ARAŞTIRMA / İNCELEME ISITMA HAVA KOŞULLANDIRMA HAVALANDIRMA SU ŞARTLANDIRMA SU ARITIMI ENERJİ OTOMATİK KONTROL BİNA OTOMASYON Didem Deniz KAYABAŞI İŞ YÖNETİMİ VE ORGANİZASYON MALİYE / FİNANS MÜHENDİSLİK GELİŞTİRME PAZARLAMA / SATIŞ HALKLA İLİŞKİLER / REKLAM EĞİTİM AR-GE KİŞİSEL GELİŞİM DALGIÇ POMPA TASARIM VE ANALİZİ ÜRETİM İHRACAT / İTHALAT MÜŞTERİ HİZMETLERİ SERVİS HİZMETLERİ Alarko Carrier San. Ve Tic. A.Ş. GOSB Gebze Organize Sanayı Bölgesi Şahabettin Bilgisu Cad. 41480 Gebze / KOCAELİ www.alarko-carrier.com.tr info@alarko-carrier.com.tr * Yayın Tarihi: Temmuz 2013 * Yayınlayan: Termodinamik Dergisi * Kaynak gösterilerek kısmen ya da tamamen yayınlanabilir.
DALGIÇ POMPA TASARIM VE ANALİZİ Didem Deniz KAYABAŞI Alarko-Carrier San. ve Tic. A.Ş. ÖZET Bu çalışmada geleneksel yöntemler yerine bir bilgisayar yazılımı kullanılarak dalgıç pompa tasarımı yapılmıştır. Dalgıç pompaya ait çark ve difüzör kanatları yazılımın kullandığı tersten dizayn metodu ile oluşturulmuştur. Elde edilen kanat geometrilerinden çark ve difüzör katı modelleri oluşturulmuş ve bir Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yazılımı kullanılarak tasarlanan dalgıç pompa modelinin akış analizi gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan dalgıç pompanın prototip modeli üretilerek bu model test edilmiş ve HAD analizleri ile testlerden elde edilen pompa karakteristik eğrileri karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonucunda HAD analizlerinden elde edilen değerlerin test değerleri ile uyuştukları görülmüştür. 1. GİRİŞ Hızla ilerleyen sanayi ortamında rekabet edebilmek için firmaların tasarım süreçlerini kısaltmaları gerekmektedir. Bu sebeple dalgıç pompa tasarımında uzun süreçler alan geleneksel yöntemler yerine bilgisayar yazılımlarının kullanılması artık zorunluluk haline gelmiştir. Bu yazılımlar kullanılarak tasarım süreci kısalırken aynı zamanda çalışana düşen iş yükü de azalacaktır. Bilgisayar ortamında yazılımlar kullanılarak gerçekleşen bu süreçte tasarımcı, dalgıç pompa tasarımına ait parametreleri kolaylıkla değiştirebilmekte ve bu değişikliklerin sonuçlarını da kısa süre içerisinde görebilmektedir. Bu sayede geleneksel yöntemler kullanılarak yapılan dalgıç pompa tasarımlarına göre çok daha kısa çalışma sürelerinde istenilen çalışma noktası ve verimde çalışacak dalgıç pompalar tasarlanabilmektedir. Tasarımı yapılan dalgıç pompanın bir katı modelleme programı ile akış analizi için uygun modeli hazırlanarak bir HAD yazılımı ile performans değerleri de elde edilebilmektedir. Böylece performans değerlerini görebilmek için pompanın prototipini üreterek test etmeye gerek kalmayacak ve tasarım maliyeti düşecektir. 