Theoretical, numerical and experimental investigation of a recirculating pump designed for a forced lubrication system

In this thesis a new forced lubrication system, to be equipped to the Garo Spa com- pressors, is developed. The work took place in the office of research and development of Garo and the tests with the prototype were done in the “tests room” of the company. The request from Garo was a lubrication system able to deliver the right amount of flow rate to the bearings pack, without any contact parts, keyed to the same shaft of the compressor and free to translate axially. After an analysis of the operating condi- tions, the recirculating pump was selected as suitable for the application, a rare kind of turbomachine that is characterised by an high head production for a reduced flow rate. The first step in the designing process was to analyse and optimise a mathe- matical model to describe the pump operations. Subsequently the code EULERIAN was developed in order to reach a first dimensioning of the pump. Through the CFD code OpenFOAM different simulations were done producing a first optimisation of the geometrical parameters. Such pump was converted in a prototype (produced thanks to the 3D printer of the research and development Garo office) and tested in many configurations. When it was proved able to deal with the working fluid in all the op- erating conditions, an extensive simulations campaign was performed, assessing in a first moment the reasons why the firsts configurations were not producing the expected results during testing, then the performance of the final configuration were deeply in- vestigated as well as. The influence on the produced head and on the efficiency of the blade number, the blade angle and of a central core was analyzed. In conclusion a final configuration was proposed.

In questa tesi si è sviluppato un nuovo sistema di lubrificazione forzata per i cuscinetti assiali e radiali da installare sui compressori della Garo Spa. La tesi si è svolta in collaborazione con l’azienda ed i test sul prototipo sono stati eseguiti nella sala prove della stessa. La richiesta da parte della Garo era per un sistema di lubrificazione per apportare la giusta quantità di olio al pacco cuscinetti, che fosse in contemporanea privo di parti a diretto contatto, solidale con lo stesso albero che muove la girante del compressore e libero di traslare assialmente. Dopo un’analisi della situazione opera- tiva, la pompa a ricircolazione è stata selezionata come ottimale per l’applicazione, una turbomacchina poco diffusa e capace di produrre una prevalenza elevata per una portata ridotta. Il primo passo per giungere ad un progetto del sistema è stato strut- turare un modello matematico capace di descrivere il comportamento della pompa. Successivamente il codice EULERIAN è stato sviluppato, per poter procedere ad un primo dimensionamento di massima della pompa. Tramite il codice CFD OpenFOAM diverse simulazioni sono state eseguite per giungere ad una prima ottimizzazione del sis- tema che è stato successivamente prototipato tramite stampa 3D (prodotta nell’ufficio ricerca e sviluppo della Garo Spa). Diverse sono state le configurazione testate per giungere ad una pompa capace di operare con il fluido in tutte le condizioni operative richieste. Al termine dei test, un’estesa campagna di simulazioni è stata effettuata; in un primo momento per indagare gli aspetti che avevano pregiudicato i risultati nelle prime configurazioni e successivamente per determinare in modo preciso le performance della configurazione finale, nonché per indagare l’influenza di alcuni parametri, come numero delle pale, il loro angolo o l’aggiunta di un core centrale sull’efficienza e sulla prevalenza prodotta, ricercando una condizione di ottimo. In fine il design definitivo è illustrato assieme alle sue potenzialità.