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.