Bir Entegre Palli Rotor İçin Disk Geometrisinin Sonlu Elemanlar Metodu Yardımıyla Yapısal Optimizasyonu

Abstract

Bu çalışmada, pal geometrisi belli olan bir kompresör birinci kademe rotoru için sonlu elemanlar analizleri ile disk geometrisi belirlenmiştir. İlk olarak kompresör tasarımı hakkında bilgi verilmiş, varolan pal geoemetrisinin elde edilişi açıklanmıştır. Pal disk bağlantıları konusunda özellikle son yıllarda artan yapısal dayanım ihtiyaçlarına cevap vermek üzere ortaya çıkan entegre palli rotor kavramı anlatılmıştır. Üç boyutlu yapısal analizler ile tasarımın gerçekleştirilmesi çok fazla zaman aldığından, iki boyutlu analiz metodları belirlenmiş, bu metodlar üç boyutlu yapısal analizler ile karşılaştırılarak uygulanabilirlikleri incelenmiştir. Daha sonra disk geometrisini belirleyen parametreler saptanmıştır. Bu parametrerin etkileri ayrı ayrı incelenip, yapısal olarak en fazla etkiyi gösteren ana parametre grubu oluşturulmuştur. Seçilen parametrelerin kombinasyonlarına dayanan bir tasarım uzayı oluşturularak sonlu elemanlar yöntemi ile iki boyutlu yapısal analizler gerçekleştirilmiştir. Geometrik parametrelerin disk üzerindeki farklı bölgelere gerilme açısından etkisi incelenmiştir. En iyi geometriye ulaşmak üzere elde edilen sonuçlar hem gerilme dağılımı hem ağırlık kriterleri açısından değerlendirilmiş, ikincil parametrelerin de tekrarlanan değerleri analiz edilerek uygun disk geometrileri seçilmiştir. Bulunan en iyi geometriler için üç boyutlu yapısal analizleri gerçekleştirilerek geçerlilikleri incelenmiştir. Son olarak öngerilmeli doğal frekans analizleri ile öncelikle tek başına pallerin titreşim karakteristiği belirlenmiş daha sonra disk ve pal bir arada düşünülerek disk geometrisinin titreşim karakteristiğini ne derece değiştirdiği incelenmiştir. Campbell diagramları oluşturularak kritik motor devirleri belirlenmiş bu motor devirlerini uyarabilecek duran pal sayıları belirtilmiştir. Literatürde yeralan mod şekilleri ve düğüm çapları ile elde edilen sonuçlar karşılaştırılarak ile uyum içerisinde olduğu gösterilmiştir.In this study disk geometry of a first stage compressor rotor with a known blade geometry is determined via finite element analyses. Initialy basic knowledge of compressor design procedure is reviewed and design steps of the existing blade configuration is described. In the blade-disk attachment issues Integrally Bladed Rotor(IBR) concept which is recently becoming very common due to increasingly high strength requirements is explained. Performing the design with three dimensional structural analyses is time consuming that’s why two dimensional analysis options are determined and the results are compared with 3D analyses in order to validate the applicability of the 2D methods. Afterwards parameters which define the disk geometry are designated. Effects of these parameters are investigated seperately and parameters which have dominant structural effect is defined as main design parameters. The design space is constructed based on combinations of the specified parameters and two dimensional finite element analysis are performed. The effect of geometry parameters in stress values on different regions of disk are considered. In order to attain optimized geometry results are evaluated considering both weight and stress criterion. Secondary parameters are also included in the analysis iterations and valid final geometries are selected. Finally vibration characterictics of single blades are determined by presstressed natural frequency analyses. Then disk and blades are analyzed together to investigate the effect of disk geometry on vibration characteristics. Drawing Campbell diagrams critical engine orders are identified and number of stators which will excite these engine orders are determined. Mode shapes and nodal diameters given in literature are compared with the results of the analyses and it is shown that they are in good agreement.