Pompalarda zamana bağlı akış koşullarında oluşan basınç çalkantıları ve akış kaynaklı titreşimlerin sayısal deneyler ve laboratuvar deneyleri ile incelenmesi
Investigation of pressure fluctuations and flow-induced vibration at unsteady flow conditions in pumps by numerical and laboratory experiments
Yazar: ÖZGÜR CANBAZ
Danışman: PROF. DR. NURİ YÜCEL ; PROF. DR. KAHRAMAN ALBAYRAK
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, iki farklı özgül hızdaki pompada zamana bağlı akış koşulları sayısal deneyler ve laboratuvar deneyleri ile incelenmiştir. Sayısal ve laboratuvar deneyleri incelemeleri için düşey milli eksenel bir pompa ve yatay milli radyal bir pompa tasarımı ve imalatı yapılmıştır. Sistem karakteristiğindeki değişimler nedeniyle pompaların tasarım noktalarının dışında, kısmi yükte veya aşırı yükte, çalıştırılmalarının performansa olan etkisi, zamana bağlı akış değişikliklerinin etkisi ile oluşan basınç ve titreşim değişimleri ölçülmüştür. Ölçülen değerler sayısal değerler ile karşılaştırılmıştır. Pompaların performansını belirlemek için, debi, pompa giriş-çıkış basınçları, pompa dönme hızı ve güç ölçümü yapılmıştır. Kısmı yük ve aşırı yük bölgeleri tespit edilmiştir. Eksenel pompada çark ile difüzör arasına, yatay pompada çark çıkışında çevresel olarak farklı noktalara yerleştirilen piezoelektrik basınç algılayıcısı kullanılarak basınç değişimleri iki pompa için de ölçülmüş, eş zamanlı olarak pompalarda elde edilen titreşim spektrumları ile basınç spektrumlarının karşılaştırmaları yapılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre bu tez çalışmasında incelenen pompalarda geliştirilen deney düzeneği ve HAD analizleri ile pompaların içerisindeki zamana bağlı değişen akış tespit edilebilmiştir. Çark giriş ve çıkışındaki döngüsel akış yapısı ortaya konulmuştur. Akış koşullarının değişiminin pompa tipine bağlı olarak farklılıkları incelenmiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda eksenel pompada çalışma aralığının alt limiti en verimli noktadaki debinin %84'ü, yatay pompada %65'i olarak bulunmuştur. RMS basınç çalkantı katsayısı en verimli debide eksenel pompada 0,02 değerinde iken yatay pompada 0,01 değerindedir. Kapalı vanaya doğru gidildikçe eksenel pompada RMS basınç çalkantı katsayısı en verimli debideki değerin 6 katına kadar çıkmakta, radyal pompada ise 2,4 katına çıkmaktadır. Eksenel pompaların kısmi yükte çalıştırılmaları durumunda basınç çalkantılarının mekanik olarak pompaya etkilerinin daha fazla olacağı söylenebilir. Tasarım iyileştirmelerinde pompalarda, çark giriş-çıkış çaplarının, çıkış genişliklerinin, giriş açılarının, eksenel pompalar için airfoil seçimleri, kanat sayısı ve yönlendirici kanatlar arası mesafenin seçimleri zamana bağlı etkilerin azaltılması bakımından dikkatli yapılmalıdır.

Abstract:
In this study, unsteady flow in pumps at two different specific speed is investigated with numerical and laboratory experiments. A vertical shaft axial flow pump and a horizontal shaft radial flow pump are designed and manufactured for numerical and laboratory experiments investigations. Due to changes in system characteristics, the effects of operating pumps away from the design points, part-load or over-load, on the performance, pressure and vibration changes due to the effect of unsteady flow is measured. Measured values are compared with the numerical values. Flowrate, pump inlet-outlet pressures, pump rotational speed and power measurements are done to determine the performance of the pumps. Part-load and over-load regions are determined. Pressure fluctuations are measured for both pumps using piezoelectric pressure transducer placed at location between the propeller and diffuser in axial flow pump and circumferentially different locations at impeller outlet in radial flow pump. Simultaneously, vibration spectrums and pressure spectrums are compared. The unsteady flow inside the pumps is obtained using the experimental setup developed for this study and CFD. The inlet and outlet recirculation are determined. Operating at different flow rate at different type pump is investigated. According to the results, the allowable operating limits for part-load determined as 84% of best efficiency flow rate for axial flow pump, 65% of best efficiency flow rate for radial flow pump. The RMS pressure fluctuation coefficients are 0.02 for axial flow pump, 0.01 for radial flow pump at best efficiency flow rate. With decreasing flow rate towards to closed valve, RMS pressure fluctuation coefficients increase up to 6 times in the axial flow pump and 2.4 times in the radial flow pump. It is determined that the mechanical effects of pressure fluctuations on the pump will be more at operating at part-load flowrate for axial flow pumps. In design improvements, the selection of impeller inlet-outlet diameters, outlet widths, inlet angles, airfoil selection for axial flow pumps, number of blades and distance between guide vanes should be done carefully in order to reduce the unsteady effects.