Yüksek hızlı kavitasyon tüneli için impeller dizaynı

Kavitasyon tünelleri genellikle pervanelerin performansını, kavitasyon oluşumunu, gürültü karakteristiklerini ölçmek için kullanılmaktadır ve kapalı çevrim çalışan sistemlerdir. Bunun yanında, test bölümünün büyüklüğüne ve akım hızına bağlı olarak model torpidoların, hidrofoillerin ya da plakaların değişik amaçlı deneyleri için de kullanılabilmektedirler. Kavitasyon tünellerinde suyun hızı, tünelin alt bölümünde yer alan eksenel impellerin devri değiştirilerek kontrol edilmektedir. Tünel içerisinde meydana gelen gürültü, akım ayrılması ve türbülans hadiselerinin önemli kaynaklarından bir tanesi, akış hacmini sirküle etmekle görevli olan impellerdir. Bu durum dikkate alındığında, impeller dizaynına ait hesaplamaların iyi bir kavitasyon tüneli için başlıca araştırma konularından bir tanesi olduğu anlaşılmaktadır. Türk Savaş Gemilerinin Hidroakustik Özelliklerinin İyileştirilmesi Projesi kapsamında, İstanbul Teknik Üniversitesi, Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi bünyesinde büyük ölçekte bir kavitasyon tüneli inşa edilecektir. Bu tez kapsamında, inşa edilecek tünelin projelendirme aşamalarında önemli adımlardan bir tanesi olan impeller dizaynı, uygulamalı olarak detaylı halde incelenmiştir. Bölüm 1'de, kavitasyon tünelleri ve gerçekleştirilen çalışma hakkında literatür araştırmalarına yer verilmiştir. Bölüm 2'de, kavitasyon tüneli bölümlerinin optimizasyonu ve impeller giriş gücünü belirlemek için gerekli enerji kayıpları hesap edilirken kullanılan yöntemler detaylandırılmıştır. İlaveten, eksenel tipte bir impellerin, tünel kriterlerine bağlı olarak gerçekleştirilen hidrodinamik dizayn aşamaları teorik olarak ifade edilmiştir. Hidrodinamik dizaynı gerçekleştirilen impeller, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi ile incelenmiştir. HAD analizleri teorisi hakkında detaylı bilgiler, Bölüm 3'te sunulmuştur. İlaveten, akış analizlerinde kullanılan sonlu hacimler metodu, hız ve basınç ayrıklaştırılmasının yapıldığı SIMPLE yöntemi ve türbülans modeli olarak seçilen SST k-ω modeli hakkında detaylı bilgiye yer verilmiştir. Bölüm 4 içerisinde gerçekleştirilen sayısal çalışmalar, Bölüm 2 ve 3'te verilen yöntemlerin uygulaması mahiyetindedir. Bu bölümde, kavitasyon tüneli bölümleri üzerinde meydana gelen enerji kayıpları hesap edilmiş, impeller geometrisi oluşturulmuş ve hesaplamalı çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Sonuçlara ilaveten, kanat kesitlerinde kullanılan profil tiplerine ait karakteristik değerlerin elde edilmesi, kanat yüzeylerinin örülme şekli, akış hacmi ve çözüm ağının oluşturulması, ağdan bağımsızlık ve geçerleme çalışmaları ile ilgili detaylara yer verilmiştir. İmpeller geometrisine; akışkan özellikleri, debi, verim, güç, basma yüksekliği değerleri ve bu değerler kullanılarak hesap edilen devir, özgül hız, özgül enerji, kanat sayısı ve diğer dizayn kriterlerine bağlı olarak karar verilmiştir. Hesaplamalar neticesinde elde edilen toplam enerji kaybı, kaynaklara bağlı olarak kabulü gerçekleştirilen verim karakteristikleri ile birlikte değerlendirilerek, impelleri tahrik etmek için ihtiyaç duyulan motor gücü hesap edilmiştir. Tünel içerisinde meydana gelen enerji kayıpları 