Kühlungsberechnungen für Motoren und Generatoren

Strömungsnetze und Wärmequellennetze

In den sechziger und siebziger Jahren hatten die Hersteller großer Drehfeldmaschinen wie das Siemens Dynamowerk in Berlin sogenannte Netze entwickelt. Das Ersatzmodell ähnelt einem elektrischen Ersatzschaltbild; die Maschine wird in große Teilbereiche zerlegt; jeder Bereich ist durch einen Strömungs- oder Temperaturknoten dargestellt. Die Knoten sind miteinander durch ein Netz, bestehend aus zahlreichen Zweigen, verbunden; innerhalb eines Zweiges bewegt sich die Strömung oder die Wärme eindimensional in eine vordefinierte Richtung. Strömungs- und Wärmequellennetze sind schnell zu benutzen und sie benötigen weder ein 3D-CAD-Model noch 2D-Maschinenzeichnungen. Sie bleiben deshalb bewährte Verfahren. Das Strömungsnetz sollte bereits in der Angebotsphase benutzt werden, um das Kühlungskonzept sowie die Lüfter grob auszulegen.

Strömungs- und Wärmequellennetze können unabhängig voneinander entwickelt werden. Die Ergebnisse des Strömungsnetzes dienen dann als Eingabedaten für das Wärmequellennetz. Die Netze können auch in einem einzigen Tool kombiniert werden. Diese Netzwerke können mit Excel, in Fortran oder in jeder beliebigen Programmiersprache geschrieben werden. Neue Netzwerke werden immer häufiger mit Thermo-fluid Subsystem-Software wie Flomaster, Amesim, SimulationX ® ... entwickelt.

Strömungsnetze benötigen ein hohes Maß an Erfahrung und entsprechende Messwerte für die Eingabe der Druckverlust-Beiwerte und der aktiven Druckerzeugungswerte. Die wesentlichen Aufgaben eines Strömungsnetzes sind die Berechnung der Druckverluste und Geschwindigkeiten, um die Lüfter auszulegen, sowie die Berechnung der Strömungsverluste und die Feststellung von nicht konformem Betrieb wie Rückströmungen.
Wärmequellennetze benötigen ebenfalls ein hohes Maß an Erfahrung und entsprechende Messwerte für die Eingabe der Wärmeübergangskoeffizienten α, der Wärmeleitwerte des Blechpakets sowie der Isolierung. Die elektrischen Verluste, Ventilationsverluste sowie Verteilung der Kühlströmung sind weitere notwendige Eingaben.

3D-CFD Thermische- und Strömungsberechnungen

Die strömungstechnischen und thermischen Vorgänge in großen Motoren und Generatoren sind äußert komplex und lassen sich deshalb mit Strömungs- und Wärmequellennetzen nur unbefriedigend beschreiben. Messungen im Inneren eines schnell rotierenden Läufers sind wegen der hohen Umfangsgeschwindigkeit nur schwer ausführbar.
Die 3D Computational Fluid Dynamics (Deutsch: numerische Strömungsmechanik) bietet sich als lohnende Alternative für die Analyse sowie für den Entwurf und für die detaillierte Auslegung elektrischer Maschinen. Dabei kann heutzutage das Rechengebiet auf bis 40 Millionen Gitterzellen zerteilt werden. Sie ermöglicht Aussagen über die Strömungsverhältnisse im Wickelkopfbereich und liefert Erkenntnisse über die Kühlstromverteilung, Erwärmung und das Druckgefälle. Aus diesen Ergebnissen ergeben sich dann die Optimierungspotentiale, welche durch weitere CFD-Berechnungen abgesichert und realisiert werden.

Temperaturkonturen des Läufers eines grossen Motors mit Schenkelpolen

Je nach Belüftungskonzept kann aufgrund der Symmetrie der Maschine das Rechenmodell reduziert werden. Für eine zweiseitige Belüftung, wo das Kühlmittel symmetrisch auf beide Stirnseiten der Maschine trifft, ist es möglich, das Model auf die Hälfte der Maschine zu reduzieren. Symmetrierandbedingungen erweitern das Modell auf das ganze Maschinenmodell. Solange das Kühlmedium als inkompressibel betrachtet werden kann, sind CFD-Rechnungen mit Luft, Wasserstoff, Wasser oder Öl etwa gleich aufwendig. Die elektrischen Verluste sind in der Regel als Rechenwerte oder Messwerte bekannt. Sie können als Wärmequellen homogen auf die Entstehungsorte verteilt werden. Die Verluste aufgrund der Reibung und der turbulenten Dissipation werden durch das Programm in Größe und Verteilung ermittelt.

Eine kombinierte thermische- und Strömungsberechnung für die komplexe Geometrie des Ständers im Wickelkopfbereich ist ohne starke Vereinfachung der Geometrie nur mit einer Software für kartesische Gitter wie FloEFD möglich.  FloEFD erlaubt die Einlassrandbedingung durch die Eingabe der Lüftereigenschaften zu definieren und der belüftungstechnische Betriebspunkt wird vom Programm selbst ermittelt.