Labirent keçelerde kaçak debiyi sınırlayıcı en önemli parametre açıklıktır. Bu açıklık, türbin geçici rejimindeki rotor-stator izafi hareketlerine bağlı olarak kapanabilir (Lattime, 2002). Açıklığın kapanmasıyla birlikte labirent keçe dişleri statora sürtmeye ve aşınmaya başlamaktadır. Aşınma esnasında ise diş uçları değişik şekiller alabilmektedir. Aşınmış diş geometrisine bağlı olarak sızdırmazlık performansı olumsuz şekilde etkilenmektedir ve motor verimi, performansını, ömrünü ve dayanıklılığını düşürmektedir (Ludwig, 1974; Chupp, 2006). Labirent keçeler tasarım değerlerinin dışına çıktığında, motor verimi ve performansı sırasıyla %10 ve %21’e kadar düşebilir (Ludwig, 1974). Türbinin ömür çevrimi içinde önemli olan kaçak debi artışının hangi seviyede olduğuna dair literatürdeki çalışmalar oldukça sınırlıdır ve konu bilinmeyen olarak önemini korumaktadır.
Labirent dişler, türbin geçici rejiminde rotor-stator ikilisinin izafi olarak radyal ve/veya eksenel hareketi sonucu, dişlerin yerleştirildiği yere göre rotora ya da statora sürtünerek aşınır. Labirent diş ve karşı yüzey malzeme çiftine bağlı olarak aşınma;
sadece diş, sadece karşı yüzey veya her ikisinin aşınması şeklinde gerçekleşebilir. Yine malzeme çiftine bağlı olarak karşı yüzeyde oyuk da oluşabilir. Labirent dişin aşınmasına yönelik buhar ve gaz türbinlerinde karşılaşılan iki tür diş aşınma şeklinin oluştuğu deneysel çalışmalarda ve motor bakımlarında gözlenmiştir. Bu labirent diş aşınma geometrileri,
a) mantar diş aşınması b) yuvarlatılmış diş aşınması şeklindedir.
Literatürde mantar diş aşınmasının (Zimmermann, 1994; Ghasripoor, 2004; Pychynski 2016) ve yuvarlatılmış diş aşınmasının (Zimmermmann, 1994; Chougule, 2006;
Delebare, 2014) fotoğraflandığı yayınlar bulunmaktadır. Labirent diş ucunun aşınmasına yönelik aşağıda Şekil 1.27’te gösterilen buhar ve gaz türbinlerinde karşılaşılan iki tür diş aşınma çeşidi bulunmaktadır (Ghasripoor, 2004).
Şekil 1.27. Mantar ve yuvarlatılmış diş aşınmaları (Ghasripoor, 2004)
Literatürde, mantar diş aşınmasındaki kaçak debi değişiminin incelendiği (Xu, 2006;
Doğu vd., 2015; Doğu vd., 2016) ve yuvarlatılmış diş aşınmasındaki kaçak debi değişiminin incelendiği (Rhode, 2001; Doğu vd., 2016) yayınlar bulunmaktadır. Fakat literatürde iki aşınma çeşidinin de kaçak debi bakımından karşılaştırması ve sızdırmazlık performansına etkisinin incelendiği kısıtlı (Doğu vd., 2015; Doğu vd., 2016) yayın bulunmaktadır. Bu tez kapsamında labirent keçelerde görülün aşınma çeşitlerinin sızdırmazlık performansına etkisinin incelenmesi amaçlanmıştır.
Mantar diş aşınması, karşı yüzey dişe göre daha sert bir malzemeden yapılırsa oluşmaktadır. Karşı yüzeyde aşınma gözlenmez, dişte ise uç kısmında eriyen malzemeler dişin yan tarafını doldurarak mantar şeklinde bir diş formu oluşturur.
Yuvarlatılmış diş aşınması ise, karşı yüzey dişe göre daha yumuşak bir malzemeden yapılırsa gözlenmektedir. Aşınmadan dolayı dişin keskin köşelerinde yuvarlanma meydana gelir. Karşı yüzeyde oyuk da oluşabilir. Bu oyuklar dişin eksenel ve radyal hareketine göre dikdörtgen, yamuk, üçgen veya eliptik şekilde oluşabilir.
Aşağıda, Şekil 1.28’da aşınma çeşitlerinin HAD analizinde kullanılacak diş ucu
1) Düz diş 2) Mantar diş 3) Yuvarlatılmış diş
Bu diş geometrileri için analizler sonucunda elde edilen sızdırmazlık performansı detaylı olarak sonuç kısmında değerlendirilmiştir.
