Salmastrasız Pompa Motorlarının HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Di̇nami̇ği̇) Yöntemi̇ ile Termal Analizi
Yazan: Nihan Uçar, Ar-ge Şefi, Alarko Carrier Sanayi ve Ticaret A.Ş.
Motor tasarımının önemli bir parçası olan termal analiz ile motor içi sıcaklık dağılımı belirlenebilmekte ve motor ömrü, verimliliği, malzeme seçimi, boyut ve maliyet gibi birçok konuda optimizasyon sağlanabilmektedir.
Özet
Salmastrasız pompaların temel özelliği, motorun rotor kısmının pompalanan akışkan ile dolu olmasıdır. Sessiz çalışma ve düşük bakım gereksinimi gibi özellikleriyle öne çıkan bu pompalar yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Motorda oluşan kayıplar, komponentlerin ısınmasına sebep olmaktadır. Bu ısınmanın, motor ömrü ve komponent malzemelerinin sıcaklık limitleri açısından güvenilir olup olmadığı tasarım esnasında incelenmelidir. Motorun içerisindeki akışkan ve yüksek hızlarda dönen rotor, deneysel olarak motorun sıcaklık dağılımını belirlemeyi zorlaştırmaktadır. Motor tasarımının önemli bir parçası olan termal analiz, hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) ile yapılabilmektedir. Bu çalışmada, sıcak su sistemlerinde kullanılan bir salmastrasız pompa motoruna ait komponentler modellenmiş ve kayıplardan kaynaklanan ısı üretimi ve rotor içerisindeki akışkan sirkülasyonu göz önüne alınarak Ansys CFX programı ile termal analizi gerçekleştirilmiştir. Analiz sonucunda, motor içerisindeki sıcaklık dağılımı belirlenmiş ve malzeme limitleri ve motor ömrü açısından uygun olup olmadığı görülmüştür.
1. Giriş
Birçok uygulamada verimlilik ve maliyetin gitgide zorunlu hale gelmesi ile elektrik makinalarının tasarım sürecinde, termal analiz çok önemli bir rol oynamaya başlamıştır[1]. Elektromanyetik performansının yüksek olmasının yanı sıra motorların termal davranışları da önem arz etmektedir. Motorların termal analizi özellikle motorun içinde yer alan komponentlerin malzeme seçimlerini etkilemektedir. Örneğin; yüksek verimi nedeniyle günümüzde giderek yaygınlaşan sabit mıknatıslı motorlarda yer alan mıknatıslar sıcaklığa oldukça duyarlıdırlar. Belli bir sıcaklıktan sonra demagnetize olmaları nedeniyle motor içi sıcaklığın bilinerek mıknatıs malzeme seçiminin buna göre yapılması gerekmektedir. Aynı şekilde, motorun izolasyon sınıfının belirlenmesi de ancak sargılarda görülebilecek maksimum sıcaklığın bilinmesi ile mümkündür. Bunlar dışında, motorda kullanılan bütün malzemelerin gerek güvenilir çalışma, gerekse motor ömrü açısından sıcaklık dağılımlarının kontrol edilmesi gerekmektedir. Salmastrasız veya ıslak rotorlu pompalar, motorun rotor kısmının pompalanan akışkan ile dolu olduğu, yaygın olarak kullanılan bir pompa türüdür. Motor ile akışkanın temasının bir salmastra aracılığıyla engellendiği kuru rotorlu pompalara göre sessiz çalışma, düşük bakım gereksinimi gibi avantajlara sahip olmaları nedeniyle tercih edilmektedirler. Salmastrasız pompa motorlarında statoru akışkandan ayırması için motorun hava boşluğuna bir gömlek yerleştirilmektedir. Motorun rotor kısmının akışkan ile dolu olması sebebiyle, yataklama kaymalı yataklar ile yapılmaktadır. Son on yılda, deneysel geliştirmeyle kıyaslandığında sahip olduğu maliyet ve verimlilik sebebiyle, akışkanlar dinamiği için bilgisayar simülasyonu optimizasyon ve geliştirme alanlarında giderek artan bir şekilde kullanılmaktadır[2]. Salmastrasız pompa motorlarının termal analizinde içinde sirküle etmekte olan akışkan nedeniyle bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği programı kullanmak gerekmektedir. Böylece motor içindeki akışkanın motor komponentleri üzerindeki soğutma veya ısıtma etkisi incelenebilmektedir. Bu çalışmada, hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yazılımı olarak Ansys CFX programı kullanılmıştır.
