Turbo Kompresörlerde Şaft Sızdırmazlığının Sağlanması

tURbo KoMpRESÖRLERDE ŞAFt SıZdırMAZLığıNıN SAğLANMASı

ŞABAN YıLMAZ

ar-Ge müdürü ıhı dalGakıran MurAtcAN tAŞkıN

ar-Ge mühendisi ıhı dalGakıran

endüstri içerisinde her sektörün ve hatta her kullanıcının ihtiyaçları farklıdır. Günümüz teknolojisinde demir-çelik, tekstil, gıda, ilaç ve benzeri birçok sektörde kullanılan ekipmanların da sektörün ihtiyaçlarına uygun olması gerekmektedir. yüksek debi ve enerji verimliliği sağlayan turbo kompresörlerin bu çeşitli ihtiyaçlara uygun olması, kullanıcıların en doğal beklentisidir. bu beklentilerden bir tanesi turbo kompresörlerde yüksek hızlarda dönen şaftların yağ sızdırmazlığının sağlanmasıdır.

IHI DALGAKIRAN

Şekil 1: temassız keçe Örneği Şekil 2: temaslı keçe Örneği Şekil 3: Labirent keçelerde havanın akış çizgileri [4]

Temaslı ve Temassız Keçeler

Makinaların düşük devirli modellerinde bahsedilen sızdırmazlık doğrudan yumuşak dolgulu temaslı keçeler ile sağlanmaktadır. Ancak turbo kompresör gibi yüksek hızla dönen rotorların sızdırmazlığı için doğrudan temaslı elemanlar, sıcaklık ve mekanik kayıplar nedeniyle avantajlı bir çözüm değildir [1]. Bununla beraber, temaslı keçelerde zamana bağlı aşınmalar ile gerek yağ gerek hava sızdırmazlık keçelerin rotor ile arasındaki boşluğun büyüme sorunu ortaya çıkar. Temaslı keçelerde boşluğun artması keçelerin sızdırmazlık performanslarında düşmeye sebep olur. Bu durumda ideal çözümler temassız keçeler üzerinedir. 1970 lerde piyasaya sürülen ve kartel gövdelere sahip temassız keçeler zaman içerisinde tasarımları geliştirilmiş ve sonucunda bugünkü labirent keçeler halini almışlardır [1]. IHI DALGAKIRAN olarak turbo kompresörlerimizde sızdırmazlık için kullandığımız çözümlerimiz de labirent keçelerdir.

Labirent keçeler statik elemanlardır ve statik elemanlar ile dinamik parçalar arasında boşluk olması kaçınılmazdır. Aradaki boşlukların fazla olması, keçelerin sızdırmazlık performansını etkilemekle beraber kompresörün verimliliğini de etkilemektedir [2]. Performans sorunlarının yanı sıra temassız keçelerin istenilen sızdırmazlığı sağlayabilmesi yağların, dişliler arasında yağ filmini oluşturması, rotor yataklarında rulmanların yağlanması ve dinamik metal parçaların uygun sıcaklıklara soğutulması gibi görevlerinden dolayı önem arz etmektedir. Yağ kaybının yüksek olması durumunda hassas yağ dengesinin bozulmasına ve olumsuz durumların ortaya çıkmasına sebep olur.

Daha önce bahsedildiği gibi labirent keçeler ile dinamik parçalar arasında boşluk bulunmaktadır. Labirent keçelerin çalışma mantığı bu boşluklarda basınç farkı oluşturularak yağ sızıntısını önlemek üzerinedir. Basınç ve hızın ters orantılı olmasından yararlanarak, dönen dinamik parçalar labirent keçe boşluklarında havanın hızını arttırır ve böylelikle basınç düşümü sağlanmış olur. Labirent keçenin dışarısındaki havanın hızı daha yavaş olduğundan basıncı daha fazladır ve böylelikle yağın labirent keçe içerisinde kalması sağlanır. Bahsedilen bu durum Şekil 3 de görülebilir. Labirent keçe ile dinamik parçalar arasında boşluk ne kadar az ise, boşluklarda oluşan basınç o kadar düşer ve havanın hızı o kadar artar [3].