Şekil 1.28. Labirent diş aşınma formları
Havacılık motorlarında ve güç santrali türbinlerindeki labirent keçe dişlerinin aşınmaları farklılık göstermektedir. Havacılık motorlarında kullanılan labirent keçe dişlerinde kaplama kullanıldığı için genelde yuvarlatılmış diş aşınması, güç santrali türbinlerinde kullanılan labirent keçelerde ise kaplama kullanılmadığı için genelde mantar diş aşınması gerçekleşmektedir.
Aşağıda labirent keçe dişlerinde yaygın gerçekleşen aşınma geometrileri detaylandırılarak değerlendirilmiştir.
1.5.1. Mantar Diş Aşınması
Mantar diş aşınması genelde güç santrali türbinlerinde kullanılan labirent keçelerde görülmektedir. Aşağıda, Şekil 1.29’de değişik türbinlerde mantar diş aşınması oluşmuş dişlere ait fotoğraflar görülmektedir (Neef, 2006).
Şekil 1.29. Mantar diş aşınması oluşmuş labirent keçe örnekleri (Neef, 2006)
Mantar diş aşınmasında, karşı yüzeyin malzemesi diş malzemesine göre daha sert
sonuçlanır. Böylece aşınmaya bağlı öngörülemeyen ve kalıcı olan bir kaçak debi artışı oluşur. Bu artışın başlıca iki sebebi vardır. Birincisi ve en önemlisi, aşınmadan dolayı diş açıklığının artmasıdır. Kaçak debi açıklık ile doğrudan orantılı olduğu için açıklık arttıkça kaçak debi artacaktır. İkincisi ise, mantar diş geometrisinin düz dişe göre daha yuvarlak hatlara sahip olmasıdır. Mantar dişte düz dişe göre yerel kayıplar daha azdır ve yüzeyden ayrılmalar daha az oluşur. Her iki sebepten dolayı da, mantar dişte düz dişe göre kaçak debi artar. Aşağıda Şekil 1.30’de mantar diş aşınması ile birlikte açıklık artışı gösterilmiştir. Bu tez çalışmasında aşınmış mantar diş geometrisine göre kaçak debideki değişim, labirent keçe çalışma şartlarına göre belirlenmiştir ve yukarıda izah edilen iki etki de ayrı ayrı incelenmiştir.
Şekil 1.30. Mantar diş aşınması ile birlikte açıklık artışı
1.5.2. Yuvarlatılmış Diş Aşınması
Yuvarlatılmış diş aşınması genelde havacılık motorlarında karşılaşılan bir durumdur.
Aşağıda Şekil 1.31’da düz diş ve aşınan yuvarlatılmış diş gösterilmiştir (Rhode, 2001).
Yuvarlatılmış diş aşınmasında karşı yüzeyin malzemesi dişe göre daha yumuşak bir malzemeden (kaplama) seçildiği için, diş üzerinde mantar diş aşınmasındaki gibi ciddi bir aşınma gözlenmez. Onun yerine dişlerin keskin köşeleri tıraşlanarak daha yuvarlak hatlara sahip diş oluşur. Yuvarlatılmış diş aşınması gerçekleşirken, aynı zamanda,
Hatta bu durum aşındırılabilir sızdırmazlık elemanı uygulamalarında özellikle de istenebilmektedir.
Şekil 1.31. Düz diş ve yuvarlatılmış diş (Rhode, 2001)
Aşağıda Şekil 1.32’da oyuklu ve oyuksuz yuvarlatılmış diş aşınmasının geometrileri gösterilmiştir. Bu oyuk, geçici rejimdeki rotor-stator ikilisinin radyal-eksenel hareketine bağlı olarak gelişen aşınmaya göre derinleşebilir ve/veya genişleyebilir.
Yuvarlatılmış diş geometrisi, düz dişe göre daha yuvarlak hatlara sahip olduğundan dolayı daha fazla debi kaçıracaktır. Ayrıca, oyuk oluşması kısılmanın olduğu bölgede diş ile stator arasındaki mesafeyi arttıracağından dolayı, sızdırmazlık performansını etkileyecektir.
Tez çalışması kapsamında; tüm diş geometrilerinin (düz, mantar ve yuvarlatılmış diş) labirent keçe sızdırmazlığı üzerindeki etkileri birçok çalışma parametresi dikkate alınarak HAD analizleri ile incelenmiştir.
Takip eden bölümde konu hakkında geniş bir literatür taraması verilmiştir.