Design tools applied to a trochoidal gear pump

Abstract

Positive displacements pumps, as currently designed, produce significant flow pulsations that result in pressure pulsations. These pulsations contribute to the global noise generated by the installation. Moreover, they interact with the system where the pump is connected shortening the life of both the pump and circuit components. Rotary trochoidal gear pump, a type of rotary positive displacement machine, has characteristics that make it suitable for many applications fields. Nowadays, in cases like additivation and dosage, these applications have not been completely developed, and present a growing potential in the industrial world, such as in new diesel engines generation or in medical applications. The thesis presents a set of design tools applied to trochoidal gear pumps, from the viewpoint of the fluid dynamical performance of the pump. These design tools are aimed to help improving two of the main performance indices of the pump: the volumetric capacity and the flow irregularity, leading the designer to more efficient new designs of gerotor pumps. On the one hand, the volumetric capacity is related with the pump's efficiency, and increases in this particular index result in a higher efficiency of the pump. On the other hand, flow irregularity measures de flow ripple generated by the pump, and by reducing this index, the life of both the pump and the installation can be extended, as phenomena like fatigue are attenuated. This is achieved through the use of analytical, simulation and experimental procedures. From the analytical side, two new modules of GeroLAB Package are created, Minimum Clearance Module and Effective Port Areas. Also, a dynamical simulation through BondGraph is conducted, studying the influence of the port areas geometry. In the present thesis, the model has been improved by adding the information of the effective port areas, thus making it more realistic. Regarding the numerical simulation, a three-dimensional with deforming mesh Computational Fluid Dynamics model is presented. The model includes the effects of the manufacturing tolerance and the leakage inside the pump. Also, the influence of simulating the contact points is studied. A new boundary condition is created for the simulation of the solid contact in the interteeth radial clearance, established as a fluid-dynamic condition. The experimental study of the pump is carried out by means of Time-Resolved Particle Image Velocimetry. This technique is developed in order to adapt it to the gerotor pump, and measurements are captures in the outlet pipe and in the chambers between trochoidal profiles. Results are qualitatively evaluated thanks to the analytical and simulation tools. The presented experimental procedure meets the need of a methodology to directly measure the flow ripple generated by the pump, with a non-intrusive technique. It constitutes an alternative to the Secondary Source Method, and it is the first approach of Time-Resolved Particle Image Velocimetry applied to a trochoidal gear pump, according to the author's knowledge.

Las bombas de desplazamiento positivo, en su diseño actual, producen pulsaciones de caudal significantes que resultan en pulsaciones de presión. Estas pulsaciones contribuyen al ruido global generado por la instalación. Además, interactúan con el sistema al cual se encuentra conectada la bomba, reduciendo la vida útil tanto de la bomba como de los componentes del circuito. La bomba rotativa de engranajes trocoidales, un tipo de máquina rotativa de desplazamiento volumétrico, tiene características que hacen que sea adecuada en muchos campos de aplicación. Actualmente, en casos como la aditivación o la dosificación, estas aplicaciones no han sido completamente desarrolladas, y prestan un creciente potencial en el mundo industrial, como en nuevas generaciones de motores diesel o en aplicaciones médicas. La tesis presenta un conjunto de herramientas de diseño aplicadas a bombas de engranajes trocoidales, desde el punto de vista del comportamiento fluidodinámico de la bomba. Estas herramientas de diseño están orientadas a ayudar a la mejora de dos de los principales índices de la bomba: la capacidad volumétrica y la irregularidad en el caudal, dirigiendo al diseñador a nuevos diseños de bombas gerotor más eficientes. Por un lado, la capacidad volumétrica está relacionada con la eficiencia de la bomba, e incrementos en este índice resultan en una mayor eficiencia de la bomba. Por otro lado, la irregularidad en el caudal mide el las fluctuaciones en el caudal generado por la bomba, y reduciendo este índice, la vida útil de la bomba y de la instalación puede ser aumentada, ya que fenómenos como la fatiga se ven atenuados. Esto se consigue a través del uso de procedimientos analíticos, de simulación y experimentales. Desde el punto de vista analítico, se han creado dos nuevos módulos para el software GeroLAB Package, denominados Minimum Clearance Module y Effective Port Areas. También se ha llevado a cabo una simulación dinámica de BondGraph, estudiando la influencia de la geometría de las lumbreras. En esta tesis, el modelo se ha mejorado añadiendo la información de las secciones efectivas de las lumbreras, obteniendo así un modelo más realista. En relación con la simulación numérica, se presenta un modelo de dinámica de fluidos computacional (CFD) tridimensional y con malla deformable. El modelo incluye los efectos de las tolerancias de fabricación y las fugas en el interior de la bomba. Además, también se estudia la influencia de simular los puntos de contactos entre dientes. Se crea una nueva condición de contorno para la simulación del contacto sólido en las holguras radiales entre dientes, establecida como una condición fluidodinámica. El estudio experimental de la bomba se lleva a cabo mediante resolución en tiempo de Velocimetría de Imágenes de Partículas (TRPIV). Esta técnica se adapta a la bomba gerotor, y las medidas obtenidas son capturas en la tubería de salida y en las cámaras entre perfiles trocoidales. Los resultados se evalúan cualitativamente gracias a las herramientas analíticas y de simulación. El procedimiento experimental presentados responde a la necesidad de una metodología para medir de manera directa el caudal generado por la bomba, con una técnica no intrusiva. Constituye una alternativa al método de la fuente secundaria, y es la primera aproximación de TRPIV aplicado a una bomba de engranajes trocoidales, de acuerdo con el conocimiento de la autora