Performance of Centrifugal Pump as a Fan
Pasanen, Pekka (2013)
Pasanen, Pekka
2013
Ympäristö- ja energiatekniikan koulutusohjelma
Teknisten tieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2013-10-09
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201310241394
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201310241394
Tiivistelmä
The requirements of pumping gas in high pressure environments have led to the use of centrifugal pumps as fans. Pumps are originally designed for pumping water and their performance with air was not known. In this thesis the performance of a centrifugal pump with air was measured with two different impellers. The differences of air and water as a working fluid were studied.
The measurement system was designed and built following the guidelines of the fan measurement standard ISO 5801:2007. The accuracy of the available sensors was not enough to fulfill the requirements of the standard and standardized measurements were not the design target of the measurement system.
A simple flat plate boundary layer analysis showed that the friction coefficient is higher with air on a smooth plate. The surface roughness diminishes the differences because the viscous sublayer disappears in the hydraulically fully rough flow regime. High surface roughness leads to a high friction coefficient with both fluids.
The transition of the boundary layer from laminar to turbulent can have unpredictable effects inside the impeller channel with air and possibly with water in small pumps. The boundary layer analysis also showed that the flow in the impeller channel is more likely to separate with air due to lower Reynolds number. The possible flow separation causes high losses and the hydraulic efficiency deteriorates.
The measurements confirmed that pump can be used as a fan and the operation curves are almost similar. The measurements provided the operation curves of the pump with air at different rotational speeds for both impeller. The impeller with extra half length blades produced higher pressure at high flow rates compared to the normal impeller. The effect of the size of the gap between the impeller and casing was noticeable but not very large.
The fan efficiency measurements were conducted with torque measurement and thermodynamic method. The efficiency measurement with the torque method failed due to insufficient radial load on the bearings. The measured friction power of the bearing unit is too high, because the bearings are not operating correctly. The thermodynamic method showed that the fan efficiency of the pump with air is almost at the same level as the pump hydraulic efficiency with water. Tavalliset puhaltimet eivät sovellu kaasun pumppaamiseen korkeapaineisissa järjestelmissä, mikä on johtanut pumppujen käyttämiseen tähän tarkoitukseen. Pumput on alunperin suunniteltu veden pumppaamiseen eikä niiden suorituskyky ilmalla ole ollut tiedossa. Tässä työssä keskipakopumpun suorituskyky ilmalla mitattiin kahdella eri juoksupyörällä. Ilman käyttämistä pumppausnesteenä tutkittiin vertaamalla mittaustuloksia vedellä mitattuihin arvoihin.
Käytetty mittausjärjestelmä suunniteltiin ja rakennettiin alusta alkaen noudattaen puhallinmittausstandardia ISO 5801:2007. Käytettävissä olevien anturien tarkkuus ei ollut riittävä täyttämään standardin vaatimuksia. Työn tarkoituksena oli selvittää pumpun toiminta puhaltimena eikä suorittaa standardoituja mittauksia.
Yksinkertainen tasolevyvirtauksen rajakerrosanalyysi osoitti, että virtauksen kitkakerroin sileällä pinnalla on suurempi ilmalla verrattuna veteen. Pinnankarheuden vaikutus pienentää eroa, koska laminaari alakerros katoaa pinnan ollessa hydraulisesti karhea. Suuri pinnankarheus kasvattaa kitkakerrointa molemmilla virtausaineilla.
Rajakerroksen muuttuminen laminaarista turbulentiksi voi aiheuttaa odottamattomia ilmiöitä juoksupöyrän virtauskanavan sisällä. Rajakerrosanalyysin mukaan ilmavirtaus irtoaa helpommin alhaisemmasta Reynoldsin luvusta johtuen. Virtauksen irtoaminen aiheuttaa häviöitä ja hydraulinen hyötysuhde pienenee merkittävästi.
Mittaustulokset vahvistivat, että pumppua voi käyttää puhaltimena ja toimintakäyrät ovat samankaltaisia. Tuloksina saatiin pumpun toimintakäyrät eri kierrosluvuilla molemmilla juoksupyörillä. Toinen juoksupyörä, jossa on puolikkaat lisäsiivet, tuotti enemmän painetta korkeilla tilavuusvirroilla tavalliseen juoksupyörään verrattuna. Juoksupörän ja kotelon välisen raon koon vaikutus pumpun toimintaan oli mitattavissa, mutta vaikutus ei ole suuri.
