Dalgıç pompa motorunun farklı çalışma koşulları altında termal analizi / Effect of geometrical parameters of the impeller-diffuser on submersible pump performance

Abstract

Yeraltı sularını yüzeye çıkarmanın ana araçları olan dalgıç pompalar tarımsal sulamada, petrol endüstrisinde, jeotermal alanlarda ve benzeri uygulamalarda yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Çoğu uygulamada, özellikle de tarımsal sulamada, dalgıç pompalar işletme sürecinin ana enerji girdileridir. Dalgıç pompalar metrelerce yer altında çalıştıklarında bakım veya arıza durumunda sisteme yönelik müdahalede çok büyük zorluklar söz konusudur. Tez çalışmasının önerilme aşamasında konu ile ilgili faaliyet gösteren firmalar ile yapılan görüşmelerde, dalgıç pompalarda motor ömrünün pompa ömrüne nazaran çok daha düşük olduğu anlaşılmıştır. Firmalar bir dalgıç pompanın ömrünü yaklaşık olarak motor ömrünün 5 katı olduğunu belirtilmişlerdir. Buna dair ulusal veya uluslararası herhangi bir istatiksel veriye ulaşılmamasına rağmen ilgili firmaların dalgıç motor ve pompa satış verilerinden çıkarılmıştır. Bir dalgıç motorunun ömrünü belirleyen ana parametre motorun çalışma esnasında termal performansıdır. Motorlardaki termal performans ölçütü; kayıplar sonucu üretilen ısının gövdeden uzaklaştırma hızıdır. Bu nedenle termal performansı artırmaya yönelik yöntemler geliştirilebilmesi için motor iç yapısı ve çalışma ortamını birlikte değerlendirilmesi gerekir. Bu tez çalışmasında dalgıç bir asenkron motorun termal davranışı farklı çalışma koşullarında deneysel ve nümerik olarak araştırılmıştır. Çoğu kez eş zamanlı yürütülen deneysel ölçüm ve nümerik hesaplamalarda, motorun iç yapısındaki akış alanın ısı ve akış karakteristikleri tanımlandı ve alternatif bir soğutma sistemi geliştirilmiştir. Deneysel ölçümlerde, motor sıvısının ve motor yüzeyinden 9 noktadan sıcaklık ölçümlerine eş zamanlı motorun devri, torku, mil gücü, aktif güç, akım ve motor verimi ölçülmüştür. Yapılan ölçümler ile referans alınan motorun termal davranışının motor performansına etkisi tanımlanmıştır. Tez çalışması sürecinde yürütülen nümerik çalışmalar ile (i) üç farklı devir sayısı, (ii) kuyu ortamında motor yüzeyinde dikey yönde akış hızı ve (iii) motor sıvısının devir daiminin motor termal davranışına etkileri araştırılmıştır. Yürütülen deneysel çalışmalarında motor termal davranışının motor performans verileri üzerinde dramatik bir etkisinin olduğu tespit edilmiştir. Elde edilen deneysel ölçümler çerçevesinde tanımlanan hesaplama alanlarında yürütülen CFD simülasyonlarında, iki temel sonuca varılmıştır; (1) motor devrinin motor termal davranışı üzerinde çok kısıtlı bir etkisinin olduğu ve (2) endüstride yaygın olarak kullanılan su ceketi yöntemi yerine motor sıvısının devir daimî yönteminin motor termal davranışı üzerinde etkilerinin belirgin bir şekilde daha uygun olduğu görülmüştür. Submersible pumps, which are the main means of removing groundwater to the surface, are widely used in agricultural irrigation, oil industry, geothermal fields and similar applications. In most applications, especially in agricultural irrigation, submersible pumps are the main energy inputs of the operation process. When submersible pumps work in underground meters, there are major difficulties in system intervention in case of maintenance or failure. At the stage of the thesis study, it was understood that the motor life in submersible pumps was much lower than the pump life in the interviews with the firms operating in the subject. Companies have stated that the life of a submersible pump is approximately 5 times the motor life. Although no national or international statistical data has been reached regarding this, the submersible motor and pump sales data of the related companies have been removed. The main parameter that determines the life of a submersible motor is its thermal performance during operation. The thermal performance criterion in motors is the speed at which the heat generated by the losses is removed from the body. Therefore, it is necessary to evaluate the internal structure and working environment together in order to develop methods for increasing thermal performance. In this thesis, thermal behavior of a submersible asynchronous motor is investigated experimentally and numerically under different operating conditions. In the experimental measurements and numerical calculations, which were carried out frequently, the heat and flow characteristics of the flow area in the internal structure of the motor were defined and an alternative cooling system was developed. In the experimental measurements, the motor speed, torque, spindle power, active power, current and motor efficiency were measured simultaneously from the point of temperature measurements of motor fluid and motor surface. The effects of the thermal behavior of the motor, taken as reference, on the motor performance are defined. In the numerical studies carried out during the thesis study, (i) three different speeds, (ii) vertical flow velocity on the motor surface in the well environment and (iii) the effects of motor fluid circulation were investigated on motor thermal behavior. In the experimental studies carried out, it was found that motor thermal behavior had a dramatic effect on the motor performance data. In the CFD simulations carried out in the calculation areas defined within the framework of the experimental measurements, two main conclusions were reached; (1) the motor speed has a very limited effect on motor thermal behavior; and (2) the effects of the circulating method of the motor fluid on the motor thermal behavior are significantly more suitable than the water jacket method commonly used in the industry.