Dirsek ve diğer difüzör tasarım parametreleri geliştirilerek üretilen bronz ejektör pompalarının performansının incelenmesi numerik ve deneysel yaklaşım
Investigation of the performance of bronze ejector pumps manufactured by developing the elbow and other diffuser design parameters numerical and experimental approach
Yazar: TUNCER AYNA
Danışman: DOÇ. DR. SAVAŞ DİLİBAL
İstanbul Gedik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı / Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Su jeti ejektörleri, santrifüj pompalar gibi akışkana enerji veren döner çark olmaksızın, birçok endüstriyel uygulamada, akışkanları transfer etmek için kullanılan cihazlardır. Basit ve bakım gerektirmeyen yapıları, montaj de-montaj kolaylığı, yer tasarrufu ve kullanıldığı sistemlerde enerji tüketimini minimize etmeleri nedenleriyle sivil ve askeri gemilerde, enerji santrallerinde vb. farklı endüstrilerde yangın, soğutma ve akışkan tahliye sistemlerinde tercih edilmektedirler. 
Geçmişten günümüze su jeti ejektörleri için tasarım ve ürün geliştirme döngüleri incelendiği zaman, günümüz gelişen yazılım ve mühendislik yazılımlarıyla tasarım süreçlerinin geliştirilmesi, ürünlerin daha hızlı tasarlanıp piyasaya sürülmesine ve firmaların piyasa ve müşteri taleplerine hızlı cevap verebilmelerine olanak sağlamaktadır.
Tasarım ve ürün geliştirme, birkaç temel sürecin meydana getirdiği iteratif bir döngüden oluşmakta olup, tasarım girdilerini sağlayacak optimum özelliklerde bir ürünü tasarlayabilmek için iteratif olarak birçok tasarım ve iyileştirme çalışmasının yapılması gerekmektedir. Geçmişte kullanılan tasarım döngülerinde, talep edilen tasarım girdilerini sağlayabilecek yeni bir ürünün piyasaya sunulabilmesi için, her bir tasarım konfigürasyonunun prototip imalatları ve onların doğrulama deneylerinin yapılma zorınluluğunun olması nedeniyle, tasarım girdilerini sağlayan yeni bir ürünün ortaya çıkarılması prototip maliyetleri açısından oldukça pahalı ve uzun süreçler gerektiren bir yapıya sahipti. 
Geçmişten günümüze gelişen ileri mühendislik araçlarının tasarım süreçlerine dahil edilmesiyle, ürünlerin tasarımdan piyasaya sunulmasına kadar geçen süreçlerinin, tasarım maliyetleri ve firmaların tasarım esneklikleri önemli şekilde gelişmeler göstermektedir. Günümüzün güncel mühendislik yazılımları olan ('HAD' ve 'FEM') geleneksel tasarım algoritması içine entegre edildiğinde, 'n' adet tasarım bilgisayar ortamında tasarlanıp, tasarım girdilerini karşılayıp karşılamadığı bilgisayar ortamında elde edilebilmesinden dolayı özellikle tasarım ve ürün geliştirme maliyetleri, ciddi şekilde azalmıştır. Bilgisayar ortamında gerçekleştirilen sonsuz sayıda tasarım konfigürasyonlarından optimum tasarımı bulmak için yapılan iteratif çalışma geniş zaman almakta olup konfigürasyonlar arasındaki farklılıkların etkilerini ortaya konulabilmesi için sistematik bir yapıya ihtiyaç duyulmaktadır
Bu kapsamda deney tasarım yöntemi, sayısal analiz entegre edilmiş olan tasarım algoritmasına entegre edildiğinde, deney tasarımında elde edilen boyutsuz oranlar sayesinde, bilgisayar ortamında yapılan tasarım ve analiz sayısı önemli ölçüde azalmaktadır. DoE entegre edilmiş olan tasarım süreci ile bilgisayar ortamında gerçekleştirilen tasarım süreci kısalmıştır. 
Geliştirilmiş olan tasarım metodolojisi ile çalışma kapsamında askeri gemide kullanılan bronz su jeti ejektörünün emme kapasitesi artırılması üzerine çalışılmıştır. Bu kapsamda, bir su jeti ejektörünün geometrik boyutlarının ejektör emme kapasitesi ve verimi üzerine olan etkileri, öncelikle deney tasarımı yöntemi kullanılarak, tasarım konfigürasyonlarının ejektörünü maksimum emme kapasitesi ve maksimum verime ulaştırabilecek olan boyutsuz sayılar, deney tasarımı yöntemiyle (DoE) ile sistematik olarak belirlenmiştir. Deney tasarımı yöntemi ile parametrik olarak belirlenen her geometrik konfigürasyonun yukarıda belirtilen performansları, hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile sayısal olarak hesaplanmış ve elde edilen sonuçlar, tepki yüzeyleri yöntemi kullanılarak, boyutsuz tasarım konfigürasyonlarının üç boyutlu olarak ejektör emme kapasitesi ve verimi üzerine olan etkilerinin eğilimleri ve optimum değerleri bulunmuştur.
Belirlenen oranlar, askeri gemide kullanılan, emme kapasitesi 52,05 m3/h olan su jeti ejektörünün emme kapasitesini iyileştirmek için kullanılmış olup, bu kapsamda iki farklı tasarım konfigürasyonu üç boyutlu oluşturularak, hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemiyle emme kapasiteleri ve verimleri hesaplanmıştır. Optimum değerlere sahip olan iki farklı tasarım konfigürasyonu için, cidar et kalınlığı analizleri yapılarak, üretime esas olan ahşap model üretimi için üç boyutlu model verileri hazırlanmıştır.
