Geri Dön

Turbopompalarda kullanılan önçarkların kavitasyon performanslarına etkiyen parametrelerin incelenmesi

Investigation of the parameters affecting cavitation performance of the inducer used in turbopumps

PDF İndir

  1. Tez No: 953185
  2. Yazar: UĞURCAN MORKOYUN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ERKAN AYDER
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  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: 97

Özet

Kavitasyon, akışkanın yerel basıncının buharlaşma basıncından daha düşük olduğu durumlarda ortaya çıkan, pompaların çarklarını erozyona uğratan ve performansına olumsuz şekilde etki eden bir faz değişim olayıdır. Pompaların boyutlarının küçülmesiyle ve devir sayılarının artmasıyla birlikte kavitasyondan kaçınılması daha zor hâle gelir. Bu nedenle, yüksek hızlı pompaların çarklarının önüne“önçark”adı verilen yardımcı bir çark konularak, kavitasyonun önçark içinde başlayıp bitmesi ve bu sayede ana çarkın ve dolayısıyla pompanın performansının olumsuz etkilenmemesi sağlanır. Önçark, genellikle, helisel sarılmış kanatlara sahip bir yapıdadır. Önçarklardaki basınç artışının ana çarktaki kadar yüksek olmasına gerek olmayıp kavitasyonun ana çarka ulaşmasını engelleyecek miktarda olması yeterlidir. Geçmişten günümüze kadar yapılan çalışmalar, önçarkların emme özgül hızını etkileyen birçok parametre olduğunu göstermektedir. Bu parametreler hem akışkan özellikleri hem de önçarkın geometrisi ile doğrudan ilişkilidir. Literatürde önçarkların performansını etkileyen, kanat yüklemesi, kanat uç açıklığı, önçarkın göbek ve tip biçimi, katılık ve kanat sayısı, hücum kenarı biçimi ve kanat eğimi gibi birçok parametre deneysel ve sayısal olarak çalışılmıştır. Deneysel çalışmalarla kıyaslandığında, sayısal çalışmalar, kavitasyon olayındaki iki fazlı akış yapısı göz öne alındığında, ilgili parametrelerin çalışılmasının daha ekonomik hale getirmektedir. Bu çalışmanın amacı önçarkların kavitasyon performansına etki eden üç parametreyi hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemiyle incelemektir. İncelenen parametreler, aynı meridyenel geometriye sahip önçarklar için kanat açısı değişimleri, kanat uç açıklığı ve hücum kenarı eğim açısıdır. Yapılan çalışmalarda, optimum debi sayısı Brumfield kriterine göre belirlenmiştir. Belirlenen tasarımın üç boyutlu geometrisi CFturbo ve ANSYS-BladeGen yazılımları kullanılarak elde edilmiştir. Ağ yapısı ise TurboGrid yazılımı kullanılarak oluşturulmuş ve çözüme hazır hâle getirilmiştir. Sayısal çözümleme aşamasında öncelikle ağ sayısı bağımsızlığı çalışması yapılmıştır. Daha sonra önçarktaki iki fazlı akış, k-ε türbülans modeli ve Zwart-Gerber-Belamri kavitasyon yaklaşımı kullanılarak Ansys CFX ile çözümlenmiştir. İncelenen parametrelerden kanat açısının, eksenel doğrultudaki değişiminin, önçark performansı üzerinde önemli bir etkisi olduğu bulunmuştur. Literatürle uyumlu olarak, giriş ve çıkış arasındaki kanat açısı farkı arttıkça basma yüksekliğinde artış gözlenmiştir. İkinci olarak, kanat uç açıklığı için 1, 0.5, 0.25 ve 0 mm olmak üzere dört farklı açıklık değeri çalışılmış ve kavitasyon performansları ile basma yükseklikleri farklı radyal konumlarda detaylı olarak incelenmiştir. Optimum olarak belirlenen 0.5 mm uç açıklığında, uç civarında minimum kavitasyon bölgesi oluştuğu ve basma yüksekliğinin maksimum olduğu bulunmuştur. Bu durum, 0.5 mm uç açıklığında farklı uç ve kanat kavitasyonu oluşumlarının gözlenmesi ile ilişkilendirilmiştir. Son olarak, kavitasyon performansını yakından ilgilendiren hücum kenarı eğim açısı çalışılmıştır. Kanat ucunun akış doğrultusunda eğilmesi ve hücum kenarı uç bölgesi sarım açısı olmak üzere iki farklı parametre incelenmiştir. Kanat ucunun eğimi ile ilgili yapılan hesaplamalar sonucunda, eğimsiz olan önçarkın daha iyi kavitasyon performansı sergilediği ve basma yüksekliğinin maksimum olduğu tespit edilmiştir. Sonuç olarak, önçark performansına etki eden parametrelerin hesaplamalı yöntemler ile detaylı biçimde çalışılması, kavitasyon kararsızlıklarının altında yatan mekanizmaların anlaşılması ve işlevsel önçarklar tasarlanması açısından kritik bir öneme sahiptir.

