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  • 7/27/2019 Pump Thesis

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    Dott. Ing. Lucia Cattani Dottorato: Relazione di fine anno

    Anno 2006 pag1

    UUNNIIVVEERRSSIITTAADDEEGGLLII SSTTUUDDII DDII BBEERRGGAAMMOOFFaaccoolltt ddii IInnggeeggnneerriiaa

    DDiippaarrttiimmeennttoo ddii IInnggeeggnneerriiaa IInndduussttrriiaallee

    DDOOTTTTOORRAATTOO DDII RRIICCEERRCCAAIINN

    TTEECCNNOOLLOOGGIIEE PPEERR LLEENNEERRGGIIAA EE LLAAMMBBIIEENNTTEE

    XXXXIIII cciicclloo

    AAnnnnoo 22001100

    IINNVVEESSTTIIGGAATTIIOONNSS OONN TTHHEE FFLLOOWW

    IINNSSIIDDEE PPUUMMPPSS BBYY MMEEAANNSS OOFF 22DD

    PPAARRTTIICCLLEE IIMMAAGGEE VVEELLOOCCIIMMEETTRRYY

    Tesi di Dottorato di:

    Rinaldo Miorini

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    A b s t r a c t

    T h i s w o r k i s c o n c e r n e d w i t h t h e s a m p l i n g , e v a l u a t i n g a n d c r i t i c a l l y i n t e r p r e t i n g o f u i d

    d y n a m i c s p h e n o m e n a i n s i d e t w o r a d i c a l l y d i e r e n t p u m p s . L a r g e s c a l e o w s t r u c t u r e s

    a r e i n v e s t i g a t e d i n t h e v a n e d d i u s e r o f a c e n t r i f u g a l p u m p a n d i n t h e r o t o r p a s s a g e o f a

    w a t e r j e t a x i a l p u m p b y m e a n s o f t w o - d i m e n s i o n a l p a r t i c l e i m a g e v e l o c i m e t r y ( 2 D P I V ) .

    I n t h e r s t p a r t o f t h e w o r k , a c e n t r i f u g a l p u m p i s r u n a t v a r i o u s c a p a c i t i e s t o d e r i v e

    i n f o r m a t i o n a b o u t t h e f l o w a r o u n d t h e d i u s e r v a n e s . P r e l i m i n a r i l y , t i m e r e s o l v e d p r e s s u r e

    m e a s u r e m e n t s h a v e i n d i c a t e d t h e p r e s e n c e o f v e r y l a r g e s c a l e n o n - p e r i o d i c f l o w i n s t a b i l i t y

    a t v e r y l o w f l o w - r a t e s . P h a s e - a v e r a g e d P I V m e a s u r e m e n t s a r e p e r f o r m e d a t m i d s p a n

    o v e r t h e b l a d e t o b l a d e p l a n e i n t h e d i f f u s e r t o d e s c r i b e b o t h t h e c h a n n e l f l o w a n d t h e

    w a k e s , w h i c h i n d e e d d o m i n a t e t h e f l o w i n t h e d i f f u s e r . T h e f l o w i s s e p a r a t e d a t t h e

    c o n v e x s i d e o f t h e d i f f u s e r v a n e s a t r e d u c e d c a p a c i t i e s , i . e . b e l o w t h e b e s t e f c i e n c y p o i n t

    ( B E P ) . W a k e s s h e d f r o m t h e i m p e l l e r a r e c o n v e c t e d i n t h e d i u s e r p a s s a g e s a n d d i s t o r t e d

    b e c a u s e o f t h e d i e r e n t t r a n s p o r t v e l o c i t y a t t h e c o n v e x a n d c o n c a v e s i d e s o f t h e v a n e .

    T h e m e a s u r e m e n t s h a v e b e e n p e r f o r m e d a t L a b o r a t o r i o d i F l u i d o d i n a m i c a d e l l e M a c c h i n e

    ( L F M ) a t P o l i t e c n i c o d i M i l a n o , M i l a n , I t a l y .

    I n t h e s e c o n d p a r t , t h e t i p l e a k a g e f l o w ( T L F ) , t i p l e a k a g e v o r t e x ( T L V ) a n d t h e

    v o r t i c i t y s h e d b y t h e b l a d e t i p a r e i n v e s t i g a t e d i n t h e m e r i d i o n a l p l a n e o f a n a x i a l p u m p

    t o s h e d l i g h t o v e r t h e i n n e r s t r u c t u r e o f t h e v o r t i c e s t h a t d e v e l o p i n t h e p a s s a g e , a s w e l l

    a s t h e p r o d u c t i o n o f v o r t i c i t y a t t h e c a s i n g e n d - w a l l , i n d u c e d b y t h e p r e s e n c e o f t h e

    T L V . T u r b u l e n c e i n s i d e t h e T L V i s a l s o i n v e s t i g a t e d . T h e r o l l i n g u p o f t h e T L V i n d u c e s

    t h e d e t a c h m e n t o f t h e e n d - w a l l b o u n d a r y l a y e r v o r t i c i t y , t h e d e t a c h e d f l o w r e a r r a n g e s i n

    v o r t i c e s - c o u n t e r r o t a t i n g r e s p e c t w i t h t h e T L V - t h a t o r b i t a r o u n d t h e T L V c e n t e r l i n e

    a n d a r e i n t e r l a c e d w i t h t h e T L V v o r t i c i t y u n t i l i t s b u r s t i n g . T h e d e t a c h m e n t o f t h e

    e n d - w a l l v o r t i c i t y i s u n s t e a d y a n d h i g h l e v e l o f i n p l a n e p r o d u c t i o n o f t u r b u l e n t k i n e t i c

    e n e r g y i s f o u n d t h e r e . T h e v o r t i c i t y l a y e r t h a t c o n n e c t s t h e b l a d e a n d t h e T L V i s a l s o

    u n s t e a d y a n d s o u r c e o f l a r g e s c a l e u n s t e a d i n e s s ; t h e c o r e o f t h e T L V i s u n s t e a d y b u t

    i n p l a n e p r o d u c t i o n o f t u r b u l e n c e i s a l m o s t a b s e n t t h e r e . T h e e x p e r i m e n t s h a v e b e e n

    p e r f o r m e d a t t h e D e p a r t m e n t o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g , T h e J o h n s H o p k i n s U n i v e r s i t y

    ( J H U ) , B a l t i m o r e , M D , U S A .

