Mô phỏng kỹ thuật ANSYS nâng tầm máy phát điện WEG Energy
Nhu cầu sử dụng điện trên thế giới ngày càng tăng cũng đồng nghĩa với việc cần phải phát triển các công nghệ năng lượng tái tạo. Công ty WEG của Brazil là một công ty hàng đầu trong việc thiết kế và sản xuất máy điện, có đủ chuyên môn để cung cấp các hệ thống và linh kiện cho loại công nghệ năng lượng tái tạo này.
WEG Energy đã tận dụng gói giải pháp ANSYS trong suốt quá trình thiết kế và cả trong quá trình vận hành sản phẩm để phát triển thiết bị năng lượng tái tạo an toàn.
Theo công ty nghiên cứu thị trường Envision Intelligence, từ năm 2018 đến năm 2024, quy mô thị trường năng lượng tái tạo toàn cầu sẽ đạt khoảng 1.062,4 tỷ USD vào cuối năm 2024, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm là 13,1%. Nhiều quốc gia đang đầu tư vào các công nghệ tái tạo ở các nhà máy điện để giảm phát thải nhà kính mà vẫn đáp ứng nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng.
Công ty WEG chuyên cung cấp giải pháp cho các nhà máy như vậy. WEG từng là một nhà máy nhỏ sản xuất động cơ điện, thành lập vào năm 1961; hiện nay, WEG là nhà sản xuất và cung cấp các giải pháp năng lượng trên toàn cầu.
Công nghệ năng lượng tái tạo bên trong phòng Năng lượng của WEG bao gồm tua-bin gió, máy phát điện tua bin hơi và máy phát thủy điện. Các kỹ sư phải sản xuất các sản phẩm chất lượng cao theo lịch trình khắt khe với chi phí nhất định.
Việc thử nghiệm các máy móc lớn và phức tạp ở tất cả các giai đoạn phát triển sẽ tốn nhiều thời gian và chi phí, vì vậy, nhóm kỹ sư đã áp dụng mô phỏng kỹ thuật ngay từ giai đoạn đầu của quy trình thiết kế và trong suốt quá trình phát triển sản phẩm. Các kỹ sư của WEG đã tận dụng gói giải pháp toàn diện của ANSYS để thực hiện các mô phỏng kết cấu, nhiệt và điện từ.
Hầu hết các giải pháp năng lượng tái tạo của WEG là các thiết kế không tiêu chuẩn, phải tùy chỉnh theo yêu cầu và điều kiện hoạt động của từng dự án. Mức độ tùy biến này đòi hỏi mô phỏng kỹ thuật phải linh hoạt, toàn diện và chính xác.
Đối với nền tảng tuabin gió truyền động trực tiếp 4 MW mới của WEG, các kỹ sư đã sử dụng các giải pháp mô phỏng ANSYS Mechanical và ANSYS Maxwell ngay từ giai đoạn đầu của quá trình thiết kế và trong suốt quá trình phát triển. Máy phát điện tuabin hơi gồm các tuabin hơi được sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện có mật độ năng lượng cao, phát sinh lượng nhiệt lớn cần được làm mát đúng cách.
Các kỹ sư của WEG đã sử dụng phần mềm mô phỏng tính toán động lực học chất lưu () ANSYS CFX để quản lý nhiệt, giúp cải thiện hiệu suất. Đối với sản xuất thủy điện, để thiết kế tuabin thủy lực cần kết hợp các phần mềm như ANSYS BladeModeler, ANSYS TurboGrid , ANSYS CFX và ANSYS DesignXplorer để tìm ra các thông số xây dựng tuabin kết hợp với các biến hệ thống để phát triển thiết bị có hiệu quả và năng suất cao.
Tăng gấp đôi sản lượng điện tuabin gió
Với sự cạnh tranh ngày càng tăng trong thị trường điện gió, WEG đang phát triển một tuabin gió truyền động trực tiếp 4 MW, gần như tăng gấp đôi sản lượng điện so với phiên bản 2.1 MW hiện tại. Loại tuabin mới và lớn hơn này được phát triển dựa trên sự hợp tác của các kỹ sư WEG ở Mỹ, mang lại hiệu quả cao và chi phí bảo trì thấp.
