11 - 2007

Практика использования программного комплекса ANSYS при проектировании мощного энергетического оборудования

Д.Н.Мальцев, Л.М.Пестряева, М.А.Ребрин

Фирма «Делкам-Урал» — совместное российско-британское предприятие, известный дилер технологического оборудования для автоматизации производства и программ конечно-элементного анализа, одной из которой является универсальный программный комплекс ANSYS корпорации ANSYS, Inc. (США).

Программный комплекс ANSYS, имеющий международный сертификат качества ISO 9001, завоевывает признание в сообществе российских инженеров как на официальном уровне (имеется бессрочный аттестационный паспорт НТЦ по ядерной и радиационной безопасности № 145 от 31.10.2002), так и на практике — при проектировании новых образцов технологического оборудования, совершенствовании эксплуатируемого и оценке остаточного ресурса безаварийной эксплуатации с истекшим сроком службы.

Практически каждое крупное предприятие имеет в своем составе конструкторский отдел, основной задачей которого является создание новых образцов современной, конкурентоспособной техники. В процессе ее разработки решаются сложнейшие вопросы проектирования, одним из которых является соответствие образцов новой техники требованиям безопасной эксплуатации при минимизации издержек предприятия на изготовление, эксплуатацию, ремонт и ликвидацию последствий возможного аварийного разрушения.

Современные достижения в развитии вычислительной техники в сочетании с методом конечных элементов позволяют вывести качество проектируемых промышленных изделий на принципиально новый уровень, обеспечивая гарантированную, безаварийную работу в течение заявленного в паспорте изделия ресурса эксплуатации.

Для подтверждения правильности принятых конструкторских решений, экономической обоснованности использованных конструкционных материалов в условиях особых динамических воздействий требуется проведение натурных испытаний с экспериментальным подтверждением соответствия теплопрочностных и электромагнитных характеристик установки проектным и с расчетом ресурса ее безаварийной эксплуатации в назначенных режимах работы. Отработка конструкции проектируемого оборудования на натурных образцах считается абсолютно надежной технологией, но связанной со значительными материальными и временными издержками предприятия.

В современных условиях развития производства оптимальной является технология сочетания компьютерного моделирования проектируемого изделия с экспериментальным подтверждением адекватности принятых конструкторских решений и расчетных моделей при сокращенном объеме экспериментальных исследований. Это существенно снижает материальные издержки предприятия при подготовке к производству новой, конкурентоспособной техники с обеспечением высокого уровня ее технико-экономических показателей. В дальнейшем при проектировании аналогичных конструкций и устройств надобность в проведении экспериментов на натурных образцах отпадает  — достаточно подтверждения прочности на компьютерных моделях.

Всякий раз при принятии решения об использовании такого универсального комплекса для проектирования возникают вполне здравые вопросы о том, насколько хорошо такой комплекс работает в конкретных условиях технологии проектирования действующего производства.

Необходимость в выполнении расчета возникла после сборки образца мощного реактора РТСТ 10-2500-0,25. Для подтверждения правильности принятых конструкторских решений, экономической обоснованности использованных конструкционных и электротехнических материалов, экспериментального подтверждения соответствия силовых характеристик проектным, а также соответствия температурных режимов работы реактора допускаемым в номинальном режиме эксплуатации было проведено испытание реактора в рабочем режиме при токе 1600 А. Измерение температурных полей внутри секций катушки при проведении тепловых испытаний реактора на джоулевый нагрев осуществлялось температурными датчиками.

Использование натурного образца реактора с системой внутреннего температурного контроля имеет несомненные преимущества: можно с высокой достоверностью определять температурные поля внутри обмотки, учитывая особенности теплопередачи внутри секций катушки; не требуется знание теплофизических характеристик применяемых электротехнических материалов, особенностей теплового взаимодействия поверхностей конструктива реактора с окружающей средой и т.п. Однако при выявлении на стадии натурных испытаний недостаточно обоснованных конструкторских решений в назначении геометрии обмоток, материала корпуса обмотки, геометрии несущего каркаса, сечения проводника секций обмоток в дальнейшем приходится исправлять выявленные в ходе испытаний недостатки конструкции изделия. Например, при неудачном выборе внешней геометрии (в плане обтекаемости охлаждающей средой) несущего каркаса катушки реактора возможно существенное повышение уровня температур внутри секций в номинальном режиме работы, что вызывает скрытое снижение реальных показателей надежности эксплуатации реактора (например, фактического ресурса эксплуатации). Кроме того, увеличивается вероятность теплового разрушения устройства при предельно допускаемом токе в секциях катушки.

