LEE- Makina Mühendisliği Lisansüstü Programı
Bu topluluk için Kalıcı Uri
Gözat
Konu "Centrifugal pumps" ile LEE- Makina Mühendisliği Lisansüstü Programı'a göz atma
Sayfa başına sonuç
Sıralama Seçenekleri
-
ÖgeRadyal pompaların kavitasyon performansının hesaplanması ve iyileştirilmesi( 2020) Kaya, Mehmet ; Ayder, Erkan ; 619649 ; Makine Mühendisliği ; Mechanical EngineeringKavitasyon, buharlaşma basıncının altında basınca maruz kalan akışkanın lokal olarak buharlaşması, bunu takiben buharlaşma basıncının üzerindeki basınçlarda yoğuşarak çökmesi sürecidir. Kavitasyon kaynama gibi sabit basınçta ısı iletimi ile değil, sabit sıcaklıkta basınç düşümünün sonucunda ortaya çıkar. Santrifüj pompaların kavitasyonlu çalışması durumunda hidrolik performans kaybı, gürültü düzeyinde artış ve kavitasyona bağlı çeşitli kararsızlıklar gözlenir. Kavitasyonlu akışlarda çökme prosesinde kabarcık çeperleri oldukça yüksek hızlara ulaşıp mikro jetler meydana getirirler. Eş zamanlı olarak keskin basınç pikleri meydana gelir. Mikro jetler çark kanadı gibi katı cisimlere yakın yerlerde oluşursa kavitasyona bağlı malzeme hasarı oluşur. Sayılan bu olumsuzlukların önüne geçebilmek için pompanın kavitasyon performansının tasarım aşamasında hesaplanabilmesi gereklidir. Pompaların kavitasyon performansını öngörmek için endüstrinin güvenle kullanabileceği, kararlı ve hızlı çözüm yöntemlerinin varlığı genellikle sorgulanmaktadır. Bu çalışmanın amaçlarından biri, belirli özgül hız aralığındaki radyal pompalarda gelişen kavitasyonun sayısal olarak yeterli doğrulukta öngörülebilmesidir. Bu doğrultuda literatür araştırması yapılmış, en güncel kavitasyon modellerinin buhar transport denklemi esasına dayanan homojen kavitasyon modelleri olduğu görülmüştür. Bu yaklaşımda kabarcık dinamiği etkileri kütle transferi denkleminin kaynak terimlerine dahil edilebilmektedir. Üç boyutlu geometrilerde kabarcık dinamiği çözümleri henüz yapılamamakla birlikte, bir boyutlu lülelerde Rayleigh-Plesset kabarcık dinamiği çözümleri mevcuttur. En yaygın olarak kullanan 3 kavitasyon modeli belirlenerek, bu modellerden birinin başarısı öncelikle yakınsak ıraksak lüle akışında değerlendirilmiştir. Sayısal hesaplamaların sonucunda kavitasyona bağlı basınç düşümünün kabarcık dinamiği çözümlerine yaklaşık olarak hesaplanabildiği görülmüştür. Bu aşamadan sonra dönen ve sabit bileşenler içeren, üç boyutlu ve türbülanslı akışın gerçekleştiği pompa problemine geçilmiştir. Çalışma kapsamında dört adet pompanın kavitasyon performansı sayısal ve deneysel olarak incelenmiştir. Özgül hızları 10.4, 12.5, 22.4 ve 34.4 olan uçtan emişli, tek kademeli norm pompalar seçilmiştir. Özgül hızları 10.4, 22.4 ve 34.4 olan pompaların kavitasyon deneyleri açık çevrim test düzeneğinde yapılmıştır. Özgül hızı 12.5 olan dördüncü pompa için silindirik kanatlı yarı açık bir çark tasarlanarak imal edilmiştir. Bu pompada yük düşümü eğrileri ve detaylı kavitasyon yapıları doğrulanmak