Do tải động cao gây ra bởi công suất đầu ra tăng nên cần phải sử dụng ANSYS Mechanical để mô phỏng kết cấu của các bộ phận khác nhau trong tuabin gió. Những thách thức chính trong việc thiết kế khung phía sau của tuabin gió là độ phức tạp hình học của thành phần và đánh giá nhiều trường hợp tải khác nhau.
Ống nối đỉnh tháp tuabin gió
Các kỹ sư của WEG đã sử dụng ANSYS Mechanical và ANSYS DesignXplorer để mô phỏng tất cả các phương diện kết cấu của bộ phận này, bao gồm cả việc đánh giá các điểm hàn quan trọng có tải trọng cao và đặc tính quy trình sản xuất, để tạo ra một bộ phận cứng và chắc chắn.
Ống nối đỉnh tháp, mà nối từ đỉnh tháp bê tông xuống đáy vỏ và ổ đỡ lắc ngang của nó, phải chống chịu được tải trọng cực lớn, tránh biến dạng dẻo và không bị trượt trong suốt vòng đời của tua-bin gió.
Các kỹ sư đã sử dụng mô phỏng kết cấu để đánh giá ứng suất tại các điểm hàn và sử dụng ANSYS nCode DesignLife để phân tích hỏng do mỏi.
Đánh giá ứng suất điểm hàn
Ngoài ANSYS Mechanical, các kỹ sư của WEG còn sử dụng thêm phần mềm ANSYS Maxwell để mô phỏng các trường điện từ tần số thấp để đánh giá mô-men xoắn, điện áp cảm ứng, tổn hao và bão hòa lõi từ.
Một trong những tiêu chí quan trọng khi phát triển các thiết bị điện như tuabin gió là giảm thiểu dòng điện hài giữa máy phát và bộ biến đổi năng lượng. Để duy trì độ méo sóng hài tổng (THD) ở mức thấp, các kỹ sư đã sử dụng mô phỏng để phân tích vị trí nam châm để xác định điện áp và phổ sóng điều hòa được tạo ra.
Tổng thể, các giải pháp mô phỏng ANSYS đã mang lại hiệu quả cao trong việc phát triển nền tảng 4 MW, giúp đội ngũ kỹ thuật nhanh chóng kiểm nghiệm và hoàn thiện thiết kế.
“Hao tổn do quạt gió đã giảm 23%, còn tổng trọng lượng đã giảm 14 %"
Sử dụng ANSYS Maxwell để phát triển máy phát điện tuabin gió nam châm vĩnh cửu
Điện áp và dòng điện của tubin gió khi hoạt động đầy tải
Phát triển và đánh giá máy phát điện
Công ty WEG đã sản xuất máy phát điện trong hơn 30 năm. Đối với mỗi sản phẩm mới, các kỹ sư đánh giá mọi tính năng sáng tạo thông qua mô phỏng chuyên sâu. Ví dụ, một dự án mới thường yêu cầu phân tích nhiệt vì sự gia tăng công suất hoặc giảm kích thước máy thực sẽ ảnh hưởng đến quá trình cân bằng gia nhiệt đối với việc cân bằng làm mát của máy.
Để minh họa cho sự đổi mới, WEG muốn thay thế vỏ thép có chứa đầu cuộn dây rotor bằng một vật liệu thay thế trong một dòng máy phát điện mới. Đội ngũ kỹ thuật đã tìm hiểu cách sử dụng vật liệu composite đã được tẩm sẵn (pre-impregnated) dưới dạng băng dán thay vì vòng giữ.
Họ đã sử dụng ANSYS Mechanical để đánh giá các chuyển vị hướng tâm của dải băng theo hai điều kiện đặt ra, đó là: biến dạng trong các thành phần của đầu cuộn dây và áp suất tiếp xúc dư của dải băng. Kết quả là thành phần được kiểm nghiệm đầy đủ với khối lượng rotor thấp hơn cũng mang lại hiệu quả kinh tế khi sản xuất.
Các vật liệu mới, như vật liệu tổng hợp trong trường hợp này, có thể giúp giảm tới 77% chi phí nguyên liệu và giảm từ 18% đến 20% chi phí sản xuất rotor dây quấn.
