Was, wenn die unsichtbare Hitze im Herzen einer Windenergieanlage deren Effizienz und Lebensdauer still und heimlich untergräbt? Diese Frage steht im Zentrum einer faszinierenden Untersuchung, die sich der komplexen Welt der passiven Kühlung von Windkraftanlagenrotoren widmet. Mittels modernster FEM-Simulationen (Finite-Elemente-Methode) mit ANSYS wird die Temperaturverteilung im Inneren des Rotors analysiert, um Schwachstellen aufzudecken und innovative Konstruktionshinweise zur Optimierung der Kühlung zu entwickeln. Die Arbeit beleuchtet den aktuellen Stand der Technik im Bereich Windenergie und wagt gleichzeitig einen Blick in die Zukunft, indem sie das Potential zusätzlicher Kühlungsstrategien auslotet. Von der detaillierten Modellvorbereitung mit Vernetzung und der Definition von Kontaktelementen bis hin zur Berücksichtigung von Strömungszuständen und der Berechnung von Wärmeübergängen wird jeder Aspekt präzise beleuchtet. Die Verifizierung des Simulationsmodells durch experimentelle Daten untermauert die Glaubwürdigkeit der Ergebnisse. Im Fokus stehen dabei konkrete Konstruktionsvorschläge, die von der Steigerung des Wärmeflusses im Kupferblech über den Einsatz von Kühlrippen bis hin zur kompletten Umgestaltung des Kupferblechs reichen, immer mit dem Ziel, die maximale Temperatur im Rotor zu senken und seine Lebensdauer zu verlängern. Abschließend werden wertvolle Hinweise zur belastungsgerechten Konstruktion der Achse gegeben, um die Zuverlässigkeit der gesamten Anlage zu gewährleisten. Eine unverzichtbare Lektüre für Ingenieure, Entwickler und alle, die sich für die Zukunft der Windenergie und die Optimierung passiver Kühlsysteme interessieren. Schlüsselwörter: FEM-Simulation, Windenergieanlage, Rotor, Temperaturverteilung, passive Kühlung, Wärmeübergang, Wärmedurchgang, Konstruktionsoptimierung, ANSYS, Kupferblech, Kühlrippen.
Inhaltsverzeichnis
- 1 Einleitung und Zielsetzung
- 2 Stand der Technik Windenergie
- 3 Der Entwicklungsauftrag
- 4 FEM Temperatursimulationen mit ANSYS
- 4.1 Idealisierung
- 4.2 Diskretisierung
- 4.2.1 Elementtypen
- 4.2.2 Netzgenerierung
- 4.3 Numerische Lösung
- 4.4 Auswertung der Ergebnisse / Postprocessing
- 5 Verifizierung des Simulationsmodells
- 5.1 Versuchsaufbau
- 5.2 Simulation
- 5.3 Vergleich
- 6 Vorbereitung des Rotormodells
- 6.1 Vernetzung des Modells
- 6.2 Kontaktelemente
- 6.3 Strömungszustände an den Bauteiloberflächen
- 6.4 Berechnung der Wärmeübergänge
- 6.5 Berechnung des Wärmedurchgangs im Generatorspalt
- 6.6 Wärmelasten
- 6.7 Verbindung mit dem Maschinenrahmen
- 7 FEM Simulation des Rotormodells
- 8 Analyse der Ergebnisse
- 9 Konstruktionshinweise zur zusätzlichen Kühlung
- 9.1 Steigerung des Wärmeflusses im Kupferblech
- 9.2 Kühlrippen
- 9.3 Konstruktive Umgestaltung des Kupferblechs
- 9.4 Lösungsansätze
- 9.5 Belastungsgerechte Konstruktion der Achse
- 10 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die Bachelorarbeit untersucht die Temperatureinwirkungen auf den Rotor einer passiv gekühlten Windenergieanlage mittels FEM-Simulation. Ziel ist die Analyse der Temperaturverteilung und die Entwicklung von Konstruktionshinweisen zur Verbesserung der Kühlung.