istendiği için kapalı çevrim bir deney düzeneği kurulmuştur. Deneyler ISO EN 9906:2012 standardının gerektirdiği koşulları sağlayacak biçimde yapılmıştır. Deneyler sonucunda özgül hızları 10.4, 22.4 ve 34.4 olan pompaların Q- ENPY3 eğrileri, dördüncü pompanın da farklı debilerdeki yük düşümü eğrileri elde edilmiştir. Stroboskopik ışık kaynağı kullanarak özgül hızı 12.5 olan pompa çarkında ortaya çıkan kavitasyonlu yapılar görselleştirilmiş, kavitasyon zarfı boyutları ile yük düşümü arasındaki ilişki ortaya konmuştur. Yine bu pompada kavitasyonlu ve kavitasyonsuz gürültü ölçümleri yapılarak kavitasyon - gürültü ilişkileri incelenmiştir. Performans ve kavitasyon karakteristikleri deneysel olarak belirlenmiş olan pompaların 3 boyutlu kavitasyonlu akış analizleri, belirlenen 3 adet homojen modelle yapılmıştır. Hesaplamalara özgül hızı 34.4 olan pompayla başlanmıştır. Pompanın sayısal modeli emme haznesi, çark, salyangoz gövde, salyangoz yan duvar boşlukları, ön ve arka aşınma halkasındaki boşluklar, dengeleme delikleri ve mekanik salmastra sulama deliğini içerecek şekilde oluşturulmuştur. Alternatif olarak çarkın tek pasajı içerisindeki akış modellenmiştir. Optimum çalışma debisinde sayısal ağdan bağımsızlaştırma çalışması yapılarak en uygun sayısal ağlar belirlenmiştir. Sayısal çözümler ilk etapta tek fazlı ve akışkan olarak saf su kullanılarak elde edilmiştir. Sonrasında optimum debide çift fazlı kavitasyon hesaplarına geçilmiştir. Pompa çıkış basıncı adım adım düşürülerek kavitasyon şiddeti artırılmıştır. Her adımda H ve ENPY hesaplanarak yük düşümü eğrileri elde edilmiştir. Pompanın kavitasyon performansı bakımından tam model ve pasaj modeli arasındaki farkın küçük olduğu tespit edilmiştir. Pasaj modelinin kullanımıyla sayısal ağdan tasarruf edilerek kavitasyon hesapların hızlandırılabileceği görülmüştür. Ayrıca giriş-çıkış sınır koşullarının yük düşümü eğrileri üzerindeki etkisi araştırılmış ve en uygun sınır koşulu seti belirlenmiştir. Özgül hızı 34.4 olan pompada uygulanan sayısal yöntemler, özgül hızı 10.4 ve 22.4 olan pompalarda tekrar edilmiştir. Seçilen özgül hız aralığında Singhal modeli ile yapılan hesaplamaların diğer modellere göre deneysel sonuçlara daha yakın netice verdiği görülmüştür. Türbülansın kavitasyonu artıracağı öngörüsü ile çift fazlı akışlarda türbülans viskozitesini düşüren bazı yaklaşımlar mevcuttur. Momentum denklemindeki karışımın türbülans viskozitesi hacimsel buhar oranına bağlı olarak değiştirilmektedir. Buradan hareketle deneylere en yakın sonuç vermiş olan Singhal kavitasyon modeline türbülans düzeltmesi uygulanmış ve özgül hızı 22.4 olan pompanın yük düşümü eğrisi iyileştirilmiş modelle hesaplanmıştır. Kavitasyon modelinin türbülans düzeltmesi yapılarak deneysel sonuçlara daha uyumlu halde getirildiği görülmüştür. Özgül hızı 12.5 olan pompanın sayısal ağı düzenli dörtgen elemanlar kullanarak oluşturulmuştur. Sayısal ağdan bağımsızlaştırma çalışması yapılarak