Pasif Akış Kontrol Çalışmaları

4.2.1. Ara Kanat Çalışmaları

PIV deney düzeneğinde denenecek ara kanat ilaveli çark modellerinin belirlenebilmesi için orijinal 6 kanatlı pompa çarkının kanat profili değiştirilmeden, çarklar 4 ve 5 ana kanatlı olarak tasarlanmıştır. Ara kanat ilavesinde ana kanat sayıları

düşürülmesinin nedeni, akış geçiş bölgesinin daralmaması için ve çarpma kayıplarının artmaması için yapılmaktadır (Korkmaz ve ark., 2017). Ara kanat ilave uygulamalarında, ana kanat sayısının düşürülmediği bu nedenlerle pompa performansının düştüğü görülmüştür. Bu nedenle ara kanat ilave uygulamaları için ana kanat sayıları 4 ve 5 olarak belirlenmiştir.

Ara kanat ilavesi için ara kanat uzunluğunun ana kanat uzunluğuna oranı, ara kanat ilave oranı olarak nitelendirilmiş ve hem 4 hem de 5 kanatlı çarklarda ilave ara kanat oranları %40, %50, %60, %70 ve %80 olacak şekilde denenmiştir. Çark çizimleri üzerinden akış hacimleri elde edilmiş, uygun ağ yapıları oluşturulduktan sonra da HAD analizleri gerçekleştirilmiştir. HAD çalışmalarında ilk olarak belirlenen farklı ara kanat ilave oranlarında 4 ve 5 kanatlı çarkların tek kademe olarak sayısal analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu şekilde yapılan çark analiz çalışmasının nedeni, ara kanat ilaveli 4 ve 5 kanatlı çarklarda en yüksek verim ve basma yüksekliği elde edilebilecek çark modellerinin daha hızlı tespit edilmesidir. Gerçekleştirilen HAD çalışmaları neticesinde en yüksek verim değerleri, 4 kanatlı çark için %70, 5 kanatlı çark için ise %60 oranında ara kanat ilavesi yapılan çark modellerinde elde edilmiştir. En yüksek verim elde edilen bu iki çark modeli kullanılarak tüm pompa akış hacimleri oluşturulmuş ve pompa HAD analizleri gerçekleştirilmiştir.

Yapılan pompa HAD analizleri ile elde edilen sonuçlar Şekil 4.2 ve Şekil 4.3’te verilmiştir. Pompa tasarım debisi 12.5 m³/h debisinde hesaplanan basma yüksekliği ve verim değerleri ise ayrıca Çizelge 4.1'de gösterilmiştir. En yüksek basma yüksekliği, ara kanat ilave oranı %60 olan 5 kanatlı çarkın kullanıldığı pompada elde edilmiştir. Bu pompa ile ara kanat ilavesiz 6 kanatlı çarka (orijinal çark) göre, tasarım debisinde (12.5 m³/h) basma yüksekliği 41.6 m’den 47.2 m’ye yükselirken verim ise %56.6’dan %53.4’e düşmüştür.

Çark 1 kullanılan pompa verim değerlerine en yakın verimler ise ara kanat ilave oranı %70 olan 4 kanatlı çarkının kullanıldığı pompada elde edilmiştir. Bu pompa ile orijinal çarklı pompaya göre tasarım debisinde, basma yüksekliği 41.6 m’den 46.0 m’ye çıkarılırken verim ise %56.6’den %55.1’e düşmüştür.

Şekil 4.2. Farklı çarkların kullanıldığı pompalarda basma yüksekliğinin debiye göre değişimi.

Şekil 4.3. Farklı çarkların kullanıldığı pompalarda genel verimlerin debiye göre değişimi.