Özet (Çeviri)

Cavitation is a phase change phenomenon that occurs when the local pressure of the fluid is lower than the vapor pressure. Flow instabilities developing under cavitating conditions negatively affect the performance of turbomachinery, causing vibration, noise, and severe erosion. Particularly in flying machines (e.g. rockets and missiles), where the weight is an important design criterion, reducing pump size is accompanied by a high rotational speed to meet the system requirements such as pumping the fuel and oxidant to combustion chamber at elevated pressures. In these applications, cavitation becomes more difficult to avoid and deteriorates the stability and safety of the operation. An auxiliary impeller called“inducer”is usually placed in front of the high-speed pumps in order to mitigate the effects of the cavitation. When cavitation starts and ends within the inducer, main impeller is not significantly disturbed by the cavitation instabilities. A typical inducer is a helical-bladed turbomachinery element with specific design requirements. The pressure increase in inducers is not necessarily as high as the main impeller. On the other hand, the inducer should attain a pressure increase that is sufficient to prevent cavitation from reaching the main pump. Despite being simple axial pumps, inducers have complex flow fields with unsteady, turbulent, three-dimensional flow characteristics. After over many decades of research focused on the inducers, various parameters have been found to influence the suction specific speed of inducers. These parameters are directly related to both fluid properties and geometry of the inducer. Among the inducer-related parameters, blade loading, tip clearance, hub and shroud shape, solidity and blade number, and leading edge geometry are commonly studied both experimentally and computationally. Compared to experiments, computational studies provide economic advantages considering the multiphase flow in cavitation phenomenon. The aim of this study is to explore three parameters affecting the performance of inducers via computational fluid dynamics method. For this purpose, i) blade angle change in inducers having an identical meridional geometry, ii) blade tip clearance, and iii) leading edge sweep angle are investigated. Before the simulations, the optimum flow coefficient was determined by means of the Brumfield criteria. Accordingly, other design requirements, such as hub/tip ratio, hub taper angle, and blade number, were specified based on the optimized parameters in the literature. The three-dimensional geometry of the design was obtained using CFturbo and ANSYS-BladeGen software. In addition, the mesh structure was generated via TurboGrid software and prepared for the solution. In the numerical analysis part, firstly, mesh independency was studied. It was found that increasing mesh numbers did not affect the head above a certain threshold. Therefore, solution became independent of the mesh number provided that mesh quality (e.g. aspect ratio, face angle, correct mesh approach at the boundry layer) is retained. Next, the multiphase flow in the inducer was analyzed using k-ε turbulence model and Zwart-Gerber-Belamri cavitation model. Ansys CFX software was used to perform the fluid dynamic simulations. The solution strategy includes three steps to obtain rapid convergence: First, simulations were carried out under the non-cavitating conditions. Then, only the homogeneous multiphase model was used. Lastly, solution was completed by activating the cavitation model. Being the first among the studied parameters, the change in the axial direction of the blade angle was found to have a significant impact on the performance of the inducer. Being consistent with the literature, as the difference between the entrance blade angle and the exit blade angle increases, the head of the inducer also increased. Net positive suction head (NPSH) versus head curves demonstrating the cavitation performance of the inducer were obtained for different inlet total pressure values at the same flow rate. Considering the required NPSH values, the inducer with the maximum head was found to have the lowest required NPSH and the highest efficiency. On the contrary, the inducer with the low head showed a