- FEM-Simulation von Temperatureinwirkungen
- Analyse der Temperaturverteilung im Rotor
- Verifizierung des Simulationsmodells
- Entwicklung von Konstruktionshinweisen zur Kühlung
- Optimierung der Rotor-Konstruktion
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung und Zielsetzung: Diese Einleitung beschreibt die Thematik der Arbeit, die auf die Untersuchung der Temperatureinwirkungen auf den Rotor einer passiv gekühlten Windenergieanlage abzielt. Die Zielsetzung umfasst die Analyse der Temperaturverteilung und die Ableitung von Verbesserungsvorschlägen für die Kühlung des Rotors. Die Arbeit legt den methodischen Rahmen für die nachfolgenden Analysen und Simulationen fest.
2 Stand der Technik Windenergie: Dieses Kapitel liefert einen Überblick über den aktuellen Stand der Technik im Bereich der Windenergie. Es werden verschiedene Aspekte beleuchtet, die für das Verständnis der Problemstellung relevant sind, wie z.B. bestehende Kühlsysteme und deren Effizienz. Der Abschnitt dient als Grundlage für die Bewertung der eigenen Ergebnisse und die Einordnung der Arbeit in den aktuellen Forschungsstand.
3 Der Entwicklungsauftrag: Hier wird der konkrete Entwicklungsauftrag für die Arbeit detailliert erläutert, der den Fokus auf die Verbesserung der Kühlung des Rotorblattes legt. Es werden die konkreten Anforderungen und Randbedingungen beschrieben, die bei der Simulation und Auswertung zu berücksichtigen sind. Das Kapitel bildet die Brücke zwischen dem allgemeinen Stand der Technik und der spezifischen Problemstellung der Arbeit.
4 FEM Temperatursimulationen mit ANSYS: In diesem Kapitel wird die angewandte Methode der Finite-Elemente-Methode (FEM) mit der Software ANSYS detailliert beschrieben. Die Idealisierung des Modells, die Diskretisierung mit verschiedenen Elementtypen und die Netzgenerierung werden ausführlich dargestellt. Die numerische Lösung und die Auswertung der Ergebnisse (Postprocessing) bilden den Abschluss dieses zentralen Kapitels, das die methodische Grundlage der Arbeit darstellt. Es wird auf die Wahl der Elementtypen und die damit verbundenen Vor- und Nachteile eingegangen.
5 Verifizierung des Simulationsmodells: Die Validität des erstellten Simulationsmodells wird in diesem Kapitel durch einen Vergleich mit experimentellen Ergebnissen überprüft. Ein detaillierter Versuchsaufbau wird beschrieben, gefolgt von den durchgeführten Simulationen und einem abschließenden Vergleich der Ergebnisse. Diese Validierung ist entscheidend für die Glaubwürdigkeit der späteren Ergebnisse.
6 Vorbereitung des Rotormodells: Dieses Kapitel beschreibt die detaillierte Vorbereitung des Rotormodells für die FEM-Simulation. Es werden die Vernetzung des Modells, die Definition der Kontaktelemente, die Berücksichtigung der Strömungszustände an den Bauteiloberflächen sowie die Berechnung der Wärmeübergänge und des Wärmedurchgangs im Generatorspalt erläutert. Die Bestimmung der Wärmelasten und die Modellierung der Verbindung zum Maschinenrahmen runden die Vorbereitung ab. Jeder Schritt wird detailliert beschrieben, um die Nachvollziehbarkeit zu gewährleisten.
7 FEM Simulation des Rotormodells: Dieses Kapitel beschreibt die Durchführung der eigentlichen FEM-Simulation des Rotormodells, basierend auf den Vorbereitungen des vorherigen Kapitels. Es werden die eingesetzten Parameter und Rechenmethoden präzise dargestellt. Das Ergebnis ist die detaillierte Berechnung der Temperaturverteilung im Rotor unter den definierten Bedingungen.
8 Analyse der Ergebnisse: Hier werden die Ergebnisse der FEM-Simulation detailliert analysiert und interpretiert. Die Temperaturverteilung im Rotor, die auftretenden Spannungen und die Auswirkungen auf die Lebensdauer werden eingehend betrachtet. Die Ergebnisse werden graphisch aufbereitet und diskutiert. Ein besonderes Augenmerk liegt auf den kritischen Bereichen des Rotors.
