Yrd. Doç. Dr. Abdulkadir Güllü
Gürcan Samtaş (son sınıf öğr.)
Gazi Üniv. Teknik Eğitim Fak., / Makine Eğitimi /
Talaşlı Üretim Öğretmenliği Böl.
Haziran 2000, Ankara

1 - GİRİŞ

1.1. İlk Manyetik Yatak Tasarımı

Calgary şehrinin 110 km. doğusundaki Alta adlı küçük yerleşim biriminde, Doğu Kanada'nın doğal gaz kaynağı üzerinde küçük bir grup bina yeralır. Ahır büyüklüğünde bir yapı içersinde 1400 beygir gücündeki jet motorunun sağır edici sesi, günde 3 milyar lt3 doğal gazı doğuya uzanan yüzlerce km'lik boru hattı boyunca gönderen yakınlarındaki bir santrifüj gaz kompresörünü tahrik ederken hissedilebilir, aynı zamanda duyulabilir de.
Burada kullanılan güç korkutucu olmakla beraber, yapılan işin büyüklüğü göz önüne alındığında şaşırtıcı gelmektedir. Ancak, Nova Corporation of Alberta tarafından işletilen Hussar Gaz Kompresörü İstasyonu'nda kaba kuvvetten daha fazla iş başındadır. Söz konusu olan şey bir zamanlar mekanizmaların ve makine mühendisliğinin etkileyici bir örneği iken, sıradan elektrik motorunkine benzer bir sistemle değiştirilerek günümüzün büyük kompresör, jeneratör ve diğer döner elemanlı cihazlarının tasarımını köklü biçimde değiştirmeye aday bir düzenlemedir.

Beş sene önce bu tesisteki manzara tamamen farklı ama, benzer cihazlarla uğraşanlara da çok tanıdık görünmekteydi. Jet motoruna ilaveten güç türbini, gaz kompresörü ve bunları birbirine bağlayan güç hattı eldeki boş alanın %50'sini işgal eden pompa ve borulardan oluşan bir yılan yuvasını andırıyordu. Dakikada 176 galon yağlayıcı debisi ise dönmekte olan şaftın çıktığı kompresör muhafazası üzerindeki açıklıktan doğalgaz kaçışını engelleyen yağlı sızdırmazlık sisteminin bir parçası olarak çok daha yüksek 1000 psig basınçlara pompalamak zorundaydı.

Yağlama ve sızdırmazlık ile ilgili problemler çok sayıdaydı ve bunların çoğu duraklama süreçlerine sebepti. Pompalar, fanlar ve diğer elemanların tümü düzenli bakım gerektiriyordu. Temizlik ve programlı bakım işleri için yapılan duraklamaların sayısı, beklenmeyen arızaların sayısına eşitti. Firma tarafından 1970'lerin başında yürütülen bilimsel çalışmalar, kompresörlerin işlememe süresinin %80'inin yağlama ve yağlı sızdırmazlık sistemlerinin problemleriyle ilgili olduğunu gösteriyordu. Sıkıntı ve bakım masraflarının ötesinde, yüksek sıcaklıktaki bir ortamda parlayıcı sıvı kullanılmasıyla ortaya çıkan bir risk olarak, her zaman geçerli bir yağlayıcı yangını tehdidi vardı. Boru hattının yağlayıcı yangını ile kirlenmesi de ayrı bir sorundu. Bu, gaz akışını zamanla %5 kadar sınırlayabilir, hat boyunca yeralan işleme ve ölçüm cihazlarını çalıştırmayacak şekilde kaplayabiliyordu.

1978'de Nova, yağlayıcı sistemleriyle beraber manifold problemlerine de çözümler aramaya başladı. Kompresörün yağlı sızdırmazlık sistemine, mekanik kuru salmastra ile çabucak bir alternatif bulundu. Mekanik kuru salmastra, pozitif basınçla sıkıştırılmış gazı kullanarak hem rotor etrafındaki doğalgaz sızıntılarını durduran hem de salmastranın dönen ve sabit parçalarını bir diğerinden ayrı tutarak aşınma ve yırtınmayı önleyen orijinal cihazdı. Firma bunları, gaz kompresörlerine monte etmeye 1980'de başladı.

Kompresör salmastrası yağlayıcı sisteminin sadece küçük bir parçası idi. Hussar'daki pompaların, soğutma fanlarının ve valflerin karmaşık dizileri, kompresörün yaklaşık iki tonluk şaftını ve türbinin yaklaşık 1ton'luk rotorunu yağlamak ve soğutmak üzere yerinde bırakılmıştı.

