Gaz türbinli motorların rotordinamik analizlerinin esnek modellerle incelenmesi

Abstract

Gaz türbinli motorlar kendi aralarında farklı sınıflara ayrılmakla beraber, bu motorlar çekirdek motor üzerine eklenen özelliklerle beraber birbirlerinden ayrılmaktadırlar. Gaz türbinli motorlar, türbin komponentine sahip motorları kapsayacak şekilde çok geniş bir motor ailesini tanımlar. Bugün içinde yaşadığımız dünyanın verim ve enerji ihtiyacı günümüz mühendisliğinin sınırlarını zorlanmasını da beraberinde getirmektedir. Bunun için ise mühendislik ürünlerinin git gide daha iyi, daha verimli, daha maliyet-etkin daha çevre dostu bir hale gelmesi beklenmektedir. Tüm bu isterleri sağlamak için ise mühendislik çalışmasını bir ürün olarak ele almamızı sağlayan tasarım, analiz, üretim, geliştirme, test ve entegrasyon aşamalarını sürekli olarak optimize edecek ve ek olarak günümüz mühendisliği en önemli sınırlarından biri olan malzemenin dayanabileceği çalışma ve mukavemet sınırına yaklaştıracak ve de zaman ve maddi kısıtları zorlamayacak daha iyi analiz ve mühendislik yöntemlerine olan ihtiyaç ortaya çıkmaktadır. Bu sorun ise bu tez kapsamında gaz türbinli motorların tasarım sürecindeki rotordinamik sınırların daha iyi belirlenebilmesi konusuna yoğunlaşılarak ele alınmış olacaktır. Ancak gaz türbinli motorlar günümüz dünyasında malzemelerin dayanım sınırı ile endüstrinin zaman ve maliyet kısıtlarıyla sınırlanmaktadır. Bir gaz türbinli motorun tasarım süreci farklı adımların birbirine girdi yaparak katkı sağlamasıyla ilerler. Çoğu zaman bu adımların belli bir olgunluk seviyesine ulaşması bir sonraki adımlarım başlaması için yeterli olur. Bu tez çalışmasında, rotordinamik hesaplamalar ve sınırlamaların daha doğru değerlendirilmesi için, doğrusal ve doğrusal olmayan olmak üzere iki farklı analiz metoduna ait matematiksel modellerin birbirleriyle karşılaştırılması ve böylelikle hangisinin daha tutarlı ve literatürde daha önce değerlendirilmiş sonuçlara yakınsadığı incelenmiştir. Bu sayede de bir havacılık gaz türbinli motorunun tasarım sürecine girdi yapacak şekilde ön tasarım sürecine harcanacak zamanın kısaltılmasına katkı sağlanması amaçlanmıştır. Bunun için ise, rotor dinamiği hesaplamaları için yukarıda da bahsedildiği gibi 2 temel yöntemin karşılaştırılması yoluna gidilmiştir. Bir gaz türbinli rotorunun tasarımında rotor dinamiği, farklı motor parametrelerindeki optimum çalışma hızı ve tehlikeli çalışma sınırlarının belirlenmesi açısında son derece önemlidir. Bu sınırların yanlış belirlenmesi veya belirlenmemesi durumunda motor hasara uğrayıp fonksiyonunu yerine getirememesine ek olarak, kullanıldığı platform ve çevresi için son derece ciddi maddi kayıplara, zaman kaybına ve can kaybına sebep olabilmektedir. Bu olumsuz durumların önüne geçmek için de rotordinamik sınırların ve hesaplama yöntemlerinin doğru ve kullanılabilir bir şekilde karşılaştırılması için bu çalışmada, tasarım sürecindeki yol haritasının daha verimli gelmesine yardımcı olacak şekilde farklı yöntemler birbiriyle karşılaştırılmıştır. Günümüz mühendislik dünyasında 4 ana başlık altında ilerleyerek