Geri Dön

Dalgıç tipi santrifüj yakıt pompası hidrodinamik ve termal tasarımı

Hydrodynamic and thermal design of a submersible centrifugal fuel pump

  1. Tez No: 921083
  2. Yazar: MEHMET ESAD AKSAL
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ERKAN AYDER
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 107

Özet

Hava araçlarında yüksek debili transfer ve besleme uygulamalarında tank içi yüksek güç yoğunluğuna sahip dalgıç pompalar yaygın olarak kullanılmaktadır. Uzun ömür ve bakım aralığı avantajı sağladığı için fırçasız DC (BLDC) motorların artarak ilgi gördüğü havacılık uygulamalarında, yüksek güç/ağırlık oranı elde etmek amacıyla birçok sistemde yüksek devir sayıları tercih edilmektedir. Öte yandan elektriksel güç yoğunluğu yüksek motorlarda birim yüzeyden atılması gereken ısı miktarı artmakta, özgül hızın düşmesi ile hidrodinamik verim azalmaktadır. Motor salgılarının soğutulabilmesi için akışkanın rotor ve stator arasından geçebildiği ıslak tip pompa tasarımları viskoz sürtünme kayıplarına rağmen yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada hava araçlarının yakıt sistemlerinde kullanılacak radyal tip bir santrifüj pompanın hidrodinamik ve termal tasarımı gerçekleştirilmiştir. Tasarım girdisi olarak basınç farkı ve debisi belirlenmiş, pompa salyangoz ve çarkının tasarımı için, analitik hesaplamalar gerçekleştirilmiş, fiziksel boyutlandırma yapılmış ve ön tasarım bilgileri üretilmiştir. Ön tasarım bilgileri kullanılarak hidrodinamik verimin artırılmasına yönelik iyileştirmeler yapılmıştır. Kritik tasarım çalışmaları ve ANSYS Fluent ile gerçekleştirilen hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) analizlerinin ardından çalışma koşullarına uygun motor ve sürücü özellikleri belirlenmiştir. Daimi çalışma koşulunda atılacak ısı miktarı belirlenerek ANSYS Fluent kullanılarak birleşik ısı transferi analizleri ile pompa elemanları ve akışkanın farklı çalışma koşullarındaki yüzey sıcaklıkları elde edilmiştir. Farklı devirlerde performans analizleri tekrarlanarak, kısmi yüklerde optimum devir sayıları elde edilerek motor sürücüsüne komutlanması gereken ayar değerleri tespit edilmiştir. Ayrıca farklı devir sayılarında debi ve basma yüksekliği arasındaki ilişkiyi göstermek amacıyla tek verim benzeşim eğrisi elde edilmiştir. Çalışma sonucunda, 660 l/sa debi ve 150 kPa fark basıncı altında çalıştığında doğal taşınım ile yüzey sıcaklıklarını 70 °C mertebesinde kontrol altında tutabilen bir elektromekanik tasarım elde edilmiştir. Çalışmanın devamı niteliğinde, prototiplerin imal edilerek, kurulan sıcaklık şartlandırmalı pompa test düzeneğinde farklı çalışma koşullarında performans eğrileri elde edilerek analiz sonuçları doğrulanmıştır.

Özet (Çeviri)

