Vidalı tip sızdırmazlık elemanlarının performans karakteristiğinin deneysel analizi
Experimental analysis on the performance characteristics of screw seals
Yazar: EREN MUTLU
Danışman: YRD. DOÇ. DR. VEDAT TEMİZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Konstrüksiyon ve İmalat Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Deney tasarımı = Experimental design ; Sızdırmazlık = Sealing

Özet:
Yüksek hızlarda çalışan sistemlerde (turbomakinalar vb.) temaslı sızdırmazlık elemanı kullanılması durumunda, meydana gelen sürtünme nedeniyle sıcaklığın ve aşınmanın artması sızdırmazlık elemanının fonksiyonunu yitirmesine ve kullanım ömrünün azalmasına yol açar. 
Bu gibi durumlarda temassız sızdırmazlık elemanı kullanılması, meydana gelen bu olumsuz etkilerin ortadan kalkmasına neden olurken, sızdırmazlık performansında ciddi oranda arttırmaktadır. Sadece sistem devredeyken görevini yerine getirebildiği için bu sızdırmazlık yöntemine aynı zamanda aktif sızdırmazlık adı verilmektedir. Bu çalışmada temassız aktif sızdırmazlık yöntemlerinden biri olan vidalı tip sızdırmazlık elemanının performans karakteristiği deneysel olarak incelenmiştir.
Bu çalışmanın amacı, farklı vida geometrilerine sahip sızdırmazlık elemanlarının karakteristiklerinin deneysel olarak elde edilmesi, bu deneysel verilerden yola çıkarak, optimum vida geometrisine sahip sızdırmazlık elemanının tasarlanabilirliği konusunda ön görüde bulunmaktır.
Yapılan çalışmada dönme hareketinin söz konusu olduğu sistemlerde kullanılan temassız sızdırmazlık elemanlarının sızdırmazlık performanslarının basınca ve vida geometrisine göre değişimi deneysel olarak incelenmiştir. Bu amaca uygun geliştirilmiş bir deney tesisatı ile çalışmalar yapılmıştır.
Tezin başında sızdırmazlık sistemleri tanıtılarak nasıl gruplandığı hakkında genel bilgiler verilmiş, daha sonra sızdırmazlık elemanlarının teknik özelliklerinden ve kullanım alanlarından söz edilmiştir. Bununla birlikte temassız sızdırmazlık elemanları hakkında bir takım bilgiler verilerek vidalı tip temassız sızdırmazlık elemanlarının çalışma prensibi anlatılmıştır.
Bu çalışmada, aktif temassız sızdırmazlık elemanlarının performans karakteristiğinin elde edilebilmesi için uygun bir deney düzeneği kurulmuştur. Deney tesisatında değiştirilebilen parametreler akışkan basıncı, çevre hızı ve vida geometrisidir. Kurulan deney düzeneğinde sızdırmazlık, vidalı mil prensibi ile sağlanmaktadır. Bu prensibe göre dönen mil ve sabit göbek arasına giren akışkan, mil üzerindeki vida profili sayesinde basınçlı bölgede tutulmakta ve sızdırmazlık sağlanmaktadır. Farklı vida profillerinin test edilebilmesi için belirli geometrilerde 4 adet vidalı sızdırmazlık elemanı numunesi hazırlanmıştır. Sızdırmazlık bölgesinin gözlemlenebilmesi için göbek şeffaf pleksiglass malzemeden yapılmıştır. Göbek içindeki basınç dağılımı basınç sensörleri yardımıyla elde edilmektedir. Deneylerde akışkan olarak hava kullanılmıştır. Kullanılan basınç mertebeleri 2 ve 3 bar olarak belirlenmiş, çevre hızları ise 5,5 m/s ve 7,4 m/s?dir.
Yapılan deneyler sonucunda vida geometrisinin sızdırmazlık performansına doğrudan etki ettiği tespit edilmiştir. Özellikle vida oluğu genişliği fazla olan numune ile yapılan deneylerde oldukça iyi sonuçlar alınmıştır. Yapılan incelemelerde basıncın artması sızdırmazlık performansını olumsuz etkilemektedir. Bunun aksine dönme hızının artması sonucunda sızdırmazlık performansında ciddi bir artış gözlemlenmektedir.

Abstract:
Seals used in high speed applications lose their sealing ability due to remarkably high friction and wear and their service life decreases as a result. Therefore, non-contact seals are used for high speed applications such as turbomachinery to increase system?s efficiency. These seal types are referred as dynamical seals due to working only when the system is running. In this study, the performance characteristics of the screw seals which are one of the methods of non-contact active sealing are investigated experimentally.
The objective of this work is to obtain experimental sealing performance data of the seals with various geometries in order to determine whether a screw geometry with an optimum sealing performance can be designed.

In this study, an experimental analysis of the screw seals, that are used in high speed rotational applications, has been made on the effects of the pressure, annulus (tip) speed and geometry of the screw seals. A new experimental apparatus has  been developed to be able to do these tests.

In the beginning of the study, there will be a brief explanation about the types of sealing systems and their using areas. Then, some technical features of the non-contact sealing systems will be given. There will be a explanation about the working principle of the screw seals at the end of this chapter.

In this study, an experimental setup was designed to determine sealing performance of the non-contact seals. In this experimental setup, the variables are pressure, annulus speed and geometry of the screw seals. Screw seals (viscoseals) were used as non-contact sealing components on the experimental setup. In this seal, the flank of a thread forms the slanted barrier and diverts the circumferential shear flow induced by the rotating shaft. The pressure of the sealed fluid causes flow towards the atmospheric side, but by selecting the appropriate sense of rotation of the thread, the flank directs the entrained fluid back towards the sealed space. 4 screw seal specimens with various screw geometries were prepared to be able to compare different scew geometries. To observe the sealing area, the hub is made of transparent plexiglass. Pressure sensors are used for the obtain pressure distrubution in the transparent hub. During the tests, high pressure air is used for the liquid. Air pressure levels are 2-3 bars and annulues speeds are 5,5 m/s and 7,4 m/s. 

In conclusion, screw geometry has been found to affect directly to the sealing performance. Particularly, good resulst have been obtained in experiments with the sample of wide-grooved screw. According to the analysis on liquid pressure, increase in pressure level adversely affects the performance of sealing, on the contrary significant increase in performance of sealing was obtained as a result of the increase in the rate of annual speed level.