The optimization of fan design in totally enclosed type induction motor
Tamamen kapalı tip indüksiyon motorlarında fan tasarımı optimizasyonu
- Tez No: 781841
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SENEM ŞENTÜRK LÜLE
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Enerji Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 73
Özet
Elektrik motorları, elektrik enerjisini mekanik enerjiye çeviren makinelerdir. Bu dönüşüm sırasında manyetik alanlardan ve elektrik akımından yararlanırlar. Enerji açısından verimli elektrik motorları, aynı miktarda çıkış gücü üretmek için daha az güç kullanırlar ve bu da enerji tasarrufu sağlar. Enerji tasarrufu ile ısı üretimi dolayısıyla soğutma ve bakım gibi işletme giderleri azaltılabilir. Uluslararası Elektroteknik Komisyonu (The International Electrotechnical Commission-IEC) elektrik motorları da dahil olmak üzere çeşitli elektrikli ve elektronik cihaz ve sistemler için uluslararası standartlar oluşturur. Elektrik motorlarının güvenilir ve enerji açısından verimli olması için IEC güvenlik, performans ve çevre gerekliliklerine uyması gerekir. IEC 2017 yılında enerji verimliliğini artırmayı ve sera gazı emisyonlarını düşürmeyi amaçlayan nominal çıkış güçleri 0,75 kW ile 375 kW arasında değişen hem iki hem de dört kutuplu motorları kapsayan üç fazlı asenkron motorlar için enerji verimliliği seviyeleri üzerine bir çalışma yapmıştır. Bu çalışmaya göre verim artışı ile 2030 yılına kadar 10 TWh kazanım planlanmıştır. Elektrik motorların verimini etkileyen pek çok faktör bulunmaktadır. Elektrik motorlarının verimini etkileyen en önemli kayıplar stator, rotor, bakır ve sürtünme kayıpları olup, çoğu ısı olarak ortaya çıkar. Fan tasarımları, elektrik motorlarının verimliliğinde ve kullanılan bakır miktarında önemli rol oynar. Verimli bir fan tasarımı ile soğutma performansı artarken, kullanılan bakır miktarı azaltılarak maliyet iyileştirmeleri ve sistem verimliliği sağlanır. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği çalışmaları, özellikle optimizasyon çalışmaları, zamandan ve paradan tasarruf sağlamak için araştırma geliştirme çalışmalarının vazgeçilmezi haline gelmiştir. Elektrik motoru ile ilgili çalışmalarda, fan teorisi ile birlikte, soğutma hesaplamaları için iletim ısı transferi, konveksiyon transferi ve ışınımsal ısı transferi dikkate alınmalıdır. Fan teorisi hava debisi ve güç gibi hedef verilerin fanın geometrik özelliklerinin değişimi ile korelasyonunun incelenmesinden ortaya çıkmıştır ve endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır. Herhangi bir optimizasyon çalışmasına başlamadan önce çıktı gereksinimleri belirlenmelidir. Optimizasyon sırasında birçok parametre kombinasyonu otomatik olarak deneneceğinden, parametrelerdeki değişiklik nedeniyle beklenmeyen hacimlerin oluşmamasını sağlamak gerekir. Hesap ağı kalitesi, ağdan bağımsız sonuç elde edebilme ve y^+ değeri gibi ağ özellikleri tüm parametre çözümleri için aynı olmalıdır. Ayrıca optimizasyon çalışması içerisinde yeterli denemeler de yapılmalıdır. Bir fan optimizasyon çalışmasında öncelikle motor geometrisinin oluşturulması, parametrik fan ve tasarım parametrelerinin çizilmesi, hesap ağının oluşturulması, çözüm metodolojisinin belirlenmesi, sınır koşullarının belirlenmesi, türbülans modelinin belirlenmesi ve mesh bağımsızlık çalışması yapılmalıdır. Ardından validasyon yapılarak optimizasyon çalışmasına geçilmelidir. Bu tezin temel amacı, seçilen bir framedeki motorda radyal kanatlı bir fanın tasarım parametrelerinin motor verimine etkisini incelemek ve tasarımı optimize etmektir. Bu tez, Birleşmiş Milletler sürdürülebilir kalkınma hedeflerinden erişilebilir ve temiz enerji (Hedef 7) ve sorumlu tüketim ve üretim (Hedef 12) hedeflerine direkt hizmet etmektedir. Ayrıca, bileşenlerin artan verimliliğini tespit ederek, sanayi, yenilikçilik ve altyapı (Hedef 9) hedefine katkıda bulunmakta ve sürdürülebilir şehir ve yaşam alanları (Hedef 11) hedefine yardımcı olmaktadır. WAT Motor'da bulunan 7,5 kW gücüne sahip 132 Frame bir gövde ile yapılan çalışmada termal performans incelemesi için hesaplamalı akış dinamiği yöntemiyle yukarıda belirtilen adımlar uygulanarak parametrik analiz yapılmıştır. Fan geometrisinin parametrik çizimi için ANSYS Design Modeler, çizilen parçaların hesap ağının oluşturulması için ANSYS Mesh, çözücü olarak ise ANSYS Fluent kullanılmıştır. Tasarımın optimizasyonu Fluent içerisinde yazılan matematiksel ifadelerin değerlerine göre ANSYS Design Exploration programında gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın valiadasyonu mevcutta bulunan fanlar ile yapılmıştır. Tezin ilk bölümünde elektrik motorunun ve fan uygulamalarının tarihi, sürdürülebilir kalkınma hedefleri, IEC standartları, tezin amacı ve hedefleri ile literatür taraması verilmiştir. İkinci bölümde elektrik motoru çeşitlerinden ve motor içinde oluşan ısı transferi türlerinden, tez çalışmasında kullanılan fan yasalarından ve hesaplamalı akış dinamiği yöntemlerinden bahsedilmiştir. Üçüncü bölümde tez çalmasının validasyonunda kullanılan deneyde kullanılan ısıl-çift, anemometre, termal kamera ve dinamometre tanıtılmıştır. Dördüncü bölümde optimizasyon çalışmasına başlamadan önce yapılan ön hazırlıklardan bahsedilmiştir. Bunlar, motor geometrisinin oluşturulması ve geometrinin temizlenme süreci, tezde