İki farklı su jeti ejektörünün tasarım konfigürasyonlarının ana parçaları olan, dirsek, karışım odası ve difüzör parçaları, üretilen ahşap model ve maçaları kullanılarak kum döküm yöntemi ile parçalar firma bünyesinde bulunan dökümhanede bronz malzemeden dökülerek üretilmiştir.
Dökümleri tamamlanan ham parçalar imalat resimlerine göre işlenerek, boyutsal kontrolleri ve montajları yapılarak, ejektörlerin emme kapasitesi ölçümü ve mukavemet dayanımlarının deneysel doğrulamaları Türk Loydu eşliğinde tamamlanmıştır. Elde edilen deneysel sonuçlar sayısal sonuçlar ile karşılaştırıldığında, sonuçların uyumlu ve tatmin edici olduğu görülmüştür.
Çalışma kapsamında deney tasarımı (DoE) yöntemi, sayısal tasarım algoritmasına entegre edilerek askeri gemilerde kullanılan bronz malzemeden üretilmiş su jeti ejektörünün emme kapasitesini geliştirmek için kullanılmıştır. Bir tasarım algoritması ile, su jeti ejektörleri için tasarım ve optimizasyon süreci geliştirilmiştir.
Deney tasarım yöntemi entegre edilmiş tasarım algoritması ile ürün geliştirme süreci %60 mertebelerinde kısalmış olup, prototip maliyetlerini de %30 mertebesinde düşürmüştür.

Abstract:
Water jet ejectors are devices which are used to transfer fluids in many industrial applications. Although they don't have any rotating parts, they give the energy to the fluids like centrifugal pumps. Water jet ejectors are used in civil and military ships, power plants, etc., due to their simple, maintenance-free structures, ease of assembly and disassembly, space saving and minimizing energy consumption in the systems in which they are used. They are preferred in fire, cooling and fluid transfer systems in different industries. When the design and product development cycles for a water jet ejector from the past to today are examined, the development of design processes thanks to the developed software and engineering software allows products to be designed and released faster and companies to respond quickly to market and customer demands.
Design and product development consists of an iterative cycle consisting of several basic processes. Many iterative design and improvement studies are needed to design a product with optimum features providing design inputs. To be able to release a new product providing the design specifications to the market in the design cycles used in the past were very cost and needed more time due to the fact that many prototype productions and their validation tests had to be completed.
Thanks to integration of the advanced engineering tools to the design cycle, cost and time from scratch to the market of a new product has decreased. Additionally, the design capability of the company have increased. When the t engineering software such as CFD and FEM have been integrated to design algorithm, the design configurations of a product to obtain the optimal product providing design inputs have been completed in the computer. Thus, number of 'n' prototype production have dramatically decreased and the design cycle has shortened. Iterative work to obtain the optimum design from an infinite number of design configurations carried out in the computer environment takes a lot of time. A systematic structure is needed to reveal the effects of the differences among the configurations.
When design of experiment method 'DoE' is integrated into the design cycle including numerical analysis which are CFD and FEM, number of design configurations in the computer have dramatically decreased because of the dimensionless ratios obtained from the DoE.Therefore, design cycle in the computer has shortened. 
The developed design has been validated to improve the suction capacity of the bronze water jet ejector used in the naval ship. In this context, the effects of the geometric dimensions of a water jet ejector on the ejector suction capacity and efficiency were determined systematically via DoE method. The dimensionless design configurations, which bring the ejector to the maximum suction capacity and maximum efficiency have been determined by the experimental design method (DoE).
The above-mentioned performances of each geometric configuration of the ejector, which was determined parametrically via the DoE method, have been calculated numerically by the CFD. The obtained results have been determined via response surface method (RSM). The effects of the dimensionless design configurations on the ejector suction capacity and efficiency determined in three-dimensional design. The optimum values in the design have been found. 
In order to improve the suction capacity of the ejector used in the naval ship with 52.05 m3/h suction capacity, the defined ratios from the DoE methodology have been used in the ejector design. Two different design configurations of the water jet ejectors have been designed as 3-dimensional model. In this concept, suction capacities, efficiency and strength analysis of the ejectors have been computed via CFD and FEM method. 3-dimensional wooden patterns data have been completed. 
The main components of two different water jet ejector which are the manufactured wooden patterns of the diffuser, mixing chamber and suction chamber have been completed. The ejector parts have been manufactured as bronze material by sand casting method in the company's foundry.
Casting raw parts such as, diffuser, mixing and suction chamber and the other parts has been machined according to the technical drawings. After machining, dimensional checking and their assembly, validation process of the ejectors which are suction capacity and strength measurement have been completed by the 3.Party named Türk Loyd and the experimental results have been compared to numerical results. The comparison results are satisfied.
Design algorithm which was developed via integrating DoE method to the numerical design algorithm has been utilized for improving suction capacity of the bronze water jet ejector used in military ship in this study. Thanks to this algorithm, product development cycle is shortened by %60, and prototype costs has been nearly decreased %30 percent.

Keywords: Water jet ejector, Ejector performance, Ejector design, CFD simulation, Design Improvement, DOE, CFD.