Santrifüj pompa fanlarının döküm simülasyonu
Solidification modelling of centrifugal pump impeller
Yazar: MURAT ÇOPUR
Danışman: PROF. DR. MEHMET NİYAZİ ERUSLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Bilgisayar destekli modelleme = Computer aided modelling ; Metal döküm = Metal casting

Özet:
Santrifüj pompa fanları, pompaların temel iki karakteristiği olan debi ve basınç üzerinde çok önemli etkiye sahip kritik parçalardır. Günümüzde pompa fanları, hedeflenen debi ve basınç değerlerini sağlayacak şekilde Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yazılımları kullanılarak tasarlanmaktadır. HAD yazılımları, fan kanatları üstünde akan sıvının basıncını dengeleyecek ve kayıpları minimuma indirecek fan geometrisini tasarlamak için kullanılan yazılımlardır. HAD kullanarak geliştirilen bu tasarımlar, genelde hedeflenen debi ve basınç kriterlerini sağlayan ancak kolay ve ekonomik döküm üretiminden uzak geometrilerdir. Döküm aşamasından önce ise pompa tasarım ve dökümhane mühendisleri, pompa tasarım kriterlerini kaybetmeden, fan döküm ekonomisini daha verimli hale getirecek küçük tasarım değişikleri üzerinde çalışmaktadırlar. Döküm verimini artırıp düşük maliyetli fan üretimini sağlayacak, bu küçük tasarım değişiklerinin, besleyici sayısı ve hacminin bağlı olduğu katılaşma süresi ve düzenini nasıl etkilediğini bilmek önemlidir.
Bu sebepten, döküm geometrisi içinde katılaşma konturlarının bilinmesi, doğru besleme yollarının ve besleyici sayısının belirlenmesi için bir gerekliliktir.
Katılaşma analizlerinde kullanılan, iki ve üç boyutlu ısı transfer denklemlerinin klasik ısı transfer yaklaşımlarıyla çözülmesinde karşılaşılan problemler, çözümü gittikçe artan bir şekilde daha gelişmiş analizler yapabilen Sonlu Farklar Metodu (SFM), Sonlu Elemanlar Metodu (SEM) ve Sonlu Hacimler Metodu (SHM) gibi sayısal metotlara kaydırmıştır. Bu tezde, AISI 1016, AISI 304 ve AISI 316 çelik döküm santrifüj pompa fanlarının katılaşması, sonlu Hacimler Metodu kullanan Ansys CFX yazılımı kullanılarak modellenmiştir.
Bu tezde, AISI 1016, AISI 304 ve AISI 316 çeliklerin yaş kum, üretan ve kabuk kalıp-maça içine yapılan dökümlerinin katılaşması ve devamında soğuması Ansys CFX kullanılarak 3 boyutta modellenmiştir. Fan, kalıp, maça ve soğutucuda izotermal sıcaklık dağılımları elde edilmiştir. Döküm sıcaklığının, soğutucu kullanımının, kalıp yoğunluğunun, değişik kalıp-maça malzemelerinin ve alaşımların katılaşma süresi ve düzenine olan etkilerini analiz edecek genel bir model oluşturulmuştur.

Abstract:
Obtaining the solidification order and contours in cast geometries is a necessity to know the last location(s) to solidify in order to define the correct feeding path and the number of risers.
This study presents three-dimensional simulation of transient heat transfer within an impeller, made of AISI 1016, AISI 304 and AISI 316 steels, poured and solidified in green sand, shell and urethane mold and core medium, by using ANSYS CFX. The 3-D solidification contours of the impeller as well as isothermal lines in core and mold media have been obtained. The effects of pouring temperature, use of different chills, density of the mold, different mold/core materials and different alloys on the solidification times were studied and a standard model for the analysis of solidification by using Ansys CFX was developed.