Turbo-kompresörlerde sabit elemanların hafifletilmiş tasarımına bütünleşik bir yaklaşım

Abstract

Turboşaft motorları sahip olduğu güç türbini modülü sayesinde mekanik güç üretimini doğrudan şaft üzerinden gerçekleştiren gaz türbini çalışma prensibine sahip motorlardır. Bu motorların sahip oldukları güç/ağırlık oranından dolayı manevra kabiliyetleri artmakta ve bu sayede helikopterlerde oldukça yaygın kullanılmaktadır. Turboşaft motorları içerisinde bulunan kompresör modülü aldığı havayı sıkıştırarak basıncını yükseltir ve yanma odasına iletir böylece yanma verimi artar. Kompresör modülünün tasarımı, motorun güç üretim kapasitesini, yakıt verimliliğini doğrudan etkilemektedir. Kompresör modülü içerisinde birçok parça bulunan bir motor modülüdür ve her bir parçanın güvenle çalışabilmesi açısından tasarımları oldukça kritiktir. Motor verimliliğini artırılması amacıyla bu motorlarda kullanılan parçaların güvenli çalışma koşullarını ihlal etmeden hafifletilmesi havacılık endüstrisinde yaygın olarak çalışılan araştırma konularından biridir. Ağırlık azaltma sürecinde ilgili parçaların statik ve dinamik dayanımları önemli bir etkendir. Bu tez çalışmasında, turbo-kompresörlerde sabit elemanların hafifletilmiş tasarımına bütünleşik bir yaklaşım sunulması amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda turbo-kompresörlerde yer alan kılıf parçasının titreşim ve mukavemet davranışları sayısal ve deneysel yöntemlere başvurularak incelenmiş ve parçanın ağırlığının optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Öncelikle kılıf parçasına çekiç testi uygulanmıştır. Çekiç testi, bir parçanın modal parametrelerinin belirlenmesi için yaygın olarak kullanılan bir test yöntemidir. Test düzeneğinde, üzerinde sensör bulunan bir çekiç ile parçaya geniş bantlı bir uyarım verilmiştir. Bu sırada parça serbest halde bırakılmıştır. Ortaya çıkan titreşimler parçanın farklı bölgelerine bağlı olan ivmeölçerler yardımıyla kaydedilmiştir. Çekiç testinde sensörler sabit iken kuvvet hareketli yöntem, uygulama kolaylığı açısından tercih edilmiştir. İvmeölçer yardımıyla kaydedilen titreşim verilerinden parçaya ait doğal frekans ve mod şekilleri elde edilmiştir. Bu veriler parçanın dinamik davranışını temsil etmektedir. Sonlu elemanlar modeli kurulmuş ve bu modelde parça geometrisi, malzeme özellikleri detaylı bir şekilde modellenmiştir. Başlangıçta, parçanın sadece dinamik özelliklerini belirlemek amacıyla parçanın üzerine gelen kuvvetler ve sönüm katsayıları göz ardı edilerek serbest halde bir modal analiz gerçekleştirilmiştir. Bu sonlu elemanlar modeli çekiç testindeki durumu simüle etmektedir. Sonlu elemanlar modelinin vermiş olduğu sonuçlar çekiç testinden elde edilen deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Bu korelasyon analizi, deneysel ve sayısal analizlerden gelen mod şekillerinde benzerliği ölçen MAC matrisi yardımıyla yapılmıştır. Elde edilen MAC değerleri oldukça yüksek olup oluşturulan sonlu elemanlar modelinin deneyle eşleştiğini göstermektedir. Bu doğrulama adımı sonlu elemanlar modelinin ileriki adımlarda oluşturulacak statik ve öngerilmeli modal analizlerde güvenle kullanılabileceğini göstermektedir. Daha sonra ilgili parçanın ve tüm kompresör modülü parçalarının da bulunduğu global bir sonlu elemanlar modelinin içine doğrulaması MAC matrisi ile gerçekleştirilen kılıf parçasının sonlu elemanlar modeli dahil edilmiştir. Global model, kompresör modülünün iki farklı çalışma koşulu için sıcaklık ve basınç yüklerini de içermektedir. Bu global model kullanılarak önce statik analiz daha sonrasında statik analizden elde edilen sonuçlar