Наряду с расчетами стационарных температурных полей в обмотках мощных реакторов программный комплекс ANSYS позволяет производить расчет динамики переходных режимов теплового нагрева обмоток при максимально допустимых токах нагрузки с последующим расчетом времени остывания обмоток до допустимых значений температуры (режимы температурной качки). Не менее интересен для проектирования расчет параметров взаимного температурного влияния секций катушки с учетом вихревых токов, электромагнитного силового взаимодействия обмоток реактора, а также расчет проводников обмоток на статическую прочность с оценкой ресурса эксплуатации по циклической прочности с учетом температурного нагрева по слоям обмоток. Кроме того, важными являются задачи проектирования мощной реакторной техники с учетом взаимодействия с охлаждающей средой, позволяющие оперативно получить распределение температур (модуль ANSYS/Thermal), локальные области перегрева, застойные зоны, линии тока охлаждающей среды (модуль ANSYS/Flotran), деформации и напряжения в материале проводников (модуль ANSYS/Structural), распределение токов по сечению проводника обмотки, распределение магнитного поля, джоулево тепловыделение в материале проводника (модуль ANSYS/Emag) и т.п. Все эти вопросы решаются только в программном продукте ANSYS/Multiphysics.

В ходе натурного эксперимента катушка реактора запитывалась через внешний источник переменного напряжения электрическим током силой 1600 А в течение заданного интервала времени. Время выдержки реактора РТСТ 10-2500-0,25 под нагрузкой определялось экспериментально с целью обеспечения условия стационарности температурных полей в конструктиве реактора.

При выполнении температурных испытаний реактора в процессе нагружения током 1600 А с целью обеспечения чистоты эксперимента были предусмотрены меры по защите конструкции реактора РТСТ 10-2500-0,25 от источников внешнего теплового влияния (нагрева и/или охлаждения), а также от прямой солнечной радиации.

Нестабильность свойств материала проводника секций катушки реактора оказывает прямое влияние на величину выделяемого джоулева тепла, а следовательно, на сходимость результатов натурного и компьютерного моделирования. В связи с этим при проведении натурного эксперимента нестабильность внешнего источника питания необходимо было контролировать, обеспечивая периодический контроль текущей величины активного сопротивления для оценки влияния изменения проводимости обмоточного «алюминия» реактора с ростом температуры на величину выделяемого тепла. Значение начального активного сопротивления обмоточного «алюминия» реактора и величина активного сопротивления обмоток в режиме установившихся температурных полей фиксировались в протоколе испытаний.

Для выполнения объективного сравнительного анализа результатов натурного и вычислительного экспериментов была проведена тщательная подготовка натурных испытаний и компьютерного моделирования, поскольку на сходимость результатов натурного и компьютерного экспериментов существенное влияние оказывают следующие факторы:

  • при проведении компьютерного моделирования:

- адекватность принятых упрощений физике моделируемых тепловых и электромагнитных процессов,

- соответствие геометрических размеров элементов натурного образца компьютерной модели реактора,

- точность заданных (экспериментально определенных) заказчиком теплофизических свойств использованных конструкционных материалов в устройстве реактора РТСТ 10-2500-0,25,

- принятые упрощения граничных и начальных условий в моделировании процессов реального теплообмена реактора с воздушной средой;

  • при проведении натурных тепловых испытаний:

- условия термической изоляции реактора РТСТ 10-2500-0,25 от источников внешнего теплового влияния (нагрева/охлаждения), например от нагретого воздушного потока балластного сопротивления или работы приточно-вытяжной вентиляции, от прямой солнечной радиации и т.п. в лабораторных условиях,

- нестабильность электрической проводимости материала проводников секций катушки реактора,

- нестабильность внешнего источника тока катушки реактора (включая нестабильность характеристик балластной нагрузки при ее наличии),

- нестабильность и неравномерность воздушного охлаждения секций катушки реактора в помещении лаборатории,

- технологические погрешности изготовления и сборки секций катушки реактора и т.д.

Принятые упрощения модели реактора РТСТ 10-2500-0,25 и допущения:

  • обмотка реактора представлена в виде электрически последовательно включенных секций;
  • секция обмотки представлена цилиндрическим доменом, неровности по наружным поверхностям цилиндрического домена отсутствуют по причине плотности намотки;
  • изменение удельной проводимости материала проводника от температуры нагрева не учитывается;
  • радиационный теплообмен не учитывается;
  • ток в секциях обмотки реактора принимается равномерно распределенным в поперечном сечении проводников;
  • вихревые токи в проводниках обмоток не учитываются;
  • задача теплового обмена решается в стационарной постановке.