Tasarım debisinde, ara kanat ilavesi yapılan çarkların kullanıldığı pompalarda orijinal çarklı pompaya göre daha yüksek verim değeri elde edilememiştir, ancak daha yüksek basma yükseklikleri elde edilmiştir. 4 Kanat ara kanatlı pompa çarkında, 5 kanatlı ara kanat ilaveli çark kullanılan pompaya göre daha düşük basma yüksekliği oluşmasına rağmen, daha yüksek verim değerleri elde edildiği tespit edilmiştir. 4 ara kanatlı pompanın 5 ara kanatlı pompaya göre diğer bir avantajı da tasarım debisi üzerindeki debilerde 6 kanatlı orijinal pompaya göre daha yüksek verimde çalıştığı debiler de

25 30 35 40 45 50 55 60 6 9 12 15 18 H m (m ) Q (m³/h) 6 kanat 4knt_%70 ara kanat 5knt_%60 ara kanat 35 40 45 50 55 60 6 9 12 15 18 η g (% ) Q (m³/h) 6 kanat 4 knt_%70 ara kanat 5knt_60 ara kanat

olmasıdır. Böylece %70 ara kanat ilaveli 4 kanatlı pompa geometrisi Çark 2 olarak belirlenmiştir.

Çizelge 4.1. Farklı kanat yapılarındaki HAD ile elde edilen basma yüksekliği-verim değerleri.

Kanat geometrisi Hm (mSS) ηh (%)

6 kanatlı orijinal çark (çark 1) 41.6 56.6 4 kanat + %70 ara kanat ilavesi (çark 2) 46.0 55.1 5 kanat + %60 ara kanat ilavesi 47.3 53.4

HAD analizlerinde, çark 1 ve çark 2 ve 5 kanatlı çarkların kullanıldığı pompaların 3. kademelerindeki çarkların çıkış genişliklerinin ortasından geçen düzlemde bağıl hız dağılımları Şekil 4.4’te verilmiştir.

(a) (b)

(c)

Şekil 4.4. (a) Çark 1 (orijinal çark), (b) Çark 2 ve (c) %60 ara kanat ilaveli 5 kanatlı pompa çarkında bağıl

hız dağılımları.

Şekilde çark 1 üzerinde tespit edilen bağıl hız dağılımı incelendiğinde kanatların basma yüzeylerinin ortalarında mavi renk skalası ile gösterilen bölgede hız azalması ve buna bağlı olarak düşük hız bölgeleri meydana geldiği görülmektedir. Pasif akış kontrolü metotlarından biri olan ara kanat ilave uygulaması denenmesinin nedenlerinden biri de

bu düşük hız bölgesinin azaltılması veya giderebilmesidir. Belirlenen ara kanat ilave uygulamalarının yapıldığı çarklarda bağıl hız dağılımları incelendiğinde meydana gelen bu düşük hız bölgelerinin azaldığı görülmektedir. Yani ara kanat uygulaması ile çark içerisindeki akış yapısının daha düzenli hale getirildiği söylenebilir. Bunun yanında ara kanat ilave edilen çark uygulamalarında (Şekil 4.4 b ve Şekil 4.4 c) çark çıkışında ani hız değişimleri meydana geldiği ve buna bağlı olarak da türbülans değerlerinin arttığı dolayısıyla da verimin azaldığı söylenebilir. Çark 1 içerisindeki diğer bölgelerde bağıl hız değerlerinde büyük farklar görülmemektedir.

Çok kademeli pompalarda giriş-çıkış ve difüzör etkileri göz ardı edildiğinde hız değerlerinin tüm çarklarda aynı çark-difüzör pozisyonunda benzer olması beklenir. Ancak basınç değerlerinin her kademede artması gerekir. 3 farklı pompa çarkının kullanıldığı tüm pompalarda Y-Z düzleminde statik basınç değerleri Şekil 4.5’de verilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi incelenen pompalarda statik basınç, pompa girişinden çıkışına doğru düzenli olarak artmaktadır. Çark içlerinde tüm kademelerde girişten çıkışa statik basınç değerlerinin arttığı da gözlenmektedir. Pompa girişi ile çıkışı arasındaki basınç farkları incelendiğinde en yüksek basınç farkının 5 kanatlı ara kanat ilavesi yapılan çarkın kullanıldığı pompada olduğu görülmektedir. Bu da basma yüksekliğinin yüksek olduğu anlamına gelmektedir. En düşük basınç değerleri, pompa girişindeki vakum etkisinden dolayı emici kısmına giriş bölgelerinde görülmektedir.

