Yüksek devirli rulmanlarda açık yağlama sistemi için sprey enjektör tasarımı

Abstract

Hava araçlarının veya roketlerin itki sistemlerinde kullanılabilen turbo jet motorların kullanıldığı aracın planlanan kullanım ömrüne uygun tasarlanabilmesi mühendislik açısından zorlayıcı bir optimizasyon problemidir. Motorlarda döner elemanların yataklandığı rulmanlar sistemin en kritik noktasını oluşturmakta dolayısıyla tasarlanan motorların kullanım ömrünü de bu kritik noktaları olan rulmanların kullanım ömrü belirlemektedir. Rulmanların kullanım ömrünün uzatılması ve daha pürüzsüz bir şekilde görevini yerine getirebilmesi için tarihi taş devrine dayanan, günümüze kadar ilk kullanılmaya başlandığı andan itibaren önemini yitirmemiş, uygarlığımızın temeli olan aletlerin ve makinelerin sorunsuz çalışmasında ve uzun ömürlü olmasında en büyük katkıya sahip; yağlama sistemi kullanılmaktadır. Yağlama sisteminin kalitesini belirleyen ve sistem gereksinimlerine uygun yağlama yapılabilmesini sağlayan en önemli tasarım noktası doğru enjektörün seçimidir. Bu tez çalışmasında yüksek devirli bir rulmanda açık yağlama sistemi gerekliliklerinin belirlenmesi ve bu gerekliliklere uygun yağlama enjektörü tasarımı çalışması anlatılacaktır. Bu tez kapsamında, yağlama enjektörü tasarımına varan ön tasarım çalışmaları 3 aşamada incelenmiş, bu ön tasarım çalışmaları sonucu elde edilen veriler ışığında enjektör tasarımı yapılmış, tasarlanan enjektörün testleri yapılmış ve deneysel sonuçlar elde edilmiş, bu sonuçlar teorik sonuçlar ile kıyaslanmış ve bu kıyaslamaya dayanarak çıkarımlar oluşturulmuştur. Ön tasarım çalışmasının ilk adımı, yağlama gereksinimlerini karşılamak için rulmanların ürettiği ısının belirlenmesidir. Rulmanlarda üretilen ısı, rulman geometrisine, rulman üzerindeki yüke ve rulmanın dönme hızına bağlıdır. Rulmanlarda ısı oluşumu dönen bilyelerden kaynaklanmaktadır. Bu nedenle hesaplamalarda kullanılacak kritik rulman geometrisi bilgileri bilyelerin bulunduğu bölgede toplanır. Rulmana ait gerekli hız ve boyut bilgileri bu geometri bilgileri kullanılarak hesaplanabilir. Yükler ve bilye hızları hesaplandıktan sonra sürtünmeden kaynaklı kaybedilen enerjinin tamamının ısıya dönüştüğü kabulü ile üretilen ısı hesaplanır. Ön tasarım çalışmasının ikinci adımı olarak rulmana gönderilecek olan yağlayıcının debi hesabı yapılmalıdır çünkü rulmanda üretilen ısının sistemden dışarıya atılması gerekmektedir ki rulman sıcaklığının kritik seviyelere ulaşması önlenebilsin. Rulmanın bu kritik seviyelerdeki sıcaklığa ulaşmasını önleyebilmek için rulmana yağlayıcı sıvı gönderilmektedir. Gönderilecek yağlayıcının debisini belirlemek için ısı transferi hesabı yapılabilir. Bu çalışmanın başlangıcında, gönderilen yağlayıcı ve havanın rulman çıkışında aynı sıcaklığa ulaşacağı kabulüyle, rulmanda üretilen ısının hava-yağ karışımına aktarıldığı ısıl denge kurulmuştur. Böylece karışımın rulman çıkış sıcaklığı tespit edilmiştir. Çıkış sıcaklığı belirlendikten sonra rulman sıcaklığını bulmak için iteratif bir çalışma yapılacaktır. Rulmanlara gönderilecek debi belirlendikten sonra, ön tasarım çalışmasının