Fuel pumps used in aircraft are among the most critical components of the fuel system in terms of reliability and safety. In-tank submersible pumps with high power density are widely used in high flow rate aircraft fuel transfer and engine feed systems. Design roadmaps created from experimental data and verification studies utilizing computational fluid dynamics (CFD) analyses are commonly preferred during the development of the pump. Specialized analysis tools and methods for turbomachinery flows significantly shorten the design and validation processes. The efficient use of computer-aided modeling and analysis tools reduces the number of prototypes required during the design development and validation stages and decreases the number of tests needed for validation, thus enhancing development process efficiency. Within the scope of this study, the hydrodynamic and thermal design of a submersible centrifugal fuel pump intended for use in aircraft fuel systems has been carried out. The product development process, which involves preliminary design of pump impeller and volute using analytical calculations, commences with the basic requirements of aviation subsystems and operational parameters such as required pressure difference and flow rate. The preliminary design phase, along with improvements based on experience, resulted in a baseline model in which several design improvements were realised to increase hydrodynamic performance. The SST k-ω turbulence model, commonly used in computational fluid dynamics (CFD) analyses of centrifugal pumps, provides more accurate results in high local turbulent flows and ensures reliable outcomes near walls and under constrained flow conditions. By accounting for both the rotational effects in high-gradient regions of turbulence and the effects of wall forces, the SST k-ω model is highly successful in characterizing turbulent flows. Therefore, this model is frequently preferred in the design and analysis of centrifugal pumps. At the onset of the critical design phase, computational fluid dynamics (CFD) analysis using ANSYS Fluent software was conducted on the initial baseline model. Subsequently, controlled modifications related to number of blades, blade exit angle, use of intermediate blades, impeller type, and back balancing vanes were implemented on the baseline model. After that performance analyses performed using the obtained models with the same CFD model and compared with each other. At the conclusion of this stage, the optimum design was selected for further performance analyses at different rotational speeds. In high-altitude conditions in aircraft, cavitation due to the decreasing ambient air pressure is an additional risk that needs to be carefully addressed. Prolonged operation under conditions where cavitation occurs can result in damage to critical components, affecting the fuel supply to the relevant units and thus flight safety. In this study, the pump inlet pressure at the altitude conditions is defined as boundary condition, and volume fraction of the vapour in the flow domain is observed considering the vaporization pressure of the fuel at the corresponding temperature. The radial forces generated on the pump impeller are typically attributed to asymmetry present on the volute and generally do not require additional measures to be taken for their mitigation. Axial loads, however, are reduced through the use of balancing holes, balance disk design, axial bearing arrangements, and the utilization of axially symmetric impeller back vanes. In this study, balance holes and axially symmetric impeller back vanes are designed to reduce axial load below the upper limit defined at operating conditions. A well-designed blade leading edge profile also prevents irregularities in pressure distributions, sudden high-pressure drops, and cavitation. Three different blade leading edge forms are commonly used, including semi-circular, elliptical, and wedge-like. Semi-circular leading edges are often used for impellers of relatively small pumps with low head and flow rates. On the other hand, blade leading edges with an elliptical profile are recommended for impellers of relatively high head and flow rates, where smoother pressure distributions are required. In this study, blade leading edges with an elliptical profile are used. In aviation fuel applications, where BLDC motors are becoming increasingly popular as they provide longer life and less maintenance efforts, the pumps with high rotational speeds are preferred in many systems in order to achieve a high power to weight ratio. On the other hand, the amount of heat that must be rejected from the surface of the motor with high electrical power density increases and hydrodynamic efficiency and pump size have a close relation with speed of the motor. Wet type pump designs, in which the fluid can flow between the rotor and stator in order to cool the motor windings are widely used despite viscous friction losses. Under steady-state conditions, the thermal design of the BLDC motor and driver circuit under environmental conditions is of critical importance for the reasons mentioned. The aim is to reduce the resistances of thermal conduction and convection from the semiconductor components in the motor windings and driver circuit to the surroundings, thereby ensuring that the temperature upper limits of the bobbin and MOSFET are not exceeded. The thermal design phase began with the selection of the motor and development of the motor driver. Motor selection parameters include motor speed, torque, efficiency, structural strength, thermal properties, weight, and interface layout. The design of motor driver was carried out considering factors such as compatibility with the BLDC motor, thermal properties, weight, and dimensional restrictions. Following these selections, a combined heat transfer analysis was conducted by calculating the amount of heat dissipated from the motor and motor driver under steady-state conditions. Surface temperatures of pump components were obtained through this analysis conducted at two different fuel temperatures (-10°C and +30°C) using ANSYS Fluent software. By repeating performance analyzes at different rotational speeds, optimum speed values at partial loads were obtained, and the control coefficients that should be directed to the motor driver were determined. Additionally, a dimensionless analysis representing motor efficiency as a single curve have been created. As a result of the study, an electro-mechanical design that can keep surface temperatures around 70 °C through natural convection at 660 l/h flow rate and 150 kPa differential pressure conditions was obtained. As a continuation of the study, verifying the analyzes by manufacturing prototypes and obtaining performance curves under different operating conditions in the temperature-controlled pump test rig have been performed.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    416398

    Comparative life cycle cost analysis of centrifugal and positive displacement pumps for mine dewatering

    Maden su atımında santrifüj ve pozitif yer değiştirmeli pompaların ömür boyu maliyet kıyaslaması

    ALİ BURAK AKTAŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    EkonomiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Maden İşletme Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NURAY DEMİREL

  2. Tez No

    269992

    Anahtarlamalı relüktans motorda algılayıcısız konum kontrolü ve moment dalgalılığının azaltılması

    Sensorless position control and torque ripple minimization of switched reluctance machine

    MEHMET POLAT

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2010

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiFırat Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HASAN KÜRÜM

  3. Tez No

    153897

    Elektrik motorlarında genetik algoritma ile tasarım optimizasyonu

    Desing optimization of electric motors by genetic algorithm

    MEHMET ÇUNKAŞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2004

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSelçuk Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. RAMAZAN AKKAYA

  4. Tez No

    915199

    Ham petrol kuyularındaki elektrikli dalgıçpompa kablo hasarlarının akım harmonikleriverileri kullanılarak yapay zekayöntemleriyle tespiti

    Detection of electric submersible pump cable damages in crude oil wells using current harmonics data with artificial intelligence methods

    SEROK KASIMOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiDicle Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BİLAL GÜMÜŞ

  5. Tez No

    336704

    Kalp yetmezliği hastalarında A Tipi davranış ve öfke analizi

    Type A personality and anger analysis in heart failure patients

    ONUR DALGIÇ

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    KardiyolojiCelal Bayar Üniversitesi

    Kardiyoloji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALİ RIZA BİLGE

Geri Dön