Akışkanlar ile ilgili temel kavramlar MAKİNE MÜHENDİSLİĞİNE GİRİŞ Ders 4 Yrd. Doç. Dr. Yüksel HACIOĞLU Su,, gaz, buhar gibi kolayca şekillerini değiştirebilen ve dış etkilerin etkisi altında kolayca hareket edebilen (akabilen) maddelere akışkan denir. Akışkanlar sıvı ve gaz olmak üzere ikiye ayrılırlar. Teorik olarak sıvılar sıkıştırılamayan, gazlar ise sıkıştırılabilen özelliğe sahiptirler. Akışkan molekülleri arasında iç sürtünme denilen bir sürtünme meydana gelir, bu sürtünme akışkanın akmaya karşı direncini gösterir ve viskozite olarak adlandırılır. Herhangi bir akışkanın akması için üzerine bir basınç, daha doğrusu bir basınç farkı yaratılması gerekir. Basınç, birim alana etki eden normal yani yüzeye dik kuvvet olarak tanımlanır, = F/A ascal kanunu: İçi akışkan dolu, kapalı bir kap alınırsa ve yüzeyi A olan bir pistonla F kuvveti yani = F/A basıncı etki ettirilirse bu basınç akışkanın her kısmına ve kabın cidarlarına aynen iletilir. F Manometre ile hesaplanır ve birimi N/m² = a (ascal) dır. Mutlak basınç, ölçek basıncı: Atmosfer (çevre) basıncı m = + atm Mutlak basınç Efektif basınç (ölçek basıncı)
Hidrolik mekanizmalar Üstü açık bir kap içerisindeki herhangi bir noktada örneğin A noktasındaki basınç şöyle ifade edilebilir. Hidrolik sistemlerde, bir sisteme bir basınç verilirse, bu basınç tüm sitemi aynı değerle etkiler (ascal kanunu). A = atm + ρ g h atm F F 1 1 A1 A A atm ρ g h : A noktasındaki basınç : Atmosfer basıncı : Sıvının yoğunluğu : Yerçekimi ivmesi : A noktasının derinliği A h Örnek: A1 10 cm A 60 cm A F 1000*9,8 9800 N 10 1 F1 F 9800 1633 N A 60 A 60 0 10 s1 s cm A1 10 Hidrolik Vinç {. pistonunun 0 cm stroku için 1. piston 10 cm strok yapmalıdır } Türbinler Türbinler su, buhar veya gaz gibi akışkanların sahip oldukları enerjiyi mekanik enerjiye çeviren makinelerdir. Türbin Türbinlerin çalışması eski su değirmenlerinde kullanılan su çarklarının çalışmasına benzer. Bu çarklarda suyun üst seviyesi çarkın üstünde veya çark merkezinin altında bulunur. Birinci durumda çark suyun ağırlığı yani suyun basıncı, ikinci durumda ise su hızının etkisiyle çalışmaktadır. Hidrolik Türbin Buhar Türbini Gaz Türbini elton türbini Francis türbini Kaplan türbini
elton türbini Birinci durumda suyun potansiyel enerjisi, ikinci durumda suyun kinetik enerjisi basınca dönüşür ve çark kanatlarını etkileyerek çarkı döndürür. elton türbini, yüksek su seviyelerinde kullanılır. Türbinin kanatları yan yana yerleştirilmiş ω şeklinde iki kepçeden oluşur. Su dağıtıcıdan çarkın kanatlarına çarka göre teğetsel yerleştirilmiş bir veya birkaç lülenin yardımıyla gönderilir. Francis Türbini Francis Türbini genellikle 300 m den az yükseklikteki su düşüşlerinde kullanılır. Francis türbini su içinde çalışmaktadır, böylece çark ile su seviyesi arasındaki düşüşten tamamen yararlanılmaktadır. elton türbini ise da döndüğü için bu düşüşten kısmen yararlanır. Türbin dağıtıcısı iki gövde arasında ayarlanabilen kanatlardan meydana gelmektedir. Çark ise iki gövde arasında bulunur. Bu nedenle eşit boyut ve aynı düşüş yüksekliği için Francis türbini daha hızlı döner ve dolayısıyla daha ekonomik olur. Francis türbinleri çok büyük güçler için kullanılır (00 000 kw a kadar). Su girişi radyal, çıkışı ise ekseneldir.
