为未来注入强大的动力

作者:Mateus Nicoladelli de Oliveira,WEG Energy研发-应用技术部巴西圣卡塔琳娜州南雅拉瓜

随着全球电力需求不断增长,需要大力发展可再生能源技术来满足这一需求。巴西公司WEG是电气产品设计及生产市场的长期领导者,具有提供可再生能源系统及组件的专业技术。在整个设计过程中,甚至在产品运行过程中,WEG Energy都利用ANSYS解决方案研发可靠的可再生能源设备。

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WEG wind turbine

“WEG团队在设计流程早期阶段及整个产品研发过程中均可采用工程设计仿真。”

市场研究公司Envision Intelligence数据显示,全球可再生能源市场规模到2024年底将达到约1.0624万亿美元,2018年至2024年期间的年复合增长率为13.1%。为满足日益增长的电力需求,同时减少温室气体的排放,许多国家都在投资电厂可再生能源技术。WEG公司始终致力于为电厂提供解决方案。WEG成立于1961年,当时只是一家生产电机的小工厂,如今已发展成全球制造商和能源解决方案的供应商。

WEG能源部的可再生能源技术包括风力发电机、涡轮发电机以及水轮发电机。工程师必须按照严格的期限和成本要求去生产这些高质量产品。如果在研发的每一个阶段都要测试这些复杂的大型机器,不仅成本过高,而且非常耗时,因此该团队在设计流程早期阶段及在整个产品研发过程中采用工程设计仿真。WEG工程师依靠ANSYS的综合解决方案进行结构、电磁及热仿真。

WEG的大部分可再生能源解决方案都属于非标准设计,必须按照每个项目的特定要求和工况进行定制。这种定制需要开展灵活、综合而精确的工程设计仿真。对于WEG 最新4MW直驱风力发电机平台,工程师一直使用ANSYS MechanicalANSYS Maxwell仿真解决方案进行研发设计。热电厂汽轮机的涡轮发电机具有高功率密度,工作时会产生大量必须适当耗散的余热。WEG工程师使用ANSYS CFX计算流体动力学(CFD)仿真软件进行热管理,成功提高了发电机效率。在水力发电领域,水力涡轮机设计需要综合使用ANSYS BladeModelerANSYS TurboGrid、ANSYS CFX和ANSYS DesignXplorer,结合系统变量探索涡轮结构参数,以便研发高效可靠的设备。

风力涡轮机加倍输出

由于风力发电市场竞争愈发激烈,WEG正在研发4MW直驱风力涡轮机,输出功率与WEG是当前2.1兆瓦平台的近两倍。这款更大的新型涡轮机是WEG巴西与美国工程师合作研发,具有效率高、维护方便的特性。

高功率输出会导致高动态载荷,需要使用ANSYS Mechanical对风力涡轮机的各个组件进行结构仿真。风力涡轮机后底盘设计的主要挑战是组件几何结构以及载荷的复杂性。为生产出坚固可靠的部件,WEG工程师使用ANSYS Mechanical和ANSYS DesignXplorer,对部件的整体结构进行仿真,包括评估具有高载荷的关键焊点和制造工艺特征。

机舱塔顶适配器将混凝土塔的顶部与机舱底部及其偏转轴承相结合,在风力涡轮机使用寿命内机舱塔顶适配器必须能承受极限载荷,避免塑性变形且不会发生滑动。工程师使用结构仿真评 估颈部及焊点处的应力,并使用 ANSYS nCode DesignLife进行疲劳故障分析。

nacelle adaptor
机舱塔顶适配器
neck stress
颈部应力及焊点的评估
 

除ANSYS Mechanical外,WEG工程师还广泛使用ANSYS Maxwell进行低频电磁场仿真,以评估扭矩、感应电压、磁芯损耗度和饱和度。在研发风力涡轮机等电气设备时,一个重要的参考标准就是要最大限度降低发电机和电源转换器之间的谐波电流。为维持较低的总谐波失真(THD)工程师通过仿真分析磁体定位,以判断所产生的电压及谐波频谱。

总体而言, ANSYS仿真解决方案在4MW平台的研发过程中被证实具有不可估量的价值,可帮助工程设计团队快速验证并完善设计。

“通风损耗降低23%,总重量降低14%。”

wind turbine permanent magnetic generator

使用ANSYS Maxwell研发风力涡轮机永磁发电机

 

voltage and current at full load

满负载运行时,风力涡轮机的电压与电流

 

发电机研发与评估

WEG生产发电机已有30多年。对于每款新产品,工程师都会通过深度仿真评估其创新特性。例如,一个新项目通常都需要进行热分析,因为无论是机器功率输出增大,还是机器尺寸缩小,本质上都会影响机器的产热与散热平衡。

对于一项新的创新,WEG希望在一条新的涡轮发电机生产线上使用替代材料制造罩着转子线圈头的钢盖。工程设计团队探索一种带状预浸渍复合材料用以替换定位环。他们使用ANSYS Mechanical评估两种附加条件下条带的径向位移:线圈头组件的应变和条带的残余接触压力。评估结果是:完全通过验证的组件不仅重量更轻,而且制造成本也很低。使用本例中的复合材料等新材料,可将原料成本锐降77%,将绕线转子制造成本降低18%到20%。

WEG generator

终端用户工厂安装的WEG发电机

 

除了这些发电机的结构改进外,WEG也想改善风量分配,提高发电机散热系统的效率。WEG工程师使用ANSYS CFX确定流经转子及定子线圈的气流,检测电机中的热点。仿真结果显示改进后的电机热分布更均匀,这不仅带来了优良的机器性能;而且还可降低风阻(气阻)损耗,通风损耗降低23%,总重量降低14%。