üçüncü ve son adımı doğru tip enjektör seçimidir. Yağlama için kullanılacak enjektörler sprey ve jet enjektörler olmak üzere iki seçenekte incelenmiştir. Enjektör tipine karar verebilmek için literatür taraması yapılarak sprey ve jet enjektör karşılaştırılmıştır. Literatür taramasından elde edilen bulgular göstermektedir ki, hava akışı hızlandığında jet akış büyük tanecikler halinde parçalandığı için hava akışı ile tam anlamı ile taşınamayıp kendi ağırlığı ile akış içerisinde dağılmaktadır. Bu durum jet akışın istenilen hedefe gitmemesine sebep olmaktadır. Rulmana doğru şekilde ulaşmayan yağlayıcının, rulmandan geçmeden ortamdan atılma olasılığı oldukça yüksektir. Ayrıca kapalı sistemlerde sızdırmazlık elemanları sayesinde rulman dışında gidecek bir yere sahip olmayan yağlayıcı, açık sistemde bu sızdırmazlık elemanlarının bulunmaması sebebi ile doğru taşınma kapasitesine sahip olmaz ise, yağlayıcı rulmana ulaşamayacak ve yağlama görevi başarı ile gerçekleştirilemeyecektir. Dolayısıyla bu tezde söz konusu yüksek devirli rulmanlarda açık yağlama sistemi kullanıldığında yağlayıcının tanecik yapısını küçültmek, dağılımını arttırmak ve ikincil hava akışı ile taşınabilir hale gelmesi için sprey enjektör tercih edilmiştir. Literatür çalışmalarında görülen, enjektör tasarımında kullanılan denklemlerin çoğunun ampirik yaklaşımlar varsayılarak yapılan testler sonucunda oluşturulan denklemler olduğudur. Bu tezde, tasarlanacak sistemin çalışma aralığındaki ve düşük hata oranlarına sahip denklemler referans alınmıştır. Bu tezde bahsedilen enjektör için kullanılan tasarım parametreleri; tahliye katsayısı, dağılma uzunluğu, film kalınlığı, yağ çıkış hızı, dağılma rejimleri, sprey dağılma açısı, Sauter ortalama çapı ve yay hesabıdır. Enjektör tasarımı enjektör gövdesi, döner parça, yay, yay tutucu, filtre ve yüksük olmak üzere 6 parçadan oluşmaktadır. Enjektör boyutları, küçük motorlara uyacak şekilde kasıtlı olarak küçüktür. Her ne kadar bu durum üretimsel bazı sıkıntılara sebep verse de kimi motorlar için küçük boyutlara sahip bir enjektör tasarımı zorunluluk olarak ortaya çıkmaktadır. Bu sebeple küçük boyuttaki enjektörlerin incelenmesi ve bu konuda çalışmalar yapılması bir gereklilik olarak ortadadır. Test sisteminde enjektörlerin akış ve basınç ilişkisinin belirlenmesi amaçlanmaktadır. Ayrıca sprey dağılım açısı farklı debilerde gözlemlenmiş ve sprey kalitesinin bir göstergesi olarak kullanılmıştır. Testler kademeli olarak artırılan farklı debilerde gerçekleştirilmiş ve her adımda kamera kayıtları alınarak sprey formları incelenmiştir. Yapılan testler sonucunda düşük basınçlarda püskürtme kalitesinin kötü olduğu ve istenilen debilerin fazla gönderildiği görülmüştür. Düşük basınçta akış enjektörde girdap şeklinde hızlanamadığı için enjektörden çıkan akışkan saçılarak dışarı çıkamaz. Bu nedenle akış birincil rüzgâr rejiminde gerçekleştiği için yeterli sprey formu elde edilememektedir. Sprey kalitesini artırmak için basıncın artırılması gerektiği açıktır. Ancak bu debiyi artıracağından, debi değeri ile sprey kalitesi arasındaki denge gözetilerek tasarım yapılmalıdır.