Kaplan Türbini Kaplan Türbini dağıtıcısı Francis türbinininkine benzer ve çarkı pervane şeklindedir. ervanenin kanatları sabit olursa pervane türbini, kanatlar ayarlanabilir şekilde olursa Kaplan türbini adını taşır. Buhar türbinleri Buhar türbinlerinde buhar, bir dağıtıcının yardımıyla çark kanatlarına gönderilir ve çarkı dönmeye zorlar. Burada buharın ısı enerjisi (iç enerjisi ve basınç enerjisi) dağıtıcıda kinetik enerjiye ve çark üzerinde mekanik enerjiye dönüştürülür. Bu türbin genellikle küçük yüklerde ve değişken su düşüş yüksekliklerinde kullanılır. Gaz türbinleri Buhar suya göre sıkıştırılabilen bir akışkan olduğundan akma sırasına genleşmenin sonucu olarak buharda büyük hacim ve akma hızı değişiklikleri meydana gelebilir. Buhar türbinleri, buhar enerjisi bir kademede mekanik enerjiye dönüştürürse tek kademeli, birçok kademede dönüştürürse çok kademeli olurlar. Gaz türbinlerinde akışkan olarak yanmış gazlar kullanılır. Ayrı bir odada elde edilen yanmış gazlar, buhar türbinlerine benzer bir şekilde bir dağıtıcının kanallarından geçirilerek, çark üzerinde bulunan kanatları etkiler ve çarkı dönmeye zorlar. Bu şekilde yanmış gazların kinetik enerjisi mekanik enerjiye dönüştürülür. Gaz türbinlerinde olarak katı, sıvı ve gaz ları kullanılır. Çok kademeli buhar türbini
Tepkili Motorlar Marş motoru Gaz türbinlerinin çalışma esası Türbin Hava girişi Kompresör Debi ayarlayıcısı Hareket kabiliyetine sahip olan bir kabın içinde bulunan basınçlı bir akışkan (sıvı, gaz) hareket ile ilgili bir etki yapmaz. Yanmış gazlar Yanmış gazlar Isı değiştiricisi Hava Hava Yanma odası Yanmış gazlar Yakıt girişi Kabın bir tarafına bir delik açılırsa, bu delikten hızla (ivmelenerek) çıkan akışkan, karşı tarafa yönelik bir itme kuvveti oluşturur, ve tüm sistem o yöne hareket eder. m a F Reaktör motorları Reaktör motorlarında itme kuvveti, bir pervane içten yanmalı motor veya türbin tarafından döndürülen pervane ile sağlanır. Bu tip motorlarda içten yanmalı veya gaz türbininden elde edilen egzoz gazları, itme kuvvetini büyütmek için kullanılır. pervane Bu amaçla motorun çıkışına bir takım lüleler yerleştirilir. Egzoz gazları bu lülelerden büyük bir hızla çıkarlar ve büyük bir itme kuvveti meydana getirirler. İçten yanmalı motor Türbin ile çalıştırılan bu tip motorlara turboreaktör, içten yanmalı motor kullananlara motoreaktör denir. kompresör türbin Jet Motorları Jet motorlarında itme kuvveti yanmış gazların enerjisi kinetik enerjiye dönüştürülerek sağlanır. Yakıtın yanma odasında yanmasıyla ortaya çıkan yanmış gazlar büyük bir hızla dışarıya çıkarlar ve ters yönde itme kuvvetini oluştururlar. Yanma için gerekli kompresör ile sağlanır. Kompresör içten yanmalı motor ile çalıştırılırsa bu motora motojet, türbin ile çalıştırılırsa turbojet motor denir. İçten yanmalı motor kompresör türbin
Roket motorları Turbofan jet motoru genelde yolcu uçaklarında kullanılır. Roket motorlarında itme kuvveti yanmış gazların hızla dışarı çıkmasıyla meydana gelir. Turbofan, itişi egzoz gazıyla beraber, ön kısımdaki geniş fanla da sağlanan bir jet motoru tipidir. Roketlerde ın yanması için yerine bir yakıcı, genellikle de sıvı oksijen kullanılır. Bu nedenle bu sistemlerde kompresör ve türbin gibi elemanlar yoktur. Yakıtın yanması ve gazların çıkması ile roketin ağırlığı gittikçe azalır. Sıvı oksijen pompa Yanma odası Uçuş kuvvetleri Thrust : İtme Kuvveti Lift : Kaldırma Kuvveti Drag : (Sürükleme Kuvveti) Weight : Ağırlık Uçuş kumandaları (uçuş kontrol yüzeyleri) A: Aileron C: Elevator D: Rudder
Jeneratör ve Elektrik Motorları Jeneratörler mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çeviren teknik yapıtlardır. Jeneratörlere mekanik enerji türbin veya içten yanmalı özellikle dizel motorları tarafından verilir. Elektrik motorları ise elektrik enerjisini mekanik enerjiye çeviren teknik yapıtlardır. Motorlar doğru akım ve alternatif akım motorları olarak ikiye ayrılırlar. Jeneratörlerin ve elektrik motorlarının yapıları çok benzerdir. Basit olarak bir jeneratör veya elektrik motoru iç kısmında sargılar bulunan bir stator ve bunun içinde dış kısmında sargılar bulunan bir rotordan meydana gelir. Rotor, rotor mili denilen bir mil zerinde bulunur ve beraber dönerler. Elektrik motoru Sargılar kutuplar tarafından oluşturulan bir manyetik alan içinde bulunurlar. Rotor, milden verilen bir mekanik enerji ile döndürülürse, sargıdan elektrik akımı elde edilir ve sistem jeneratör olur. Sargıya elektrik akımı verilirse rotor döner, rotor miline bir mekanik enerji verilir ve sistem motor olur.