Gaz türbinli havacılık motorlarında sincap kafes yapısının eksenel yük kapasitesi hesaplarının gerçekleştirilmesi ve yükleme testi ile sonuçların doğrulanması

Abstract

Havacılık platformlarında güç veya itki üretme amacıyla gaz türbinli motorlar yaygın olarak kullanılmaktadır. Havacılık platformlarında kullanılan gaz türbinli motorlar turbojet, turbofan, turboprop ve turboşaft olmak üzere dört farklı ana başlığa ayrılmaktadır. Gaz türbinli turbojet motorlar temelde kompresör, yanma odası ve türbin alt modüllerinden oluşan çekirdek motor olarak adlandırılan yapıyı içermektedir. Turbofan motorlarında bu çekirdek motora ilave olarak fan ve düşük basınç türbini, turboşaft motorlarında düşük basınç türbinleri ve turboprop motorlarında düşük basınç türbini, pervane ile pervane dişli kutusu yapıları bulunmaktadır. Bir havacılık motoru ise temelde sabit ve döner parça gruplarından oluşmaktadır. Döner parça grubuna ait olan kompresör ve türbin modüllerinin şaftlar aracılığıyla bütünlüğü sağlanmakta ve bu şaft parçaları da ana şaft rulmanları tarafından mesnetlenmektedir. Gaz türbinli motorlar gibi mekanik yapılarda yapının doğal frekansı ile yapıda oluşan harmonik yüklerin tahrik frekanslarında çakışma gözlemlenebilir ve yapının rezonansa girmesi sonucu şaftlar kırılabilmekte ve tüm yapıyı etkileyen boyutta hasarlar oluşabilmektedir. Yapıda oluşan harmonik yüklerin frekansı tamamen şaftın dönüş hızı ile ilişkilidir ve bu şaftın hızı performans isterlerinden dolayı değiştirilemeyeceği için oluşan yüklerin tahrik frekansı değiştirilememektedir. Doğal frekans ile tahrik frekansının çakışmasını önlemek için ise geriye yapının doğal frekansını değiştirme yöntemi kalmaktadır. Bir yapının doğal frekansı temelde yapının ağırlığına ve direngenliğine bağlıdır. Havacılık yapılarında ağırlık hem platform hem de motor için çok önemli bir tasarım kriteri olduğu için yapının doğal frekansının değiştirilmesi için en uygun çözüm yöntemi yapının direngenliğini değiştirmek olarak belirlenmiştir. Havacılık motorlarında yapının direngenliğini değiştirmek için rulman mesnet noktalarında yüksek esnekliğe sahip sincap kafes parçaları kullanılmaktadır. Yüksek esnekliğe yani düşük radyal katılık değerine sahip bu sincap kafes parçaları sayesinde şaftların mesnet noktalarındaki radyal katılık değeri kolaylıkla ayarlanabilmekte ve rotor dinamik analizleri sonucu yapının çalışma aralığında rezonansın oluşumunun engellenmesi amacıyla belirlenen radyal katılık değeri bu parça ile kolaylıkla yapıya yansıtılabilmektedir. Sincap kafes parçaları radyal katılık isterini kiriş adı verilen boşluklu yapıdaki tasarımları ile sağlamaktadır. Tasarlanan kiriş unsurları yapının geneline kıyasla düşük kesit alanına sahiptir. Sincap kafes parçaları aynı zamanda rulman yataklama elemanları oldukları için rulmana etkiyen tüm eksenel ve radyal yükleri taşıyıcı yapıya aktarmaktadır. Bu sebeple normal operasyon yüklerinin yanında kanatçık kopması gibi hasar senaryolarındaki yüksek yüklere de maruz kalmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında maksimum 3250 N/mm radyal katılık isterine göre tasarlanmış bir sincap kafes parçasının katılık doğrulama ve elastik plastik analizleriyle beraber doğrusal olmayan öz değer burkulma analizleri gerçekleştirilmiş ve elde edilen sonuçlar parça seviyesi yapılan yükleme test sonuçları ile kıyaslanmıştır. Yapının ilk boyutlandırması el hesaplarına göre gerçekleştirildiği için basit bir statik analiz modeli ile yapının radyal katılık değeri doğrulanmıştır. Ardından elastik plastik dayanım analizleri ile yapıda kopma veya kırılmaların gerçekleşeceği eksenel yük limiti elde edilmiştir. Kiriş yapıları radyal katılık isterini sağlamak amacıyla ince ve uzun yapıda tasarlandığı için yapıda kırılma limitine ulaşılmadan burkulma hata modunun gerçekleşme ihtimali de bulunmaktadır. Bu sebepten dolayı statik elastik plastik analizlerinin ardından tasarlanmış olan parça için sincap kafes özelinde öz değer burkulma analizi gerçekleştirilmiştir. Yapılan çalışmalarda 3250 N/mm veya daha düşük radyal katılık değerine sahip sincap kafesi için gerçekleştirilen elastik plastik dayanım analizleri sonucu parçada 51,47 kN ve öz değer burkulma analizleri sonucunda 135,15 kN eksenel yük kapasitesi tespit edilmiştir. Sonlu elemanlar yöntemi ile gerçekleştirilen analiz sonuçlarına göre öz değer burkulma analizinden elde edilen değer, elastik plastik analizinden elde edilen değerden yüksek olduğu için parça burkulma hata moduna girmeyecek ve 51,47 kN eksenel yüke maruz kaldığında parça malzemesinin maksimum çekme dayanım sınırı aşılacağı için parça kırılacaktır. Parça seviyesi gerçekleştirilen eksenel yük taşıma kapasitesi testleri iki benzer numune ile gerçekleştirilmiş ve iki numunede 62,88 kN ve 60,87 kN mertebelerinde eksenel yük taşıma kapasitesi tespit edilmiştir. İki numune arasında eksenel yük taşıma kapasitesi arasında yaklaşık olarak %3,19 mertebesinde fark bulunmaktadır. Aynı ham malzeme kullanılarak üretilen bu sincap kafes test numuneleri arasında oluşan farkın ana sebebi parçaların imalat toleransları olduğu düşünülmektedir. Analizlerden elde edilen eksenel dayanım limiti ile testlerden elde edilen eksenel yük taşıma kapasitesi arasında yaklaşık olarak %15,4 fark bulunmaktadır. Testlerde elde edilen sonuçların analiz sonuçlarından belirtilen oranda yüksek çıkmasının iki ana sebebi bulunmaktadır. Bunlardan birincisi analizlerde minimum dayanım özelliklerine sahip malzeme verilerinin kullanılmasıdır. Potansiyel ikinci sebep ise analiz modellerinde nominal boyutlara sahip sincap kafes modelinin kullanılması fakat testlerde imalat toleransları sebebiyle bir miktar daha kalın kiriş geometrilerinin kullanılabilmiş olma durumudur. Bu iki potansiyel sebep göz önünde bulundurulduğunda testlerde daha yüksek dayanım sonuçlarının elde edilmesi temellendirilebilmektedir. Gelecekte ihtiyaç duyulabilecek tasarım iterasyonları veya yeni tasarımlar için dayanım analizleri sonuçlarının güvenlik katsayısının yüksek güvenilirliği olduğu sonucuna varılmış olup yapılacak tasarımlar için gerçekleştirilecek analizlerin bir test ile tekrardan doğrulama ihtiyacı olmadığı sonucuna varılmıştır.