Zeitaufwand für die Durchführung der Simulation deutlich verkürzt wird. Hinzu kommt, dass die ermittelten Widerstandskennlinien nahezu linearen Charakter aufweisen und in bezogener Darstellung für andere Maschinentypen übernommen werden können.