Всего было разработано три модели реакторной обмотки:

  • две модели реакторной обмотки для решения в ANSYS;
  • одна модель для анализа температурного поля в отдельном программном модуле CFX ANSYS.

В качестве основного элемента для моделирования секций обмоток реактора РТСТ 10-2500-0,25 использовался 3D-объемный элемент SOLID97 ANSYS (8-узловой, с пятью степенями свободы в узлах). Для имитации подключения обмотки реактора к внешнему источнику напряжения применялись модификации 3D-объемного элемента CIRCU124 ANSYS.

Применение элементов CIRCU124 существенно увеличивало нелинейность решаемой задачи, что требовало значительных затрат машинного времени для процедуры итерации токовой нагрузки обмотки реактора. Поэтому при неизвестных свойствах проводимости конструкционного материала обмотки пришлось поэтапно подбирать значения напряжения внешнего источника питания таким образом, чтобы через секции протекал ток с действующим значением 1600 А.

Расчет температурных полей обмотки реактора РТСТ 10-2500-0,25 был проведен методом поэтапного моделирования физических пространств в два этапа:

  • на первом этапе в модуле ANSYS/Emag производился поиск стационарного решения в области низкочастотного электромагнитного взаимодействия компонентов компьютерной модели с расчетом параметров джоулева тепловыделения в токопроводящих элементах секций обмоток без учета влияния вихревых токов;
  • на втором этапе осуществлялась передача теплогенерирующих нагрузок первого этапа и выполнялся поиск стационарного решения в модуле ANSYS/Thermal по тепловому взаимодействию компонентов компьютерной модели с расчетом температурного распределения в объемах теплопроводящих элементов секций обмоток.

Для моделирования условий натурного эксперимента на втором этапе имитации процесса естественного теплообмена с окружающей воздушной средой помещения лаборатории взаимодействие секций реакторной обмотки осуществлялось конвекционно по наружным поверхностям. Начальная температура окружающего воздуха реактора в соответствии с техническим заданием на расчет составляла +8 °С.

Рис. 1. Общий вид конечно-элементной модели РТСТ 10-2500-0,25

Рис. 1. Общий вид конечно-элементной модели РТСТ 10-2500-0,25

 

Рис. 2. Температурное поле в домене модели реактора при Tвоздуха = +8 °С, токе 1600 А; тип граничных условий — открытый домен; размерность — градусы Цельсия (модуль ANSYS FLOTRAN)

Рис. 2. Температурное поле в домене модели реактора при Tвоздуха = +8 °С, токе 1600 А; тип граничных условий — открытый домен; размерность — градусы Цельсия (модуль ANSYS FLOTRAN)

 

Рис. 3. Температурное поле по высоте секций обмотки реактора при Tвоздуха = +8 °С, токе 1600 А; тип граничных условий — открытый домен; размерность — градусы Цельсия (модуль ANSYS FLOTRAN)

Рис. 3. Температурное поле по высоте секций обмотки реактора при Tвоздуха = +8 °С, токе 1600 А; тип граничных условий — открытый домен; размерность — градусы Цельсия (модуль ANSYS FLOTRAN)

 

Рис. 4. Изоповерхности температурного поля в домене воздушной среды в области ближнего взаимодействия с обмоткой реактора при Tвоздуха = +8 °С, токе 1600 А; тип граничных условий — открытый домен; размерность — градусы Цельсия (модуль ANSYS FLOTRAN)

Рис. 4. Изоповерхности температурного поля в домене воздушной среды в области ближнего взаимодействия с обмоткой реактора при Tвоздуха = +8 °С, токе 1600 А; тип граничных условий — открытый домен; размерность — градусы Цельсия (модуль ANSYS FLOTRAN)

 

Рис. 5. Температурное поле по высоте секций обмотки реактора при Tвоздуха = +8 °С, токе 1600 А; тип граничных условий — закрытый домен; скорость движения воздушной среды — 0,001 м/с, размерность — градусы Цельсия (модуль ANSYS FLOTRAN)

Рис. 5. Температурное поле по высоте секций обмотки реактора при Tвоздуха = +8 °С, токе 1600 А; тип граничных условий — закрытый домен; скорость движения воздушной среды — 0,001 м/с, размерность — градусы Цельсия (модуль ANSYS FLOTRAN)

 