Farklı çarkların denendiği ara kanat çalışmalarında yapılan HAD analizleri neticesinde, kalıp ve çark imalatı için 4 kanatlı % 70 oranında ara kanat ilaveli (Çark 2) pompa çarkı, basma yüksekliğinde artış elde edilmesi yanında daha düşük verim kaybı olduğu için seçilmiştir. Pompa HAD analizlerinde elde edilen sonuçlardan görüldüğü gibi ara kanat ilavesi ile basma yüksekliği artarken verim düşmektedir. Ara kanat ilavesinde kanat sayısının artırılması genelde motor gücünde de bir artış gerektirmektedir. Ara kanat ilavesinin diğer bir dezavantajı ise akışın geçeceği kesitin azaltılmasıdır. Bununla birlikte akış ekseninde kanat giriş sayısı da artacağı için çarpma kayıpları da artar. Ancak akış alanında motordan gelen gücün akışkana aktarılması için kullanılan kanatların basınç yüzeyinin toplam alanı artırılmış olur. Başka bir deyişle enerji aktarım yüzeyi artırılır. Toplam momentumu artan akışın çark çıkışında daha yüksek basınç değerlerine ulaşır. Fiziksel anlamda aktarılan enerji miktarı artışı ile basma yüksekliği artsa da verimle ilgili genel bir yorum yapmak güçtür. Bazı durumlarda farklı debilerde verim artışı bile elde edilebilmektedir. Genel olarak verimden ziyade basma yüksekliğinin önemli olduğu uygulamalarda ve tasarımlarda ara kanat ilaveli pompa çarkı tipleri kullanılabilir.

(a)

(b)

(c)

Şekil 4.5. (a) 6 kanatlı (b) %70 ara kanat ilaveli 4 kanatlı ve (c) %60 ara kanat ilaveli 5 kanatlı

Üretim için seçilen Çark 2’nin kullanıldığı pompada verim değerlerinin 14.5 m3_/h debide 6 kanatlı çarkın verimine yaklaştığı, tasarım debisinin yaklaşık %33 üzerinde olan 16.6 m3/h debide ise 6 kanatlı orijinal çarktan daha yüksek verim elde edildiği görülmüştür.

5 kanatlı ara kanat ilaveli çarkta iki kanat arasındaki akış alanı oldukça küçülmüş ve PIV uygulamasını ve lazer perdesi oluşumunu zorlaştırır boyuta getirdiği için de bu çark tipi imal edilmemiştir. Diğer bir dezavantajı ise verim değerlerinin daha düşük olmasıdır.

Çalışmada 3. Çark geometrisi olarak da ara kanat ilavesiz 4 kanatlı pompa çarkı kalıp imalatı yaptırılarak imal edilmiştir. Bu çarkın üretilmesinin nedeni ise iki kanat arasındaki akış alanı genişliğinin PIV tekniği ile görüntüleme açısından oldukça uygun olmasıdır. Böylece PIV görüntüsü ile HAD sonuçlarının karşılaştırılmasının daha uyumlu sonuç vereceği düşünülmüştür. Bu geometri de çalışmada çark 3 olarak tanımlanmıştır.

