Eğrisel evolvent dişli çarklar kullanılarak yeni tip dıştan dişli pompanın geliştirilmesi ve performans karakteristiklerinin analizi

Abstract

Günümüzde dıştan dişli pompaların kolay üretilebilir olması, üretim maliyetinin düşük olması, hidrolik sistemlere kolay entegre edilebilmesi, yüksek basınçlarda çalışabilmesi, viskozitesi yüksek akışkanları iletebilmesi ve geniş devir sayılarına sahip olmalarından dolayı endüstride kullanımı oldukça yaygındır. Bunun yanı sıra pompa gürültü seviyesi, pompa girişinde ani basınç düşüşünden kaynaklanan kavitasyon oluşumu, pompa elemanlarında zamanla meydana gelen aşınma ve ayrıca aşınmadan kaynaklanan ters akış oluşumu pompa performans ve ömrünün azalmasına yol açarak bu tip pompalar için dezavantaj olmuştur. Bu gibi dezavantajların giderilebilmesi için araştırmacılar birçok çalışma yapmışlardır ve halen bu çalışmalar devam etmektedir. Bu tez çalışmasında da literatürde yapılan çalışmalarla verimliliği kanıtlanmış fakat dıştan dişli pompalar için kullanılmamış eğrisel evolvent dişli çarkların kullanımı araştırılmıştır. Bu kapsamda referans evolvent profil ve asimetrik evolvent profil dişililer, farklı eğrilik yarıçaplarında (R90-135-180-225) eğrisel evolvent profil olarak yeniden tasarlanmıştır. Yeni tip dıştan dişli pompa tasarımları geliştirilmiş, HAD analizleri gerçekleştirilmiş, doğrulama deneyleri yapılmış ve pompa elemanlarının imalatı gerçekleştirilmiştir. Ayrıca dişli çarkların imalatında kullanılan AISI 5140 malzemesi için farklı soğutma/yağlama koşulları altında işlenebilirlik deneyleri gerçekleştirilmiş ve işlenebilirlik metriklerinin iyileştirilmesi sağlanmıştır. Çalışma sonucunda R180 eğrilik yarıçapına sahip profil diş ile tasarlanan dişli pompanın, referans olarak kullanılan düz dişli pompaya göre hidrolik çalışma performansı (hacimsel verim, akış dalgalanması ve kavitasyon durumu) iyileştirilmiştir. Ayrıca işlenebilirlik deneyleri için endüstride yaygın olarak kullanılmayan sıvılaştırılmış azotun, soğutma/yağlama koşullarında kullanılmasıyla AISI 5140 malzemesinin işlenebilirlik metriklerinde önemli gelişmeler sağlanmıştır.

Today, external gear pumps are widely used in the industry due to their easy production, low production cost, easy integration into hydraulic systems, ability to operate at high pressures, transmitting fluids with high viscosity, and wide speed range. In addition, the noise level of the pump, the formation of cavitation caused by the sudden pressure drop at the pump inlet, the wear of the pump elements over time, as well as the reverse flow formation caused by the wear, have been a disadvantage for this type of pumps by reducing the pump performance and life. In order to eliminate such disadvantages, researchers have carried out many studies and these studies are still continuing. In this thesis, the use of curvilinear involute gears, whose efficiency has been proven by studies in the literature but not used for external gear pumps, were investigated. In this context, reference involute profile and asymmetrical involute profile gears were redesigned as curvilinear evolvent profiles with different radii of curvature (R90-135-180-225). New types of external gear pump designs were developed, CFD analysis were performed, validation experiments were carried out and pump components were manufactured. In addition, for the AISI 5140 material used in the manufacture of gears, machinability tests were carried out under different cooling/lubrication conditions and the machinability metrics were improved. As a result of the study, the gear pump designed with a profile tooth with a radius of curvature of R180, the hydraulic operating performance (volumetric efficiency, flow fluctuation and cavitation) was improved compared to the pump used as the reference gear pump with involute gear. In addition, significant improvements were achieved in the machinability metrics of AISI 5140 material by using liquid nitrogen, which is not widely used in the industry, for machinability tests under cooling/lubrication conditions.