9 Konstruktionshinweise zur zusätzlichen Kühlung: Dieses Kapitel präsentiert Konstruktionsvorschläge zur Verbesserung der Kühlung des Rotors. Verschiedene Ansätze, wie die Steigerung des Wärmeflusses im Kupferblech, der Einsatz von Kühlrippen und eine konstruktive Umgestaltung des Kupferblechs, werden diskutiert und bewertet. Die Vorschläge werden hinsichtlich ihres Potentials zur Reduktion der maximalen Temperatur im Rotor analysiert und optimiert. Es werden auch Hinweise zur belastungsgerichten Konstruktion der Achse gegeben.
Schlüsselwörter
FEM-Simulation, Windenergieanlage, Rotor, Temperaturverteilung, passive Kühlung, Wärmeübergang, Wärmedurchgang, Konstruktionsoptimierung, ANSYS, Kupferblech, Kühlrippen.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Inhaltsangabe zur Windenergieanlage?
Diese Inhaltsangabe bietet einen umfassenden Überblick über eine Bachelorarbeit, die sich mit der Untersuchung von Temperatureinwirkungen auf den Rotor einer passiv gekühlten Windenergieanlage befasst. Sie beinhaltet ein Inhaltsverzeichnis, die Zielsetzung, Themenschwerpunkte, Zusammenfassungen der Kapitel und Schlüsselwörter.
Was sind die Hauptziele der Bachelorarbeit?
Die Hauptziele sind die Analyse der Temperaturverteilung im Rotor einer Windenergieanlage, die Entwicklung von Konstruktionshinweisen zur Verbesserung der Kühlung und die Optimierung der Rotor-Konstruktion.
Welche Themen werden in der Arbeit behandelt?
Die Arbeit behandelt Themen wie FEM-Simulation von Temperatureinwirkungen, Verifizierung des Simulationsmodells und die Entwicklung von Konstruktionshinweisen zur Kühlung des Rotors.
Welche Kapitel sind in der Bachelorarbeit enthalten?
Die Bachelorarbeit umfasst Kapitel wie Einleitung und Zielsetzung, Stand der Technik Windenergie, FEM Temperatursimulationen mit ANSYS, Verifizierung des Simulationsmodells, Vorbereitung des Rotormodells, FEM Simulation des Rotormodells, Analyse der Ergebnisse und Konstruktionshinweise zur zusätzlichen Kühlung.
Was beinhaltet das Kapitel "FEM Temperatursimulationen mit ANSYS"?
Dieses Kapitel beschreibt detailliert die Anwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM) mit der Software ANSYS, einschließlich der Idealisierung, Diskretisierung, Netzgenerierung, numerischen Lösung und Auswertung der Ergebnisse.
Wie wird das Simulationsmodell verifiziert?
Das Simulationsmodell wird durch einen Vergleich mit experimentellen Ergebnissen verifiziert. Es wird ein detaillierter Versuchsaufbau beschrieben, Simulationen durchgeführt und die Ergebnisse verglichen.
Welche Konstruktionshinweise zur Kühlung werden gegeben?
Es werden verschiedene Ansätze zur Verbesserung der Kühlung des Rotors vorgestellt, wie z.B. die Steigerung des Wärmeflusses im Kupferblech, der Einsatz von Kühlrippen und eine konstruktive Umgestaltung des Kupferblechs.
Welche Schlüsselwörter sind relevant für die Bachelorarbeit?
Relevante Schlüsselwörter sind FEM-Simulation, Windenergieanlage, Rotor, Temperaturverteilung, passive Kühlung, Wärmeübergang, Wärmedurchgang, Konstruktionsoptimierung, ANSYS, Kupferblech und Kühlrippen.
Was wird im Kapitel "Vorbereitung des Rotormodells" beschrieben?
Dieses Kapitel beschreibt die detaillierte Vorbereitung des Rotormodells für die FEM-Simulation, einschließlich der Vernetzung, Definition der Kontaktelemente, Berücksichtigung der Strömungszustände, Berechnung der Wärmeübergänge und Modellierung der Verbindung zum Maschinenrahmen.
Was wird im Kapitel "Analyse der Ergebnisse" behandelt?
Hier werden die Ergebnisse der FEM-Simulation detailliert analysiert und interpretiert. Die Temperaturverteilung im Rotor, die auftretenden Spannungen und die Auswirkungen auf die Lebensdauer werden eingehend betrachtet.
- Quote paper
- Thorsten Schrader (Author), 2012, FEM-Simulation von Temperatureinwirkungen auf den Rotor einer passiv gekühlten Windenergieanlage, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/583630
