elektromagnetisk och mekanisk design av en 20 mw...

ISRN UTH-INGUTB-EX-M-2011/17-SE

Examensarbete 15 hpJuni 2011

Elektromagnetisk Och Mekanisk Design Av En 20 MW Turbogenerator

Mahdi Bawaqneh

Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 – 471 30 03 Telefax: 018 – 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student

Abstract

Elektromagnetisk Och Mekanisk Design Av En 20MWTurbogeneratorElectromagnetic And Mechanical Design Of A 20MWTurbo Generator

Mahdi Bawaqneh

At the Division of Electricity at Uppsala University there are ongoing researches,including a research concerning turbo generators.

Turbo generators produce a large share of electricity in the world; however they arecostly mainly due to the fact that the cooling and ventilation that are needed toeliminate the excess heat from the generators are expensive. Turbo generators workwith high efficiency and in this project, the main task is to simulate a generator whiletaking into account that the generator must be designed against self-oscillation,centrifugal force, exhaustion and heat. The turbo generator must be simulatedwithout being too expensive and complicated.

In this project, the dimensions of the turbo generator depend on the efficiency of it,and where the losses are in the generator. Furthermore, the optimum values need tobe chosen with the help of the ACE simulation program. The report begins with anintroduction describing the project followed by a task description that is dealing withthe project. The project aims to obtain an optimal design that is simple to construct,with good durability and preferably at a reasonable cost. The function of the turbogenerator has been studied, as well as the FEM calculations that affect the durabilityand structural strength of the generator.

In this report you can further read more in detail about the methods used and howsolutions were reached to solve the problems that were encountered.

The conclusion of this project was that the turbo-generator which were simulated is aturbo-generator that has a lower load angle compared with Björn Bolundturbo-generator. It also has a high efficiency which makes it more stable than BjörnBolund and the high efficiency makes it save energy and cooling equipment.

ISRN UTH-INGUTB-EX-M-2011/17-SEExaminator: Lars DegermanÄmnesgranskare: Mats LeijonHandledare: Boel Ekergård

3

SAMMANFATTNING

På Avdelningen för Elektricitetslära på Uppsala universitet har man forskning om bland annat turbogeneratorer.

Turbogeneratorer producerar en stor del av elektricitet i världen men de är kostsamma, framför allt är det kylningen och ventilation som krävs för att ta hand om överskottsvärme från generatorerna som är kostsamma. Det som ska kylas ner är de förluster i form av värme som uppstår i en turbogenerator när den används.

Turbogeneratorer brukar ha en hög verkningsgrad och i detta arbete så ville man försöka prova att simulera en ny turbogenerator med lite speciella mått och betrakta hur hållfastheten samt verkningsgraden ändras.

I detta projekt så är de mått som turbogeneratorn ska ha beroende på hur verkningsgraden samt hur förlusterna föreligger i generatorn. Man väljer det mest optimala värdena man får från ACE simuleringsprogrammet. Rapporten börjar med en inledning som beskriver samt en projektet samt uppgiftsbeskrivning som behandlar projektet. Syftet med projektet är att få en optimal konstruktion som är enkel att konstruera, med bra hållfasthet samt förhoppningsvis till en rimlig kostnad. Funktionen av turbogeneratorer har studerats samt vilka FEM-beräkningar som påverkar hållfastheten i en generator.

I denna rapport så beskriver de olika kapitlen mer ingående om vilka metoder som har använt samt hur man har tänkt och gått tillväga för att lösa vissa problem som uppstått.

Slutsatsen blev att turbogeneraton som simulerats är en turbogenerator som har en lägre lastvinkel jämför med Björn Bolunds samt har ett högt verkningsgrad, vilket gör den stabilare än Björn Bolunds samtidigt som den höga verkningsgraden gör att man spar energi och kylutrustning.

Nyckelord: Turbogenerator, permanent magnetiserad, lastvinkeln (load angle), kylning och hållfasthet.

4

FÖRORD

Det här examensarbetet har utförts på Ångströmlaboratoriet för avdelningen Elektricitetslära vid Uppsala universitet och är ett slutresultat för hela maskinprogrammet som jag har läst. Det har både varit lärorikt och roligt att få göra detta projekt.

Jag vill skicka ett stort tack till min handledare Boel Ekergård, examinatorn Lars Degerman samt ämnesgranskaren Mats Leijon som tack vare dem jag fått chansen att få göra detta examensarbete.

Jag skulle även vilja tacka Hugo Nguyen för vägledning i Hållfasthetsberäkningarna.

1 juni 2011

Mahdi Bawaqneh

5

Innehållsförteckning SAMMANFATTNING ............................................................................................................ 3

FÖRORD ................................................................................................................................... 4

Figurförteckning ....................................................................................................................... 7

1 INLEDNING ..................................................................................................................... 9

1.1 BAKGRUND ......................................................................................................................... 9

1.2 Uppgiftsbeskrivning ............................................................................................................... 9

1.3 Mål ....................................................................................................................................... 10

1.4 Kravspecifikation ................................................................................................................. 10

1.5 Avgränsningar ...................................................................................................................... 11

1.6 Disposition ........................................................................................................................... 11

2 Metoder ............................................................................................................................ 12

2.1 Intervjuer .............................................................................................................................. 12

2.2 Litteraturstudie ..................................................................................................................... 12

2.3 Design i ACE ....................................................................................................................... 13

2.4 CAD ..................................................................................................................................... 13

3 Teori ................................................................................................................................. 14

3.1 Generator .............................................................................................................................. 14

3.1.1 Förluster i en generator ........................................................................................................ 16

3.1.2 Termisk dimensionering ...................................................................................................... 16

3.1.3 Magnetisk dimensionering ................................................................................................... 17

3.1.4 Load angle ............................................................................................................................ 17

3.2 Simulering med ACE programmet ...................................................................................... 17

3.3 Hållfasthetsberäkningar – Teori. .......................................................................................... 18

3.3.1 Kylkanaler ............................................................................................................................ 18

3.3.2 Centrifugalkraft .................................................................................................................... 19

3.3.3 Tjocklek på lock ................................................................................................................... 21

3.3.4 Beräkning på moment .......................................................................................................... 22

3.3.5 Beräkning på Laxkil till statorn ........................................................................................... 23

3.3.6 Val av kullager ..................................................................................................................... 24

3.3.7 Beräkning på egenfrekvens .................................................................................................. 25

4 Resultat ............................................................................................................................ 26

6

4.1 ACE programmet – Resultat ................................................................................................ 26

4.2 Hållfasthetsberäkningar – Resultat. ..................................................................................... 34

4.2.1 Beräkning på kylkanaler – Resultat: .................................................................................... 34

4.2.2 Centrifugalkraft .................................................................................................................... 35

4.2.3 Tjocklek på lock ................................................................................................................... 36

4.2.4 Beräkning på moment .......................................................................................................... 37

4.2.5 Beräkning på Laxkil till statorn ........................................................................................... 37

4.2.6 Val av kullager ..................................................................................................................... 38

4.2.7 Beräkning på egenfrekvens .................................................................................................. 39

5 Mekanisk konstruktion .................................................................................................. 43

5.1 Generatoraxel ....................................................................................................................... 43

5.2 Lock och lagring .................................................................................................................. 45

5.3 Magneten.............................................................................................................................. 45

5.4 Stator .................................................................................................................................... 46

6 Översiktlig kalkyl – Pris ................................................................................................. 47

7 Diskussion ........................................................................................................................ 48

8 Slutsats ............................................................................................................................. 50

9 Referenser ........................................................................................................................ 51

Bilagor ..................................................................................................................................... 52

Figurföteckning ...................................................................................................................... 53

7

Figurförteckning

Figur 3-1 Fältplot vid Noload. Dvs ingen inducerad ström i statorlindningen ....................... 14 Figur 3-2 - Fältplot vid Load. Dvs inducerad ström i statorlindningen .................................. 15

Figur 3-3 - vektordiagram ........................................................................................................ 15

Figur 4-1 - skjuvkraften ............................................................................................................ 35 Figur 4-2 - Kraften delas på två pga två axlar ........................................................................ 38 Figur 4-3 rotorn indelad i olika delar ...................................................................................... 39

Figur 4-4 - visar dimensionerna på den omvandlade figuren ................................................. 40

Figur 4-5 - visar avståndet, a. .................................................................................................. 41

Figur 4-6 - Utböjningen som rotorn utsätt för ......................................................................... 42 Figur 5-1- Axeldel med spår samt hål i .................................................................................... 43 Figur 5-2 lock med hål…………………………………………………………………………………44 Figur 5-3- visar hur kullagret sitter på lockets axel ................................................................ 45 Figur 5-4 Magneten 200 x 270[mm] ........................................................................................ 45

Figur 5-5 stator med kykanaler och laxkil ............................................................................... 46

8

Ordlista m = Massan [kg]

v = Hastighet [m/s]

p = Hålkantstryck [MPa]

n= Antal varv/min

P= centripetalkraft

t = tjocklek [m]

d = skruvdiameter [m]

r = radie [m]

skjuvspänning [MPa]

Vridmoment [Nm]

Gravidationeskonstanten [N·m²/kg²]

= nominella livslängden [antal timmar]

Längd [m]

elacticitetsmodul [Gpa]

9

1 INLEDNING

1.1 BAKGRUND

Så gott som all el i världen framställs genom att roterande rörelse omvandlas till elektrisk energi i en generator. Genom djupare kunskap om generatorns beteende i olika driftlägen samt hur den elektriskt och mekaniskt kopplas till omgivningen kan utvecklingen på detta forskningsområde framskrida.