kullanılarak öngerilmeli bir modal analiz gerçekleştirilmiştir. Bu yaklaşım, ön gerilme durumunda parçanın doğal frekanslarını daha doğru bir şekilde ortaya koyacağı için parçanın çalışma koşulundaki güvenlik durumuyla doğrudan ilişkilendirilmesini sağlamıştır. Öngerilmeli global model analizinden elde edilen frekanslar kullanılarak modülün ve kılıf parçasının rezonansa girme riski Campbell diyagramı yardımıyla her iki koşul için incelenmiştir. Campbell diyagramı, motorun doğal frekanslarını motorun dönüş hızına göre çizerek doğal frekanslar ile motor devirleri arasında bir kesişim olup olmadığını ortaya koyar. Bu kesişim noktaları, tehlikeli titreşim genliklerine sebep veren rezonans noktalarını göstermektedir. Kılıf parçasının Campbell diyagramı analizinde motorun rölanti hızı, en yüksek kalkış hızı ve maksimum çalışma hızı bir güvenlik marjı ile birlikte kullanılmıştır. Sonuçlar, doğal frekansların motor devirlerine kıyasla oldukça uzak olduğunu ve elde edilen güvenlik marjlarının parçanın rezonansa girme sorunuyla karşılaşmayacağını göstermiştir. Çalışmasının son aşamasında, parçanın optimizasyonuna odaklanılmıştır. Sadece kılıf, ayar sacı, akış düzleştirici ve kompresör muhafaza parçasının olduğu yeni bir sonlu elemanlar modeli oluşturulmuştur. Bu sonlu elemanlar analizi kılıf parçasına ait en kritik yükleme durumunu içermektedir. Bu analiz içerisindeki kılıf parçasının ölçüleri birer parametre olarak araca tanımlanmıştır. Optimizasyon çalışmasında, parçanın daha öncesinde hesaplanan rezonans marjları çok yüksek olduğu için sadece statik mukavemetine odaklanılmıştır. Optimizasyon çalışmasında, araç içerisine parçanın en yüksek gerilmesinin parçanın malzemesinin akma sınırının belli bir oranı üstünde kalması, parça ağırlığının azalması ve parça ölçülerinin belirli bir aralıkta kalması gibi kısıtlamalar tanımlanmıştır. Araç içerisine tanımlanan bu kısıtlamalar, yazılımın parçanın istenilen amacına uygun iterasyonlar yapması için yol gösterici olmuştur. İlgili kısıtlamalar altında yazılım, birden fazla tasarım iterasyonunu incelemiş ve aday çözümler önermiştir. Bu adaylar arasından, uygun olan tasarım seçilmiştir. Deneyle eşleştirilen kılıf parçasının sonlu elemanlar modeli, seçilen tasarım ölçülerine göre manipüle edilmiştir. Böyle doğrulanmış sonlu elemanlar modeli önerilen tasarımın ölçülerine uygun hale getirilmiştir. Elde edilen yeni sonlu elemanlar modeli, global model içerisine yerleştirilmiş ve öngerilmeli modal analiz en kritik motor durumu için çözdürülmüştür. Bu analiz sonucunda elde edilen yeni doğal frekanslar Campbell diyagramı yardımıyla analiz edilmiştir. Hesaplanan yeni marjlara göre parçanın gerilme ve rezonans risklerinin güvenli sınırlar içinde kalarak parçanın ağırlığı %7-10 aralığında azaltılabileceğini göstermiştir. Özetle, bu çalışma kritik havacılık bileşenlerinin analizi ve optimizasyonu açısından bir metodoloji sunmaktadır. Deneysel ve sayısal tekniklerin birbirini tamamlayıcı bir şekilde kullanılabileceğini ve optimizasyon araçlarıyla aynı anda birden fazla tasarım denemesi yaparak istenilen tasarıma nasıl ulaşılabileceğini göstermektedir. Böylece tek bir yönteme bağlı kalmadan daha güvenilir ve hızlı bir yaklaşımın mümkün olduğunu göstermiştir. Bu çalışma ile turbo-kompresörlere ait kılıf parçasının ağırlık azaltma çalışmalarında optimizasyon yöntemi kullanılmıştır. Geliştirilen optimizasyon yöntemleri sayesinde hem ağırlığın azaltılabileceğini hem de parçaların dayanımının istenilen sınırlar içerisinde korunabileceğini ortaya koyarak havacılık endüstrisinde yapısal optimizasyon uygulamalarına önemli katkılar sunmaktadır.