2. HİDROLİK TASARIM Dalgıç pompa çark tasarımında öncelikle belirlenmesi gereken tasarlanması istenen pompanın karakteristik eğrisinde en yüksek verim değerine karşılık gelecek olan debi (Q) ve bu debide pompadan elde edilecek basma yüksekliği (H) değerleridir. Tasarıma başlayabilmek için belirlenecek olan bir diğer tasarım parametresi ise çarkın devir sayısı (n) değeridir. Bu değerler belirlendikten sonra izlenecek adım her pompaya ait farklı ve o pompaya özgü olan özgül hız (n s ) değerinin hesaplanmasıdır (1). n s = (1) Literatürde çarklar özgül hız değerlerine göre radyal, karışık akışlı ve eksenel olarak sınıflandırılmışlardır. Belirlenen dizayn noktası değerleri kullanılarak hesaplanan özgül hız
değeri n s =160 olarak bulunmuş ve bu değere karşılık gelen dalgıç pompa çarkının karışık akışlı olacağı belirlenmiştir. Dalgıç pompa çark ve difüzör tasarımı için tersten dizayn yöntemi ile hesaplama yapan bir yazılım kullanılmıştır. Bu tasarım yönteminde, çarka ait tasarım noktası değerleri olan en yüksek verimin gerçekleştiği debi değeri, bu debi değerine karşılık gelen çarkın basma yüksekliği ve çarkın devir sayısı yazılıma tanımlanmıştır. Çark içerisinde akışkanın izlediği meridyonel kanal olarak da ifade edilen kesit belirlenerek tanımlanan tasarım noktasında en yüksek verimi sağlayacak olan 3 boyutlu çark kanat geometrisi yazılımdan elde edilmiştir. Bu çarka ait akış analizi yapılarak verim değerleri ve çark içindeki akış alanı incelenmiştir. Akış alanında verim değerlerini etkileyebilecek geri akışların olduğu bölgeler belirlenmiş ve tasarım esnasında bu bölgelerde çeşitli iyileştirmeler yapılarak en verimli tasarıma ulaşılana kadar bu işlem tekrarlanmıştır. En verimli çark tasarımına ulaşıldıktan sonra bu çarktan çıkan akışkanın fiziksel değerleri kullanılarak dalgıç pompaya ait difüzörün kanat tasarımına geçilmiştir. Difüzörün kanat geometrisi de çark tasarımında olduğu gibi aynı yazılım kullanılarak elde edilmiştir. Tasarımı tamamlanan kanat geometrileri üç boyutlu bir katı modelleme programı aracılığı ile çark ve difüzör olarak sırasıyla Şekil-1 de ve Şekil-2 de görüldüğü gibi modellenmiştir. Şekil-1. Çark Katı Modeli Şekil-2. Difüzör Katı Modeli 3. HAD ANALİZİ Katı modelleme programında HAD analizi için uygun bir model oluşturulurken öncelikle çark ve difüzör geometrileri montajı yapılmış daha sonra bu modele ek olarak emiş yönünde çarka giren ve basma yönünde difüzörden çıkan silindir şeklinde su hacimleri oluşturularak analiz modeli tamamlanmıştır (Şekil-3). Ayrıca model hazırlanırken ağ oluşturmada sorun yaratacak küçük boşluklar gözardı edilerek kapatılmış böylece analiz sırasında meydana gelebilecek stabilite problemlerinin önüne geçilmiştir.