Det som skiljer en turbogenerator mot en vanlig generator är att turbogeneratorn har en mycket högre rotationshastighet, därmed ett lägre antal poler, mindre i storlek och därmed har det högre verkningsgrad. Den som skall designas har även cirkulära kablar, till skillnad från de traditionella med rektangulära kablar. Cirkulär kablar leder till en jämnare strömdensitet i kabel, dvs. lägre förluster. Informationen ovan har fåtts genom en muntligt samtal1.

1.2 Uppgiftsbeskrivning

Huvuduppgiften är att simulera en turbogenerator som kan leverera 20 MW samtidigt som hänsyn ska tas till att turbogeneratorn måste dimensioneras mot egensvängningar, centrifugalkraften, utmattning och värmeutveckling. Konstruktionen måste därav anpassas till dessa mekaniska krav, utan att bli för dyr, komplicerad och volymkrävande.

Projektet innefattar eget ansvar, systemöverblick, introduktion till simuleringsprogram och rapportskrivande av alla väldigt viktiga erfarenheter. Några viktiga delar som fokus kommer att läggas på är: Förluster, vikt och pris.

1 Muntligt samtal med Mats Leijon, kursanvarig för kursen ” Generatordesign”.

10

1.3 Mål

Målet med projektet är att designa en turbogenerator med bra hållfasthet och geometri samtidigt som den inte blir för dyr eller har lägre verkningsgrad än liknande turbogeneratorer. Målet med detta projekt är alltså att både de elektromagnetiska samt aktiva mekaniska delarna t.ex. rotor och stator som ingår i en två-pol högspännings-turbogenerator, skall designas. Slut produkten kommer att resultera i vilka dimensioner turbogeneratorn ska ha för att betraktas som robust, en jämförelse med Björn Bolunds generator, en priskalkyl, CAD bilder samt ritningar på de delar som ingår i turbogeneratorn.

1.4 Kravspecifikation

Innan simuleringen av turbogeneratorn påbörjas så måste kraven nedan beaktas.

Inparametrar som ska användas vid körningen av ACE programmet:

- Apparent power (MW) = 20 MW

- Amarture voltage (kV) = 24 kV

- Frequency (HZ) = 50 HZ

- Speed (rpm/min) = 3000 rpm/min

Anledningen till att just dessa värden valdes är att för turbogeneratorn i detta projekt måste leverera 20 MW och för att kunna jämföra turbogeneratorn med Björn Bolunds så är bör värdena vara ungefär lika stora.2

2 Muntligt samtal med Boel Ekergård.

11

1.5 Avgränsningar

I designen skall följande ingå:

• Statorgeometri o Antal spår per pol och fas (Numeriska beräkningar ) o Antal kablar per spår (Numeriska beräkningar ) o Beräkningar på värmeutveckling (Numerisk beräkning) och kylkanaler

(Analytisk beräkning( handberäkning)).

• Rotor- och axelgeometri o Beräkna fram Dimensioner på magneter (Numerisk beräkning) o Beräkna fram Dimensioner på polskorna (Numerisk beräkning) o Beräkna fram dimensioner på rotoraxeln (analytisk beräkning och Solid

Works). o Beräkningar på rotorns egenfrekvens (analytisk beräkning och Solid

Works). o Beräkningar på rotorns centrifugalkraft (analytisk beräkning och Solid

Works). o Beräkningar på axelns utmattning (analytisk beräkning och Solid

Works). • Det som skaritas i Solidworks är: o Rotor o Stator o Axel och axelfäste

• Övrigt o Användning av standardiserade lager ex SKF:s hemsida.

1.6 Disposition Kap 1: Inledning och uppgiftsbeskrivning.

Kap 2: Beskrivning av vilka metoder som användes under de olika faserna i arbetet.

Kap 3: Teori om generatorn.

Kap 4: Beskrivning av ACE simuleringsprogrammet samt vilka resultat som fåtts där.

Kap 5: Hållfasthetsberäkningar.

Kap 6: Cad och ritningar.

Kap 7: Slutsats och diskussion.

12

2 Metoder

Examensarbetet påbörjades med att skriva en projektplan samt ett Gannt schema som skulle tydligt beskriva vilka aktiviteter som ingick i examensarbetet och hur långt dessa aktiviteter skulle dröja. Aktiviteterna kommer att beskrivas i detta avsnitt.

Aktiviteterna är följande:

• Intervjuer

• Litteraturstudie

• Studera generator design i ACE

• CAD solidworks

2.1 Intervjuer

För att få så mycket information som möjligt om hur turbogeneratorer fungerar samt hur jag skulle lösa vissa problem hade jag regelbundna möten med min handledare Boel Ekergård.

2.2 Litteraturstudie

Arbetet börjades med att läsa om hur turbogeneratorer fungerar samt vilka ekvationer man behöver för att kunna göra beräkningar på turbogeneratorn, ett häfte som handlade om generatorer som gavs av handledaren Boel Ekergård, en bok som kallas /”Grundläggande hållfasthetslära”/3 användes för att kunna lösa vissa hållfasthetsproblem. och en avhandling skriven av Björn Bolund användes också. Resten av teorin är hämtar från en bok som kallas /”The electrical generators handbook”/4.

3 Grudnläägande hållfasthetslära av Hans Lundh, ISBN 91-972860-2-8. 4 The electrical generators handbook, synchronous generators av Ion Boldea.

13

2.3 Design i ACE

Ace är ett simuleringsprogram som man kan använda för att kunna få den mest optimala generatorn. Det finns flera faktorer som spelar roll i ACE simuleringsprogrammet såsom vilka kablar man använder, hur stor statorn är, hur stor rotorn är och antal spår/pol/fas m.m. Till slut får man en bild över hur generatorn ser ut simulerat i färger, färgerna ska visa vart förlusterna ligger i turbogeneratorn. Mer Förklaring om ACE kommer i kapitelet om teori, se kapitel 3.2.

2.4 CAD

Programmet som användes för att cadda statorn, axel, axelfäste och rotor kallas för Solidwork.

14

3 Teori

3.1 Generator

För att kunna ta reda på fakta om turbogeneratorer användes en bok5 som handlade om generatorer.

Generatorn är en maskin som omvandlar rörelseenergi till elektrisk energi. Fysiken bakom elektriska generatorer kan beskrivas med hjälp av Faraday’s lag, se ekvation 3.1:

(3.1)

Faraday’s lag beskriver hur generatorns elektriska frekvens, area, storlek på B-fältet och antal lindningsvarv i statorn påverkar den inducerade spänningens storlek.

När en generator lastas induceras en ström i statorlindningen. Lenz lag säger: Den inducerade statorströmmen motverkar den ursprungliga flödesförändringen, dvs. magnetfältet från lindningens ström, motverkar magnetfältet från rotorns magneter. Nedan följer två bilder på hur fältet ser ut i en generator vid ingen last (no-load), se figur 3-1, och vid last (load), se figur 3-2.

Figur 3-1 Fältplot vid Noload. Dvs ingen inducerad ström i statorlindningen

5 The electrical generators handbook, synchronous generators av Ion Boldea.

15

Figur 3-2 - Fältplot vid Load. Dvs inducerad ström i statorlindningen

Detta skulle även kunna förklaras med hjälp av ett vektordiagram, se figur 3-3 nedan:

Figur 3-3 - vektordiagram

Vinkeln mellan Noloadspänningen, E, och generatorns terminalspänning,U, kallas för lastvinkeln , α. Lastvinkeln kan ses som skillnaden mellan flödet från rotorn och flödet från statorlindningen. Desto större statorström, lindningsinduktans och frekvens desto större lastvinkel. För att generatorn skall anses stabil, rekommenderas att denna lastvinkel än mindre än ca 50 grader.

Den så kallade Power Factor, θ, bestäms av lasten som generatorn kopplas till. Den bestämmer fasförskjutningen mellan generatorns levererade spänning och ström. Är generatorn kopplad till resistiv last tex en passiv likriktare är Power factorn =1, dvs spänningen och strömmen är i fas, Generatorn levererar endast aktiv effekt. Kopplas generatorn till en induktiv eller kapacitiv last, fasförskjuts strömmen relativt spänningen, och

16

generatorn levererar eller konsumerar reaktiv effekt och levererar aktiv effekt.

3.1.1 Förluster i en generator

Lindningens inre resistans ger upphov till resistiva förluster: Ploss,resistiv =

R . I statorn uppstår även järnförluster:

- Virvelströmmar, se ekvation 3.2:

(3.2)

- Hysteresförluster, se ekvation (3.3):

= f [W/kg] (3.3)

Båda är beroende av den elektriska frekvensen och B-fältets storlek.

3.1.2 Termisk dimensionering

De resistiva förlusterna i lidningen kommer att ge upphov till värmeutveckling. Blir denna värmeutveckling för stor, dvs. de resistiva förlusterna är för stora, finns det risk att kabelns isolering (pvc-gummit) smälter och en kortslutning uppstår. För att undvika detta bör inte det gå en större ström än 3A/m i normal drift i generatorns ledare. Den kabeln som kommer att användas till denna generator har en rating på 6 A/m .