motor tasarımı süreci tamamlanmaktadır. Bunlar; konsept tasarım, ön tasarım, nihai tasarım ve detay tasarım süreçleridir. Tasarım süreci ilerledikçe farklı disiplinlere ve bileşenlere ait çalışmalar belli bir olgunluğa ulaştıkça bu çalışmalar birbirini besleyerek ilerler. Ancak bazı çalışmalar doğası ve karmaşıklığı gereği daha fazla mühendislik saatine ihtiyaç duyarken, bazı çalışmalar daha kısa sürede sonuçlanmaktadır. Bununla birlikte bu uzun soluklu mühendislik çalışmalarının çıktıları, kısa dönemli tasarım süreçlerine girdi sağlayacak ise, kısa sürede tamamlanması mümkün olan tasarım adımlarının, uzun süreli iş kalemlerini beklemesinden dolayı, genel pencerede tüm tasarım sürecinin uzun ve maliyetli olduğu bir sonuçla karşı karşıya kalırız. Başka bir ifadeyle; aynı anda başlayan gaz türbin motora ait alt tasarım süreçlerinde, diğer tasarım gruplarına ön çalışma yapacak şekilde donmuş bir tasarım limiti için girdi sağlanması, diğer tasarım grupları bu limitler ile sürece devam ederken yataklama konusunda diğer tasarım süreçlerinin bitiş süresini de etkilemeyecek bir şekilde çalışmasına imkân sağlayacak metotlar geliştirilmesi hedeflenmiştir. Genel olarak makinalarda dengesizlik ve dengesizliğin kabul edilebilir seviyelerde görülme yöntemleri iyi biliniyor olmasına rağmen bu adımlar makinalarındaki dengesizlik probleminin kontrol altına alınabilmesi için ön aşamaları oluşturmaktadır. Bu durumun önüne geçmek ve mühendislik açısında daha maliyet-etkin bir tasarım süreci ortaya koymak adına da bu süreçlerin kısaltılması hedeflenmiştir. Bu amaçla bu çalışma kapsamında ele alınan doğrusal ve doğrusal olmayan analiz matematik modellerine ait denklemler koda dökülerek bu kodların sonuçları grafikleştirilmiş ve rulman ile şaft hareketi görselleştirilmiş, sonrasında ise farklı parametrelere bağlı olarak bu hareketlerin nasıl değiştiği incelenmiş ve yorumlanmıştır. Doğrusal ve doğrusal olmayan matematik modeller birbirleriyle kıyaslanırken hazırlanan kodlardaki parametrelerden, rulmana ait bilya sayısı ve radyal boşluk baz alınırken, gaz türbinli motora ait özelliklerden disk kütlesi hesaba katılmış ve seçilen bu 3 parametre üzerinden bu iki modelin grafik çıktıları ile rulman ve şaft deplasmanı incelenmiştir. Bu 3 parametreye ek olarak hazırlanan bu hesaplama aracı ile ihtiyaç duyulduğu anda elastisite modülü, rulman iç ve dış çapı, dengesiz ağırlık, bilya katılığı, disk eylemsizlik momentleri, şaft katılığı, şaft sönümü, rulman ağırlığı ve hız (rpm) parametrelerinin hesaba katılması yeteneği de kazanılmıştır. Son olarak ise, disiplinler arası ve motor komponentleri arası mühendislik çalışmalarının daha verimli ve daha hızlı ilerleyebilmesi için hedeflenmiştir. Bu hedef için ise çalışma şaft ve rulman tasarımı konusunda konsept olarak yapılan çalışmaların bir ön incelemesine yönelmiştir. Bu konsept ve karşılaştırmanın parametreleri ve sonuçlarıyla beraber ortaya konulması için rotordinamik çalışma koşullarının incelenmesinde kullanılan matematiksel modellerin karşılaştırılması ile gaz türbinli motor tasarım sürecine girdi sağlayabilecek bir inceleme yapılmıştır.