Üç fazlı sürekli mıknatıslı bir jeneratörde ısı transferinin sayısal ve deneysel olarak araştırılması
Numerical and experimental investigation of heat transfer in a generator with 3 phases permanent magnet
Yazar: MUSTAFA DEMİRCİ
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA İLBAŞ ; PROF. DR. EROL KURT
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Eksenel akışlı fan = Axial flow fan ; Isı geçişi = Heat transfer ; Isı transferi =   ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic

Özet:
Günümüzde elektriksiz bir hayat düşünülemeyeceği için, elektrik makinesiz bir hayat da düşünülemez. Enerji kaynaklarının her geçen gün azalması elektrik makinelerinin verimlerini daha da önemli bir hale getirmektedir. Bu çalışmada daha verimli sürekli mıknatıslı üç fazlı eksenel akılı yeni tip bir jeneratörün soğutulması amacıyla rotorlarından bir tanesi fan olarak tasarlanmıştır. Bu tasarım yapılırken HAD paket programı olan Ansys-Fluent programında benzetim modelleri oluşturulmuştur. Bu modellerde fan için kanat sayısı, kanat açısı ve açısal hızın, akış hızına etkileri incelenmiştir. Çünkü zorlanmış taşınımda akış hızı ne kadar yüksek olursa, soğutma da o kadar etkin olur. Yapılan benzetim sonuçları doğrultusunda en ideal kanat açısının 65 derece, en ideal kanat sayısının da 40 adet olduğu görülmüştür. Yapılan sayısal çalışmalarda kanat kalınlığı 2 mm olarak alınmış, fakat projeden rotor fana ayrılan maddi kaynak ve sanayiyle yapılan görüşmeler neticesinde kanat kalınlığı 5 mm'ye çıkarılmıştır. 2 mm ve 5 mm kanat kalınlığı için tekrar bir benzetim model çalışması yapılmış ve 2 mm'deki akış hızlarının daha yüksek olduğu görülmüştür. Daha sonra deneysel hız ölçümleri yapılmış ve bu ölçümlerle benzetim sonuçları karşılaştırılarak, sonuçların uyumlu çıktığı görülmüştür. Böylelikle benzetim çalışmasının da doğrulaması yapılmıştır. İkinci deneysel çalışma olarak ısıl çiftler yardımıyla jeneratör üzerinde 10 farklı noktadan sıcaklık ölçümleri yapılmıştır. Elde edilen hız ve sıcaklık verileri kullanılarak küçük bobin üzerinde doğal ve zorlanmış taşınım yöntemleriyle ısı transferi miktarı zamana bağlı olarak hesaplanarak karşılaştırılmıştır. 300 rpm açısal hızda 960 saniyenin sonunda doğal taşınımla çevreye verilen en yüksek ısı miktarı 0,09 W iken, bu değer zorlanmış taşınımda 0,26 W olarak hesaplanmıştır. Bakıldığı zaman zorlanmış taşınımla çevreye verilen ısı miktarı zorlanmış taşınımla verilen ısının neredeyse 3 katı olmaktadır. Aynı şekilde 1000 rpm açısal hızda çevreye verilen ısı miktarı doğal taşınımda 0,43 W iken, zorlanmış taşınımda 0,99 W olarak hesaplanmıştır. Burada da zorlanmış taşınım değeri doğal taşınım değerinin 2 katından biraz fazladır. Yapılan duman deneyi sonucunda da jeneratörün üzerinin rotor fan tarafından hava girişini engellemeyecek bir koruma kabiniyle kapatılmasının soğutma verimini arttıracağı görülmüştür.

Abstract:
Nowadays, the day without neither electricity nor electric machine can be thought. The efficiencies of electric machines grow in importance with decrease of energy sources as day pass. In this study, the one of rotors is designed as fan, because cooling of permanent magnet three phase axial flux new type is aimed. The blade angle, number of blades and angular velocity effects on fluid velocity were investigated with using CFD package program Ansys – Fluent, by reason of the higher fluid velocity is mean the better cooling. It was seen that the optimum blade angles are 65 degrees and the optimum number of blades is 40 in the direction of simulation results. The blade thickness is 2 mm in these simulations, but it was manufactured 5 mm as a result of meeting industry and project fund for rotor fan. The simulations with blade thickness are 2 mm and 5 mm were made again, and found of these simulation results are compared with them. The fluid velocity of 2 mm is higher than 5 mm thickness. Then, the fluid velocities were measured experimentally. Results of experimental and simulation were compared with each other and they were seen compatible. In this way, validation of simulation was made. In the second experimental study, the temperatures were measured on generator from 10 different locations with thermocouples. Quantitative of natural and forced convection depending on time was calculated to using temperature and fluid velocity data and they compared with one another. In the end of 960 seconds, while the highest natural convection with 300 rpm angular velocities is 0,09W, the highest forced convection with 300 rpm is 0,26 W were computed. When looked these results, the amount of heat given to the environment by forced convection is almost 3 times the heat given by forced convection. In the same way, at the 1000 rpm angular velocities, the amount of heat given to the environment by natural convection is 0,43 W and by forced convection is 0,99 W were calculated. When determining that results, it could be said that the forced convection is a little more than twice the natural convection at the 1000 rpm angular velocities. As a result of the smoke experiment, it has been observed that the covering of the generator with a protection cabinet that will not prevent air intake by the rotor fan will increase the cooling efficiency.