2. Termal Analiz
2.1. Genel Özellikler
Ele alınan motor, sıcak su sistemlerinde suyun dolaşımını sağlamakta olan salmastrasız pompaya aittir. Pompa; hidrolik kısım (salyangoz ve fan), motor kısmı ve kontrol kısmı olmak üzere üç kısımdan oluşmaktadır. Pompada ısı üreten komponentler, motor ve kontrolcüde yer almaktadır. Kontrolcü detaylı bir inceleme ve analiz gerektirdiğinden bu çalışmada sadece motor ele alınmıştır. Analizi yapılan motor iki adet kaymalı radyal yatak ve iki adet eksenel yatak ile çalışmakta olup ayrıca stator ile motor arasında su geçişini önleyen gömleğe sahiptir. Fan motor milinin üzerine monte edilmiştir ve motor içi sıcaklığı etkilemediğinden modellenmemiştir.
Şekil 1. Salmastrasız pompa ana kısımları
Şekil 2. Pompa içinde suyun hareketi
Suyun motor içine girmesi motor kapağında bulunan deliklerden olmaktadır. Su çıkışı ise milde boylu boyunca yer alan delikten gerçekleşmektedir. Suyun motor içindeki sirkülasyonu Şekil 2’de verilmiştir. Bütün parçalar simetrik olduğundan analiz modelin dörtte biri için yapılmıştır. Böylece 8 adet su giriş deliğinden 2 tanesi ve alt yatak gövdesinde suyun dolaşımını sağlayan dört adet yuvadan 1 tanesi modelde yer almaktadır. Analizde kullanılacak modelde yer alan motor komponentleri ve akışkanlar Şekil 3’te görülmektedir.
Şekil 3. Modelleme
Komponentlere ait malzeme özellikleri Tablo 1’de görülmektedir.
Tablo 1 Malzeme Özellikleri
Çözüm ağı, geometri 2 parçaya ayrılarak problemin fiziğine uygun şekilde oluşturulmuştur. Oluşturulan çözüm ağı Şekil 4 ve Şekil 5’te görülmektedir. Taşınım olan yüzeyler için sınır tabaka yapısı (inflation) tanımlanmıştır. Eleman kalitesini değerlendirebilmek için çarpıklık (skewness) ve ortogonal kalite değerleri kontrol edilmiştir.
Şekil 4. Çözüm ağı
Şekil 5. Çözüm Ağı
2.3. Motor Kayıpları
Elektrik motorlarında ısı üretimini oluşturan ana mekanizmalar, ısının oluştuğu yere bağlı olarak, genellikle dört ana gruba ayrılır. Bunlar; bakır kayıpları, demir kayıpları, kaçak yük kayıpları ve mekanik kayıplardır. Kaçak yük kayıpları motorun çalışması esnasında oluşan küçük kayıplardır ve değerlerinin belirlenmesi oldukça zordur[3]. Bu sebeple, termal analiz yapılırken hesaba katılmamışlardır. Motorda oluşan demir ve bakır kayıpları için ise motor tasarımı esnasında yapılan hesaplamalardan elde edilen değerler kullanılmıştır. Mekanik kayıplar ise yataklarda oluşan sürtünmeden kaynaklanmaktadır. Yataklama kayıplarını hesaplamak için önce pompadaki radyal ve eksenel kuvvetler bulunmuştur. Kuvvet hesabı için ANSI/HI 1.3[4] standardında yer alan hesaplama yöntemi kullanılmıştır. Daha sonra, kuvvetin oluşturduğu ısı değerini hesaplamak için kullanılacak sürtünme katsayısı McKee tarafından geliştirilen denklemden bulunmuştur[5].
2.4. Sınır Şartları
Maddelerde ısı transferi; iletim, konveksiyon ve radyasyon olmak üzere üç yolla gerçekleşmektedir. Motor içerisinde birbirine temas eden katı yüzeyler arasında iletim, su ve hava teması ile ise konveksiyon meydana gelmektedir. Radyasyon ise etkisinin düşük olması sebebiyle bu çalışmada dikkate alınmamıştır. İncelenen pompa, sıcak su sistemlerinde kullanıldığından, analizde su sıcaklığı en yüksek haliyle alınarak motordaki oluşacak maksimum sıcaklık değerlerini elde etmek amaçlanmıştır. Kayıplar ise komponentlerde ısı kaynağı olarak tanımlanmıştır. Tablo 2’de bütün sınır koşulları verilmektedir. Motor gövdesinin dış yüzeyinin 25 °C hava ile temasta olduğu ve bu yüzeyden doğal taşınım olduğu kabul edilmiştir. Ayrıca bu sınır koşullarının yanı sıra, motor gövdesinin kontrol kutusuna değen yüzeyine de sabit sıcaklık değeri olarak 98 °C verilmiştir. Bu yüzeydeki ısınmayı kontrol kartının yaydığı ısı etkilemektedir ve yüzeyin sıcaklık değeri pompa çalışması esnasında termokupl ile alınan ölçümlerle elde edilmiştir. Giriş ve çıkış koşullarının yanı sıra arayüz (interfaces) ve duvar sınır koşulları da tanımlanmıştır. Simetrik olan yüzeyler periyodik arayüz olarak, hiçbir akışkan veya katıyla teması olmayan yüzeyler ise duvar olarak tanımlanmıştır.