Eftersom generatorn dimensioneras med en ström på 3A/m i normal drift får vi 100% överkapacitet när det gäller värmeutvecklingen, vilket är bra.

För att dimensionera kabelarean beräknas den nominella strömmen fram, Inominell:

Inominell=Pnominell/Ufastillfas,max

Ungefärlig kabelarea= Inominell/3

17

3.1.3 Magnetisk dimensionering

För att järnet i statorn och rotorn inte skall mättas, och därmed ge upphov till ökad reluktans (magnetisk resistans) i den magnetiska kretsen, får inte B-fältet bli allt för stort. Vanliga värden vid nominell drift är:

B-fältet i tand= 1.9T och B-fältet i rygg= 1.6 T.6

Är B-fältet större än så bör magnetens dimensioner minskas, tandens och ryggens dimension ökas och/eller luftgapen ökas.

3.1.4 Load angle

Lastvikeln, load angle, beror på strömmens storlek, frekvensen och maskinens induktans. Maskinens induktans kan du som designer påverka väldigt mycket. Lastvinkeln kan tolkas som spänningsfallet mellan no-load och load spänningen, om exempelvis lastvinkeln blir för stor , låt säga 90 grader kan det påverka rotations riktningen eftersom det uppstå för stor induktans som gör att den kanske vill rotera åt andra hållet.Dvs. resulterande fältet som bildas av både rotorn och statorn släpar efter rotorn och på så sätt hoppar åt fel håll.

Induktans: lagring av magnetisk energi. Luft lagrar magnetisk energi bättre än stål, så för att få ner induktansen kan exempelvis öka ditt luftgap, dvs. öka reluktansen.

3.2 Simulering med ACE programmet

ACE är ett simuleringsprogram som används som ett hjälpmedel för att veta hur bra en generator är utifrån de värden som har valt att sättas in i programmet. För en närmare förklaring för hur programmet används och fungerar, se bilaga 5.

Först så kan programmet köras at load eller no-load. Dessa två ord betyder :

Load = det finns en ström + järnförluster samt förluster på grund av strömmen visas ; no-Load = bara järnförluster visa, ingen ström. (Detta är vad de betyder i verkligheten)

I ACE programmet betyder ”load” och ”no-load” följande: 6 Muntligt samtal med Mats Leijon.

18

Load= det finns en ström + förluster på grund av ström visas.

No-load = det finns en ström + järnförluster samt förluster på grund av ström visas.

För att kunna skilja på load i programmet eller i verkligheten väljs här att kalla programmets no-load och load för :

“Load-Ace” och” no-Load –Ace “.

En jämförelse mellan Simuleringen som gjorts i detta arbete med Björn Bolunds simulering. Resultaten kan ses under resultat delen, för mer information se även bilaga 3.

3.3 Hållfasthetsberäkningar – Teori.

3.3.1 Kylkanaler

För att kunna beräkna på kylkanalerna så måste förlusterna och deras storlek vetas.

Formler7 som behövs, se ekvation 3.4:

(3.4)

Sedan har vi bidraget från luftkylningen, för att beräkna det så används samma formler, se ekvation 3.5:

7 http://springprojectwhs.tripod.com/id9.html

19

(3.5)

3.3.2 Centrifugalkraft

Rotorn består av en axel som är delad i två delar och som har en magnet i mitten, se figur 3-3.

Figur 3-3 - rotor, bestående av magnet och två axel delar

20

När rotorn snurrar verkar en centrifugalkraft på båda delarna av axeln, se figur 3-4:

Figur 3-4 - Centrifugalkraften

Formeln som behövs för att kunna beräkna centrifugalkraften8:

(3.6)

I ekvationen (3.6) betecknar /m/= massan av ena delen av axlen och /v/ hastigheten.

m = massan fås ut genom att ritar axeln i solidworks, ställa in vilket material som ska användas sedan ta reda på massan.

En annan viktig sak som är densiteten, densiteten för konstruktions stål9 är=

7874 .

För att kunna sätta fast axeln så behöves skruvar som tål skjuvspänningen som kommer att uppstå, i det här fallet är centrifugalkraften den kraften som kommer att vilja skjuva skruvarna, se figur 3-5:

8http://www.learning4sharing.nu/centrifugalkraft-284887.html 9 Karl Björk, Formler och tabeller för mekanisk konstruktion, sjätte upplagan.

21

Figur 3-5 - skjuvkraften

3.3.3 Tjocklek på lock

För att kunna beräkna på hur tjockt locket som ska sitta på båda sidorna av rotorn så användes hållfasthetslära boken10. Föratt förstå vart locket ska sitta ta en titt på fugur 3-6 nedan:

Figur 3-6 - visar hur och var locket ska sitta

Formeln för att kunna beräkna på tjockleken,t, på locket:

(3.7)

I ekvationen (3.7) är /p/= hålkantstycket; /n/= antal skruvar per axel del; /P/= centrifugalkraften; /t/= tjockleken; /d/= skruvdiametern.

10 Grundläggande hållfasthetslära av Hans Lundh, ISBN: 91-972860-2-8. Sida 23.

22

För att kunna få hålkantstrycket så används ett såkallat S-N kurva och kan där ses att vid 300 Mpa på kurvan för ”steel” så fås det att ”steelet” kan användas för ett oändligt antal cykler, se figur 3-7:

Figur 3-7 - visar S-N kurva för stål

Eftersom en säkertsfaktor behövs så valdes hålkantstrycket till 150 Mpa istället för 300 Mpa vilket gav en säkerhetsfaktor på 2.

3.3.4 Beräkning på moment

Här ska en beräkning på axeln som ska sitta fast i locket till rotorn ske, Se figur 3-8 för att få en närmare bild på vad som ska beräknas.

Figur 3-8 - visar diametern på axeln som kullagret ska sitta fast på

23

(3.8)

(3.9)

I ekvationen 3.8 är /P/ = effekten ; /n/= antalet varv.

Formlerna 3.8 och 3.9 fås ur en hållfasthetslära bok11

/Mv/= vridande moment; /r/= radien på axeln; h= Skjvspänning.

/Mv/ räknas ut med hjälp av ekvation 3.9.

Maximala tillåtna skjuvspänningen för stål är 300 Mpa men i den här beräkningen välj 100 Mpa med säkerhet i åtanke.

3.3.5 Beräkning på Laxkil till statorn

När beräkning på laxkilarna som ska hålla fast statorn beräknades antogs att statorn hade en perfekt placering, dvs. att inga vibrationer förekommer. Den ända kraften som verkar är gravitationskraften, F=mg. Se figur 3-9:

Figur 3-9 - Gravitationskraften

11 Grundläggande hållfasthetslära av Hans Lundh, ISBN: 91-972860-2-8. Sida 53 och 57.

24

Formel:

(3.10)

I ekvationen 3.10 är /m/ = massan och /g/= gravidationskonstanten

3.3.6 Val av kullager

Vid valet av kullager utgick jag ifrån SKF:s hemsida. Där hade de en funktion som hjälper kunderna med valet av kullager. Eftersom kullagret som ska använda i generatorn ska sättas fast axiellt och måste tåla radiella krafter så valdes ”Angular contact ball bearings, Four-point contact ball bearings”, Designationen är: QJ 330 N2MA.

Innan beräkningen med hjälp av funktionen som SKF erbjuder påbörjades, konstanten C beräknas. Konstanten C är en konstant som visar hur mycket kN kullagret tål.

Formler för beräkning av C:

(3.11)

I ekvationen 3.11 står P för = radiella kraften på axeln som kullagret ska sättas fast på.

L10h för = nominella livslängden.

n för= antal varv/min.

När fått ut /C/ kan kan bästa lagret väljas genom att kolla i SKF:s katalog.

25

3.3.7 Beräkning på egenfrekvens

För att beräkningen av egenfrekvensen var man tvungen att omvandla den cirkulära arean till en rektangulär area för att på ett enkelt sätt kunna beräkna I som står för tröghetsmomentet ( Steiners sats 12).

Andra formler som behövs är:

(3.12)

I ekvationen 3.12 är E= 210 GPa. /m/ = massan. /L/= längden av rotorn .

12http://www2.hh.se/staff/goni/Kurser/Byggmek_II/Forel-ant_3.pdf

26

4 Resultat

4.1 ACE programmet – Resultat

Nedan följer resultaten av 2 ”load-ACE” och 2 ”no-load-ACE” simuleringar:

Resultat:

1:a körningen/simuleringen av ”load-ACE”:

Rating, se avsnittet om ”kravspecifikation” för att få reda på värdena för Rating:

- Apparent power (MW) = 20

- Armature voltage (kV) =24

- Frequency (Hz) =50

- Speed ( rpm/min) = 3000

- Runaway = 5000

- Power factor = 1

Stator:

Main:

- Numerator: 5

- Denominator brukar vara konstant 1.

- Coil pitch: 13

- Inne diameter :600 mm

- Ytter diametern :1200 mm

- luftgap :20 mm

Bolts:

- Radial position :220

- Radius: 5

Cable:

27

Main:

- Voltage: 40

- Overvoltage:100

- Conductor area fås genom att ta 3 som är vad kabeln är

dimensionerad att tåla. Ur 3 fås arean ut. Arean kan sedan kollas i

programmet. I Det här fallet är arean A= 196,4185503 .

I programmet är närmaste värdet 150 därför väljer vi conductor area till 150.