    K e y w o r d s : a x i a l p u m p , c e n t r i f u g a l p u m p , d i f f u s e r , p a r t i c l e i m a g e v e l o c i m e t r y , p h a s e

    a v e r a g e , r o t o r , t i p l e a k a g e v o r t e x , w a k e .

    A d v i s o r :

    P r o f . M a r c o S a v i n i - D i p a r t i m e n t o d i I n g e g n e r i a I n d u s t r i a l e , U n i v e r s i t d e g l i S t u d i

    d i B e r g a m o

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    A c k n o w l e d g e m e n t s

    I w o u l d l i k e t o g r a t e f u l l y a c k n o w l e d g e E n g . A r n a l d o B o c c a z z i .

    I w o u l d l i k e t o t h a n k a l l t h e c o l l e a g u e s a n d f r i e n d s w o r k i n g a t t h e L F M L a b . a t

    P o l i t e c n i c o d i M i l a n o : P r o f . V i n c e n z o D o s s e n a , E n g . P a o l o G a e t a n i , E n g . G i a c o m o

    P e r s i c o , E n g . A l e s s a n d r o M o r a , E n g . G a b r i e l e D ' I p p o l i t o , E n g . F r a n c o M a r i n o n i , C l a u d i o

    D e P o n t i a n d P a o l o G r i g a t t i . S p e c i a l t h a n k s t o P r o f . C a r l o O s n a g h i , i t a l l b e g a n a t t e n d i n g

    h i s T u r b o m a c h i n e r y c l a s s .

    S p e c i a l t h a n k s t o t h e g r a d u a t e s t u d e n t s a n d f r i e n d s a t U n i v e r s i t d e g l i S t u d i d i

    B e r g a m o , a n d t o m y P h D a d v i s o r P r o f . M a r c o S a v i n i .

    I w o u l d l i k e t o t h a n k m y c o l l e a g u e s a n d f r i e n d s a t t h e H o p k i n s : M i n g M i n g Z h a n g ,

    S i d d a r t h a ' S i d ' T a l a p a t r a , J e f f C u l l i n a , K u n l u n B a i , B a l a j i G o p a l a n , J i a r o n g ' J e r r y ' H o n g ,

    P r a n a v J o s h i , Y u a n L u , B e n j a m i n ' B e n ' d e W i t t , X i a o f e n g L i u , Y u r y R o n z h e s a n d S t e p h e n

    K i n g ; s p e c i a l t h a n k s t o H u i x u a n W u .

    I g r a t e f u l l y a c k n o w l e d g e P r o f . J o s e p h K a t z f o r t h e o p p o r t u n i t y o f w o r k i n g i n h i s L a b .

    a n d f o r h a v i n g c h a n g e d m y p e r s p e c t i v e o n F l u i d D y n a m i c s a n d r e s e a r c h i n g e n e r a l .

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    C o n t e n t s

    A b s t r a c t 2

    A c k n o w l e d g e m e n t s 3

    L i s t o f F i g u r e s 5

    L i s t o f T a b l e s 5

    N o m e n c l a t u r e 6

    I T h e T r a n s p o r t o f W a k e s f r o m t h e I m p e l l e r T h r o u g h t h e V a n e d

    D i u s e r o f a H i g h S p e c i c S p e e d C e n t r i f u g a l P u m p 8

    C e n t r i f u g a l P u m p I n t r o d u c t i o n 9

    1 F a c i l i t y a n d D a t a A c q u i s i t i o n S y s t e m 1 3

    1 . 1 F a c i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3

    1 . 1 . 1 C e n t r i f u g a l P u m p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3

    1 . 1 . 2 R e c o r d i n g a n d P r o c e s s i n g t h e I m a g e s . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8

    2 R e s u l t s a n d D i s c u s s i o n 2 2

    2 . 1 P u m p P e r f o r m a n c e C u r v e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2

    2 . 2 F r e q u e n c y D o m a i n A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3

    2 . 3 S t e a d y S t a t e A n a l y s i s o f 2 D P I V R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5

    2 . 3 . 1 B e s t E c i e n c y P o i n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6

    2 . 3 . 2 1 2 0 % B E P F l o w R a t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9

    2 . 3 . 3 8 0 % B E P F l o w R a t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2

    2 . 3 . 4 4 0 % B E P F l o w R a t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5

    2 . 4 P h a s e A v e r a g e d A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8

    2 . 5 S u m m a r y a n d C o n c l u s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9

    2 . 6 S u g g e s t e d f u t u r e d e v e l o p m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1

    I I T h e E v o l u t i o n o f t h e T i p L e a k a g e V o r t e x i n a n A x i a l W a t e r

    J e t P u m p 5 3

    A x i a l P u m p I n t r o d u c t i o n 5 4

    2 . 7 E x p e r i m e n t a l S e t u p a n d P r o c e d u r e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 8

    2 . 7 . 1 T e s t L o o p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 8

    2 . 7 . 2 P u m p . .