Σχεδιασμός και κατασκευή εξαρτημάτων φυγοκεντρικών αντλιών ύδρευσης-άρδευσης με χρήση προηγμένων υλικών

Abstract

This doctoral dissertation investigates the mechanical properties of 3D-printed nanocomposite materials with the goal of creating end-use parts for centrifugal water pumps. Simultaneously, the best printing parameters are being investigated to create parts with the best mechanical strength. The use of advanced nanomaterials can improve performance due to their superior physical and mechanical properties. In more detail, the initial section of the thesis includes an experimental study which aims to compare composite materials with the metallic materials used for the construction of parts of centrifugal pumps, as well as to determine the mechanical properties of polymer matrix composite materials. The experimental study includes uniaxial tensile and compression tests, loading-unloading tests, nano-penetration, determination of vibrational behavior, scanning electron microscopy (SEM), and the utilization of a confocal microscope for the determination of surface roughness and morphology of the tested specimens. In the next section, an initial computational study is conducted in a computational fluid dynamics (CFD) environment, based on the results of the experimental study, to determine the maximum rated power of an impeller that can be constructed with composite materials under study. Following the latter, a three-dimensional scan and design of two cast iron impellers, one semi-open and one closed, were performed, with their nominal power coinciding with that calculated in the computational study. Upon completion of the 3D design, a study was conducted on the form of the hub connection of each impeller to the shaft of the pump, as they will be rebuilt from composite materials. Then, another computational fluid dynamics model was developed, in combination with the finite element method, the two impellers were simulated under theoretical operating conditions at the best efficiency point (BEP), considering the mechanical properties of the materials and their morphology. After the computational model was solved, the results were compared, and the preceding numerical model was verified regarding the strength of the impellers made of composite materials. Additionally, a computational study was conducted for the construction of cushions from composite materials. A similar procedure was followed with the pivot, a 3D scan of the cushions and the flexible jaw coupling was performed, and the digital twin of the assembly was created. The study was completed with the finite element analysis (FEA) simulation model, having entered the necessary data regarding the mechanical properties of the composite material. The results confirmed that the parts withstood the theoretical load values in this case as well. This section is completed with the 3D printing of the two impellers using the material extrusion (MEx) printing method and the cushions of the coupling. The dimensions of the printed parts are measured using a CMM to ensure the range of the parts' tolerances compared to the original parts. In the final section, the two pumping assemblies, consisting of the new components made of composite materials, are tested in a laboratory environment under real operating conditions. The conclusions drawn show that the new components outperform their metal counterparts, significantly increasing the efficiency of the pumps.