Karaçay T. (Yürütücü)
TÜBİTAK Projesi, 2013 - 2015
Özet
Dönel mekanik sistemlerin yataklanması için sıklıkla
kaymalı yataklar veya rulmanlar kullanılmaktadır. Sistemin dönüş hızı
arttıkça rulmanlar hem mekanik yapılarından hem de yuvarlanma dirençlerinin
hızla birlikte artmasından dolayı kullanılamaz hale gelmektedirler. Yüksek
hızlarda kullanılan konvansiyonel kaymalı yataklarda hızdaki artışla birlikte
sürtünme kısmen düşmektedir. Ancak sürtünme ile oluşan ısının
uzaklaştırılması için yüksek debide yağ akışı sağlanması gerekliliği,
hidrodinamik yağlamanın doğasından kaynaklanan dolanım (whirl) kararsızlıkları
ve dolayısıyla titreşim problemlerine sebep olabilmektedir. Basınçlı hava
yatakları özellikle yüksek hızlarda dönen hassas mekanik sistemlerin
yataklanması için çok düşük sürtünme kuvveti ve yüksek hassasiyeti sebebiyle
yeni bir çözüm önerisi olarak sunabilir. Bu sebeple yüksek hızın istendiği,
türbinler, hava çevrim makinaları, taşlayıcılar, jiroskoplar ve dişçi
matkapları ile birlikte sıvı yağlayıcıların çevreye ve doğaya karşı
oluşturduğu kirliliğe karşı hassas olan
ve hijyenik üretimin istendiği medikal, gıda ve tekstil alanlarında
kullanılan makinalar için oldukça uygundur
Dönel mekanik sistemlerde hareketli parça olan
rotorun dinamiği yataklamanın sahip olduğu katılık ve sönümleme ile direkt
bağlantılıdır. Basınçlı hava yataklarında rotor sıkıştırılabilir bir akışkan
olan hava tarafından taşınmaktadır. Bu akışkan aynı zamanda yağlama görevi
görmekte, yani mekanik elemanlar arasında direkt temas olmamasını ve
sürtünmenin düşürülmesini sağlamaktadır. Konu üzerinde ilk yapılan akademik
çalışmalar 1828’de iki plaka arasında basınçlı hava ile yüzeylerin
hareketinin incelenmesine dayanmakla birlikte esas akademik atılım Reynolds
teoremiyle ortaya çıkmıştır. 1960’larda direkt bu konuda sempozyumlar
düzenlenmeye başlanmış olmakla birlikte ağırlık hareketli tablaların
incelenmesi veya eksenel yataklamalar ile ilgilidir. Havacılık ve uzay
sanayindeki gelişmelerle birlikte yüksek hızlarda çalışan hassas sistemler
için radyal havalı yataklar
konusundaki çalışmalar da artmış olmakla birlikte kullanılan akışkanın
sıkıştırılabilirliği ve bu akışkanın doğrusal olmayan dinamik davranışı
sebebiyle son yıllardaki çalışmalar özellikle dolanım hızı ve kararlılığı,
yatak-rotor arasındaki akış modelinin çözümlenmesi ve yatağın dinamik
karakteristiğinin optimizasyonu konularında yoğunlaşmıştır.
Basınçlı hava yatağı; dışarıdan sıkıştırılmış
havanın yatak üzerine açılan özel geometrilere sahip orifislerle şaft (rotor)
ve yatak yüzeyleri arasına gönderilerek şaft ve yatak arasında bir film
oluşturulması mantığı ile çalışır. Basınçlı hava yataklar konusunda yapılan
çalışmalar çoğunlukla performans parametrelerini belirlenmesi ve
iyileştirmeler üzerinedir. Bu problemin üstesinden gelmek için genellikle
yeni yatakların tasarımları üzerinde durulmaktadır. Diğer taraftan yapılan
çalışmalar daha çok yatağın stabil durumdaki davranışları incelenmiş ve
buradan yola çıkarak yatağın dinamik karakteristiklerini belirlemek için
kabuller çerçevesinde bazı yaklaşımlar üretilebilmiştir. Bu anlamda özellikle
yatağın dinamik özelliklerini veren kritik dolanım hızı ve dolanım
kararsızlığı basınçlı hava yatakları için en önemli problemlerdir. Sunulan bu
projede basınçlı hava yataklarının dinamik karakteristiklerine etki eden
parametreler teorik ve deneysel olarak incelenecektir. Teorik çalışmalar
kapsamında ilk olarak yatak yüzeyi ve şaft arasındaki akış modellenecektir.
Modelin numerik analizi için sonlu farklar ve sonlu elemanlar gibi
metodlardan oluşan farklı bir hibrid metod uygulanacaktır. Teorik çalışmalar
kapsamında ikinci olarak da rotor sistemi, akış modelinin numerik analizi
sonucu ile elde edilen doğrusal olmayan yay sabiti ve sönüm oranı gibi
dinamik parametreler ile modellenecektir. Kurulacak rotor modeli Jeffcott
Rotoru olarak bilinen rijit şaft ve diskten oluşan bir sistem olarak
modellenecektir. Bu model genelde kararlı durum incelenerek ihmal edilen
jiroskopik etkileri de içerecektir. Proje kapsamında yapılacak deneysel
çalışmada ise teorik çalışmalar ile elde edilen dinamik modelin
doğrulanmasına çalışılacaktır. Deney sonuçlarından elde edilen geri besleme
ile modelleme için yapılan kabuller, hibrid çözüm yaklaşımı ve parametrelerin
etkisi irdelenecek ve model
geliştirilmeye devam edilecektir. Bu amaçla kurulan deney düzeneğinde farklı basınçlı
hava yatakları tipleri farklı hava basınçlarında ve rotor hızlarında deney
yapmaya uygun olarak tasarlanacak ve sistem üzerinden alınan yatak içi
basınç, rotor hızı, yakınlık (proximity) sensörleri ile rotor titreşim
verileri toplanarak sonuçlar değerlendirilebilecek ve geri besleme için
kullanılabilecektir. Bu düzenekte özellikle
yatak içerisindeki basıncın direkt ölçülmesi ve değerlendirilmesi
literütürde mevcut olmayan özgün katkılar arasındadır. Çalışmalarda elde
edilen teorik ve deneysel sonuçların analizi ve değerlendirilmesi ile kullanımı
gittikçe yaygınlaşan basınçlı hava yataklarının dinamik modellenmesi için
literatüre özgün bir modelle katkı sağlanacak, yeni yatak tasarımlarının
geliştirilmesi için zemin hazırlanacak ve basınçlı hava yatakları için yeni
uygulama alanları oluşturmak için bir altyapı kurulacaktır.
|