Tek kademeli santrifüj pompalarda dengeleme deliklerinin pompa performansına etkisinin sayısal ve deneysel araştırılması
Numerical and experimental investigation of the effect of balancing holes on pump performance in single stage centrifugal pumps
Yazar: SELAHATTİN SEFACI
Danışman: PROF. DR. SAİM KOÇAK
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Dengeleme = Balancing ; Eksenel kuvvet = Axial force ; Optimizasyon = Optimization ; Pompa verimi = Pump efficiency ; Rulmanlar = Bearings ; Santrifüj pompalar = Centrifugal pumps ; Taguchi deneyleri = Taguchi experiments

Özet:
Tez çalışmasında santrifüj pompalarda eksenel yüklerin azaltılmasında kullanılan dengeleme deliklerinin delinmesi yönteminin pompa verimi ve eksenel yükler üzerindeki etkisi sayısal ve deneysel olarak incelenmiştir. Çalışmada ticari olarak üretilmekte olan tek kademeli bir santrifüj pompa seçilmiştir. Seçilen pompanın gövde tasarımlarında hiçbir değişiklik yapılmadan sadece çark üzerine belirli parametreler ve seviyeleri doğrultusunda optimizasyon yöntem ve programları kullanılarak Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yardımıyla dengeleme deliklerinin tasarım optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Optimizasyon çalışmasında Taguchi Deneysel Tasarım Yöntemi (TDTY) ve Direct Optimization, HAD analizleri için Ansys Fluent programı kullanılmıştır. Optimum sonuca ulaşmak amacıyla dengeleme delikleri üzerinde delik merkezi açısı, delik çapı, delik merkezi çapı ve delik adeti olmak üzere dört parametre tespit edilmiştir.
Optimizasyon çalışmalarının ilk aşamasında L16 ortogonal dizisinde TDTY kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar tek ve çok amaçlı olarak sinyal/gürültü (S/N) oranı ve varyans analizi (ANOVA) ile değerlendirilmiştir. Dengeleme deliksiz pompa ile kıyaslandığında TDTY ile tasarlanan dengeleme delikli pompanın rulman ömrü 2160 çalışma saatinden 510000 çalışma saatine çıkarken Minimum Verimlilik İndeksi (MEI) 0.462'den 0.276 değerine düşmüştür. Optimizasyon çalışmalarının ikinci aşamasında ise Direct Optimization kullanılmıştır. Yapılan tanımlamalar ve sınırlandırmalara göre optimizasyon hedeflenen sonuçlara yaklaşıncaya kadar toplamda 111 sayısal analiz gerçekleştirilmiştir. Optimizasyon çalışması yaklaşık 280 saat içerisinde tamamlanarak en iyi sonuçları veren 3 aday geometri elde edilmiştir. Sayısal analizler ve karşılaştırmalar neticesinde dengeleme deliksiz pompaya göre optimize dengeleme delikli pompanın rulman ömrü 2160'den 320000 çalışma saatine çıkarken MEI değeri 0.435 olarak hesaplanmıştır.
Çalışmanın son kısmında optimize dengeleme delikli pompa üretilip performans deneyleri yapılmıştır. Performans deneyleri sonuçlarında optimize dengeleme delikli pompanın dengeleme deliksiz pompaya göre basma yüksekliği ve pompa verimi değerlerinde sırasıyla yaklaşık %0.23 ve %0.28 azalma meydana gelirken, güç değerlerinde %0.05 artış tespit edilmiştir. Bununla beraber MEI değerleri 0.435'ten 0.415 değerine düşmüştür. Ancak rulman sıcaklıkları dengeleme deliksiz pompada 65 °C iken optimize dengeleme delikli pompada 40 °C olarak ölçülmüştür

Abstract:
In the thesis study, the effect of drilling balancing holes, which is used to reduce axial loads in centrifugal pumps, on pump efficiency and axial loads has been investigated numerically and experimentally. 
A commercially produced single-stage centrifugal pump was chosen for the study. The design optimization of the balancing holes was carried out with the help of Computational Fluid Dynamics (CFD), by using only optimization methods and programs in line with the parameters and levels on the impeller, without making any changes in the body designs of the selected pump. Taguchi Experimental Design Method (TDTY) and Direct Optimization were used for optimization study and Ansys Fluent program was used for CFD analysis. In order to achieve the optimum result, four parameters were determined on the balancing holes: hole center angle, hole diameter, hole center diameter and number of holes.
In the first stage of the optimization studies, TDTY was used in the L16 orthogonal array. The obtained results were evaluated with single and multi-purpose signal/noise (S/N) ratio and analysis of variance (ANOVA). Compared to the pump without balancing hole, the bearing life of the pump with balancing hole designed with TDTY increased from 2160 operating hours to 510000 operating hours, while the Minimum Efficiency Index (MEI) decreased from 0.462 to 0.276. In the second stage of the optimization studies, Direct Optimization was used. According to the definitions and limitations made, a total of 111 numerical analyzes were carried out until the optimization approached the targeted results. The optimization study was completed in approximately 280 hours and 3 candidate geometries with the best results were obtained. As a result of numerical analyzes and comparisons, the bearing life of the pump with optimized balancing hole compared to the pump without balancing hole increased from 2160 to 320000 operating hours and the MEI value was calculated as 0.435.
In the last part of the study, a pump with optimized balancing hole was manufactured and performance tests were carried out. As a result of the performance tests, the head and pump efficiency values of the pump with optimized balancing hole decreased by 0.23% and 0.28%, respectively, while the power values increased by 0.05% compared to the pump without balancing hole. Therefore, the MEI values decreased from 0.435 to 0.415. However, bearing temperatures are measured at 65 °C for the pump without balancing hole and 40 °C for the pump with optimized balancing hole.