1982'de Nova, Fransız üreticisi Societe de Mehanique Magnetique (S2M) tarafından geliştirilen yeni bir sistem olan Aktif Manyetik Yataklar'ı keşfetti. Bir prototipinin konstrüksiyonu ve başarılı işletiminin ardında Nova, 1985'in sonlarına doğru dünyanın ilk yağlayıcısız kompresörünü Hussar'a uyguladı. Daha sonraki birkaç sene boyunca firma, geriye kalan 38 istasyonunun çoğundaki kompresörleri yenilemek için azimli bir program yürüttü.
Bir şaftı havada asılı tutmak bir şey, onu hareket halinde kontrol etmek çok daha başka bir şeydir. Hussar kompresöründe bu, 5200 dev/dak ile dönen yaklaşık 1, 5 ton'luk çelik şaftın kendisinden sadece 0.01inch uzaklıktaki yüzeylerle temas etmesini önlemek demektir.

Hussar'daki kompresör revizyonuna reğmen, yağlayıcı sistemi güç türbinine hizmet vermesi için kaldırılmamıştı. Aslında, oraya da manyetik yatakların montajına karar verilmişti. Nova mühendisleri için bu dönüşümün başlıca zorluğu; yatak bobin sargıları ile pozisyon sensörlerinin de içinde bulunduğu birkaç elektronik elemanın 2300C 'lik ortam çalışma sıcaklığına da yanması gerekliydi. Nova, bu zorlu şartlar altında çalışabilecek elektriksel ve diğer elemanları bulabilmek için Virginia, Rodford'da bulunan Actidyne Magnetic Bearings'in Kuzey Amerika bölgesi lisans sahibi Magnetic Bearings Inc. ile yakın çalışmalarda bulundu. Türbin dönüşümlerini yöneten Nova makine mühendisi Warren Grosdal; bu noktada insanlar sadece yüksek sıcaklık sebebiyle zaman içinde bir reaksiyon türbinine manyetik yatak teknolojisini uygulayabileceğimize şüphe ile baktı; diyordu.
Ortamın verdiği zorluğa ilaveten, kompresör dönüşümü sırasında karşılaşılmayan bir başka sıkıntı da türbinde ortaya çıktı. Türbin şaftı bir ucunda diğer ucuna çok daha ağırdı. Bu, gazların jet motorundan gelerek içersinden geçerken genişlediği, şaftın dönüşünü sağlayan kanatçıklı diskten kaynaklanmaktaydı. Dolayısıyla, bu uçtaki radyal yataklar ekstra yükü kaldıracak şekilde tasarlanmıştı. Kanatçıklı disk üzerinde gazların yol açtığı yanal basınç sebebiyle türbinin rotoru, kompresörünkilere oranla çok daha büyük eksenel veya basınçlı yataklar ile tespit edilmişti. Radyal yataklardan dizayn yönünden farklı ama, prensipte aynı olmak üzere manyetik yataklar, jet etkisinin oluşturulduğu yanal kuvvete manyetik olarak karşı koymaktadırlar.

Yangın riskini azaltmanın, enerjiye açık kompresör istasyonlarından ve yağlayıcı sistemin bakım kabusundan kurtulmanın yanında manyetik yataklar, neredeyse tüm mekanik titreşimi de yok ederler. Ne kadar iyi tasarlanmış ve imal edilmiş olursa olsun, dönen parçaya sahip her makine titreşimden kolaylıkla görmeye açıktır. Mesela, şafttaki çok küçük hatalar yüksek hızlardaki balanssızlığın başlıca kaynağı haline gelebilir. Rotor ve stator kanatçıklarındaki aerodinamik kuvvetler de titreşime yol açabilir. Mesela, Grasdal'a göre, 5000 dev/dak ile dönen 6 inch boyundaki şaft üzerinde bulunan 28 gr. ağırlığındaki malzeme, 60 kg'lık bir balanssızlık kuvveti üretecektir. Aşınma ve yırtılma titreşime sebep olacak şekilde değiştirecektir.

