Bir entegre palli rotor için disk geometrisinin sonlu elemanlar metodu yardımıyla yapısal optimizasyonu
Optimization of bladed disk geometry by use of finite element method
Yazar: BERRAK SAZAK
Danışman: DOÇ.DR. METİN ORHAN KAYA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2006
Konu: Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering

Özet:
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.Anahtar Kelimeler: Entegre palli rotor, disk, kompresör, sonlu elemanlar

Abstract:
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.Keywords: blisk, disk, compressor, finite element method