4.2.2 Yarık çalışmaları

SPL100-3 pompa çarkında Şekil 4.6’da görüldüğü gibi tasarım debisinde çark kanatlarının orta kısımlarında basınç yüzeylerinde 1-3 m/s değerlerinde bağıl hızlarda düşük hız bölgeleri görülmüştür. Bu hız bölgelerini azaltmak için ara kanat ilavesi gibi kanat geometrisinde yapılabilecek bir diğer pasif akış kontrol uygulaması da kanat geometrisinde oluşturulacak yarıktır. Bu uygulama literatürde bazı kompresör uygulamalarında görülmüş, pompa üzerinde herhangi bir uygulamasına rastlanmamıştır. Tez çalışmasında denenen pompanın tasarım debisi olan 12.5m3_{/h debide pompa çarkında} akış ayrılmasının başladığı yerden, düşük hız bölgelerinin ortalarına kadar farklı yerlerde 2 mm genişliğinde yarıklar açılarak pompa çark içerisinde bağıl hız dağılımına etkileri incelenmiştir. Şekil 4.6(a)’da yarık olmayan 6 kanatlı pompa çarkındaki akış alanı görülmektedir.

Çark merkezinden sırasıyla 52 mm, 64 mm, 74.5 mm uzaklıktaki çap değerleri baz alınarak açılan 2 mm genişliğinde yarıkların akış yapısına etkisi sırasıyla 4.7 (b), 4.7(c) ve 4.7(d)’de verilmiştir. Şekil 4.6(b)’de açılan yarık pompa çarkında giriş bölgesinde düşük hız bölgesinin oluşumunu bir miktar geciktirse de genel akış yapısında kayda değer bir değişiklik oluşturmamıştır. Şekil 4.6(c)’de düşük hız bölgesinin oluşturduğu alan bir miktar azalmıştır. Şekil 4.6(d)’de ise düşük hız bölgesinin ortasına

açılan yarıktan pompa dönüş yönü tersine kanatların basınç yüzeyinden emme yüzeyine gelen akışın oluşturduğu momentum ve jet akışın etkisi ile oldukça azaldığı görülmüştür.

(a) (b)

(c) (d)

Şekil 4.6. Farklı bölgelerde açılan yarıkların pompa çarkında bağıl hız değerleri dağılıma etkisi

Şekil 4.7’de akış yapısında en olumlu değişimi veren 74.5 mm çapta yarıklı pompa çarkında basınç konturları üzerine bağıl hız değerleri vektörel olarak çizilmiştir. Burada pompa basınç yüzeylerinden oluşturulan emme etkisi ile vektör dağılımın kanat profilini daha iyi takip etmiş, cidar bölgesinde ise ara kanatsız pompa çarkına göre daha büyük hız vektörleri elde edilmiştir.

Tek kademede yapılan ve çark-difüzör içeren bu çalışmada elde edilen değerlerden basma yüksekliği ve verim değerleri Çizelge 4.2’de verilmiştir. Çizelge incelendiğinde yarık çalışmasının uygulandığı pompa çarklarında hem basma yüksekliği hem de verim değerlerinde önemli düşüşler olmuştur. Bu da pompa içerisindeki akış yapısının düzgün olmasının pompa tasarımında önemli bir parametre olması ile birlikte verim ve basma yüksekliğinde farklı sonuçlara neden olabileceğini göstermiştir. Bu

düşüşün nedeni pompa çarklarının dönüşünde enerjinin akışkana aktarıldığı yüzeyin sürekliliğinin ve toplam uzunluğunun azalmasıdır.

Şekil 4.7. Merkezden 74.5 mm uzaklıktaki yarıçapta açılan yarığın statik basıncın ve bağıl hızın dağılımı. Çizelge 4.2. Çark 1 (orijinal çark) üzerine çark merkezinden farklı uzaklıklarda kanat üzerinde açılan

2mm yarıkların tasarım debisinde tek kademede basma yüksekliği-verim değerlerine etkisi

Kanat Geometrisi Hm (mSS) ηh (%)

Yarık yok 16.9 65.6

Merkez çap 74.5mm 15.9 62.8

Merkez çap 64mm 15.2 62.1

Merkez çap 52mm 15.1 62.0

Yapılan yarık çalışması sonunda basma yüksekliğinde düşüşler yanında verimde de düşüşler olduğu için yarık çalışmaları sadece HAD ile yapılmış, bu incelenen pompa çarkının imalatı ve deneyleri yapılmamıştır.