Рис. 6. Температурное поле по высоте секций обмотки реактора при Tвоздуха = +8 °С, токе 1600 А; тип граничных условий — открытый домен; скорость движения воздушной среды — 0,001 м/с; размерность — градусы Кельвина (модуль ANSYS CFX)

Рис. 6. Температурное поле по высоте секций обмотки реактора при Tвоздуха = +8 °С, токе 1600 А; тип граничных условий — открытый домен; скорость движения воздушной среды — 0,001 м/с; размерность — градусы Кельвина (модуль ANSYS CFX)

 

Рис. 7. Поле скоростей воздуха по высоте секций обмотки реактора при Tвоздуха = +8 °С, токе 1600 А; тип граничных условий — открытый домен; скорость движения воздушной среды — 0,001 м/с; размерность — градусы Кельвина (модуль ANSYS CFX)

Рис. 7. Поле скоростей воздуха по высоте секций обмотки реактора при Tвоздуха = +8 °С, токе 1600 А; тип граничных условий — открытый домен; скорость движения воздушной среды — 0,001 м/с; размерность — градусы Кельвина (модуль ANSYS CFX)

Поскольку на начальном этапе расчета статистика по параметрам модели теплового обмена в помещении лаборатории (с целью ужесточения условий вычислительного эксперимента) не была известна, то оценка температурного распределения по секциям обмотки реактора основана на результатах компьютерного расчета по двум моделям граничных условий:

  • с открытыми границами теплообмена;
  • с закрытыми границами теплообмена по боковым граничным поверхностям помещения, но с небольшим характерным расходом охлаждающей среды вдоль продольной вертикальной оси обмотки в диапазоне скорости движения среды от 0,001 до 0,05 м/с.

Общее количество твердотельных объемов в модели — 5040, элементов в модели — 1 081 000, узлов — 1 109 621.

Общий вид центральной части модели представлен на рис. 1, а результаты расчета — на рис. 2-7.

Результаты расчета температурных полей в материале проводника обмотки реактора при прохождении тока 1600 А в условиях естественного охлаждения окружающей воздушной средой при начальной температуре +8 °С показывают, что:

  • для модели обмотки (ANSYS\FLOTRAN) с открытым доменом:

- максимальная температура нагрева секций наблюдается в верхней торцевой части и достигает 105 °С,

- диапазон изменения температуры нагрева секций обмотки в верхней торцевой части достигает 25 °С,

- диапазон изменения температуры нагрева секций обмотки вдоль продольной оси достигает 65 °С,

- на выходе из воздушного межсекционного зазора наблюдается регулярное, упорядоченное распределение температур воздушного потока, обусловленное особенностями конструкции обмотки реактора;

  • для модели обмотки (ANSYS\FLOTRAN) с закрытым доменом и скоростью движения воздуха 0,001 м/с:

- максимальная температура нагрева секций наблюдается в верхней торцевой части и достигает 96 °С,

- диапазон изменения температуры нагрева секций обмотки в верхней торцевой части достигает 25 °С,

- диапазон изменения температуры нагрева секций обмотки вдоль продольной оси достигает 41 °С;

  • для модели обмотки (ANSYS\CFX) с закрытым доменом и скоростью движения воздуха 0,001 м/с:

- максимальная температура нагрева секций наблюдается в верхней торцевой части и достигает 99,7 °С,

- диапазон изменения температуры нагрева секций обмотки в верхней торцевой части достигает 20 °С,

- диапазон изменения температуры нагрева секций обмотки вдоль продольной оси достигает 30 °С.

Поскольку расчет стационарных температур нагрева обмотки реактора был проведен без учета изменения свойств материала проводника (удельной электрической проводимости) и внешней конструкционной обвязки по условиям ТЗ, то следует ожидать большей температуры нагрева по причине ухудшения теплоотвода из-за взаимодействия нагретого воздуха с элементами внешнего каркаса. Величина температурной разницы (по условиям натурного и вычислительного экспериментов) обычно корректируется уточнением граничных и начальных условий решения физической задачи и учетом особенностей реальной конструкции и увеличения плотности конечно-элементной сетки компьютерной модели в областях повышенного градиента решений.

По результатам натурных испытаний максимальная температура нагрева обмотки реактора составила +90 °С, что при принятых ранее упрощениях достаточно хорошо совпадает с результатами компьютерного эксперимента.


Д.Н.Мальцев

Руководитель САЕ-направления, ООО «Делкам-Урал».

Л.М.Пестряева

Главный конструктор, ООО «РосЭнергоТранс».

М.А.Ребрин

Канд. техн. наук, ООО «Делкам-Урал».

В начало В начало

САПР и графика 11`2007