Dalgıç pompalarda difüzör çark geometrik parametrelerinin pompa performansına etkisi / Effect of geometri̇cal parameters of the impeller-di̇ffuser on submersi̇ble pump performance

Abstract

Yeraltı sularını yüzeye çıkarmanın ana araçları olan dalgıç pompalar tarımsal sulamada, petrol endüstrisinde, jeotermal alanlarda ve benzeri uygulamalarda yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Çoğu uygulamada, özelliklede tarımsal sulamada, dalgıç pompalar işletme sürecinin ana enerji girdileridir. Bu nedenle, dalgıç pompa verimliliğinde küçük bir iyileştirme, sistemin işletme maliyetini önemli ölçüde azaltacaktır. Bu tezin motivasyonu ve odak noktası, dalgıç pompanın geometrik parametrelerinin pompanın verimliliği üzerindeki etkisini deneysel ve sayısal olarak incelemektir. Dalgıç pompa, çark ve difüzör den ibaret kademelerin seri bağlanması şeklinde bir tasarımı sahip olup çok kademeli pompa sınıfına girer. Tek bir mile bağlı olan tüm çarkalar aynı açısal hızda dönerler. Pervanenin pompa boyunca sabit bir açısal hızda döndürülmesine rağmen, her bir kademedeki akış yapısı diğer kademelere kıyasla büyük farklılıklar gösterir. Bu farklılıklar karmaşık bir akış yapısının oluşumuna ve dolayısıyla pompa boyunca akış alanını deneysel tanımlamada büyük zorluklara yol açmaktadır. Deneysel tanımdaki diğer bir zorluk, ölçülen değerlerin, akışkan viskozitesi-sıcaklık, pervane giriş-çıkış açısı, difüzör giriş-çıkış açısı, kanat sayısı, kademeler arasındaki mesafe, yüzey pürüzlülüğü gibi birçok parametreye bağlı olarak dramatik değişiklikler gösterebilmesidir. Günümüzdeki genel trend, yukarıda bahsedilen problemleri deneysel verilerle doğrulanmış sayısal simülasyonlarla çözmektir. Bu eğilim, son yıllarda sayısal çözüm yöntemlerinin geliştirilmesine paralel olarak bilgisayar kapasitelerindeki önemli gelişmelerin bir sonucudur. Bu eğilim ya da yöntem, bu tez çalışması boyunca izlenmiştir. İlk olarak, tez çalışması kapsamında seçilen endüstriyel dalgıç pompanın farklı kamelerdeki performansı deneysel olarak ölçülmüştür. Ölçümlerin ardından, çark çıkış genişliği, çark çıkış açısı, çark kademe arası mesafesi ve kademeler arası mesafe şeklinde dört temel geometrik parametrenin pompa performansına olan etkileri, deneysel ölçümlerle doğrulanan CFD simülasyonları ile incelenmiştir. Seçilen pompanın 1 kademeli pompa durumu için gerçekleştirilen CFD simülasyonu sonucunda, verimlilik %67,2 olarak hesaplanmıştır. Bu sonuç deneysel ölçümlerle kıyaslandığında, deneysel ölçüm verisinden sapma %1,5'tir. Seçilen pompanın 2 kademelı pompa durumu için, sonuçlar deneysel ölçümlerle karşılaştırıldığında, deneysel ölçüm verisinden sapma, pompa verimliliğinde %0,6 olmuştur. Bu küçük sapmalar, CFD simülasyon sonuçlarının deneysel ölçümlerle çok iyi bir uyum içinde olduğunu göstermektedir. Yapılan simülasyonlarda, zamana bağlı değişkenlerin boyutlarının değiştiği, ancak akış yapısının değişmediği görülmektedir. Yapılan CFD simülasyonlarından bir başka çarpıcı bulgu ise; geometrik düzenlemelerin, pompa boyunca akış yapısı üzerinde kısmi bir etkisi olsada, basınç gibi pompa performansını tanımlayan temel değişkenler üzerindeki kritik değerlerde bir fark yarattığı gözlenmiştir. Submersible pumps, which are the main means of bringing groundwater to the surface, are widely used in agricultural irrigation, petroleum industry, geothermal fields and similar applications. In most applications, especially in agricultural irrigation, submersible pumps are the main energy inputs of the operating process. Therefore, a small improvement in submersible pump efficiency will significantly reduce the operating cost of the system. The motivation and focus of this thesis is to experimentally and numerically investigate the effect of the geometric parameters of the submersible pump on the efficiency of the pump. The submersible pump has a design in the form of serial connection of the stages including the impeller and the diffuser and enters the multi-stage pump category. All the impeller connected to a single shaft rotate at the same angular velocity. Despite the rotation of the impeller at a constant angular speed along the pump, the flow structure at each stage shows large variations compared to other stages. These differences lead to the formation of a complex flow structure and thus to great difficulties in the experimental identification of the flow field along the pump. Another difficulty in the experimental definition is that the measured values can show dramatic changes depending on many parameters such as fluid viscosity-temperature, impeller inlet-outlet angle, diffuser inlet-outlet angle, number of blades, distance between stages, surface roughness. Te current general trend is to solve the above-mentioned problems with numerical simulations verified by experimental data. This trend is a result of significant developments in computer capacities parallel to the development of numerical solution methods in recent years. This trend, or the method, has been followed throughout this thesis. Firstly, within the scope of the thesis study, the performance in different stages of a selected industrial submersible pump was measured by the experimental. Following the measurements, the effects of four basic geometric parameters, such as impeller outlet width, impeller outlet angle, impeller diffuser distance and interstage distance, on the pump performance were examined with CFD simulations verified by the experimental measurements. As a result of the CFD simulation carried out for the 1-stage pump state of the selected pump, the efficiency were calculated to 67.2%. When these results are compared with the experimental measurement, the deviation from the experimental measurement data are 1.5% at the pump efficiency. If for the 2-stage pump state of the selected pump, when results are compared with the experimental measurements, the deviation from the experimental measurement data are 0.6% at the pump efficiency. These small deviations indicate that the CFD simulation results are in perfect agreement with the experimental measurements. In the simulations performed, it is observed that the time dependent variables have their size changed but the flow structure does not change. Another striking finding from the CFD simulations carried out is; it has been observed that while geometric arrangements have a partial effect on the flow structure along the pump, they cause a difference in the critical values on the basic variables that define pump performance, such as pressure.