en uygun ağ seçilmiştir. Tek pasaj etrafındaki akış periyodik sınır koşulları altında ilk önce tek faz, sonrasında çift fazlı olarak çözülmüştür. İyileştirilmiş Singhal modeliyle beş farklı çalışma debisinde kavitasyon hesapları yapılmış, elde edilen yük düşümü eğrileri deneysel eğrilerle karşılaştırılmıştır. Sayısal sonuçların deneylerle uyumlu olduğu, hesap hatalarının pek çok durumda tesisat marjı içinde kaldığı görülmüştür. Yük düşümü eğrileri üzerindeki farklı noktalarda hesaplanan kavitasyonlu yapılar deneysel kayıtlarla karşılaştırılmıştır. Geometrik olarak benzer biçimlerin elde edildiği görülmüştür. Kavitasyonlu bölge boğaz kesitine ulaşıp, kanat basma tarafına doğru büyüdüğünde keskin yük düşümlerinin meydana geldiği tespit edilmiştir. Pompa içerisindeki kavitasyonlu bölgelerin boyutu ve ENPY3 değerleri pek çok parametreye bağlıdır. Bunlardan çark emme ağzı çapı, boğaz alanı, kanat sayısı, kanat üzerindeki yük dağılımı, giriş kenarının meridyenel ve plan görünüşteki yerleşimi, ara kanat kullanılması, giriş kenarı profili ve kanat kalınlık dağılımının kavitasyon performansına etkilerini inceleyen çalışmalar literatürden derlenmiştir. Bu çalışmadaysa kanat giriş kenarı eğriliğinin kavitasyon performansına etkisi sayısal yöntemler kullanarak araştırılmıştır. Özgül hızı 30 olan uçtan emişli kapalı çarklı bir norm pompa seçilmiştir. Orijinal pompanın ön ve arka yanak profilleri aynı tutulmuş, giriş kenarı eğriliği farklı olan üç tasarım incelenmiştir. ENPY3 değeri, giriş kenarı eğriliği optimize edilmiş kanatla orijinal tasarıma göre 1.05 m (% 19) iyileştirilmiştir. İyileştirilmiş tasarımda kanat emme yüzeyinde gelişen kavitasyonlu yapıların boyutları, orijinal tasarıma göre daha küçük hesaplanmıştır. Ayrıca kavitasyonun boğaz kesitine daha küçük ENPY değerlerinde ulaştığı görülmüştür. Daha sonra giriş kenarı arka yanakta öne ve geriye doğu uzatılmış, giriş kenarı eğriliği farklı olan altı tasarım daha yapılmıştır. Kavitasyon performansının daha fazla iyileştirilip iyileştirilemeyeceği araştırılmış, giriş kenarı eğriliği ile ENPY3 arasındaki ilişkinin genelleştirilmesi hedeflenmiştir. Bu altı tasarımla, iyileştirilen tasarımın ENPY3 değerinden daha düşük değerler elde edilememiştir. Kavitasyon performansı iyileştirilmiş olan çark imal edilmiş ve bu pompanın kapalı çevrim deney düzeneğinde kavitasyon testleri yapılmıştır. Pompa kavitasyon performansının orijinal tasarıma göre tüm çalışma aralığında artırıldığı görülmüştür. Global üreticilerin Q-ENPY3 eğrileri incelendiğinde, iyileştirilen pompanın ENPY3 değerlerinin rakip birçok ürüne göre daha düşük olduğu görülmüştür. Tüm tasarımlarda giriş kenarı eğriliğine bağlı olarak değişen düzeltilmiş boğaz alanı ve ENPY3 arasında ters orantı olduğu görülmüştür. Giriş kenarı eğriliğinin, girişte geri dönme yaratmamak kaydıyla, düzeltilmiş boğaz alanını maksimize edecek şekilde belirlenmesinin tasarım kriteri olarak kullanılabileceği belirlenmiştir.