Hydraulinen hyötysuhde mitattiin käyttäen momenttimittausta ja termodynaamista menetelmää. Momenttimittaus ei onnistunut, koska laakereihin kohdistuva radiaalivoima ei ollut riittävällä tasolla. Laakerit eivät toimineet oikein ja mitatut kitkatehot olivat liian suuria. Termodynaaminen hyötysuhteen mittaus vahvistaa, että pumpun hydraulinen höytysuhde ilmalla on lähes yhtä hyvä kuin vedellä.
The measurement system was designed and built following the guidelines of the fan measurement standard ISO 5801:2007. The accuracy of the available sensors was not enough to fulfill the requirements of the standard and standardized measurements were not the design target of the measurement system.
A simple flat plate boundary layer analysis showed that the friction coefficient is higher with air on a smooth plate. The surface roughness diminishes the differences because the viscous sublayer disappears in the hydraulically fully rough flow regime. High surface roughness leads to a high friction coefficient with both fluids.
The transition of the boundary layer from laminar to turbulent can have unpredictable effects inside the impeller channel with air and possibly with water in small pumps. The boundary layer analysis also showed that the flow in the impeller channel is more likely to separate with air due to lower Reynolds number. The possible flow separation causes high losses and the hydraulic efficiency deteriorates.
The measurements confirmed that pump can be used as a fan and the operation curves are almost similar. The measurements provided the operation curves of the pump with air at different rotational speeds for both impeller. The impeller with extra half length blades produced higher pressure at high flow rates compared to the normal impeller. The effect of the size of the gap between the impeller and casing was noticeable but not very large.
The fan efficiency measurements were conducted with torque measurement and thermodynamic method. The efficiency measurement with the torque method failed due to insufficient radial load on the bearings. The measured friction power of the bearing unit is too high, because the bearings are not operating correctly. The thermodynamic method showed that the fan efficiency of the pump with air is almost at the same level as the pump hydraulic efficiency with water.
Käytetty mittausjärjestelmä suunniteltiin ja rakennettiin alusta alkaen noudattaen puhallinmittausstandardia ISO 5801:2007. Käytettävissä olevien anturien tarkkuus ei ollut riittävä täyttämään standardin vaatimuksia. Työn tarkoituksena oli selvittää pumpun toiminta puhaltimena eikä suorittaa standardoituja mittauksia.
Yksinkertainen tasolevyvirtauksen rajakerrosanalyysi osoitti, että virtauksen kitkakerroin sileällä pinnalla on suurempi ilmalla verrattuna veteen. Pinnankarheuden vaikutus pienentää eroa, koska laminaari alakerros katoaa pinnan ollessa hydraulisesti karhea. Suuri pinnankarheus kasvattaa kitkakerrointa molemmilla virtausaineilla.
Rajakerroksen muuttuminen laminaarista turbulentiksi voi aiheuttaa odottamattomia ilmiöitä juoksupöyrän virtauskanavan sisällä. Rajakerrosanalyysin mukaan ilmavirtaus irtoaa helpommin alhaisemmasta Reynoldsin luvusta johtuen. Virtauksen irtoaminen aiheuttaa häviöitä ja hydraulinen hyötysuhde pienenee merkittävästi.
Mittaustulokset vahvistivat, että pumppua voi käyttää puhaltimena ja toimintakäyrät ovat samankaltaisia. Tuloksina saatiin pumpun toimintakäyrät eri kierrosluvuilla molemmilla juoksupyörillä. Toinen juoksupyörä, jossa on puolikkaat lisäsiivet, tuotti enemmän painetta korkeilla tilavuusvirroilla tavalliseen juoksupyörään verrattuna. Juoksupörän ja kotelon välisen raon koon vaikutus pumpun toimintaan oli mitattavissa, mutta vaikutus ei ole suuri.
Hydraulinen hyötysuhde mitattiin käyttäen momenttimittausta ja termodynaamista menetelmää. Momenttimittaus ei onnistunut, koska laakereihin kohdistuva radiaalivoima ei ollut riittävällä tasolla. Laakerit eivät toimineet oikein ja mitatut kitkatehot olivat liian suuria. Termodynaaminen hyötysuhteen mittaus vahvistaa, että pumpun hydraulinen höytysuhde ilmalla on lähes yhtä hyvä kuin vedellä.