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιείται διερεύνηση των μηχανικών ιδιοτήτων τρισδιάστατα εκτυπωμένων νανοσύνθετων υλικών με σκοπό την δημιουργία εξαρτημάτων τελικής χρήσης (end-use parts) για φυγοκεντρικές αντλίες νερού. Παράλληλα γίνεται διερεύνηση των βέλτιστων παραμέτρων εκτύπωσης με σκοπό την δημιουργία εξαρτημάτων με την βέλτιστη μηχανική αντοχή. Η χρήση προηγμένων νανοϋλικών δύναται να οδηγήσει σε βελτίωση την απόδοσης λόγω των ανώτερων φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων τους. Αναλυτικότερα, η αρχική ενότητα της διατριβής περιλαμβάνει την πειραματική μελέτη η οποία έχει ως σκοπό την σύγκριση των σύνθετων υλικών με τα μεταλλικά υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή εξαρτημάτων φυγοκεντρικών αντλιών, αλλά και τον προσδιορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων των σύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας. Η πειραματική μελέτη περιλαμβάνει πειράματα μονοαξονικού εφελκυσμού και θλίψης, πειράματα φόρτισης-αποφόρτισης, νανοδιείσδυσης, προσδιορισμού ταλαντωτικής συμπεριφοράς, ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) καθώς και χρήση ομοεστιακού μικροσκοπίου σάρωσης για τον προσδιορισμό της τραχύτητας και της μορφολογίας των επιφανειών των εξεταζόμενων δοκιμίων. Στην επόμενη ενότητα, πραγματοποιείται μια αρχική υπολογιστική μελέτη σε περιβάλλον υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD), βασισμένη στα αποτελέσματα της πειραματικής μελέτης, για τον προσδιορισμό της μέγιστης ονομαστικής ισχύος πτερωτής που δύναται να κατασκευαστεί με τα εξεταζόμενα σύνθετα υλικά. Ακολουθεί η τριασδιάστατη σάρωση και ο σχεδιασμός δύο πτερωτών, μία ημιανοιχτού και μία κλειστού τύπου, κατασκευασμένες από χυτοσίδηρο, με την ονομαστική ισχύ τους να συμπίπτει με αυτήν που υπολογίστηκε στην υπολογιστική μελέτη. Με την ολοκλήρωση της σχεδίασης έγινε μελέτη της μορφής σύνδεσης της πλήμνης της κάθε πτερωτής με την άτρακτο της αντλίας, δεδομένου ότι θα κατασκευαστούν εκ νέου από σύνθετα υλικά. Έπειτα, με την ανάπτυξη ενός ακόμη μοντέλου υπολογιστικής ρευστοδυναμικής σε συνδυασμό με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων έγινε προσομοίωση των δύο πτερωτών σε θεωρητικές συνθήκες λειτουργίας στο σημείο βέλτιστης απόδοσης λαμβάνοντας υπόψη τις μηχανικές ιδιότητες των υλικών και την μορφολογία τους. Με το πέρας της επίλυσης του υπολογιστικού μοντέλου έγινε σύγκριση των αποτελεσμάτων και επαλήθευση του αριθμητικού μοντέλου που προηγήθηκε σχετικά με την αντοχή των πτερωτών κατασκευασμένες από σύνθετα υλικά. Επιπρόσθετα, πραγματοποιήθηκε υπολογιστική μελέτη για την κατασκευή παρεμβυσμάτων ελαστικού συνδέσμου από σύνθετα υλικά. Ακολουθήθηκε παρόμοια διαδικασία με αυτή των πτερωτών, πραγματοποιήθηκε τρισδιάστατη σάρωση των παρεμβυσμάτων και του ελαστικού συνδέσμου και δημιουργήθηκε το ψηφιακό δίδυμο (digital twin) της συναρμολογημένης διάταξης του συνδέσμου. Η μελέτη ολοκληρώθηκε με το μοντέλο προσομοίωσης φορτίσεων σε περιβάλλον πεπερασμένων στοιχείων (FEA), έχοντας εισάγει τα απαραίτητα δεδομένα που αφορούν τις μηχανικές ιδιότητες του σύνθετου υλικού. Τα αποτελέσματα επαλήθευσαν και σε αυτήν την περίπτωση η αντοχή των εξαρτημάτων στις θεωρητικές τιμές φόρτισης. Η ενότητα αυτή ολοκληρώνεται με την τρισδιάστατη εκτύπωση των δύο πτερωτών με την μέθοδο εκτύπωσης με εξώθηση υλικού (Mex) καθώς και των παρεμβυσμάτων του ελαστικού συνδέσμου. Οι διαστάσεις των εκτυπωμένων εξαρτημάτων μετριόνται με την χρήση CMM για την διασφάλιση του εύρους των ανοχών των εξαρτημάτων συγκριτικά με τα αρχικά εξαρτήματα. Στην τελευταία ενότητα λαμβάνει χώρα η δοκιμή των δύο αντλητικών συγκροτημάτων, αποτελούμενα από τα νέα εξαρτήματα που κατασκευάστηκαν από σύνθετα υλικά, σε εργαστηριακό περιβάλλον σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Τα συμπεράσματα που εξάγονται φανερώνουν υπεροχή των νέων εξαρτημάτων σε σύγκριση με τα αντίστοιχα μεταλλικά, καθώς αυξάνουν σε ικανοποιητικό βαθμό την απόδοση των αντλιών.