- Conductor area:150

- No of cables:4

Slot:

- Cable airgap: 10

- Cable iron core: 0.2

- Between cables: 0.2

- Slot opening width: 20

- Waist factor: 0.75

Strand:

- Strand diameter: 13.82

Rotor:

Magnet:

- Height :200 mm

- Width : 300 mm

Magnetic :

- Losses total: 87,68 kW

- Machine length = 5390 mm

- B fält in airgap: 1.08 T

- B fält in tooth : 0.38 T.

28

- Verkningsgraden: 99.5616 %

- Load angle = 29.7

2:a körningen/simuleringen av ”load-ACE”:






- Runaway = 5000

- Power factor = 1

Stator:

Main:

- Numerator: 5


- Coil pitch: 13



- luftgap :45 mm

Bolts:


- Radius: 5

Cable:

Main:

- Voltage: 40

- Overvoltage:100


29

- No of cables:4

Slot:

- Cable airgap: 10





Strand:


Rotor:

Magnet:

- Height :200 mm

- Width : 350 mm

Magnetic :

- Losses total: 87,68 kW





- Load angle = 19.8

körning två är mycket bätte eftersom man fortfarande har ett högt verkningsgrad och har en load angle som mindre än 20 .

1:a körningen at “no-load-ACE” :





30


- Runaway = 5000

- Power factor = 1

Stator:

Main:

- Numerator: 5


- Coil pitch: 13

- Inne diameter:600 mm

- Ytter diametern:1200 mm

- luftgap:45 mm

Bolts:

- Radial position:220

- Radius: 5

Cable:

Main:

- Voltage: 40

- Overvoltage:100


- No of cables:4

Slot:

- Cable airgap: 10





Strand:

31


Rotor:

Magnet:

- Height :200 mm

- Width : 300 mm

Magnetic :



- B fält in tooth: 0.38 T.


- Load angle = 19.8

Losses,se tabell 4.1:

Tabell 1- Förlusterna i generatorn

Hysteries Eddy

current

Total

Yoke 68.2 kW 19.7 kW 87.9 kW

teeth 18.5 kW 5.3 kW 23.8 kW

Total 86.68 kW 24.97 kW 111.65 kW

Här är skillnaden mellan totala förlusterna i rygg (yoke) och tänderna (teeth) för stort därför vore det bra om de blev mer jämna. Det skulle även vara bättre om load angle:n blev ännu mindre.

Gå vidare till:

2:a körningen at “no-load-ACE” :



32




- Runaway = 5000

- Power factor = 1

Stator:

Main:

- Numerator: 5


- Coil pitch: 13



- luftgap :35 mm

Bolts:


- Radius: 5

Cable:

Main:

- Voltage: 40

- Overvoltage:100


- No of cables:4

Slot:

- Cable airgap: 10




33


Strand:


Rotor:

Magnet:

- Height :200 mm

- Width : 270 mm

Magnetic :





- Load angle = 16.5

Losses, se tabell 4.2:

Tabell 2 - Förlusterna i geratorn försök 2

Hysteries Eddy current Total

Yoke 65.5 kW 18.9 kW 84.4 kW

teeth 21.6 kW 6.2 kW 27.7 kW

Total 87.07 kW 25.1 kW 112.11 kW

34

4.2 Hållfasthetsberäkningar – Resultat.

4.2.1 Beräkning på kylkanaler – Resultat:

Nedan följer resultatet av beräkningar som gjorde för kylkanalerna:

Turbogeneratorn totala förluster får ur resultaten från ACE simuleringen, se 2:a körningen at “no-load-ACE”. De totala förlusterna är: 112,11 kW.

- Kylningsbidraget från sidorna på generatorn - 2 sidor:

fås genom att anta att luften omkring generatorn har temperaturen 10 grader, och eftersom generatorn inte får bli varmare än 70 grader (pga att slangarna smälter då) så blir .

- Bidraget från axelns mantelarea:

- Bidraget från statorns rygg( mantelarean där):

Totala bidraget från luftkylningen: 49,7 kw. Kvar blir � 112,11-49,7 = 62, 41 kw som ska kylas med hjälp av slangar.

Antaganden:

- vattnetshastighet genom slangen = 5m/s.

- Provade med slangar med 2,4 cm i diameter, 120 stycken sådana i statorn.

Jag hade 120 kylkanaler så jag får:

35

4.2.2 Centrifugalkraft

Beräkning:

m = massan fås ut genom att cadda axeln i solidworks, ställa in vilket material som behövs sedan ta reda på massan. Massan jag fick är = 1030,25538 kg/axel del.

Densiteten för konstruktions stål = 7874 .

För att kunna sätta fast axeln så behöves skruvar som tål skjuvspänningen som kommer att uppstå, i det här fallet är centrifugalkraften den kraften som kommer att vilja skjuva skruvarna, se figur 4-1:

Figur 4-1 - skjuvkraften

När skruvarna valdes utgick jag ifrån detta citat som jag hittade i en artikel skriven av Arvid nilsson Sverige Ab 1996:

36

"I de tabeller som finns kan man utläsa Brottkraften, men eftersom det i vårt fall handlar om skjuvkrafter så får man räkna om brottkraften till skjuvkraft. För mjukare skruvar ( kvalitet 8.8 ) blir skjuvkraften likvärdig med brottkraften. Om man däremot går upp till 12.9 så får man halvera brottkraften för att få skjuvkraften. Dessa siffror finns tyvärr inte med i de följande tabellerna utan är framtagna ur ett antal olika hållfasthetsböcker som fanns tillgängliga på min arbetsplats” 13

M10 skruvar kunde stå en skjuvkraft på 49000 N och jag hade en skjuvkraft på 21 kN på vardera ände av axeln vilket gav mig att jag behövde så här många skruvar på varje ände:

5 st M10 skruvar på varje ände.

4.2.3 Tjocklek på lock

Beräkning:

13 http://www.busybeemfk.se/skruvande.pdf . Sida 1 för citatet och sida 15 för skuv valet i pdf filen.

37

4.2.4 Beräkning på moment

P = effekten = 20 MW; n= antalet varv = 3000.

Mv= vridande moment; r= radien på axeln; = Skjvspänning.

Maximala tillåtna skjuvspänningen för stål är 300 Mpa men i den här beräkningen välj 100 Mpa med säkerhet i åtanke.

Beräkning:

4.2.5 Beräkning på Laxkil till statorn

Beräkning:

Där /m/= massan på statorn; /g/= gravidationskonstanten

När skruvarna valdes utgick jag ifrån en artikel som är skriven av Arvid nilsson Sverige Ab 1996 14

De skruvar som passa bäst var M10x1,25 (kvalitet 8.8) som tål 49000 N innan de går av. I varje laxkil användes 10 st M10x1,25 skruvar:

14 http://www.busybeemfk.se/skruvande.pdf . sida 15 för skuv valet i pdf filen.

38

4.2.6 Val av kullager

Formler för beräkning av C:

P = radiella kraften på axeln som kullagret ska sättas fast på.

L10h= nominella livslängden, för kuggväxlar brukar det ligga mellan 10 000 och 25 000. Värdet som valdes är 16000 timmar, dvs kullagret som valdes måste klara av att användas i minst 16000. Anledningen att värdet 25000 timmar inte valdes är på grund av funktionen som ska hjälpa kunderna vid valet av lager kanske eliminerar bort många kullager som skulle vara passande för denna turbogenerator.15

n = antal varv/min.

Rotorns massa = 4709,3938 kg som fås ur solidworks.

P=F= 4709,3938* 9,81= 46199 46,2 kN/2 = 23,1 kN. Se figur 4-2:

Figur 4-2 - Kraften delas på två pga två axlar

Stoppa in C formeln och vi får att C328,65 kN. Sedan gå vidare till funktionen och börjar välja vilka krav som man ställer på sitt kullager,

15 Muntligt samtal med Boel Ekergård.

39

exempelvis om den ska utsättas för vibrationer eller inte osv. Kullagret som valdes och dess parametrar är:

- Kullagret har designationen: QJ 330 N2Ma.

- Nominella livslängden är: 2’720’000 timmar.

- Inner diametern: 150 mm.

- Ytter diametern: 320 mm.

Hela resultatet från funktionen finns att se i bilaga 3.

4.2.7 Beräkning på egenfrekvens

För att kunna få dimensionerna på de delarna 2 och 3( se figur 4-3) görs följande steg:

Figur 4-3 rotorn indelad i olika delar

Arean av den cirkulära biten fås från solidwork

och den är: 20441 .

Sen togs roten ur 20441, anledningen till att detta görs är för att ett antagande görs, antagandet är att delarna 1 0ch 2 är fyrkantiga och detta

40

gav att sidorna av 1 och 2 = 142,988428. Sedan väljs en sidas dimensioner till kortare än 0.14, i vårt fall väljs ena sidan till 0.12 och då fås ekvationen:

120mm*en okänd sida = arean av rektangeln som är 20441� okända sidan = 170 mm. Så slutligen ser det ut så här, se figur 5.12 :

Figur 4-4 - visar dimensionerna på den omvandlade figuren

Formlerna som behövs för att beräkna egenfrekvensen är:

. Där h= höjden och b= basen.

. Där /A/= arean och /a/= avståndet från mittpunkten av ena rektangeln till den gemensamma punkten för allt.

Där E= 210 000*10^6. m = massan. L= längden av rotorn = 6310 mm.