high required NPSH and low efficieny. Secondly, four different tip clearance values, namely 1, 0.5, 0.25 and 0 mm, were studied and cavitation performance as well as head difference in inducers having these tip clearance values were investigated. The equivalent span values for tip clearance of 1, 0.5, 0.25 and 0 mm were 0.98, 0.99, 0.995, and 1, respectively. Results were presented based on these span values. Some of the previous studies on the tip clearance effects report that an increase in the tip clearance results in low cavitation and head performance. On the other hand, remaining studies argue that there is an optimum tip clearance value. Our results are in agreement with the latter suggestion, indicating that maximum cavitation performance can be obtained at an optimum tip clearance. Determined as the optimum value, tip clearance of 0.5 mm resulted in the minimum cavitation zone around the tip and maximized the head. This performance was attributed to observation of different tip and blade cavitation formations in the inducer having tip clearance of 0.5 mm. Similar to previous analysis, NPSH-H curves were also obtained for the tip clearance values of 1, 0.5 and 0 mm. The inducer without tip clearance (tip clearance of 0 mm) showed the highest required NPSH value. Similar required NPSH values were observed for tip clearance of 1 and 0.5 mm. Lastly, the leading edge sweep angle which is closely related to cavitation performance of inducers was examined. Effect of two factors linked to leading edge sweep angle, namely tilting of the blade tip in the flow direction and the wrap angle of the leading edge tip, was analyzed. While modifying the leading edge sweep angle, inlet and outlet blade angles as well as blade wrap angle were kept constant. Similarly, inlet and outlet blade angles, and the axial length of the blade (preserving the meridional profile) were kept constant while modifying the leading edge wrap angle. Three values of the leading edge sweep angle (0°, 5°, and 10°) and two values of leading edge wrap angle (33.5° and 67°) were examined. As a result of these analyses, the untilted inducer showed an improved cavitation performance and higher head compared to other inducers. Accordingly, the increasing tilt angle decreases the head and negatively impact the cavitation performance. Furthermore, the increasing values of wrap angle in the leading edge tip were found to have a positive influence on the inducer head and cavitation performance. To conclude, detailed investigation of the parameters affecting the inducer performance via computational methods is critical in terms of elucidating the mechanisms underlying the cavitation instabilities. Ultimately, mechanistic understanding of the cavitation phenomenon is key to the design of efficient turbomachines. This study can be extended to examine additional parameters such as cavitation similarity and leading edge sharpness. Furthermore, the performance of the inducer and the following pump can be evaluated together. Lastly, computational results can be correlated with an experimental study.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    887315

    Rocket engine altitude test facility design and 1D altitude simulation of IoX/LH2 propellant rocket engine

    Roket irtifa test düzeneği tasarımı ve IoX/LH2 yakıtlı roket motorunun 1D irtifa simülasyonu

    İSMAİL ÖZCAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FIRAT OĞUZ EDİS

  2. Tez No

    928477

    Supersonic impulse turbine design and optimization for liquid rocket engines

    Sıvı yakıtlı roket motorları için ses üstü etki tipli türbin tasarımı ve optimizasyonu

    ANIL KÜÇÜK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BAYRAM ÇELİK

  3. Tez No

    807062

    Turbopompa çarkı mekanik tasarım çalışması

    Turbopump impeller mechanical design study

    YUNUS TÜFEK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HİKMET KOCABAŞ

  4. Tez No

    640148

    Development of electric-driven cryogenic pump for upper stage hybrid rockets

    Yüksek kademe karma roketler için elektrik tahrikli kriyojenik pompa geliştirmesi

    KAAN GEGEOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Makine MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA ARİF KARABEYOĞLU

Geri Dön