Tasarımları sayesinde dinamik parça ile arasında basınç farkı oluşturabilen yağ keçeleri yine de tam sızdırmazlık sağlayamazlar [4]. Bu sızdırmazlığın tam anlamı ile sağlanabilmesi için labirent keçelerin dinamik parçalarla oluşturduğu basınç farkının desteklenmesi gerekir. IHI DALGAKIRAN olarak basınç farkını desteklemek için çözümümüz turbo kompresörlerin dişli gövdesine bağlanan yağ tankında vakum oluşturulmasıdır. Yağ tankında oluşturulan vakum, bağlı olduğu dişli gövdesinde de oluşur. Dişlilerde yağ filmi oluşturan ve kaymalı yataklarda kullanılan yağların, kütlesel debisi gereğinden fazla olması durumunda dahi yağın labirent keçelerden geçişine engel olur. tablo 1: temaslı ve temassız keçelerin karşılaştırması temaslı keçeler temassız keçeler

Avantajları + başlangıçta daha iyi sızdırmazlık sağlar. + Mekanik kayıp daha azdır. + Kompresör ömrü boyunca sabit performans gösterir. + bakım ve değişim gerektirmez. + Soğutmak gerekmez.

Dezavantajları - Aşınma durumlarında performansları temassız keçelerin altına düşer. - Mekanik kayıplar daha fazladır. - Soğutmak için ayrıca yağ gerektirirler. - bakım ve değişim isterler. - Değişimleri uzun ve maliyetlidir. - İlk takıldıkları durumda temaslı keçelere göre performansları biraz daha düşüktür.

Vakum Oluşturma Çözümleri

İhtiyaç duyulan vakumu oluşturmanın test edilmiş, güvenilirliğini kanıtlanmış ve verimli iki yolu vardır: sürekli sabit vakum yaratabilecek ekipmanlar olarak bir ejektör sistemi veya bir elektrikli blower fan kullanılabilir.

Ejektörler soğutma, enerji, denizcilik gibi birçok sektörde kullanılırlar. Hava pompası olarak da adlandırılan ejektörlerin çalışma prensibi Bernoulli Denklemine dayanmaktadır [5]. Daha önceden

basınçlandırılmış bir havayı, ejektörün ana hatlarında daralan bir kesitten geçirerek hızının artması sağlanır. Havanın hızının artıp statik basıncın düşmesi ile ejektörün bağlandığı ikincil hatlarda dolaylı yoldan vakum oluşturması sağlanır. Temel Bernoulli denklemi aşağıda görülebilir.

Ps + 1 2 ρV2 + ρgh=ΣP (1)

burada belirtilen P s statik basıncı, ρ öz kütleyi, V hızı, h yüksekliği ve g yerçekimi ivmesini simgeler. Denklem 1' de gösterilen denklemin temel Bernoulli denklemi olduğu ve bu gösterimde sürtünmenin ve kayıpların hesaba katılmadığını ve akışın sıkıştırılamaz olduğu unutulmamalıdır [6]. Sıkıştırılabilir akış ve sürtünmelerin hesaba katılabilmesi Bernoulli denklemlerinin farklı türevleri kullanılmalıdır [6].

Şekil 4: Ejektör çalışma prensibi ve karakteristiği

Yukarıda belirtildiği gibi ejektör kullanımında, daha önceden basınçlandırılmış bir havayı yüksek hız ile ejektörden geçirerek yağ tankı ve bağlandığı dişli gövdesinde vakum yaratılır. Statik basınç, hız ile ters orantılı olduğundan statik basınç düşer ve yüksek hızlarda yağ tankına bağlanan hatlarda vakum oluşturmaya başlar [5]. Vakum oluşması sayesinde labirent keçelere gereken vakum desteği sağlanır ve yağın, sızdırmazlık ihlal edilmeden yağ tankına dönmesi sağlanır.