kullanılan parametrik modelin çizim aşamaları, hesap ağı oluşturma çalışması, çözüm yöntemlerinin ve kullanılan türbülans metodunun matematiksel ifadesi ve yazılan denklemler olarak özetlenebilir. Bunlara ek bu bölümde ayrıca optimizasyon çalışmasına başlamadan önce sonuçların hesap ağından bağımsız olduğunun gösterildiği hesap ağından bağımsızlık çalışılması anlatılmıştır. Besinci bölümde optimizasyon çalışmalarında kullanılan ANSYS modülünden, belirlenen tasarım sınırlarından, parametrik olarak çalışılacak kombinasyon sayısından ve elde edilen sonuçlardan bahsedilmiştir. Bunların yanı sıra yapılan çalışmadaki hassasiyet verileri ve hata modları açıklanmıştır. Son olarak optimizasyon sonucu elde edilen fan tasarımı ile orijinal fanın kıyaslaması yapılmıştır. Altıncı bölümde tez çalışması yorumlanmış ve gelecekte yapılabilecek potansiyel çalışmalar açıklanmıştır. Tez çalışmasından elde edilen sonuçlar, motor verimine ve debiye en fazla katkı sağlayan parametrenin kanadın pervane çapı olduğunu göstermiştir. Optimizasyon çalışması sonunda ticari fan eşdeğeri fan üretilerek test edilmiş ve değerlendirme testlerinden başarı ile geçmiştir. Çalışmada ortaya çıkan sonuçlara göre optimum fan tasarımının orijinal fana kıyasla verimi %8 arttırdığı ve sargı sıcaklığını 8 °C düşürdüğü görülmüştür. Sargı sıcaklığı düşürülerek motor bobinlerinden yaklaşık 1 kg bakırın azaltılabileceği hesaplanmıştır. Böylece hem sürdürülebilirlik hedeflerine hem de üretim verimliliğine katkı sağlandığı görülmüştür. Gelecekteki çalışmalarda, fan kapağı, gövde içerisinde yer alan kapak geometrik detayları, fin sayısı ve özellikleri, terminal kutusu, gövde et kalınlığı gibi parametrelerin dahil olduğu tamamı parametrik olarak modellenen motorun yapay zeka (AI) ile yapılacak optimizasyon çalışmasının üretim limitleri de göz önünde bulundurularak gerçekleştirilebileceği ön görülmektedir.
Özet (Çeviri)
The energy efficient electric motors use less power to produce the same amount of output power, which saves energy. By saving energy, heat generation thus operating costs such cooling and maintenance can be reduced. The International Electrotechnical Commission (IEC) establishes international standards for various electrical and electronic devices and systems, including electric motors. For electric motors to be reliable and energy efficient, they must comply with IEC safety, performance and environmental requirements. In 2017, IEC conducted a study on energy efficiency levels for three-phase asynchronous motors covering both two- and four-pole motors with nominal output powers ranging from 0.75 kW to 375 kW, aiming to increase energy efficiency and reduce greenhouse gas emissions. According to this study, by increasing motor efficiency, it is planned to gain 10 TWh until 2030. There are several losses degrading efficiency, though. The most important losses affecting the efficiency of electric motors are stator, rotor, copper and friction losses, most of which occur as heat. Fan designs play an important role in the efficiency of electric motors and the amount of copper used. While cooling performance increases with an efficient fan design, the amount of copper used is reduced therefore resulting in cost improvements. The main purpose of this study is to examine the effects of the design parameters of a radial bladed fan on the motor efficiency in a selected frame for a defined load and to optimize the design. The parametric analysis was carried out with the computational fluid dynamics method to examine the thermal performance with a 132 frame body with a power of 7.5 kW in the WAT Motor Company. ANSYS Design Modeler was used for the parametric drawing of the fan geometry, ANSYS Mesh was used for meshing and ANSYS Fluent was used as the solver. The optimization of the design was carried out in the ANSYS Design Exploration program according to the values of the mathematical expressions written in Fluent. The validated study was performed with a commercial fan. According to the results of this study, it was observed that the optimum fan design increased the efficiency by 8% compared to the original fan and reduced winding temperature by 8 °C while keeping the current motor's IEC efficiency constant.
Benzer Tezler
- No-frost soğutucu hava kanalının yanıt yüzeyi optimizasyonu ile tasarlanması ve etkilerinin sayısal olarak incelenmesi
Designing no-frost refrigerator air channel using response surface optimization and investigating its effects numerically
MERT ALPAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
- Davlumbaz fanı tasarımı
Domestic range hood fan design
GÜVEN ERAKTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEYHAN UYGUR ONBAŞIOĞLU
- CFD ve regresyon analizi ile elektrik motoru radyal fan optimizasyonu
Radial fan optimization of electric motor with CFD and regression analysis
İBRAHİM TÜRKOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BİRGÜL AŞÇIOĞLU TEMİZTAŞ
DR. ÖĞR. ÜYESİ BERNA BOLAT
- Eksenel akışlı fan tasarımı
Axial flow fan design
MESUT ÇALIŞKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FIRAT OĞUZ EDİS
- Bir turbofan motor fanının yapısal davranışının incelenmesi ve optimizasyonu
Structural behavior and optimization of a turbofan engine fan
TAHİR SOYUGÜZEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU