SÜPERSONİK NOZUL TASARIMININ TEORİK VE DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ DUMLUPINAR ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ SÜPERSONİK NOZUL TASARIMININ TEORİK VE DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ THEORETICAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF SUPERSONIC NOZZLE DESIGN Rahmi ÜNAL, Hasan TUZLU Dumlupınar Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü, Kütahya ÖZET—türkçe olacak Nozzles are important parts in rapidly developing technology nowadays. There are significant differences in nozzle design due to the fluid type, inlet and outlet conditions. Nozzle design is important in atomization for producing metal powders in powder metallurgy. In this study, a supersonic nozzle was designed and produced to produce metal powder by gas atomization method. Theoretically calculated mass flow rates were compared with the experimental data and the results were discussed. Anahtar Kelimeler: Powder Metallurgy, Atomization, Supersonic Nozzle. Ödev konusu ile ilgili 3 adet anahtar kelime yazılacak Giriş Bu çalışmada, gaz atomizasyon yöntemi ile metal tozu üretiminde kullanmak amacıyla, atomizasyon gazını durgun halden yüksek hızlara ulaştırması hedeflenen yüksek verimli bir nozul tasarlanmıştır. Nozulun yüksek verimli olması için gerekli bütün kriterler incelenmiştir. Teorik çalışmanın sonucunda nozul boyutlandırılmış ve imal edilmiştir. Daha sonra nozul performansının değerlendirilmesi amacıyla kütlesel debi ölçümleri yapılmıştır. Teorik olarak hesaplanan kütlesel debi değerleri ile deneysel olarak ölçülen debi değerleri karşılaştırılarak sonuçlar değerlendirilmiştir. Nozulun Boyutlandırılması Tasarım ile boyutlandırılan nozul aşağıdaki geometride imal edilmiştir. Nozul 20 adet jetten meydana gelmektedir. Nozul Tipleri Nozul, simetri ekseni boyunca hareket eden akışkanın hızını arttırırken basıncını düşüren geometrik yapının adıdır. Amaç akışkanın hızını ve basıncını kontrol etmek olduğu zaman nozul ve onun tersi bir geometriye sahip olan yayıcıların çeşitli kombinasyonları kullanılır. Kullanılan akışkanın özelliklerine ve istenen giriş ve çıkış değerlerine göre nozul tasarımı çok büyük farklılıklar gösterir. Deneysel Çalışmalar Tasarımı yapılan nozul imal edilerek sisteme monte edilmiştir. Kütlesel debi ölçüm değerleri SIEMENS marka debimetre ile çeşitli basınçlarda yapılmıştır. Ölçülen debi değerler çizelgede verilmiştir. Gaz Atomizasyon Yöntemi Gaz atomizasyon ünitelerinin en önemli kısmı nozul ve atomizasyon sistemidir. Nozul, gaz jetinin akışını kontrol ederek istenen özelliklerde tozun üretimini sağlar. Atomizasyon sistemi serbest düşmeli veya yakından eşlemeli olarak tasarlanırlar. Basınç P0 (MPa) Nozul debisi kg/dak 1 1,55 1,5 2,25 2 2,88 2,5 3,74 3 4,36 3,5 5,12 4,0 5,95 Teorik Ve Deneysel Sonuçların Karşılaştırılması Teorik olarak hesaplanmış debi değerleri ile imalatı yapılmış olan nozulda azot gazıyla yapılan kütlesel debi ölçüm sonuçlarının karşılaştırılması Şekil 11’de verilmiştir. Şekilden görüleceği üzere teorik çalışma ile deneysel sonuçların birbirine oldukça yakın olduğu görülmektedir. Basıncın artışı ile sonuçlar arasındaki fark bir miktar artmaktadır. Teorik hesaplamalar sabit sıcaklıkta yapıldığından dolayı basıncın değişimi ile gaz sıcaklığında meydana gelen değişimler ortaya çıkan bu farka neden olabilir. Teorik Yaklaşım Daralan geometriye sahip bir nozulda ulaşılabilecek en yüksek hız ses hızıdır (Ma=1). Hızın daha fazla artışı ancak daralan kesitten sonra genişleyen bir kesitte gazın genleşmesi sonucu mümkün olabilmektedir. Sıkıştırılabilir bir akışkan nozulun daralan kesite girişinde yaklaşık sıfır hıza sahiptir ve daralan kesitin içerisinde hızlanarak boğazda ses hızına kadar ulaşır. Darboğazdan sonra gaz genleşerek hızı artar ve tasarlanan Mach sayısına ulaşılır. Nozul analizinde yakınsak ve ıraksak kısım ayrı ayrı incelenerek hesaplamalar yapılmıştır. Nozulun yakınsak kısmında ses hızına ulaşmak için giriş ve çıkış basınç oranının sağlanması gerekir: Teorik olarak hesaplanmış debi değerleri ile deneysel sonuçların karşılaştırılması Burada, giriş basıncı P0, çıkış basıncı Pe, çıkıştaki Mach sayısı Me, Gaz sabiti ’dır. SONUÇLAR İstenilen gaz çıkış hızını (Ma=2,5) elde edebilmek amacıyla süpersonik nozul boyutlarının teorik olarak hesaplanması yapılan çalışma ile gerçekleştirilmiştir. Deneysel ölçümler ile teorik olarak hesaplanan debi değerlerinin birbirine oldukça yakın değerlerde çıkması tasarımın başarısını ortaya koymuştur. Ortaya konan tasarım yaklaşımı sayesinde istenen debi değerlerinin ve gaz çıkış hızlarının yeni tasarımlar ile elde edilebilmesi mümkündür. Nozulun ıraksayan kısmında gazın akışı Prandtl ve Meyer genleşmesi ile açıklanmaktadır. Açılı bir yüzeyde gazın akışında genleşme açısını () veren temel denklem kullanılarak analiz yapılmıştır. Burada, Mach açısı ()