Şekil 5: Ejektörün kompresör üzerinde çalışma prensibinin gösterimi

Burada yağ tankında oluşturulan vakum basıncı, hız ile doğru orantılıdır. Hızın olması gerekenden daha az olması vakum basıncını düşüreceği gibi aynı zamanda yağ tankına ters etki ederek yağ tankı içerisine hava girişine sebebiyet verebilir. İhtiyaç duyulan vakum basıncının oluşturulamadığı durumlarda, birden fazla ejektör paralel bağlanarak vakum gücü arttırılabilir [7].

Basınçlı havanın yüksek hızlarda vakum oluşturması yöntemi güvenilir ve avantajlı olsa da bazı gereksinimleri vardır. Bu gereksinimlerden en göze çarpanı ise basınçlı hava ihtiyacıdır ve bu basınçlı hava, turbo kompresörün ilk çalıştırma aşamasında kendisinden elde edilememektedir. Bunun en önemli sebebi, turbo kompresörlerin çalışmadan önce yardımcı yağ pompası sayesinde dişlilerin arasında ve rulmanların içerisinde yağ filmi oluşturma ihtiyacından kaynaklıdır. Turbo kompresör henüz çalıştırılmadığı için vakum sistemine basınçlı hava sağlayamamaktadır. Hazır basınçlı havası olmayan tesislerin ve kullanıcıların, harici bir basınçlı hava kaynağı kullanması bu yöntem için gereklidir.

IHI DALGAKIRAN olarak tesisinde basınçlı hava olmayan veya basınçlı havayı kullanmayı tercih etmeyen kullanıcılarımız için vakum oluşturma adına diğer çözümümüz ise yeterli vakum yaratabilecek elektrikli blower fan kullanmaktır. Blower fanlar, vakum oluşturmak için uzun süredir farklı sektörlerde (elektrikli ev süpürgesi, havalandırma kanalları, tekstil, kâğıt üretim ve benzeri sektörler) kullanılan güvenilir hava basınçlandırma ekipmanlarıdır. Bunun bir örneği Almanya Krefeld-Uerdingen madenidir.

Şekil 6: krefelduerdingen Maden hava blower fanı [8]

Blower fanının hava giriş tarafı yağ tankına bağlanarak ihtiyaç duyduğu debiyi yağ tankından çekmesi sağlanır. Blower fanın emiş gücü sayesinde dişli gövdesinin içerisinde vakum oluşturulmaktadır. Yağ tankında oluşturulacak vakum blower fanının çektiği debi ile doğru orantılıdır. Bu nedenle ürünlerin teknik özellik ve deneysel verilerine bakılarak havanın çekileceği hacim içerisinde vakum basıncı hesaplanmalıdır [9].

Şekil 7: Blower fanın çalışma prensibi gösterimi

Şekil 8: Blower fanın kompresör üzerinde çalışma prensibinin gösterimi

Blower fanların çark ve aksamları havaya göre tasarlanmaktadır [9]. Ancak yağ bilindiği üzere bir akışkandır ve akışkanlar genel özellikleri nedeni ile bulunduğu kabın hacmini kaplamaya çalışırlar [6] [10]. Bu durum kapalı yağ devresine ve yağ tankına sahip olan sistemlerde, yağ taneciklerinin havaya karışmasına sebebiyet verir. Burada yağ tanecikleri sıvı halindedir ve bu durum, atmosfer havası için tasarlanan blower fanları için sorun teşkil etmektedir. Hava içerisine karışmış yağ tanecikleri çarklardaki kanatlara çarparak veya zamanla içerisinde kalın bir yağ filmi oluşturarak kanatları aşındırıp mekanik sorunlara sebebiyet verebilir. Bu durum ile karşılaşılmaması için blower fanının kanat yapıları ve malzemesi irdelenmeli, yağ taneciklerinin tahliyesi sağlanmalıdır. Bu yağ tahliye hattının etkin olarak tasarlanması, ancak mühendislik tecrübesi ve deneysel yöntemlerden elde edilen veriler ile mümkündür. Basıncın istenilenden fazla olması durumunda yağ tanecikleri yerine doğrudan sıvı yağ çekilebilir ve bu istenen bir durum değildir.