对于研发过程中的电磁分析,ANSYS Maxwell软件可以提供有关发电电压、磁芯饱和及损耗的宝贵信息。此外,用途广泛的Maxwell还可帮助WEG工程师评估设计备选方案,预测机器性能,诊断某种工况下的潜在故障。例如,如果机器因定子线圈短路而关闭,或者定子需要维修或更换特定线圈,机器可能需要停工一段时间。怎么才能要继续工作呢?可以在临时维修时断开发生故障的定子线圈,但断开线圈所导致的不对称电流分配可能会造成过热。使用ANSYS Maxwell瞬态求解器,WEG工程师可通过细致的电磁分析,预测相位和路径的电流分配,估算谐波影响并计算降额因子,从而确定临时维修对机器性能的影响。其中降额因子决定了临时维修工况下机器输出功率的限值。ANSYS工具可帮助WEG工程师了解复杂现象,解决各种问题。

generator simulation

采用ANSYS Maxwell仿真园筒形磁极发电机,展示全负荷运行条件下非对称模型的感应线和磁通线

 

radial displacement simulation
使用ANSYS Mechanical评估条带径向位移
residual contact pressure simulation
使用ANSYS Mechanical评估条带残余接触压力
 

“在WEG可再生能源技术的发展过程中,ANSYS技术的价值现已变得不可估量。”

水轮机设计探索

Francis turbine with WEG generator

试运行工作中的法氏水轮机及WEG发电机

 

水轮机运行时的流体流动情况十分复杂。对于水力发电,不同项目的位置及独特地理特性会影响水轮机的压力、水流速度以及水位差大小。仿真会有效考虑流体计算所涉及的所有参数,而且还能与涡轮结构参数相结合,例如法式水轮机的径向流与轴向流。

WEG工程师使用ANSYS CFX检查工作压力场和速度曲线,以估算各种工况下的涡轮参数。使用 ANSYS Workbench,他们不仅可将固定导流叶片等组件的模型参数化,而且还可轻松设置ANSYS涡轮工具,以便评估通过叶片横截面和径向截面的重要特征。这有助于工程师虚拟地观察穿过水轮机轮廓及叶片剖面的水流流动情况。

优化众多工况下的水轮机效率,是一项极具挑战性的任务。为协助开发最高效率的涡轮机,工程师使用ANSYS CFX为每个非标准项目涡轮机生成涡轮机特性曲线,包括不同工况组合的性能效率曲线。WEG工程师可将ANSYS CFX与ANSYS DesignXplorer仿真得到的数据输入到该图。这可帮助他们对各种不同的机器参数进行探索和实验,例如叶片形状、导流叶片位置、机壳以及引流管行为等。

Francis turbine simulation model
采用ANSYS CFX仿真的法氏涡轮机的完整模型
Francis turbine simulation
法氏涡轮机固定导流叶片及转轮叶片的速度仿真

此外,工程设计团队还进行了复杂性研究,包括验证涡轮速度失控以及汽蚀的存在,这些情况会造成转轮叶片的损坏。涡轮速度失控时,需要深度分析超速和蜗壳超压等关键参数,以确保机器处于安全状态。

虚拟模型有助于在机器制造前对这些参数进行评估。研究汽蚀的方法之一是确定和评估液态低压区域。但是,最准确的方法是研究机器的低压区在工作时的水的相变(从液态到气态)。仿真是开展这项工作的有效方法。

在虚拟模型上找到最高效的输入参数组合之后,WEG先制造产品,然后获取现场数据,以实现工程信息闭环。通过仿真,WEG完全有信心制造出可靠、高效、高性能的水轮机。 

Francis turbine runner simulation
使用ANSYS CFX仿真法氏涡轮机转轮设计
Francis turbine Hill Chart
法氏涡轮机特性曲线图,红色部分表示效率值更高
 

扩大ANSYS仿真解决方案的使用范围

在WEG可再生能源技术的发展过程中,ANSYS技术的价值现已变得不可估量,尤其是在设计定制方案和非标准解决方案时。仿真有助于工程设计团队最大限度减少不确定性因素并降低风险。WEG工程师通过仿真来进行产品构思、设计迭代及虚拟原型设计,且在运行后进行取证分析。这个流程用于公司的大部分产品,以便根据广泛的物理场确定最佳设计。WEG Energy期待进一步扩大工程仿真的使用范围;使用ANSYS软件进行研发的工程设计团队越来越多。在WEG未来远景规划中,工程师预计将在数字孪生体中使用ANSYS工具,数字孪生体是处于工作状态下的机器的实时虚拟仿真。

在WEG能源部,仿真不仅可帮助工程师节省研发时间与成本,而且还可帮助他们研发出高度可靠的高性能产品。2018年,WEG工程技术总监Milton Castella为WEG赢得了巴西创新奖(Innovation Brazil Award)。在颁奖仪式上,他说:“2016年我们大约50%的收入源于过去5年中研发的产品。”WEG在实现这一划时代目标的过程中,ANSYS的帮助发挥了关键性的作用。

ANSYS优秀渠道合作伙伴ESSS为初级使用者和专家提供了ANSYS仿真软件培训。

感谢以下WEG Energy团队成员参与本文的编写:Rodrigo C. Cossalter, Andre Eger, Diego S. Montero, Ricardo L. Sartori, Jhonattan Dias, Guilherme S. Porepp, Danielle R. Voltolini, Elissa S. de Carvalho, Angelo P. de Carvalho, Leandro Schemmer, Tarcisio W. Junior, Lessandro Bertagnolli and Carlos Ogawa.

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