För att veta hur stort a (avståndet till mittpunkten är så kan figur 5.13 användas , se nedan:

41

Figur 4-5 - visar avståndet, a.

Beräkning:

.

� f 1= 14,062 Hz

42

� På samma sätt fås f2 men ha i åtanke att fomlen för uträkningen av f2 har en liten skillnad:

� ger f2= 56,247 Hz

� ger f3= 126,550 Hz

Enligt beräkningarna ovan så kommer generatorn att gå genom 1 egenfrekvens för att nå upp till 50 Hz som elnätet ligger och kör på.

En Mesh Frequency simulering samt en mesh stress analyses har gjort med hjälp av solidwork, där utböjning rotorn kommer att ha visas och vid olika egenfrekvenser. Stress simuleringen visar oss hur långt ifrån sträckgränsen vi ligger Se figur 4-6 för utböjningen.Mesh analyserna kan ses i bilagorna.

Figur 4-6 - Utböjningen som rotorn utsätt för

43

5 Mekanisk konstruktion

Cad konstruktionen som gjordes i detta projekt byggde på hållfasthetsberäkningarna som utfördes. Konstruktionen skedde med hjälp av ett 3D-ritprogram som kallas för Solidwork. I solidworks kan konstruktionen ritas upp samtidigt som numeriska beräkningar utföras vilket kan vara bra med tanke på att ibland är det svårt att räkna vissa saker för hand. Ritningar och cad kan ses i bilaga 6.

Nedan följer en beskrivning om hur valet samt ritandet av varje del gjordes.

5.1 Generatoraxel

När det gäller generatornaxeln utgick ritande ifrån de resultat som erhållts vid hålfsasthetsberäkningarna som gjorde på den. Generatorn axeln skulle vara 6310 mm lång samt ha 5 st M10 skruvar i varje ände av den (se resultatdelen 4.2.2), detta för att den ska kunna stå emot skjuvkraften som uppstår när axeln som sitter fast med locket utsätt för rotation. I generatoraxeln var man också tvungen att göra ett spår som är 2 mm djupt, detta för att kunna sätta fast magneten ordentligt i axeln. För att göra hålen användes Hole wizard i programmet Solidworks och måttsättningen skedde med smart dimensions i Solidworks. Generatoraxeln kommer att bestå av materialet ” low carbon steel, steel 1008”. Se bild 5-1 nedan för att få en bild om hur generatoraxeln ser ut.

Figur 5-1- Axeldel med spår samt hål i

44

5.2 Lock och Lagring

Här utgick ritande också ut ifrån hållfasthetsberäkningarna. När locket skulle ritas så fick hänsyn tas till att den måste vara tjock nog för att kunna hålla axlarna och magneten. (se resultatdelen 4.2.3). Locket ritades med hjälp av funktionerna som finns i Solidworks, exempel på sådana funktioner är: sketch och extrude. Materialet som locket kommer att bestå av är ” low carbon steel, steel 1008”. En viktig sak här är vilken tolerans man ska ha på axeln till locket som kullagret ska sitta på. Enligt Skf:s hemsida16så ska toleransen p6 användas för axeldiametrar över 100 mm men mindre än 200 mm. I det här fallet är diametern 150 mm vilket gör att p6 kan användas. Toleransen P6 för axeln med diametern 150 mm blir: övre +0; undre – 18” 17.Efersom axeln till locket har en nedsvarvning så bidrar svarvverktyget medradier, enligt Skf:s katalog18 så ska radien som svarvverktyget bidrar medvara 12,7 mm vilket är rimligt med tanke på att kullaget som ska användas här är 330 mm i ytterdiameter. Se figur 5-2 nedan för att för mer inblick över var radien från svarvverktyget ska vara.

Figur 5-2 lock med hål

16 http://www.skf.com/files/871229.pdf, sidan 14 under rubriken ”axeltoleranser” 17 http://www.skf.com/skf/productcatalogue/jsp/viewers/tableViewer.jsp?tableName=1_0_tt2&maincatalogue=1&l ang=en 18 http://www.skf.com/skf/productcatalogue/Forwarder?action=PPP&lang=en&imperial=false&windowName=null &perfid=129002&prodid=1290020330 Bilden med radie måtten.

45

När det gäller kullagret som ska sitta på axeln så utgick man ifrån Skf:s hemsida och valde lager där. (se resultatdelen 4.2.6 för mer information om kullagret). Se figur 5-2 nedan för att se hur axeln tillsammans med kullagret ser ut.

Figur 5-3- visar hur kullagret sitter på lockets axel

5.3 Magneten

Magnet måtten fås ur ACE simuleringsprogrammet. I det här fallet skall magneten vara 200 mm x 270 mm x 6310 mm. Magneten skall vara en NdFeB-magnet. Magneten gjordes i Solidworks genom att göra en sketch sen extruda den. Se figur 5-3 nedan.

Figur 5-4 Magneten 200 x 270[mm]

46

5.4 Stator

Vid ritanden av statorn så skulle den följa de måtten som ACE simulerings programmet gav. Därefter så skulle en beräkning på hur stora laxkilarna ska vara göras (se resultatdelen 4.2.5) och sedan ritas. Hålen i statorn ska användas som kylkanaler. Materialet som statorn kommer att bestå av är Magnetic steel M250-35A. Se figur 5-4 nedan.

Figur 5-5 stator med kykanaler och laxkil

47

6 Översiktlig kalkyl – Pris

Priserna beror väldigt mkt om det är serieproduktion eller engångsproduktion.

Vid engångsproduktion gäller: NdFeB-magnet: 350 kr/kg19 Statorplåt med lack: 10 kr/kg20 Rotor-stål: 7 kr/kg21 Kabelpris (kopparn): 60 kr/kg22 Vid serieproduktion kan säkert priserna pressas i Disukssionen. Priset på NdFeB-magnet varierar . För ett år sedan kostade det 50 kr/kg och nu 350 kr/kg så priset beror på när magnetrna köps.23

Vikter från turbogeneratorn:

Statorn väger: 32000 kg* 10kr = 320000 kr

Rotor axeln i två delar väger: 1030* 2= 2060 kg* 14420 kr

Kabel i koppar, ska ha 4 ggr faktor i säkerhet dvs om mitt hål är 2.4 cm och får vi 2.4/4= 0.6 i diameter. Densitet för koppa = 8920 kg/m3.24

För att få vikten på kopparn gör vi så här: Rå*L*A.

Densitet för en NdFeB-magnet: 7870 Kg/m3 25 Magnetens vikt: 0.270*0.2* 6.310 * 7870 kg/m3= 2681.6238 kg 2682 kg 2682* 350 kr = 938700 kr

Totala priset blir: 320’000 kr + 14’420 kr + 45’840 kr+ 938’700 kr = 1’318’960.

19 Källa: Per Rundbom, Företag: Vactek. 20 Källa: Mateusz Zeleznik, Företag: Donako. 21 Boel Ekergård, Uppsala universitet. 22 Källa: Peter Björklind, Företag: Draka. 23 Muntligt samtal, Boel Ekergård. 24 Karl Björk, Formler och tabeller för mekanisk konstrutkion, sjätte upplagan. 25 http://www.maxlab.lu.se/usermeeting/2010/sessions/IDmax2010/IDMAX2010_pres/Session4/Tanabe.pdf

48

7 Diskussion

Att göra detta examensarbete om simuleringen turbogeneratorn har varit ett roligt, lärorikt och framför allt väldigt strukturerat, detta på grund av att uppgiften var lagom stor, både väl definierad och väl avgränsad. I början verkade allting lite oklart men ju längre arbetet pågick desto roligare och mer förståeligt blev arbetet.

Om målet ska jämföras med resultatet så blir slutsatsen att det blev som planerat. Målet med projektet var att simulera en generator samtidigt ta hänsyn till att generatorn måste dimensioneras mot egensvängningar, centrifugalkraften, utmattning och värmeutveckling. Resultatet blev en simulering i Ace programmet samt en CAD modul som byggde på sakerna som skulle tas hänsyn till vid simuleringen.

Simuleringen och de värden som fåtts ur detta examensarbete var inom ramarna för det avgränsade området i detta projekt. Därför anses examensarbetet ett lyckat arbete, men generatorn som simulerades i detta examensarbete är långt ifrån redo för tillverkning, detta på grund av att det saknas beräkningar på exempelvis hur generator huset som ska hålla fast generator ska demissioneras.

Rekommendation till fortsatt arbete : I det fortsatta arbetet bör hänsyn tas till saker som exempelvis hur huset ska sättas fast samt kanske se till att gå in djupare på hållfasthetsberäkningarna, speciellt när det gäller vibrationer som uppstår vid användningen av en generator.En annan sak som skulle vara intressant är att undersöka vad priset/ Kwh skulle bli vid användningen av generatorn som simulerats i detta projekt jämfört med en generator som redan används.

