Oluklu sıvı sızdırmazlık sistemlerindeki kaçak akış miktarının sayısal olarak incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, bir vidalı pompa tasarımı için oluklu sıvı sızdırmazlık sisteminin geometrik özelliklerine bağlı kaçak akış miktarının araştırılması, hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile yapılmıştır. Vidalı pompanın fiziksel özelliklerine bağlı olarak, analizlerde kullanılacak geometrik ve sınır sabitleri belirlenmiştir. Vidalı pompa dakikada 2950 devir ile çalıştığında 10 MPa basınçlı sıvı su üretme kapasitesine sahiptir, sızdırmazlık sistemi bu durum göz önüne alınarak incelenmiştir. Sızdırmazlık yüzeyi için kullanılabilir uzunluk 30 mm ile sınırlıdır ve rotorun yarıçapı 15 mm'dir. Oluk geometrilerinde incelenecek değişkenlerden, rotor stator arasındaki boşluğu tanımlayan kleransın 20 ile 40 mikrometre arasında değişmesi beklenmektedir. Bu sebep ile 20, 30 ve 40 mikrometre değerleri, incelenecek geometrilerin çeşitlendirilmesinde kullanılmıştır. Oluk geometrilerinin boyutlarının çeşitlendirilmesi için genişlikte 1,0 mm ve 1,5 mm; derinlikte ise 0,5 mm ile 1,0 mm kullanılmıştır. Çeşitlendirilmiş bu parametrelere bağlı 4 farklı geometrinin incelenmesi gerçekleştirilmiştir. Bu geometrilerden bir tanesi dikdörtgen şekilli oluk (Model A) iken diğer üç tanesi üçgen şekilli oluk geometrisinde oluşturulmuştur. Üçgen şekillerinin iki tanesi dik kenarlı üçgen şeklinde olup, birinde rotor eksenine dik kenar, akışın oluğa giriş yaptığı bölgede iken (Model B), diğerinde tam tersi olarak rotor eksenine dik kenar oluğun çıkış yaptığı bölgede (Model C) olacak şekilde tanımlanmıştır. Üçüncü üçgen şekilli geometri ise ikiz kenar şeklindedir (Model D). Belirtilen boyutsal ve şekilsel çeşitlendirmeler, beş oluklu modeller üzerinden incelenmiştir. Sızdırmazlık sistemindeki kaçak akış miktarının belirlenmesi için Realizable k-ε Reynolds Averajlı Navier-Stokes modeli; 2 boyutlu modellerde düzlem dışı hız vektörünü hesaplayan Axisymmetric Swirl modeli ile beraber kullanılmıştır. Sonlu hacimler programında tanımlanan akış ortamına, programda tanımlı sıvı su materyali atanmıştır. Sıvı su programda 998,2 kg/m3 öz kütleye ve 0,001003 kg/m-s viskoziteye sahiptir. Akış ortamını doğru tanımlayabilmek için, boyutsuz y+ uzaklığının, duvar sınırındaki ilk hücreler için 3'ten daha küçük olması gerekmektedir. Bu çalışmada y+ değerinin maksimum 1,5 olması hedeflenerek, akış ortamı düzenli hücreler ile ayrıklaştırılmıştır. Akış girişinin tanımlandığı sınır koşulunda 10 MPa toplam basınç tanımlanmış, akışın çıktığı sınır koşulunda ise 0 MPa statik basınç değeri tanımlanmıştır. Rotor ve stator sınırlarının yüzey pürüzlülüğü ihmal edilerek; stator durağan duvar olarak, rotor ise dönme hızı, 2950 rpm'e denk gelen, 309 rad/s olan hareketli duvar olarak tanımlanmıştır. İncelemeler sonucunda en önemli parametrenin rotor stator arası klerans olduğu, bunu takip eden ikincil en önemli parametrenin oluk genişliği olduğu doğrulanmıştır. Kleransa bağlı olarak oluşturulan oluklu modeller, oluksuz modeller ile karşılaştırıldığında, görülmüştür ki, kleransın 20 mikrometre olduğu durumda (Re≈500) oluklar kaçak akış miktarını belirgin bir şekilde arttırmaktadır. 30 mikrometre kleranslı modellerde (Re≈1150) bu belirgin artış azalmakta. 40 mikrometre kleranslı modellerde ise (Re≈2100) oluklar, akış miktarını belirgin bir şekilde azaltmaktadır. Kleransın oluşumunun olasılıksal olması ve kleransın düşük olduğu durumda zaten kaçak akış miktarının azaldığı düşünülerek oluklu sızdırmazlık sisteminin kullanılması uygun görülmüştür.