İş, elektrik cihazları sektörüne geldiğinde manyetik yataklar gerçekleştirmeyi bekleyen bir teknolojik gelişme olarak karşımıza çıkmaktadır. Döner elemanlı makinelerin birçok türünde gelecek vaat etmesine rağmen bu teknoloji, on seneyi aşkın zaman önce Kuzey Amerika piyasasına girişinden beri orada sınırlı bir uygulama alanı bulmuştur. Ontario' daki Hydra Şirketi'nden, manyetik yataklar hakkında araştırmalar yapmış olan Tribolist Ken Brown manyetik yatakların; işletme maliyetlerinin düşürülmesi, kritik hızlarının kontrolü ve yangın riskinin azaltılması konusundaki potansiyelin yüksek olduğunu söylemiştir. Özellikle nükleer sektöründeki sermaye yatırımlarının düşmesinin, pompa ve diğer büyük ekipmanların üreticilerine para harcayarak ürünlerini tekrar dizayn etmek konusunda ancak cuz' i bir cesaret verildiğini de eklemiştir. Tüm bunlara ilave olarak prototipleri, üretimi ve bahsine gerek bile duyulamayacak riskli piyasayı da düşünürsek, teknoloji üreticilere neredeyse itici gelmeye başlamaktadır.

Birşeyler yapmak için harekete geçme konusunda görevin büyük kısmı bu orijinal ekipman üreticilerine düşmektedir. Çünkü teknoloji, bu firmaların yeni ürünleri sayesinde, eskileri modernleştirme çalışmalarının sağlandığından daha fazla ekonomi sağlamaktadır. Eğer manyetik yatakları üreten kuruluşlar S2M, Magnetic Bearings Inc. ve bir avuç şirket maliyetlerini azaltabilirse işler daha iyiye gidebilir. Virgina Üniversite'si araştırma profesörlerinden, manyetik yataklar konusunda uzman olan Robert Humpris'e göre, bir zamanlar S2M tarafından başı çekilen bir rekabetin doğuşu hem daha düşük fiyatlar hem de daha fazla uygulama alanına sahip geniş bir ürün yelpazesi getirebilirdi.

Yoğunlaşan çalışmalar çerçevesinde manyetik yatakların bugün geldiği konumuna baktığımızda, alışıldık yatakların yerini alacak gibi gözüküyor. Her nekadar tasarım aşamasında çok yoğun bir çalışma gerektiriyor ise de, yeni yapılan çalışmalar çerçevesinde sorunların büyük bir kısmı çözülerek kullanılma alanları genişletilmiştir.

1.2. Genel Olarak

Manyetik yataklar, diğer yatak sistemlerinden ayrı olarak yatak içine aldıkları şaftı havada asılı tutarlar. Mekaniksel etkilere maruz kalmadıklarından her türlü alanlarda rahatlıkla kullanılmaya açık olan bu sistemlere, elektrik ve mekanik mühendisliğin birleşimi olarak bakılmaktadır. Yataklarda kullanılan malzeme ve denge sistemleri için yapılan analizler mekanik mühendisliği, yatağı kontrol altında tutan ve çalışmasını her durumda denetleyen kontrol sistemlerinin tasarımını da elektrik mühendisliğinin ilgi alanını oluşturmaktadır. Genellikle elektrik motorlarına benzer bir çalışma şekline sahiptir.

Elektronik motorlardaki stator ve rotorlar çoğu zaman bundan daha yüksek toleranslarda hassas dizayn ve düzgün bakımla mesafelerini korurlar. Fakat serbest hareket eden, yataklanmamış bir rotor için bu doğru değildir. Manyetik yataklar bu hava boşluğunu, şaft etrafındaki statoru oluşturan dört adet çeyrek mıknatısa verilen akım üzerindeki gelişmiş elektronik kontrol yardımıyla sağlanır. Dört mıknatıstan sadece üsteki ikisi şaftı çekmek suretiyle kaldırırlar. Fakat, mıknatısların hepsi de şaft pozisyonunu ayarlamakta, onu konvansiyonel yataklara temas etmekten inch'in bir kesiri kadar uzak tutmakta rol oynarlar. Bu konvansiyonel yataklar gücün kapatılması veya arıza durumunda kullanılır. Yatak içi denge durumunu kontrol altına almak için de sensörler kullanılmaktadır.

Sensörler aradaki hava boşluğunu gözler ve elektronik kontrollere sinyal gönderir. Bu sinyaller daha sonra, şaft bu noktadan kayarsa elektronik kontroller, şaftı manyetik yöntemle pozisyona geri getirmek için stator çeyrek mıknatıslarından birine veya daha fazlasına akım göndermek amacıyla güç amplifikatörlerine kumanda edeceklerdir.