Şekil-3. HAD Analizi için Hazırlanan Katı Model Hazırlanan analiz modeli HAD çözümlemesi yapan bir yazılıma aktarılarak analiz için uygun ağ ayarları seçilmiştir. Ağ oluşturulurken çark ile çevresini içine alan ve dönen bölge olarak ifade edilen akış hacmi (Şekil-4) ile difüzör içindeki akış hacmi için daha küçük eleman boyutları seçilerek bu bölgelerde daha sık bir ağ yapısı oluşturulmuştur (Şekil-5). Çarka giren ve difüzörden çıkan akış hacimlerinde ise çark ve çevresine göre daha kaba bir ağ yapısı oluşturulmuştur (Şekil-6). Şekil-4. Çark İçindeki Akış Hacmi Ağı Şekil-5. Çark ve Difüzör İçindeki Akış Hacmi Ağı Şekil-6. Analiz Modelindeki Akış Hacminin Ağ Yapısı
Ağ işleminden sonra modele ait sınır koşulları belirlenmiştir. Sınır koşulu olarak modelde su giriş yüzeyinde 0 Pa efektif basıncı tanımlanırken su çıkış yüzeyinde debi değeri tanımlanmıştır. Pompa karakteristik eğrisini elde etmek için 30-100 m 3 /h debi aralığında 8 farklı noktada debi değerleri değiştirilerek analiz tekrarlanmıştır. Analiz ile elde edilen sonuçlar kullanılarak pompaya ait basma yüksekliği ve verim değerleri hesaplanmıştır. Basma yükseklikleri hesaplarında Şekil-8 de görülen 1 ve 2 kesitleri için Bernoulli Eşitliği (2) kullanılmıştır. (2) Şekil-7. HAD Analizi Sonrası Dalgıç Pompanın Su Giriş ve Çıkış Değerlerinin Okunduğu Kesitler Analiz sonuçlarından, dönen bölge eksenindeki tork değeri kullanılarak önce pompanın hidrolik verimi (3) daha sonra da toplam verim değeri (4) hesaplanmıştır. h = (3) t = h. m. v (4) Farklı debi değerlerinde tekrarlanan analiz sonuçlarından hesaplanan basma yüksekliği ve verim değerleri ile pompa karakteristik eğrileri oluşturulmuştur. Tasarımı yapılan dalgıç pompanın prototipi imal edilerek test edilmiştir. HAD analizi ile elde edilen karakteristik eğriler ve prototip testleri sonucunda çizilen karakteristik eğriler birbirleriyle karşılaştırılmış ve değerlerin birbirleriyle tutarlı oldukları görülmüştür (Şekil-8 ve Şekil-9).
[%] H [m] 24 H - Q 22 20 18 16 14 12 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Q [m 3 /h] HAD TEST Şekil-8. HAD Analizi ve Test ile Elde Edilen Pompa H-Q Eğrilerinin Karşılaştırması 70 - Q 60 50 40 30 Şekil-9. HAD Analizi ve Test ile Elde Edilen Pompa -Q Eğrilerinin Karşılaştırması 4. SONUÇ 20 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Q [m 3 /h] HAD TEST Bu çalışmada bir bilgisayar yazılımı kullanılarak dalgıç pompa tasarımı yapılmış tasarımı yapılan dalgıç pompanın bir HAD yazılımı ile performans değerleri elde edilmiştir. Geleneksel tasarım yöntemleri yerine bilgisayar yazılımları kullanılarak gerçekleştirilen dalgıç pompa tasarımının çok daha kısa sürelerde yapılabileceği görülmüştür. Tasarlanan dalgıç pompanın prototipi üretilerek bu prototipin testleri gerçekleştirilmiştir. Test sonuçlarından elde edilen pompa karakteristik eğrileri ile HAD yazılımından elde edilen karakteristik eğrileri karşılaştırılmış ve iki eğrinin birbirlerine çok yakın değerler verdikleri görülmüştür.
KAYNAKLAR 1. Tuzson, John., Centrifugal Pump Design, John Wiley & Sons, Inc., 2000 2. Labanoff, Val S., Ross, Robert R., Centrifugal Pumps Design & Application, Gulf Publishing Company, 1985 3. Lazarkiewicz, Stephen, Troskolanski, Adam T., Impeller Pumps, Permagon Press Ltd., 1965 4. Karassik, Igor J., Centrifugal Pump Clinic, Marcel Dekker, Inc., 1964 SUMMARY Although there still conventional methods are used to design submersible pumps, these methods have many disadvantages. It takes a lot of time and effort to design a new pump with conventional methods. Nowadays, the time for designing a new pump can be shortened, the employee s workload and the cost can be reduced by using a computer software instead of conventional methods. In this study a computer software has been used to design a submersible pump. A prototype of the designed pump has been produced. The characteristic curves of the pump has been obtained by using a Computational Fluid Dynamics (CFD) software and testing the prototype at the same time. The characteristic curves obtained by CFD analyses and tests of the designed submersible pump have been compared and the results have been seen in agreement with each other. It can be concluded that a new submersible pump can be designed in a short time by using a design software and the characteristics of the pump can be obtained by using a Computational Fluid Dynamics software more cost-effectively instead of manufacturing a prototype and testing it.