En jämförelse mellan generatorn som jag har simulerat med ”Björn Bolunds generator”26 har gjorts. Eftersom Björn Bolund använde sig av ”no-load- ACE” så kommer jag också att använda mig av resultatet jag fick när jag använde ”no-load ACE”. Se tabell 3 nedan:

26 Rotor configuration impact on generator ventilation needs. (Björn Bolund). Se Bilaga 4

49

Tabell 3- Jämförelse mellan min och Björn Bolunds generator

Björn

Bolunds

(permanent

magnet

rotor)

generator

Björn

Bolunds

resultat

Resultat

från den

nya

designen

Power

(MVA)

20

20

Voltage

(kV)

20

24

Outer

radius

(mm)

2400

1200

Length

(mm)

1259

6310

Slots/Pol

and phase

8

5

Cables/slot

8

4

Coil Pitch

21

13

Weight iron

(tons)

28.3

34

Load angle

(°)

34.2

16.5

Förluster

totalt

84.2 112.11

kW

Electric

Efficiency

99.6 98.9%

50

8 Slutsats

Det är svårt att undersöka saker såsom en generator, eftersom den består av många delar som var och en är komplicerad i sig men Slutsatsen för detta projekt har resulterat i en generatorn vars dimensioner har jämförts med Björn Bolunds turbogenerator och den största och viktigaste skillnaden mellan generatorenerna som jämförts är att min turbogenerator är mycket stabilare med tanke på att Load angle:n (lastvinkel) är ungefär hälften så stor som Björn Bolunds men å andra sidan så väger hans lite mindre vilket gör att kostnaden för tillverkningen av generatorn blir mindre. Men lastvinkeln spelar en viktigare roll än vikten därför anses generatorn som simulerats i detta projekt bättre. Generatorn som simulerats i detta projekt har ett högt verkningsgrad också, 98,9%, vilket gör att energi och kylutrustning sparas.

En annan viktig sak är att turbogeneratorn aldrig får köras vid egenfrekvensen 50 Hz och enligt beräkningarna och resultaten som fåtts så kommer turbogeneratorn aldrig nå 50 Hz i egenfrekvens så det kommer inte vara något problem.

Priset som beräknades var bara ett översiktligt pris. Ingen hänsyn togs till att arbetare ska ha betalt eller att de kanske måste special tillverka vissa delar. Även mängden stål som behövs spelar roll för då finns utrymme för pris diskussion. En annan sak är att priset på exempelvis magneterna varierar mycket, ena dagen kan de kosta 50 kronor och den andra 350 kr så det beror på när köpet sker.

Gällande kylningen av turbogeneratorn så finns det tillräckligt med kylkanaler och luftkylning som tar bort värmet som uppstår vid användningen av turbogeneratorn.

Generatorn kommer att ha 20 stycken M10 skruvar som ska hålla fast den, diametern på axelen som kullagret ska sitta på blev 15 cm, 4 laxkilar ska användas, locktjockleken kommer att vara 30 mm samt med tanke på egenfrekvensen så kommer generatorn att ha en utböjning på 20 mm men luftgapet valdes till 35 mm så det kommer att gå bra.

Beräkningarna som har utförts är numeriska beräkningar och är accepterade av forskarna över hela världen, forskarna anser beräkningarna tillförlitliga därför kan de värdena som beräkningarna resulterat i betraktas som tillförlitliga samt att generatorn kommer att bete sig på det viset som de numeriska beräkningarna visat.

51

9 Referenser

Litteratur: Grudnlägande hållfasthetslära av Hans Lundh, ISBN 91-972860-2-8. Karl Björk, Formler och tabeller för mekanisk konstruktion, sjätte upplagan. The electrical generators handbook, synchronous generators av Ion Boldea. Personligt möte: Boel Ekergård,2011, Uppsala universitet. (Muntlig information) Mateusz Zeleznik,2011, Företag: Donako. ( Information via telefon) Mats Leijon,2011, Uppsala universitet . ( muntligt information) Per Rundbom,2011, Företag: Vactek. ( Information via telefon) Internet: http://springprojectwhs.tripod.com/id9.html Formler för beräkning på Kylkanaler. (2011- 05-19)

http://www.learning4sharing.nu/centrifugalkraft-284887.html Formler för beräkning av centrifugalkraften. ( 2011-05-15) http://www.busybeemfk.se/skruvande.pdf . Sida 1 för citatet och sida 15 för skuvvalet i pdf filen. ( 2011-05-8)

http://www2.hh.se/staff/goni/Kurser/Byggmek_II/Forel-ant_3.pdf Steinerssats. ( 2011-05-21)

http://www.maxlab.lu.se/usermeeting/2010/sessions/IDmax2010/IDMAX2010_pres/Session4/Tanabe.pdf Densitet för Magneten. ( 2011-05-14)

http://www.skf.com/files/871229.pdf Skf:s pdf om toleranser.( 2011-06-29)

http://www.skf.com/skf/productcatalogue/jsp/viewers/tableViewer.jsp?tableName=1_0_tt2&maincatalogue=1&lang=en ( 2011-07-14)

52

Bilagor

Bilaga 1 - Frequency analysis of axeln med magnet mesh.

Bilaga 2 - Stress analysis of axeln med magnet mesh.

Bilaga 3 - Beräkning på kullger via SKF:s hemsida.

Bilaga 4 – Rotor configuration impact on generator ventilation needs. (Björn Bolund).

Bilaga 5 – Så fungerar ACE simulering programmet.

Bilaga 6 – Cad bilder och ritningar.

53

Figurföteckning

Bild 1- ACE stator main ........................................................................................................... 75 Bild 2- ACE stator bolts ........................................................................................................... 76 Bild 3- ACE cable main ............................................................................................................ 77 Bild 4 - ACE cable slot ............................................................................................................ 78 Bild 5 - ACE cable strand ....................................................................................................... 79 Bild 6 - Rotor magnet ............................................................................................................... 80 Bild 7 - Magnetic ...................................................................................................................... 81 Bild 8 - Magnetic losses .......................................................................................................... 82 Bild 9- Magnetic interpretation ................................................................................................ 83 Bild 10 - Magnetic limit show ................................................................................................. 84 Bild 11 - summary .................................................................................................................... 85 Bild 12 - visar en del axeln ....................................................................................................... 86 Bild 13 - visar en del av axeln sedd från sidan ........................................................................ 86 Bild 14 - visar hur rotorn kommer att se ut .............................................................................. 86 Bild 15 - visar hur rotorn ser ut framifrån ............................................................................... 87 Bild 16 - visar hur locket ser ut framifrån ............................................................................... 87 Bild 17 - visar hur locket ser ut från sidan .............................................................................. 88 Bild 18 - Visar hur rotorn och kullagret sitter ihop ................................................................. 88 Bild 19 - visar hur kullagret och rotorn sitter ihop sedd från sidan ........................................ 89 Bild 20 - Visar hur statorn med laxkilar och kylkanaler ser ut ............................................... 89 Bild 21 - Visar statorn från sidan ............................................................................................. 90 Bild 22 - Visar statorn tillsammans med rotorn ....................................................................... 90 Bild 23 - visar rotorn och statorn tillsammans sedd från sidan ............................................... 91

54

Frequency analysis of axeln med magnet mesh

Note: Do not base your design decisions solely on the data presented in this report. Use this information in conjunction with experimental data and practical experience. Field testing is mandatory to validate your final design. Simulation helps you reduce your time-to-market by reducing but not eliminating field tests.

55

Table of Contents Table of Contents ................................................................................................................... 55

List of Figures ......................................................................................................................... 55

Description .............................................................................................................................. 56

Assumptions ............................................................................................................................ 56

Model Information ................................................................................................................. 56

Study Properties ..................................................................................................................... 56

Units ......................................................................................................................................... 56

Material Properties ................................................................................................................ 56

Loads and Restraints ............................................................................................................. 57

Connector Definitions ............................................................................................................ 58

Contact .................................................................................................................................... 58

Mesh Information ................................................................................................................... 58

Sensor Results ......................................................................................................................... 58

Reaction Forces ...................................................................................................................... 58

Free-Body Forces .................................................................................................................... 58

Bolt Forces .............................................................................................................................. 59

Pin Forces ................................................................................................................................ 59

Beams ....................................................................................................................................... 59

Study Results .......................................................................................................................... 59

Conclusion ............................................................................................................................... 60

List of Figures axeln med magnet mesh-Study 2-Displacement-Displacement1 ............................................. 59

56

Description Summarize the FEM analysis on axeln med magnet mesh Assumptions Model Information

Document Name Configuration Document Path Date Modified axeln med magnet mesh Default F:\Music\solidworks-

projekt generator\axeln med magnet mesh.SLDASM

Tue May 24 13:59:48 2011

Magnet 270x200x6310-1 Default F:\Music\solidworks- projekt generator\Magnet 270x200x6310.SLDPRT

Tue May 24 11:36:30 2011

axel med 2mm spår i.-1 Default F:\Music\solidworks- projekt generator\axel med 2mm spår i..SLDPRT

Tue May 24 13:30:34 2011


Tue May 24 13:30:34 2011

lock till axel bakre!-1 Default F:\Music\solidworks- projekt generator\lock till axel bakre!.SLDPRT

Tue May 24 13:54:24 2011

lock till axel.-1 Default F:\Music\solidworks- projekt generator\lock till axel..SLDPRT

Tue May 24 13:54:06 2011

Study Properties

Study name Study 2 Analysis type Frequency Mesh Type: Solid Mesh Solver Information

Quality: High Solver type Automatic Number of frequencies: 5 Units

Unit system: SI Length/Displacement mm Temperature Kelvin Angular velocity rad/s Stress/Pressure N/m^2 Material Properties

