Merkezkaç Pompalarda Önçark Uygulamasının Kavitasyona Etkisinin Sayısal Ve Deneysel İncelenmesi

Abstract

Kavitasyon, pompa uygulamalarında performansı olumsuz yönde etkileyen ve pompa elemanlarını kullanılamaz hale getiren önemli bir fiziksel olaydır. Kavitasyonu önlemek adına önçark uygulaması oldukça yaygın olarak kullanılmaya başlanmış bir yöntemdir. Pompa için doğru önçark geometrisini belirleyebilmek adına bugüne kadar önemli ölçüde analitik ve deneysel çalışma yapılmış olup, 2000’li yılların başından beri bu çalışmalar, genellikle sayısal ve özellikle çift fazlı modeller kullanılarak devam etmektedir. Tez kapsamında üç farklı pompa için beş farklı önçarkın sayısal çözümü, deneyleri ve bu sonuçları kullanarak optimizasyonu yapılmıştır. İlk olarak, daha önce bir pompa için imal edilmiş önçarkın, sayısal çözümlemeleri ve deneyleri yapılmıştır. Sayısal çözümlemeler sadece önçark için tek fazlı ve çift fazlı olarak yapılmıştır. Tek fazlı çözümler önçarkın, pompaya bağlanmış halde yapılan deney sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonucunda tek fazlı çözümün önçark performansını tahmin edebilme adına yeterli olduğu düşünülmüştür. Çift fazlı çözümlerde ise kavitasyon oluşumu incelenmiş ve buharın oluştuğu bölgeler beklendiği gibi çıkmıştır. Optimum önçark geometrisini belirlemek adına aynı pompaya ait özellikleri kullanarak farklı geometrilerde sayısal olarak parametrik tarama yapılmış ve en etkili parametrenin kanat uç açısı ile kanat sayısı olduğu belirlenmiştir. Bu bilgileri kullanarak ikinci bir pompada açı ve kanat sayısı değerleri farklı üç adet önçarkın tek fazlı sayısal çözümlemeleri ve deneyleri yapılmıştır. Karşılaştırma sonucunda deneysel sonuçlarla çözümler çok iyi uyuşmamış olsa da, sayısal olarak en iyi sonuç veren önçark deney sonuçlarında da en iyi sonucu vermiştir. İki farklı pompa için yapılan yapılan sayısal sonuçlar boyutsuzlaştırılarak benzerlik analizi yapılmıştır. Benzerlik analizi sonucunda iki farklı pompa için de en iyi sonuç veren önçark geometrileri birbiriyle uyuşmuştur. Bu değerlendirmeye göre herhangi bir pompa için en iyi sonucu veren önçark geometrisinin daha az sayıda sayısal çözüm yapılarak belirlenebileceği düşünülmüş ve üçüncü bir pompa için önçark geometrisi belirlenmiştir. Bu geometrinin sayısal çözümü ve deneyi yapılmış olup, oldukça iyi sonuçlar alınmıştır. Ayrıca üçüncü pompa için önçark, çark ve salyangozun bütünleşik bir sistem olarak çözümü yapılmış ve deney sonuçlarıyla uyumlu çıkmıştır. Üçüncü pompadaki deney sonuçlarında, önçarkın pompanın kavitasyon karakterini yüzde otuz civarında iyileştirmesinin yanında pompa veriminde yüzde dörtlük bir verim artışı sağladığı görülmüştür.

Cavitation is an important phenomenon in turbomachinery, especially in pump applications, that negatively affects the pump performances and damages pump components undesirably. Inducer application in centrifugal pumps have been used widely to avoid cavitation and its damaging effects. In recent years, many investigations have been carried out using analytical, experimental and numerical methods for various inducer and pump geometries. Especially since 2000’s, numerical methods and multiphysics have been used mainly depends on development of computer technology. In this thesis numerical solutions, experimental studies and optimization was carried out for three different pumps and five different inducers. Preliminary, an inducer geometry was computed and tested to validate numerical solution. Numerical solutions were carried out by using single phase and multiphase mathematical models. Single phase results were compared with inducer and impeller integrated system and good agreement was observed between the experiments and numerical results. Cavitation inception and zones were demonstrated on inducer in multiphase solution and vapor generation was observed as expected. Geometric parameters were scanned numerically to optimize inducer geometry for the same pump. Tip angle and blade number were determined as powerful constructive features, affecting inducer performance. Numerical solutions and experiments were performed three inducers which defined different tip angle and blade number, for second pump, using first pumps scanned solutions. Numerical results showed us to good agreement with experiments in case of determining the optimum geometric features, even if absolute values agreement are not. Similarity analysis was performed for inducers of two pumps with nondimensional values. To similarity results, maximum performances of inducer of first pump were agreed with second pump. Third pump was selected and inducer parameters were determined according to evaluation of numerical results of first pump and second pumps inducers. Third pumps inducer tested and the best agreement was observed all of pumps. Also inducer and impeller were analysed as an integrated system to compared test results. The inducer which designed for third pump, improved pump efficiency about four percent as well as reduced about thirty five percent on net positive suction head values of pump.