Sempa Pompa ile kavitasyon analizinde yeni nesil yaklaşım

Şekil 1: Kavitasyon Hasarına Uğramış Çarklar

Kavitasyon hem pompa üreticileri hem de kullanıcıları açısından ciddi bir mühendislik sorunudur. Bu olgu, sıvının bulunduğu yerdeki basıncın, sıvının buhar basıncının altına düşmesiyle başlar ve sıvı kaynamaya başlar. Bu durum, akış yolunda buhar kabarcıklarının oluşmasına ve ardından bu kabarcıkların çökerek sıvı içinde şok dalgaları oluşturmasına neden olur. Bu dalgalar, kısa sürede ekipmana zarar verebilecek düzeyde yüksek enerjilidir.

Pompanın kavitasyona karşı dayanımını değerlendirmek için kullanılan temel ölçütlerden biri ‘Net Pozitif Emme Yüksekliği’dir (NPSH – Net Positive Suction Head). Bu değer, sıvının toplam mutlak basıncı ile buhar basıncı arasındaki farktır ve genellikle metre veya feet cinsinden ifade edilir. NPSH iki şekilde değerlendirilir: Pompa girişindeki basınca göre hesaplanan mevcut NPSH (NPSHA) ve pompanın kavitasyonsuz çalışabilmesi için gereken minimum basınca karşılık gelen gerekli NPSH (NPSHR).

Eğer mevcut NPSH (NPSHA), gereken NPSH değerinden (NPSHR) düşükse, kavitasyon başlar. Oluşan kavitasyonun etkileri kabarcık boyutlarına, çıkan sese, malzeme kaybına veya pompa basma yüksekliğindeki azalmaya göre sınıflandırılır.

Özellikle çok kademeli dik milli türbin pompalarında veya jeotermal pompa uygulamalarında kuyu derinliği belirlenirken NPSH kriteri kullanılır. Bu tip pompalar, sulama ve endüstriyel uygulamalarda yaygındır. Kademelerin artırılmasıyla pompa yüksekliği (head) de artırılabilir. Çoğunlukla, kademe başına pompa yüksekliğinde %3 düşüşe yol açan NPSH değeri (NPSH3) tasarım kriteri olarak alınır.

Şekil 2: NPSH₃ Eğrisi

Sempa Pompa Ar-Ge Merkezi tarafından gerçekleştirilen bir çalışmada, 350 m3/h debili, 13.5 mWC yüksekliğe sahip ve 1450 rpm ile çalışan bir SVDP Serisi Dik Milli Türbin Pompası, sonlu hacimler yöntemi vasıtasıyla simüle edilmiştir. Modelleme için yaklaşık 4 milyon hücrelik bir ağ oluşturulmuştur. Çalışmada, ana faz olarak su ve ikincil faz olarak su buharı kullanılmış; türbülans için SST k-w modeli kullanılmıştır.

Debi sabit tutularak giriş basıncının analizden elde edilmesine olanak tanıyan kütlesel debi giriş ve basınç çıkış sınır koşullarıyla çeşitli simülasyonlar yapılmıştır. Elde edilen basınç değerleri, aynı debide kavitasyona yakın noktadaki pompa yüksekliğiyle karşılaştırılmıştır

Şekil 3: Dik Milli Türbin Pompa Çarkında Kavitasyon Gelişimi

NPSH değerinin belirlenmesi için pompanın %3 daha düşük bir yüksekliğe ulaştığı noktadaki giriş basıncı başlangıç olarak alınmış ve bu basınç, çalışma sırasında kavitasyon etkisinin başlamakta olduğu ancak henüz performansı bozmadığı eşik olarak kabul edilmiştir. Daha sonra aynı debide giriş basıncı kademeli olarak azaltılarak pompa yüksekliği %3 düşene kadar testler sürdürülmüştür.

Giriş basıncı daha da azaltıldığında, kavitasyon bölgesi belirgin hale gelmiş ve verim ile güç eğrilerinde ani düşüşler gözlenmiştir. Bu yöntem, farklı debiler için tekrarlanarak NPSHR eğrisi çıkarılmış; güç, verim ve yüksekliğe karşılık gelen NPSH eğrileri oluşturulmuş ve deneysel verilerle karşılaştırılmıştır.

Sempa Pompa Ar-Ge Merkezi’nin dik milli derin kuyu pompaları test laboratuvarında elde edilen veriler, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği çerçevesinde elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılmakta ve sonuçların benzer olduğu görülmektedir.

Şekil 4: Tam Radyal Pompa Çarkında Kavitasyon Gelişimi

Sempa Pompa ileri mühendislik ve simülasyon teknikleri ile tüm santrifüj pompa ailesinde kavitasyon riskini minimize ederek güvenli ve yüksek performanslı çözümler sunmaktadır.