Keskipakopumpun hydraulisen hyötysuhteen optimointi
Meronen, Aleksi (2018)
2018
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2018-05-09
Julkaisun pysyvä osoite on
http://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201804131496
http://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201804131496
Tiivistelmä
The goal of this thesis was to design a KI40-140 water-pump for Kolmeks Oy. The hydraulic efficiency of the pump was set to reach the Minimum Efficiency Index (MEI) 0,7 -level, which is considered as the benchmark level, in the European Comission Directive 547/2012.
The pump was designed by an analythical method, after which a parametric study was done to optimize the impeller geometry. The parametric study was done as a periodically symmetric model. Two different volutes were designed, one using the constant velocity, and the other with constant swirl -method. The constant swirl volute was symmetric and the constant velocity volute was backwards tangential, compared to the impeller outlet. The best combination was chosen for a full-domain simulation, that included a full impeller and volumetric losses.
Surface roughness parameters were set on the volute surfaces only. The turbulence model was set to k-ω-SST, so that flow separation and boundary-layer effects can be modeled accurately.
Simulation results were validated with a 3D-printed prototype. The prototypetests showed that the simulations predicted lower total head and better efficiency. The errors were proved to be caused by a false approach in the surface roughness parameters, by evaluating simulations of two measured cast-iron pumps.
The designed pump reached all set goals in terms of efficiency, despite the errors in the original simulations. However, the biggest success in this thesis was the validation of simulation parameters, which allows reliable simulations in the future. Työn tarkoituksena on tuottaa Kolmeks Oy:lle KI40-140 -pumppu, jonka hydraulinen hyötysuhde täyttää Euroopan Unionin komission asetuksessa 547/2012 säädetty paras mahdollinen hyötysuhdetaso, MEI (Minimum Efficiency Index) 0,7.
Pumppu suunniteltiin analyyttisellä mitoitustavalla, jonka jälkeen pieniä muutoksia juoksupyörän siipien muotoiluun simuloitiin periodisesti symmetrisellä mallilla. Pumppuun mitoitettiin kaksi erilaista pesää, joista toisessa sidottiin pesän jokaiselle poikkileikkaukselle vakionopeus ja toisessa vakiopyörteily. Myös diffuusorin asema suhteessa juoksupyörään oli pesissä erilainen. Parhaan hyötysuhteen juoksupyörä ja pesä valittiin simulointiin, jossa oli juoksupyörän täysi malli ja virtaushäviöt oli otettu huomioon.
Simulointeihin valittiin kirjallisuustutkielman mukaisesti pinnakarheus vain pesän sisäpinnoille. Turbulenssimalliksi valittiin k-ω-SST -turbulenssimalli, jolloin virtauksen irtoaminen ja pinnankarheuden vaikutukset saatiin mallinnettua tarkasti.
Simulointitulokset validoitiin 3D-tulostetulla prototyypillä. Prototyyppitestaus osoitti simuloinnin ennustavan pumpulle pienempää nostokorkeutta ja parempaa hyötysuhdetta. Virhelähde simuloitujen tulosten ja prototyypin välillä osoitettiin johtuvan väärästä lähestymistavasta pinnankarheuden mallintamisessa ja todenmukainen tapa selvitettiin kahta erikokoista valuraudasta valmistettua pumppua tutkimalla.
Alkuperäisistä simulointiepätarkkuuksista huolimatta suunniteltu pumppu täytti sille asetetut tavoitteet. Työn suurin onnistuminen on kuitenkin simulointireunaehtojen validointi, mikä mahdollistaa luotettavan simuloinnin tulevaisuudessa.
The pump was designed by an analythical method, after which a parametric study was done to optimize the impeller geometry. The parametric study was done as a periodically symmetric model. Two different volutes were designed, one using the constant velocity, and the other with constant swirl -method. The constant swirl volute was symmetric and the constant velocity volute was backwards tangential, compared to the impeller outlet. The best combination was chosen for a full-domain simulation, that included a full impeller and volumetric losses.
Surface roughness parameters were set on the volute surfaces only. The turbulence model was set to k-ω-SST, so that flow separation and boundary-layer effects can be modeled accurately.
Simulation results were validated with a 3D-printed prototype. The prototypetests showed that the simulations predicted lower total head and better efficiency. The errors were proved to be caused by a false approach in the surface roughness parameters, by evaluating simulations of two measured cast-iron pumps.
The designed pump reached all set goals in terms of efficiency, despite the errors in the original simulations. However, the biggest success in this thesis was the validation of simulation parameters, which allows reliable simulations in the future.
Pumppu suunniteltiin analyyttisellä mitoitustavalla, jonka jälkeen pieniä muutoksia juoksupyörän siipien muotoiluun simuloitiin periodisesti symmetrisellä mallilla. Pumppuun mitoitettiin kaksi erilaista pesää, joista toisessa sidottiin pesän jokaiselle poikkileikkaukselle vakionopeus ja toisessa vakiopyörteily. Myös diffuusorin asema suhteessa juoksupyörään oli pesissä erilainen. Parhaan hyötysuhteen juoksupyörä ja pesä valittiin simulointiin, jossa oli juoksupyörän täysi malli ja virtaushäviöt oli otettu huomioon.
Simulointeihin valittiin kirjallisuustutkielman mukaisesti pinnakarheus vain pesän sisäpinnoille. Turbulenssimalliksi valittiin k-ω-SST -turbulenssimalli, jolloin virtauksen irtoaminen ja pinnankarheuden vaikutukset saatiin mallinnettua tarkasti.
Simulointitulokset validoitiin 3D-tulostetulla prototyypillä. Prototyyppitestaus osoitti simuloinnin ennustavan pumpulle pienempää nostokorkeutta ja parempaa hyötysuhdetta. Virhelähde simuloitujen tulosten ja prototyypin välillä osoitettiin johtuvan väärästä lähestymistavasta pinnankarheuden mallintamisessa ja todenmukainen tapa selvitettiin kahta erikokoista valuraudasta valmistettua pumppua tutkimalla.
Alkuperäisistä simulointiepätarkkuuksista huolimatta suunniteltu pumppu täytti sille asetetut tavoitteet. Työn suurin onnistuminen on kuitenkin simulointireunaehtojen validointi, mikä mahdollistaa luotettavan simuloinnin tulevaisuudessa.