Máy phát điện WEG lắp đặt tại nhà máy của khách hàng
Bên cạnh cải tiến kết cấu trong các máy phát này, WEG cũng muốn tăng hiệu quả của hệ thống làm mát thông qua hệ thống phân phối không khí tốt hơn. Các kỹ sư của WEG đã sử dụng ANSYS CFX để xác định luồng khí qua cuộn dây rotor và stator để phát hiện điểm nóng bất kỳ.
Kết quả cho thấy sự phân phối nhiệt đồng đều hơn, dẫn đến tăng hiệu suất của máy và giảm tổn hao do quạt gió (sức cản không khí). Hao tổn do quạt gió đã giảm 23%, còn tổng trọng lượng đã giảm 14 %.
Với phân tích điện từ trong quá trình phát triển, ANSYS Maxwell đã cung cấp những thông tin giá trị về điện áp được tạo ra cũng như độ bão hòa và tổn hao lõi từ. Ngoài ra, tính linh hoạt của Maxwell còn giúp các kỹ sư của WEG đánh giá các phương án thiết kế, dự đoán hiệu suất và chẩn đoán các lỗi tiềm ẩn trong các điều kiện vận hành nhất định.
Mô phỏng máy phát cực hình trụ sử dụng ANSYS Maxwell hiển thị các dòng cảm ứng và từ thông đối với mô hình bất đối xứng khi hoạt động đầy tải
Ví dụ, nếu máy tắt do ngắn mạch cuộn dây stator hoặc nếu cần phải sửa chữa hoặc thay thế stator, máy có thể sẽ ngừng hoạt động trong một thời gian. Để tiếp tục hoạt động, các cuộn dây stator bị hỏng có thể bị ngắt kết nối như khi sửa chữa tạm thời. Tuy nhiên, kết quả phân phối dòng không đối xứng có xu hướng gây ra hiện tượng quá nhiệt.
Các kỹ sư của WEG đã sử dụng bộ giải theo thời gian của ANSYS Maxwell để xác định ảnh hưởng của việc sửa chữa tạm thời đối với hiệu suất của máy bằng cách thực hiện phân tích điện từ chi tiết để dự đoán phân phối dòng pha và đường dẫn, ước tính tác động điều hòa và tính toán các yếu tố giảm dần.
Hệ số giảm tải cho biết mức độ mà công suất đầu ra của máy phải được giới hạn dựa trên việc sửa chữa tạm thời. Các công cụ ANSYS cho phép các kỹ sư của WEG đánh giá các hiện tượng phức tạp và giải quyết mọi vấn đề.
Đánh giá chuyển vị hướng tâm bằng ANSYS Mechanical
Đánh giá áp suất tiếp dư bằng ANSYS Mechanical
Phát triển thiết kế tuabin thủy lực
Tua bin Francis và máy phát WEG khi vận hành
Động lực học chất lưu của tuabin thủy lực trong quá trình vận hành khá phức tạp. Đối với phát điện thủy điện, vị trí và đặc điểm địa lý riêng biệt của từng dự án ảnh hưởng đến các điều kiện như áp lực, lưu lượng dòng nước và mức cột nước.
Sử dụng mô phỏng có thể tính toán hiệu quả tất cả các thông số liên quan và có thể kết hợp với các thông số xây dựng tuabin, chẳng hạn như trong tuabin Francis, bao gồm các dòng hướng tâm và hướng trục.
Các kỹ sư của WEG đã sử dụng ANSYS CFX để kiểm tra các trường áp suất làm việc và biên dạng vận tốc để ước tính các thông số tuabin sử dụng cho phạm vi rộng các điều kiện vận hành. Họ còn sử dụng ANSYS Workbench để tham số hóa các thành phần như cánh dẫn hướng và cánh cố định và dễ dàng triển khai các công cụ ANSYS máy cánh để đánh giá các đặc tính quan trọng.
Điều này cho phép các kỹ sư quan sát dòng nước thông qua các đường đồng mức thủy lực và biên dạng cánh.
Mô hình hoàn chỉnh của tuabin Francis được mô phỏng với ANSYS CFX
Tối ưu hóa hiệu quả của tuabin thủy lực để sử dụng trong các điều kiện hoạt động khác nhau là một nhiệm vụ đầy thách thức. Để tạo ra tuabin hiệu suất nhất, các kỹ sư đã sử dụng ANSYS CFX để tạo ra Biểu đồ Hill tuabin cho từng dự án không tiêu chuẩn, bao gồm các đường cong mức hiệu suất cho sự kết hợp các điều kiện hoạt động khác nhau.