Temassız labirent keçeler bakım gerektirmeyen, sabit performanslı ve güvenilir sızdırmazlık özellikleri için aynı derecede güvenilir vakum sistemlerine ihtiyaç duyarlar. Ejektör sistemlerinin, harici basınç kaynağı gerektirmesine rağmen sessiz olması ve bakım gerektirmemesi en göze çarpan faydalarıdır. Blower fan sistemlerinin ise elektrik ile tahrik mekanizması sayesinde harici basınç kaynağı gerektirmemesi pek çok kullanıcı için tercih sebebidir. Her iki vakum oluşturma yöntemi de uzun süredir kullanılan, kendini kanıtlamış ve güvenilir yöntemlerdir. Avantajları ve dezavantajları bulunmakla beraber bu tür sistemler kullanıcılarımızın ihtiyaç, fikir ve istekleri gözetilerek tasarlanmaktadır.

tablo 2: Ejektör ve blower fan vakum sisteminin karşılaştırılması EjEktÖr SİStEMİ BLOwEr FAN SİStEMİ

Avantajları + Daha sessizdir. + bakım gerektirmez. + Montajı daha kolaydır. + Daha az parça gerektirir. + basınç kontrolü daha hassastır. + harici enstrüman havası gerektirmez.

Dezavantajları - harici enstrüman havası gerektirir. - bakım gerektirir. - Daha gürültülüdür. - Elektrik ihtiyacından dolayı paket güç tüketimini artırır. - Sisteme daha çok dinamik parça eklenir.

[1] R. G. Albery, «Pumps&Systems,» 06 12 2019. [Çevrimiçi]. Available: https://www.pumpsandsystems.com/sealing-high-speedshafts-turbomachinery. [Erişildi: 22 03 2021]. [2] F. Aslan-zada, V. Mammadov ve F. Dohnal, «Brush Seals nad Labyrinth Seals in Gas Turbine Applications,» Sage Journals, cilt 227, no. 2, pp. 216-230, 2013. [3] J. Whalen, E. Alvarez ve L. Palliser, «THERMOPLASTIC LABYRINTH SEALS FOR CENTRIFUGAL COMPRESSORS,» %1 içinde PROCEEDINGS OF THE THIRTY-THIRD TURBOMACHINERY SYMPOSIUM, 2004. [4] G. Barros, C. Martinez, E. Viana, H. Diniz ve W. Duarte, «LABYRINTH SEALS - A LITERATURE REVIEW,» %1 içinde 17th Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering, Brazil, 2018. [5] K. Chunnanond ve S. Aphornratana, «Ejectors: applications in refrigeration technology,» Renewable and Sustainable Energy Reviews, cilt 8, no. 2, pp. 129-155, 2004. [6] B. Munson, T. Okiishi, W. Huebsch ve A. Rothmayer, Fundamentals of Fluid Mechanics, Denver: John Wiley & Sons, Inc., 2013. [7] Shutte & Koerting, «Selection of Air Ejectors,» [Çevrimiçi]. Available: https://www.s-k.com/technical-references.cfm. [Erişildi: 22 03 2021]. [8] B. Eck, FANS DESIGN AND OPERATION OF CENTRIFUGAL, AXIAL-FLOW AND CROSS-FLOW FANS, Braunschweig: Pergamon Press, 1972. [9] M. Turner, 29 10 2002. [Çevrimiçi]. Available: http://www. electronics-cooling.com/Resources/EC_Articles/MAY96/may96_01. htm. [Erişildi: 22 03 2021]. [10] Bureau of Energy Efficiency, «Fans and Blowers,» %1 içinde Energy Efficiency Guide Book, Goverment of India, 2004, pp. 93-112.