Manyetik yataklar rijit şekilde monte edilmezler. Ağırlık dağılımlarının yönlendirilmesine uygun olarak serbestçe dönerler. Geometrik eksenleri yerine eylemsizlik eksenleri, etrafında döndükleri eksendir. Sonuç; kendiliğinden sağlanan balanstır. Buna ek olarak, şaft üzerine etkileyen tüm aerodinamik kuvvetler stator mıknatısları aracılığıyla karşı kuvvet üretilerek ortadan kaldırılabilir. Yataklara giden maksimum akım 50 amper'dir. Hem 3700 pound' luk kompresör şaftını hem de 2400 pound'luk türbin şaftını kaldırmak için radyal manyetik yatağın üst kısmında yeralan iki adet çeyrek mıknatısın her birine 25 Amper yeterlidir. Tıpkı bir elektrik motoru gibi bobin sargılarının sayısı, tellerin boyutu ve sargı katlarının büyüklüğü manyetik yataklarda oluşturulan elektromanyetik kuvveti belirler.
Bu yataklar üzerine yapılan her çalışma, yatakların daha da ön planda tutulmasını sağlamaktadır.

1.3. Yeni Çalışmalar

Yıl 1999 - 2000, manyetik yataklar konusunda yapılan araştırmalar gitgide artmaya başladı. İlk olarak International Magnetic Bearing Center ismi altında bütün manyetik yatak üreticileri ve araştırma yapan üniversiteler toplanarak ileriye dönük atılımlar yapıldı. Günümüzde bu konu hakkında araştırma yapan üniversiteler arasında Virginia University, MIT University, Control Systems Laboratory, Department of Electrical Engineering, Auburn University ve Maryland Üniversity sayabiliriz. Virginia Üniversitesi manyetik yatakların gelişmesi ve yangınlaşması alanında birçok soruya ışık tutmuştur. Bu üniversiteler birçok kuruluşlarla işbirliği yapmakta olduğu da gözden kaçmamaktadır. Buna, NASA - AVCON işbirliği ile yapılan çalışma ve denemeler çalışmalara örnek gösterilebilir. NASA'nın özellikle turbo-pompa özellikli gaz türbinlerinde yaptığı çalışmalarda istediği başarıya ulaştığı söylenebilir. Marshall Uzay Havacılık Merkezi'nde uyduların uçuş-tekerlerine enerji aktarımı için kullanacak olan manyetik yataklar ve bu alanda yapılan çalışmalar başarıyla yürütülmüştür. Günümüzde manyetik yatakların uygulama alanları yapılan çalışmalarla birlikte geliştirilmeye başlanmış, özellikle Almanya'da yapılan hızlı tren çalışmalarında yataklar başarıyla kullanılarak trene yaklaşık 320km/h hız kazandırılmıştır. Yapılan çalışmalar, bu yatak teknolojisini her geçen gün daha da geliştirmektedir.

2 - MANYETİK YATAK ve ELEMANLARI

2.1. Manyetik Yatak Nedir?

Manyetik yatak, şaft ve ekseni etrafında boşlukta asılı kalarak serbest bir şekilde dönen bir yatak sistemidir (Şekil 2.1).
Hiçbir şekilde mekaniksel sürtünme ve yağlamaya maruz kalmadıklarından dolayı, sessiz çalışma temizlik gibi birçok avantajlara sahiptirler.
Manyetik yatak şaftı tam olarak, başka bir ana tahrik kaynağı tarafından çevrilmek üzere havada tutar. Asılı kaldığı ve sürtünmesiz olduğundan devir potansiyeli baş döndürücüdür.

Şekil 2.1. Tasarım Halindeki Manyetik Yatak

Manyetik yataklarının etkisi, bir bilim kurgu yazarının hayal gücünün ürünü gibi görünebilirse de, temel fikir çok basittir. Bir jeneratör, kompresör veya başka makinenin şaftı üzerine, farklı konumlarda olacak şekilde ferromanyetik malzemeden iki tane bilezik sıkı geçme olarak bağlanır ve bunların etrafına sabit mıknatıslar yerleştirilir; şaft bir elektromanyetik alan içinde havada asılı kalır (Şekil 2.2). Bunun tersi de sabit bir mili çevreleyen döner tambur mümkün olup, daha nadir rastlanır. Her durumda mıknatıslar stator ve rotor bir asenkron indüksiyon motoru gibi çalışır. Sadece, dönmek yerine havada asılı kalırlar.

Şekil 2.2. Manyetik Yatak (Virginia Üniversitesi Laboratuarı)