Tablo 2. Sınır Şartları
3. Sonuçlar ve Doğrulama
3.1 Sıcaklık Dağılımı
Analiz sonucu çıkan sıcaklık dağılımı ile karar verilecek en önemli parametrelerden biri, motor izolasyon sınıfıdır. İzolasyon sınıfının yanlış seçilmesi, motorun yanması ve ömrünün kısalması gibi sonuçlar doğurabileceğinden tasarım açısından yüksek önem taşımaktadır. Analiz sonuçları incelendiğinde, en yüksek sıcaklığın stator sargılarında olduğu ve izolasyon sınıfı için bu değerin göz önüne alınması gerektiği görülmektedir. Statora ait sıcaklık dağılımı Şekil 7’de ayrıntılı bir şekilde verilmektedir.
Şekil 6. Motor içi sıcaklık dağılımı
Şekil 7. Stator sıcaklık dağılımı
Motorda, malzeme seçimi konusunda kritik olan komponentlerden biri, plastik olması nedeniyle rotor ve statoru ayırmakta kullanılan gömlektir. Gömleğe ait sıcaklık dağılımı Şekil 8’de görülmektedir. Seçilecek plastik malzeme, sürekli olarak bu sıcaklıklarda çalışabilmelidir.
Şekil 8. Gömlek sıcaklık dağılımı
3.2 Doğrulama
Pompanın 100 °C su ile çalışması esnasında, stator sargılarının üzerinden termokupl ile sıcaklık ölçülmüştür. Sıcaklık sabit bir değere ulaşana kadar ölçüm alınmaya devam edilmiştir. Tablo 3’te görüldüğü gibi, sargı başının sıcaklığı 108,1 °C’de maksimum değerine ulaşarak sabitlenmiştir. Analiz sonucunda 108.9°C olarak görünen sargı başı sıcaklığı, deneysel olarak ölçülerek 108,1 °C bulunmuştur. Böylece analiz sonucunda elde edilen sıcaklık dağılımı için doğrulama sağlanmıştır.
Tablo 3. Ölçülen stator sargı başı sıcaklık değerleri
3.3. Sonuç
Analiz sonuçları incelendiğinde, rotor içinde dolaşmakta olan suyun sıcaklığının, motor içi sıcaklık dağılımına etkisinin oldukça fazla olduğu görülmektedir. Sıcak sulu sistemlerde kullanılan motorların, motor kayıpları haricinde bir de suyun sıcaklığı ile ısınacağı göz önüne alınırsa, tasarım esnasında termal analiz zorunlu hale gelmektedir. Motor komponentlerinin sıcaklıklarının düşürülmesi için ise yapılabilecek bazı çalışmalar mevcuttur. Motor gövdesi havayla temas halinde olduğundan, oluşan ısının dışarı atılmasını sağlamaktadır. Gövdenin geometrisi ve malzemesinde yapılacak iyileştirmeler ile motor sıcaklığını düşürmek mümkündür. Bunun için iletim katsayısı yüksek bir malzeme kullanmak ve gövdenin dış yüzeyine kanatçıklar ekleyerek yüzey alanını artırmak gibi yöntemler kullanılabilir. Bu çalışma kapsamında ele alınmamasına rağmen, yapılabilecek diğer bir çalışma ise su giriş-çıkışlarını incelemektir. Su giriş delik çaplarını değiştirmenin motor içi sıcaklık dağılımını nasıl etkilediğine bakılarak bu konuda optimizasyon yapılabilir.
Kaynaklar
1. S. Unai, G.. Almandoz, J. Poza, G.. Ugalde, 2014, “Design of Cooling Systems Using Computational Fluid Dynamics and Analytical Thermal Models”, IEEE Transactions On Industrial Electronics.
2. I. Bilus, M. Hadziselimovic, 2011, “The Analysis of the Thermal Losses in an Induction Motor”, Przeglad Elektrotechniczny (Electrical Review), ISSN 0033-2097.
3. C.A. Cezario, M. Verardi, S.S. Borges, J.C. Silva, A.A.M. Oliveria, 2005, “Transient Thermal Analysis of an Induction Electric Motor”, 18th International Congress of Mechanical Engineering.
4. ANSI/HI Standard 1.3, 2009, “Rotodynamic (Centrifugal) Pumps for Design and Application”
5. P.B. Kadam, J.S. Bagi, 2011, “Performance and Reliability Improvement in the Design and Manufacture of Water Cooled Submersible Pump and Motor by Solid Modeling and CFD”, International Journal of Engineering Science and Technology (IJEST).
