Santrifüj pompalarda kavitasyonun modellenmesi
Modelling of cavitation in centrifugal pumps
Yazar: AYDIN HACI DÖNMEZ
Danışman: PROF. DR. ZEHRA YUMURTACI ; DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Santrifüj pompaların yanlış koşullarda işletilmesi sırasında görülen kavitasyon olayı pompanın ömrünü sınırlayan en önemli sorun olarak karşımıza çıkmaktadır. Bununla birlikte, bazı pompaların kavitasyona karşı dirençleri düşüktür ve işletilmesi sırasında kavitasyona maruz kalarak çalışmaktadır. Bu çalışmada kavitasyon sorunu yaşayan mevcut ticari bir santrifüj pompanın hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yardımı ile kavitasyon performansı iyileştirilmiştir. Bunun yanı sıra kanat giriş açısı ve örtme açısının pompanın kavitasyon performansına etkisi detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bahsi geçen açıların hem ön hem de arka yanaktaki değerleri için iki fazlı HAD analizleri yapılarak bu açıların ön ve arka yanaktaki değerlerinin etkisi ayrı ayrı incelenmiştir.
Tez beş ana bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde kavitasyon olgusu incelenerek konu hakkında literatürde görülen çalışmalar hakkında detaylı bilgi sağlanmıştır.
İkinci bölümde katı model çizimleri temin edilen pompanın sayısal modellenmesi yapılmıştır. Çark geometrisi üzerinde HAD analizlerinin yapılabilmesi için gerekli düzenlemeler yapıldıktan sonra modelin HAD analizleri yapılarak sonuçların deneysel veriler ile örtüştüğü gösterilmiştir.
Çalışmanın temel amaçlarından biri de kanat giriş açısı ve örtme açısının pompanın kavitasyon performansına etkisini incelemektir. Bu nedenle bahsi geçen pompa Ansys BladeGen modülü kullanılarak basma yüksekliği, debi, devir sayısı ve kanat açıları ile örtme açısı gibi değişkenler cinsinden ifade edilerek parametreleştirilmiştir. Böylelikle, her bir tasarım için katı model programı kullanılarak çark geometrisi tek tek elde edilmek zorunda kalınmamış ve etkisi incelenmek istenen parametrenin değerinin doğrudan girilmesi ile akış hacmi elde edilmiştir. Yapılan iki fazlı HAD analizleri sonucunda parametreleştirilen pompanın sonuçlarının firmadan temin edilen çüpompa geometrisi üzerinde yürütülen sayısal çalışmanın sonuçları ile son derece uyumlu olduğu görülmüştür.
Dördüncü bölümde kanat giriş ve örtme açılarının ön ve arka yanaktaki değerlerinin pompanın kavitasyon performansına etkisi hem ayrı ayrı hem de birlikte incelenmiştir. Yapılan farklı tasarımlar içinden en iyi tasarım elde edilerek sonuçlar parametreleştirilen pompanın verileri ile karşılaştırılmıştır.
Son olarak, Taguchi yöntemi kullanılarak çok parametreli bir optimizasyon yapılmıştır. Taguchi'nin deney tasarımına göre farklı geometrilerilere ait kavitasyon testleri CFD yardımı ile yapılmıştır. Elde edilen sonuçların sinyal gürültü oranlarına göre en iyi tasarıma ortaya konmuştur.
Çalışmaya ait sonuçlar ve öneriler ise altıncı bölümde verilmiştir.

Abstract:
Cavitation, which occurs mostly due to the operation in inappropriate conditions, is the most important problem that limits the service life of centrifugal pumps. However, some centrifugal pumps are low-resistive to cavitation and are exposed to cavitation during their operation. In this study, cavitation performance enhancement of a commercial centrifugal pump is achieved via computational fluid Dynamics (CFD). Besides, the effect of inlet blade angle and wrap angle on cavitation performance of the centrifugal pump are investigated in detail. Two phase CFD study is conducted for both hub and shroud aforementioned angles so, the effect of hub and shroud values of these angles are investigated separately.
The study consists of five chapters. In the first chapter, the cavitation phenomenon is explained and a detailed literature review about the topic is provided.
In the second chapter numerical modelling of the pump is conducted after providing 3D sketches. After the required modification on the impeller sketch, two phase CFD study is carried out and it is seen that the results are good agreement with the experimental data.
One of the main objectives of the study is to investigate the effect of inlet blade angle and wrap angle on cavitation performance of the pump. For this purpose, the pump is parameterized with Ansys BladeGen module by using main pump design parameters such as head, discharge, rotational speed, blade angles and wrap angle. Thus, instead of using a 3D CAD programme for each design, the value of desired parameter is set as data input and the flow volume is created automatically. According to the two phase CFD studies results of the parameterized pump are extremely in good agreement with the numerical pump results in previous section.
In the fourth chapter the effect of inlet blade angle and wrap angle both at hub and shroud are investigated. The effect of hub and shroud inlet blade and Wrap angles are investigated separately and simultaneously. Afterwards, the results of best design are compared with the parameterized pump.
Finally, a multi parameter optimization is conducted with Taguchi method. According to the Taguchi design of experiment, cavitation tests are conducted via CFD and the best design is obtained according to the signal noise ratios.
The results and discussion about the study is given in the sixth chapter.