No. Body Name Material Mass Volume

57

1 SolidBody 1(Boss-Extrude1)

[SW]Malleable Cast Iron

2537.15 kg 0.347555 m^3

2 SolidBody 1(Cut-Extrude2)

[SW]Plain Carbon Steel

1335.7 kg 0.171244 m^3



1335.7 kg 0.171244 m^3



136.175 kg 0.0174583 m^3



136.175 kg 0.0174583 m^3

Material name: [SW]Malleable Cast Iron Description: Material Source: Material Model Type: Linear Elastic Isotropic Default Failure Criterion: Unknown Application Data:

Property Name Value Units Value Type Elastic modulus 1.9e+011 N/m^2 Constant Poisson's ratio 0.27 NA Constant Shear modulus 8.6e+010 N/m^2 Constant Mass density 7300 kg/m^3 Constant Tensile strength 4.1361e+008 N/m^2 Constant Yield strength 2.7574e+008 N/m^2 Constant Thermal expansion coefficient

1.2e-005 /Kelvin Constant

Thermal conductivity 47 W/(m.K) Constant Specific heat 510 J/(kg.K) Constant

Material name: [SW]Plain Carbon Steel Description: Material Source: Material Model Type: Linear Elastic Isotropic Default Failure Criterion: Unknown Application Data:



Thermal conductivity 43 W/(m.K) Constant Specific heat 440 J/(kg.K) Constant Loads and Restraints Load

Load name Selection set Loading type Description

58

Centrifugal-1 CentriFugal with respect to Face< 1 > with angular velocity 3000 rpm and angular acceleration 0 rpm^2

Sequential Loading

Connector Definitions

Connector name Selection set Loading type Description Bearing Support-2 <lock till axel.-1>

Bearing Connectors on 1 Face(s) Flexible stiffness; with axial stiffness of 0.00000 N/m and rotational stiffness of 3000000000.00000 N-m/rad

Sequential Loading

Bearing Support-3 <lock till axel bakre!-1>


Sequential Loading

Contact Contact state: Touching faces - Free

Global Contact Contact component: Bonded on axeln med magnet mesh

Description: Mesh Information

Mesh Type: Solid Mesh Mesher Used: Standard mesh Automatic Transition: Off Smooth Surface: On Jacobian Check: 4 Points Element Size: 154.96 mm Tolerance: 7.7482 mm Quality: High Number of elements: 2312 Number of nodes: 4375 Time to complete mesh(hh;mm;ss): 00:00:01 Computer name: Z400_BOEK Sensor Results No data available. Reaction Forces Reaction Forces not available. Free-Body Forces

59

Free Body Forces not available. Bolt Forces No data available. Pin Forces No data available. Beams No data available. Study Results Default Results

Name Type Min Location Max Location Displacement1 URES:

Resultant Displacement

0.104466 mm Node: 4222

(-7178.17 mm, 1023.47 mm, 6677.8 mm)

19.1659 mm Node: 2759

(-7321.83 mm, 1609.03 mm, 3381.62 mm)

axeln med magnet mesh-Study 2-Displacement-Displacement1

60

Mode List Frequency Number Hertz Seconds 1 0.278 3.5971 2 15.379 0.065023 3 21.365 0.046805 4 59.959 0.016678 5 81.751 0.012232 Conclusion Utböjningen är på 20 mm vilket inte borde skapa något problem för min stator med tanke på att luftgapet är på 35 mm.

61

Stress analysis of axeln med magnet mesh

Note: Do not base your design decisions solely on the data presented in this report. Use this information in conjunction with experimental data and practical experience. Field testing is mandatory to validate your final design. Simulation helps you reduce your time-to-market by reducing but not eliminating field tests.

62

Table of Contents Table of Contents ................................................................................................................... 62

List of Figures ......................................................................................................................... 62

Description .............................................................................................................................. 63

Assumptions ............................................................................................................................ 63

Model Information ................................................................................................................. 63

Study Properties ..................................................................................................................... 63

Units ......................................................................................................................................... 63

Material Properties ................................................................................................................ 64

Loads and Restraints ............................................................................................................. 65

Connector Definitions ............................................................................................................ 65

Contact .................................................................................................................................... 65

Mesh Information ................................................................................................................... 65

Sensor Results ......................................................................................................................... 65

Reaction Forces ...................................................................................................................... 66

Free-Body Forces .................................................................................................................... 66

Bolt Forces .............................................................................................................................. 66

Pin Forces ................................................................................................................................ 66

Beams ....................................................................................................................................... 66

Study Results .......................................................................................................................... 66

Conclusion ............................................................................................................................... 67

List of Figures axeln med magnet mesh-Study 1-Stress-Stress1 ...................................................................... 67

63

Description Summarize the FEM analysis on axeln med magnet mesh Assumptions Model Information

Document Name Configuration Document Path Date Modified axeln med magnet mesh Default F:\Music\solidworks-

projekt generator\axeln med magnet mesh.SLDASM

Tue May 24 13:59:48 2011

Magnet 270x200x6310-1 Default F:\Music\solidworks- projekt generator\Magnet 270x200x6310.SLDPRT

Tue May 24 11:36:30 2011


Tue May 24 13:30:34 2011


Tue May 24 13:30:34 2011

lock till axel bakre!-1 Default F:\Music\solidworks- projekt generator\lock till axel bakre!.SLDPRT

Tue May 24 13:54:24 2011

lock till axel.-1 Default F:\Music\solidworks- projekt generator\lock till axel..SLDPRT

Tue May 24 13:54:06 2011

Study Properties

Study name Study 1 Analysis type Static Mesh Type: Solid Mesh Solver type Automatic Inplane Effect: Off Soft Spring: Off Inertial Relief: Off Thermal Effect: Input Temperature Zero strain temperature 298.000000 Units Kelvin Include fluid pressure effects from SolidWorks Flow Simulation

Off

Friction: Off Ignore clearance for surface contact Off Use Adaptive Method: Off Units

Unit system: SI Length/Displacement mm

64

Temperature Kelvin Angular velocity rad/s Stress/Pressure N/m^2 Material Properties

No. Body Name Material Mass Volume 1 SolidBody 1(Boss-

Extrude1) [SW]Malleable Cast Iron

2537.15 kg 0.347555 m^3



1335.7 kg 0.171244 m^3



1335.7 kg 0.171244 m^3



136.175 kg 0.0174583 m^3



136.175 kg 0.0174583 m^3

Material name: [SW]Malleable Cast Iron Description: Material Source: Material Model Type: Linear Elastic Isotropic Default Failure Criterion: Unknown Application Data:



Thermal conductivity 47 W/(m.K) Constant Specific heat 510 J/(kg.K) Constant

Material name: [SW]Plain Carbon Steel Description: Material Source: Material Model Type: Linear Elastic Isotropic Default Failure Criterion: Unknown Application Data:



Thermal conductivity 43 W/(m.K) Constant

65

Specific heat 440 J/(kg.K) Constant Loads and Restraints Load

Load name Selection set Loading type Description Centrifugal-1 CentriFugal with respect

to Face< 1 > with angular velocity 3000 rpm and angular acceleration 0 rpm^2

Sequential Loading

Connector Definitions

Connector name Selection set Loading type Description Bearing Support-1 <lock till axel bakre!-1>


Sequential Loading

Bearing Support-2 <lock till axel.-1>


Sequential Loading

Contact Contact state: Touching faces - Free

Global Contact Contact component: Bonded on axeln med magnet Description: Mesh Information

Mesh Type: Solid Mesh Mesher Used: Standard mesh Automatic Transition: Off Smooth Surface: On Jacobian Check: 4 Points Element Size: 89.834 mm Tolerance: 4.4917 mm Quality: High Number of elements: 8029 Number of nodes: 13643 Time to complete mesh(hh;mm;ss): 00:00:03 Computer name: Z400_BOEK Sensor Results No data available.

66

Reaction Forces

Selection set Units Sum X Sum Y Sum Z Resultant Entire Body N 0 0 0 1e-033 Free-Body Forces Free Body Forces not available. Bolt Forces No data available. Pin Forces No data available. Beams No data available. Study Results Default Results

Name Type Min Location Max Location Stress1 VON: von

Mises Stress 0.280877 N/mm^2 (MPa) Node: 13207

(-7271.32 mm, 1085.44 mm, 6758.21 mm)

15.0494 N/mm^2 (MPa) Node: 217

(-7274.51 mm, 2833.72 mm, 399.651 mm)

67

axeln med magnet mesh-Study 1-Stress-Stress1

Conclusion Sträckgränsen ligger på 300 Mpa och den här ligger inte över 15 Mpa vilket är väldigt bra.

74

Så här fungerar ACE simulering programmet

Så här fungerar programmet:

1. Först väljer man rating för att sedan fylla i följande parametrar:

- Apparent power (MW) =

- Armature voltage (kV) =

- Frequency (Hz) =

- Speed ( rpm/min) =

- Runaway = 5000 alltid konstant.

- Power factor = 1 alltid konstant.

Sedan väljer man /Stator/:

1. /Main/, se figur 3-4:

75

Bild 1- ACE stator main

- Dimensionerna som ska fyllas är:

- numerator som står för antal spår per pol och fas.


- Inne diametern ska fyllas i.

- Ytter diametern ska fyllas i.

- Hur stort luftgapet är ska också fyllas i.

Därefter går man till /Stator Bolts/, se figur 3-5:

76

Bild 2- ACE stator bolts

- Här ändrars inte så mycket .

77

Efter /Stator/ väljs /Cable/.

