Milli havacılık uygulamalarında marş generatörü yalıtım arızalarının öngörülü tespitine katkılar

Abstract

Doğru akım elektrik makineleri, kompakt yapıları, düşük maliyetleri ve kolay kontrol edilebilmeleri sayesinde küçük ölçekli hava araçları ile insansız hava araçlarında geniş bir kullanım alanına sahiptir. Özellikle askeri sistemlerde, 28 VDC güç hatlarını beslemek amacıyla ana güç kaynağı olarak tercih edilirler. Ayrıca, hava araçlarının ana motorlarını çalıştırmak için DA marş motorları kullanılır. Bu iki işlevi bir arada gerçekleştirebilen sistemler ise marş generatörü olarak adlandırılır ve tek bir DA makineyle hem marş hem de jeneratör görevi üstlenir. Bu makinelerde marş motoru modundan jeneratör moduna geçiş hızın artası ile gerçekleşir. Yani öncelikle marş generatörleri harici güç kaynağından beslenerek motora marş verirler ve motorda yanma gerçekleştikten sonra motor hızlanmaya başlar bu hızlanma marş modundan jeneratör moduna geçişi sağlar. Hava araçlarında yaygın olarak kullanılan marş generatörleri fırçalı şönt DA elektrik makineleridir. Hava araçları ile farklı irtifalarda faaliyet gösteren fırçalı şönt DA marş motorları değişken fiziksel koşullara karşı sağlıklı ve güvenli bir şekilde çalışmaya devam etmelidir. İrtifa değişimi ile farklılaşan atmosferik koşullar elektrik makinelerinin tüm mekanizması ve özellikle sargı yalıtımları üzerinde stres oluşturmaktadır. Atmosferik koşullarda meydana gelen değişimler sargı yalıtımlarının dielektrik dayanımlarını da etkilemektedir. Bu çalışma ile irtifa değişiminin fırçalı şönt DA marş generatör sargı yalıtımları üzerindeki elektriksel sonuçlarının belirlenmesi hedeflenmiştir. Bu hedef doğrultusunda fırçalı şönt DA marş generatörünün modeli kurulmuş ve çeşitli koşullarda sayısal temelli analizler gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma simülasyon bazlı yaklaşım sunmuştur. Analiz için ANSYS Maxwell 2D yazılımı dahilinde bulunan elektrostatik çözümü kullanılmıştır. ANSYS Maxwell 2D özellikle döner elektrik makineleri, transformatörler ve aktüatörler gibi manyetik alana dayalı sistemlerin tasarım ve optimizasyonunda kullanılan Sonlu Elemanlar Yöntemi tabanlı simülasyon yazılımıdır. Sonlu Elemanlar Yöntemi mühendislik ve fizik problemlerinin sayısal çözümünde kullanılan, karmaşık yapıları basit ve sonlu yapılara bölerek analizlerini gerçekleştiren mühendislik yöntemidir. ANSYS Maxwell 2D ortamında bir fırçalı şönt DA marş generatörü modeli oluşturulmuştur. Marş generatörü modelinde uyarma sargıları, endüvi sargıları ve yardımcı kutup sargıları detaylıca çizilmiştir. Üç sargı yapısı da analiz sonuçlarının güvenilirliğini arttırmak amacıyla fiziksel olarak farklı türlerde seçilmiştir. Uyarma sargıları dairesel kesitli çizilmiş ve ana kutup ile sargı arasında hava boşluğu bırakılmıştır. Endüvi sargıları dikdörtgen kesitli çizilmiş ve sargı olukları ile sargı arasında hava boşluğu bırakılmıştır. Yardımcı kutup sargıları ise dikdörtgen kesitli çizilmiş olup yardımcı kutup ile sargı arasında hava boşluğu bırakılmamıştır. Bu şekilde çeşitli sargı türleri üzerinde irtifa değişiminin etkisi analiz edilebilir olmuştur. Bununla beraber her bir sargı yalıtımı üzerinde çeşitli deformasyonlar oluşturulmuş ve bu deformasyonlarında irtifa etkisi ile analizi sağlanmıştır. Her bir sargı öncelikle deformasyonsuz analiz edilmiş, sonrasında ayrı ayrı çatlak deformasyonu, kabarcık deformasyonu, girinti deformasyonu ve çıkıntı deformasyonu ile analiz edilmiştir. Bu şekilde irtifa etkisini çeşitli koşullarda geçerliliği sınanmıştır. İrtifa etkisi simülasyona sargı yalıtımlarının ve hava boşluklarının dielektrik geçirgenlikleri ile verilmiştir. İrtifa değişimi atmosferik koşulların değişimi ile ilişkilendirilmiş ve değişen atmosferik koşullardan sıcaklık, bağıl nem ve basınç parametreleri değerlendirilmiştir. Basınç, bağıl nem ve sıcaklık değerleri her bir irtifa için belirlenmiş ve bu değerler ile makine dahilinde bulunan yalıtkanların dielektrik geçirgenlikleri irtifa bazında hesaplanmıştır. Marş jeneratöründe yalnızca sargı