Sau đó, họ đã nhập dữ liệu thu được từ các mô phỏng thực hiện bằng CFX kết hợp với phần mềm tham số và tối ưu hóa ANSYS DesignXplorer vào biểu đồ này.
Mô phỏng vận tốc cho các cách dẫn hướng và cánh đẩy của tuabin Francis
Điều này giúp các kỹ sư WEG khám phá và thử nghiệm các thông số máy khác nhau như hình dạng lưỡi cắt, định vị cánh dẫn hướng, tình trạng vỏ xoắn ốc và ống thông gió.
Nhóm kỹ sư cũng thực hiện các nghiên cứu phức tạp, bao gồm xác minh tốc độ đẩy của tuabin và hiện tượng xâm thực có thể làm hỏng bánh cánh đẩy. Đối với tốc độ tuabin đẩy, cần phải phân tích sâu các thông số quan trọng chẳng hạn như quá áp và trường hợp quá áp xoắn ốc để đảm bảo mức độ cơ học an toàn.
Các mô hình ảo giúp đánh giá các tham số này trước khi sản xuất máy. Một phương pháp nghiên cứu xâm thực là xác định và đánh giá các khu vực có áp lực nước thấp ở trạng thái lỏng.
Tuy nhiên, phương pháp chính xác nhất là nghiên cứu trạng thái của nước (từ chất lỏng sang hơi) khi máy hoạt động ở những vùng áp suất thấp. Mô phỏng là một phương pháp hiệu quả để làm điều này.
Khi phát hiện ra sự kết hợp hiệu quả nhất của các tham số đầu vào trên một mô hình ảo, WEG tạo ra sản phẩm và lấy dữ liệu trường để đóng vòng thông tin kỹ thuật. WEG đã sử dụng mô phỏng để sản xuất tuabin thủy điện với niềm tin rằng đây sẽ là những cỗ máy an toàn, hiệu quả, mà mang lại hiệu suất cao.
Sử dụng ANSYS CFX để mô phỏng thiết kế hiết kế rãnh dẫn của tuabin Francis
Đường cong biểu đồ Hill của tuabin Francis, trong đó màu đỏ biểu thị các giá trị hiệu quả tốt hơn
Mở rộng sử dụng các giải pháp ANSYS
Công nghệ ANSYS đã mang lại hiệu quả cao trong việc phát triển các công nghệ năng lượng tái tạo của WEG, đặc biệt là trong việc thiết kế các giải pháp tùy chỉnh và bất chuẩn. Mô phỏng giúp đội ngũ kỹ thuật giảm thiểu thiệt hại và rủi ro.
Các kỹ sư của WEG sử dụng mô phỏng để thiết kế sản phẩm ban đầu, lặp lại thiết kế, tạo mẫu ảo và thậm chí phân tích sau khi vận hành. Mô phỏng được áp dụng cho hầu hết các sản phẩm của công ty để xác định thiết kế tối ưu dựa trên nhiều đặc tính vật lý.
WEG Energy dự kiến sẽ mở rộng việc sử dụng mô phỏng kỹ thuật; đặc biệt là phát triển nhóm kỹ sư sử dụng phần mềm ANSYS. Tầm nhìn tương lai của WEG là sẽ sử dụng các công cụ ANSYS trong các bản sao số, đây là bản sao ảo theo thời gian thực của các máy vận hành.
Tại bộ phận WEG Energy, mô phỏng giúp các kỹ sư cắt giảm thời gian, chi phí phát triển và tạo ra các máy phát điện an toàn, hiệu suất cao. Năm 2018, Milton Castella, giám đốc kỹ thuật tại WEG, đã thay mặt WEG nhận Giải thưởng Sáng tạo Brazil. Ông đã tuyên bố trong buổi lễ rằng: “Trong năm 2016, khoảng 50% doanh thu của chúng tôi thu được từ các sản phẩm phát triển trong vòng năm năm qua.”
Bài viết này có sự đóng góp của các thành viên trong nhóm WEG Energy, bao gồm 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 và Carlos Ogawa.
Nguồn : ansys.com
Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc. " hoặc "Theo www.advantech.vn " nếu bạn muốn phổ biến thông tin này
- Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech .,Jsc" hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này