Börja med /cable main/, se figur 3-6:

Bild 3- ACE cable main

Det som ska fyllas i här är:

- Voltage

- Conductor area.

/Voltage/ fås genom att välja armature voltage* .

78

Sen är det dags för /cable slot/, se figur 3-7:

Bild 4 - ACE cable slot

Det som behövs fyllas i här är:

- Waist factor = Konstant.

- Slot opening with

- Between cables

- Cable airgap

- Cable iron core

79

Därefter är det dags för /cable strand/, se figur 3-8:

Bild 5 - ACE cable strand

Det som behövs här är att välja vilken diameter som behövs och det fås genom att med hjälp av Conductor arean räkna ut diametern. Använd

fomeln A= 2 .

80

Nästa steg blir att välja /Rotor –magnet/, se figur 3-9:

Bild 6 - Rotor magnet

Här väljs bredden och höjden på sina magneterna och den svarta bilden visar hur magneten ligger i rotorn.

81

Nästa steg blir att gå in på /magnetic/, se figur 3-10:

Bild 7 - Magnetic

Här ses hur stort B-fältet är at Load-ace och no-load-ace, både i luftgapet och i tänderna. Längden av maskinen kan också ses.

82

Nästa steg blir att klicka på /Losses/ och då kan en uppfattning om hur stora förlusterna är samt vart de ligger, Se figur 3-11:

Bild 8 - Magnetic losses

Därefter klicka på /Magnetic/:

83

- Först väljer man /interpretation/, se figur 3-12:

Bild 9- Magnetic interpretation

Sedan klicka på limit för att sätta B-fältet mellan 0.2-1.9 för att vilka delar av magneten som överstiger 1.9T. Ifall vissa delar överstiger 1.9 T i B-fält kommer de att markeras med svart.

84

För att fixa så att de hamnar under 1.9T så kan en förminskning av magneternas dimensioner, tandens och ryggens dimension ökas och/eller luftgapen ökas hjälpa, se figur 3-13:

Bild 10 - Magnetic limit show

Sista steget blir att välja summary oc bläddra ner till load angle värdet, kolla sedan hur stort load angle är, den får inte vara större än 20 grader27 på grund av att maskinen måste vara så stabil som möjligt, se figur 3-14:

27 Muntligt samtal med Boel Ekergård

85

Bild 11 - summary

86

Cad Bilder och ritningar Nedan följer Cad bilderna och tillhörande ritningar:

Bild 12 - visar en del axeln

Bild 13 - visar en del av axeln sedd från sidan

Bild 14 - visar hur rotorn kommer att se ut

87

Bild 15 - visar hur rotorn ser ut framifrån

Bild 16 - visar hur locket ser ut framifrån

88

Bild 17 - visar hur locket ser ut från sidan

Bild 18 - Visar hur rotorn och kullagret sitter ihop

89

Bild 19 - visar hur kullagret och rotorn sitter ihop sedd från sidan

Bild 20 - Visar hur statorn med laxkilar och kylkanaler ser ut

90

Bild 21 - Visar statorn från sidan

Bild 22 - Visar statorn tillsammans med rotorn

91

Bild 23 - visar rotorn och statorn tillsammans sedd från sidan

325

135

2

4 x37

,50°

2x15°

270

R135

5xM10

6310

C

2 31 4

B

A

D

E

F LOW CARBOON STEEL, 1008

Projektnamn

Titel/Benämning

BladUtgåva

Ritad av Godkänd av - datumKonstruerad av

Ritningsnummer

Generell toleransSS ISO 2768-1

Vyplacering

Det

ta d

okum

ent f

år in

te k

opie

ras

utan

äga

rens

skr

iftlig

a til

lstå

nd, i

nneh

ålle

t får

inte

del

ges

till t

redj

e pa

rt el

ler a

nvän

das

i någ

ot o

behö

rigt ä

ndam

ål. Ö

vertr

ädel

se le

der t

ill å

tal.

Skala

Ägare

Storlek

Generell yt-jämnhet, Ra

Massa [g] Densitet [g/mm3]

Projektledare

Turbogenerator

A4 1(1)

1:100

axel del final

15 augusti 2011Granskad av

XX XXMaterial

Tillverkning granskad av

XX

6310

27020

0

1:5

C

2 31 4

B

A

D

E

F

NdFeB-magnetProjektnamn

Titel/Benämning

BladUtgåva


Ritningsnummer


Vyplacering

Det

ta d

okum

ent f

år in

te k

opie

ras

utan

äga

rens

skr

iftlig

a til

lstå

nd, i

nneh

ålle

t får

inte

del

ges

till t

redj

e pa

rt el

ler a

nvän

das

i någ

ot o

behö

rigt ä

ndam

ål. Ö

vertr

ädel

se le

der t

ill å

tal.

Skala

Ägare

Storlek



Projektledare

Turbogenerator

A4 1(1)

1:100

Magnet 270x200x6310

XX 11-06-23Granskad av

XX XXMaterial


XX

4

5

32

1

ITEM NO. PART NUMBER DESCRIPTION QTY.1 Magnet

270x200x6310 1

2 axel med 2mm spår i. 1

3 lock till axel. 24 axel med 2mm spår

i.nedre 1

5B18.2.3.2M - Formed hex screw, M10 x 1.5 x 100 --100WN

20

D

E

F

C

1 2 3 4

B

A

321 5

C

D

4 6 7 8

A

B

BladRitningsnummer

Ritad avKonstruerad av

Titel/Benämning

Storlek

Tillverkning granskad av Granskad av

1:50Projektnamn

UtgåvaDetta dokument får inte kopieras utan ägarens skriftliga tillstånd, innehållet får inte delgestill tredje part eller användas i något obehörigt ändamål. Överträdelse leder till åtal.

Vyplacering SkalaGenerell yt-jämnhet Ra


ProjektledareMaterial

Ägare

Godkänd av - datum Massa [g] Densitet [g/mm3]

HH 11-06-23HHHH

axeln med magnet1(1)A3

TURBOGENERATOR

HH

8x26°

2x75

°

R135

10x11

30

140

100

2

Rmax 2

R2

380

180

150 p6

45°

1:5

C

2 31 4

B

A

D

E

F

LOW CARBOON STEEL, 1008

Projektnamn

Titel/Benämning

BladUtgåva


Ritningsnummer


Vyplacering

Det

ta d

okum

ent f

år in

te k

opie

ras

utan

äga

rens

skr

iftlig

a til

lstå

nd, i

nneh

ålle

t får

inte

del

ges

till t

redj

e pa

rt el

ler a

nvän

das

i någ

ot o

behö

rigt ä

ndam

ål. Ö

vertr

ädel

se le

der t

ill å

tal.

Skala

Ägare

Storlek



Projektledare

Turbogenerator

A4 1(1)

1:10

locket

15 augusti 2011Granskad av

XX XXMaterial


XX

50 -0,010

70 -0,010

25-0

,01

0

66°

6310

10x

111:1

C

2 31 4

B

A

D

E

F Low carboon steel, steel 1008

Projektnamn

Titel/Benämning

BladUtgåva


Ritningsnummer


Vyplacering

Det

ta d

okum

ent f

år in

te k

opie

ras

utan

äga

rens

skr

iftlig

a til

lstå

nd, i

nneh

ålle

t får

inte

del

ges

till t

redj

e pa

rt el

ler a

nvän

das

i någ

ot o

behö

rigt ä

ndam

ål. Ö

vertr

ädel

se le

der t

ill å

tal.

Skala

Ägare

Storlek



Projektledare

Turbogenerator

A4 1(1)

1:100

laxkil


XX XXMaterial


XX

450

1200

10

24

58

30

70

1:20

6310

10xM

10x1

.25

C

2 31 4

B

A

D

E

F

M250-35 AProjektnamn

Titel/Benämning

BladUtgåva


Ritningsnummer


Vyplacering

Det

ta d

okum

ent f

år in

te k

opie

ras

utan

äga

rens

skr

iftlig

a til

lstå

nd, i

nneh

ålle

t får

inte

del

ges

till t

redj

e pa

rt el

ler a

nvän

das

i någ

ot o

behö

rigt ä

ndam

ål. Ö

vertr

ädel

se le

der t

ill å

tal.

Skala

Ägare

Storlek



Projektledare

Turbogenerator

A4 1(1)

1:100

Stator (tänder ingår där)1


XX XXMaterial


XX

2

1

3

1:10

ITEM NO. PART NUMBER DESCRIPTION QTY.1 Stator (tänder ingår

där) 12 laxkil 4

3B18.2.3.2M - Formed hex screw, M10 x 1.5 x 100 --100WN

40

D

E

F

C

1 2 3 4

B

A

321 5

C

D

4 6 7 8

A

B

BladRitningsnummer

Ritad avKonstruerad av

Titel/Benämning

Storlek

Tillverkning granskad av Granskad av

1:50Projektnamn

UtgåvaDetta dokument får inte kopieras utan ägarens skriftliga tillstånd, innehållet får inte delgestill tredje part eller användas i något obehörigt ändamål. Överträdelse leder till åtal.

Vyplacering SkalaGenerell yt-jämnhet Ra


ProjektledareMaterial

Ägare

Godkänd av - datum Massa [g] Densitet [g/mm3]

HH 11-06-23HHHH

stator med laxkil.1(1)A3

HH

elektromagnetisk och mekanisk design av en 20 mw...

Documents