ISITMA

HAVA KOŞULLANDIRMA

HAVALANDIRMA

SU ŞARTLANDIRMA

SU ARITIMI

ENERJİ

OTOMATİK KONTROL

BİNA OTOMASYON

İŞ YÖNETİMİ VE ORGANİZASYON

MALİYE / FİNANS

MÜHENDİSLİK GELİŞTİRME

PAZARLAMA / SATIŞ

HALKLA İLİŞKİLER / REKLAM

EĞİTİM

AR-GE

KİŞİSEL GELİŞİM

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

ARAŞTIRMA / İNCELEME

Didem Deniz KAYABAŞI

DALGIÇ POMPA TASARIM VE ANALİZİ

* 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 (ns) değerinin hesaplanmasıdır (1).

ns =

(1)

Literatürde çarklar özgül hız değerlerine göre radyal, karışık akışlı ve eksenel olarak

sınıflandırılmışlardır. Belirlenen dizayn noktası değerleri kullanılarak hesaplanan özgül hız

değeri ns=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 m3/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).

Şekil-8. HAD Analizi ve Test ile Elde Edilen Pompa H-Q Eğrilerinin Karşılaştırması

Şekil-9. HAD Analizi ve Test ile Elde Edilen Pompa -Q Eğrilerinin Karşılaştırması

4. SONUÇ

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.

10

12

14

16

18

20

22

24

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

H [

m]

Q [m3/h]

H -Q

HAD TEST

20

30

40

50

60

70

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

[%

]

Q [m3/h]

-Q

HAD TEST

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.