2, 10 ve 15 m/sn'lik akış hızı değerleri için ayrı ayrı hesap edilmiştir. İmpeller dizayn edilirken hesap edilen bu değerler arasında, maksimum enerji kaybının yaşandığı 15 m/sn'lik akış hızı için elde edilen değer kullanılmıştır. Kavitasyon tüneli genel boyutları ve impellerin yerleştirileceği kesite ait çap değeri bilinmektedir. İmpellerin çapına, nozullu pervanelerde kanat ucu ile duvar arasında bırakılan, pervane çapına göre boyutsuzlaştırılmış mesafe kullanılarak karar verilmiştir. Buna gerekçe olarak, eksenel tipteki impellerlerin nozullu pervaneler ile gösterdikleri çalışma benzerlikleri gösterilmiştir. İmpeller kanat kesitlerinde kullanılacak profillerin son haline, hücum açılarının parametrik olarak değiştirilmesi ile karar verilmiştir. Her bir profilin kanattan bağımsız (2 boyutlu) ve kanat içerisinde (3 boyutlu) sağladıkları kaldırma katsayıları ile bu değerler arasındaki hata oranları hesap edilmiştir. Hücum açılarının değiştirilmesine, kaldırma katsayıları arasındaki farka olan etkisini büyük oranda ya da tamamen kaybedene kadar devam edilmiştir. Kaldırma katsayıları, profillere ait karakteristik değerlerin belirlenmesinin ardından deney verilerinden faydalanarak ampirik yöntemlerin kullanılması ile hesap edilmiştir. Hücum açılarına karar verilmesinin ardından, profillerin sehim hatlarındaki karakteristik değerler göz önünde bulundurularak, kesitlerde kullanılacak dört haneli NACA serilerinin seçimi gerçekleştirilmiştir. Seçilen NACA profillerinin uygunluğu, iki boyutlu HAD analizlerinden elde edilen kaldırma katsayıları ile kontrol edilmiştir. Bulunan değerler, profillerin kanattan bağımsız halde sağladıkları katsayılar ile kıyaslanarak, NACA serilerinin ve hücum açılarının uygunluğuna, hesabı gerçekleştirilen bu iki değer arasındaki farka göre karar verilmiştir. Kanat geometrisi oluşturulurken, toplamda altı adet kesit profili seçilmiştir. Bu profillerde, göbekten kanat ucuna doğru sırasıyla -0.40, 1.75, 1.65, 1.20, 0.85 ve 0.65⁰'lik hücum açıları kullanılmıştır. Dizayn kriterlerine bağlı olarak, profillerin sehim hatları oluşturulmuş ve elde edilen karakteristik değerler incelenerek, göbekten kanat ucuna doğru sırasıyla 9406, 9412, 9410, 6407, 4405 ve 3403 4 haneli NACA serilerinin seçimi gerçekleştirilmiştir. Bu seçim, profiller için karar verilen sehim hatları üzerinde, maksimum sehim, maksimum sehim pozisyonu ve kalınlık yüzdeleri göz önünde bulundurularak gerçekleştirilmiştir. Tünel üzerinde hesap edilen enerji kayıpları ve dizayn kriterlerine bağlı olarak elde edilen profil tiplerinin ve eğilme açılarının kullanılması ile impellerin hidrodinamik dizaynı üç boyutlu halde tamamlanmıştır. İmpellerin tünel içerisinde yerleştirileceği bölüme ait kesit boyutları dikkate alınarak, analizlerin gerçekleştirileceği akış hacmi modellenmiştir. Ağdan bağımsızlık ve geçerleme çalışmalarında tecrübe edilen çözüm ağı yapısı kullanılarak, impeller analize hazır hale getirilmiştir. Hesaplamalı çalışmalar neticesinde, impellerin devri değiştirilerek her yeni durum için akışkana aktarılan güç değerleri elde edilmiştir. Hesap edilen toplam enerji kayıpları göz önünde bulundurularak, impellerin tünel içerisindeki akış hacmini sirküle etmeye uygun olduğuna karar verilmiştir.