yalıtımlarının ve hava boşluklarının dielektrik geçirgenlikleri irtifaya bağlı değişken olarak atanmış, sargı çekirdekleri ve makine iskeleti malzemelerinin dielektrik geçirgenlikleri sabit tutulmuştur. Makine dahilinde boşluklar için hava malzemesi tanımlanmıştır. Sargı yalıtımları için ise yüksek kararlılık ve dayanımları nedeni ile havacılık ve uzay uygulamalarında sıklıkla tercih edilen Kapton malzeme tanımlanmıştır. İrtifa etkisi sargı yalıtım malzemesi dielektrik sabitinde yalnızca bağıl nem ile ilişkilendirilmiş, sıcaklık ve basınç parametrelerinden ihmal edilebilir düzeyde etkilendiği için hesaplamaya dahil edilmemiştir. Hava için ise sıcaklık, basınç ve bağıl neme dayalı dielektrik geçirgenlik hesaplanmıştır. Bunlara ek olarak, analizler yalnızca fırçalı şönt DA marş jeneratörü için gerçekleştirilmiş, diğer makine tipleri ve konfigürasyonlar değerlendirme dışı bırakılmıştır. Gerçekleştirilen analizler, her bir deformasyon tipi, irtifa seviyesi ve sargı yalıtımına karşılık gelen senaryolar halinde gruplandırılarak değerlendirilmiştir. Bu kapsamda üç farklı sargı yalıtımı (uyarma sargısı, endüvi sargısı, yardımcı kutup sargısı) için beş deformasyon türü (deformasyonsuz, kabarcık deformasyonlu, çatlak deformasyonlu, girinti deformasyonlu ve çıkıntı deformasyonlu) ayrı ayrı modellenmiş ve her biri beş farklı irtifa seviyesinde (0 ft, 10.000 ft, 20.000 ft, 30.000 ft, 40.000 ft) analiz edilmiştir. Böylece toplamda 75 farklı senaryo oluşturulmuştur. Bu senaryolar üzerinden elde edilen maksimum elektrik alan değerleri karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Analiz sonuçlarında elektrik alan yoğunluklarının sivri uç içeren dikdörtgen kesitli endüvi ve yardımcı kutup sargısı yalıtımlarında daha fazla olduğu görülmüştür. Endüvi sargısı yalıtımı ile yardımcı kutup sargısı yalıtımları arasında da kutup ile arasında hava boşluğu bulunmayan yardımcı kutup sargı yalıtımlarında elektrik alan yoğunluklarının daha yüksek olduğu görülmüştür. Bu çalışmanın asıl amacı değerlendirildiğinde tüm sargı yalıtım ve deformasyon kombinasyonlarında irtifa arttıkça maksimum elektrik alan değerinin arttığı görülmüştür. Bu artış, özellikle yüksek irtifalarda yalıtım malzemelerinde korona oluşumu, kısmi deşarj ve yalıtım delinmesi gibi elektriksel arızaların meydana gelme riskini artırmaktadır. Böyle bir durumda marş generatörünün görevini yerine getirememesi, güç sistemini besleyememesi ya da motoru çalıştırma işlevini kaybetmesi söz konusu olabilir. Bu tür aksaklıklar, hava araçlarında ciddi sonuçlara yol açabileceğinden, marş generatörlerinin tasarım sürecinde irtifa değişiminin yalıtım sistemleri üzerindeki etkilerinin de dikkate alınması büyük önem taşımaktadır. Çalışma ile havacılıkta yaygın olarak kullanılan fırçalı şönt DA marş generatörlerinin yalıtım hataları ve kısa devre arızaları olaylarında irtifa değişiminin kritik bir rol oynadığı doğrulanmıştır. Bulgular, değişken irtifalara ve dolayısıyla değişken hava koşullarına dayanabilen gelişmiş yalıtım malzemelerine veya koruyucu kaplamalara olan ihtiyacı vurgulamaktadır. Çalışma sonuçları yüksek irtifa uygulamaları için gelişmiş yalıtım malzemelerinin seçilmesinin önemini ortaya koymakta ve öngörülü bakım stratejilerinin marş generatörlerinin çalışma ömrünü uzatmaya, güvenilirliği artırmaya yardımcı olabileceğini göstermektedir. Gelecekteki çalışmalar yalıtım bozulma eğilimlerini gerçek zamanlı olarak değerlendirmek için makine öğrenmesi tekniklerini kullanan tahmin bazlı modeller geliştirmeye odaklanmalıdır. Ayrıca yalıtım ömrünü ve güvenilirliğini artırmak amacıyla ileri nanokompozitler ve hibrit yalıtım sistemlerinin kullanımına yönelik araştırmalara devam edilmelidir. Yalıtım sağlığını izlemek için gerçek zamanlı izleme sistemlerinin uygulanması, uçuş sırasında oluşabilecek elektrik arızalarının erken tespitini sağlayarak önlenmesine yardımcı olacaktır. Bu tez çalışması İstanbul Teknik Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi tarafından MYL-2024-46298 proje kodu ile Lisansüstü Tez Projesi kapsamında desteklenmiştir.