Gaz türbini çarkının sonlu eleman yöntemiyle modellenmesi ve yapısal analizi
Finite element modeling and structural analysis of gas turbine blisk
Yazar: ABDULLAH KARKAÇ
Danışman: PROF. DR. YAŞAR PANCAR
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Gaz türbini kanatları, yüksek sıcaklık ve yüksek basınçta enerji elde etmekten sorumludur. Kanatlar yüksek sıcaklıkta yüksek verim ve maksimum iş sağlamalıdırlar. Çalışma koşulları sırasında yüksek santrifüj kuvvetlerin etkisiyle oluşacak radyal uzamalar ve gerilmelerden dolayı tasarımda özen gösterilmesi şarttır. Kanatların mekanik özelliklerinin zor çalışma koşullarına uyumlarının arttırılması için çeşitli yöntemler önerilebilir.
Yapılan çalışmada, tasarım verilerinin yokluğundan dolayı türbin çarkına ait üç boyutlu katı modelini oluşturmak için tersine mühendislik tekniğinin bir kombinasyonu kullanılmıştır. Bunun için üç boyutlu katı modeli tasarlanan türbin çarkının temel ölçüleri sabit tutularak farklı kanat giriş ve çıkış açılarında sahip yeni bir türbin çarkı katı modeli oluşturulmuştur (Türbin çarkı 1 ve Türbin çarkı 2). Amaca uygunluğunun analiz edilerek belirlenmesi için Inconel 625, Inconel 718 ve Rene'95'den oluşan üç farklı süper alaşım malzemeleri türbin çark malzemeleri olarak seçilmiştir. ANSYS 18 Sonlu Elemanlar Analiz modülüyle iki farklı kanat profiline sahip türbin çarklarının analiz modeli hazırlanmıştır. Türbin çarklarının 50000 d/d, 70000 d/d ve 100000 d/d'lık dönme hızlarında santrifüj ve kanat yüzeyine çarpan gazın uyguladığı kuvvet etkisiyle kanatlarda oluşan radyal deformasyon, gerilim ve gerinim değerlerini belirlemek için analizler yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar, çark kanatlarında oluşan radyal deformasyonlar ve çark kanat yüzeyi üzerindeki mekanik gerilmeler ve gerinimler grafikler halinde sunulmuştur. Son olarak, analizden elde edilen bulgulara dayanarak iki farklı kanat profili ve Inconel 625, Inconel 718 ve Rene'95'den oluşan üç farklı malzemenin kriter öncelik durumuna göre en uygun olanı belirlenmiştir.

Abstract:
Blades of gas turbine are responsible for extracting energy from the high temperature and high pressure gases. The blades must provide high efficiency and maximum work at high temperatures. Care must be taken in design due to radial elongations and stresses that will occur under the effect of high centrifugal forces during operating conditions. Several methods can be proposed to the enhancement of the mechanical properties of blades to withstand these extreme conditions.
In this work, due to the absence of design data a combination of reverse engineering technique has been used to create a three dimensional solid model of the turbine blisk. For this, by keeping the basic dimensions of the turbine blisk whose three dimensional solid model has been designed, a new turbine blisk solid model has been created with different blade entry and exit angles (Blisk 1 and Blisk 2). In order to analyze and determine its suitability for purpose, three different superalloy materials consisting of Inconel 625, Inconel 718 and Rene'95 have been selected as turbine blisk materials. Analysis model of turbine blisk with two different blade profiles has been prepared by ANSYS 18 Finite Element Analysis module. Analyzes have been carried out to determine the radial deformation, stress and strain values on the blades due to the effect of centrifugal force and the force exerted by the gas hitting the blade surface of the turbine blisk at 50000 rpm, 70000 rpm and 100000 rpm velocity. The results obtained, the radial deformations on the blisk blades and the mechanical stresses and strains on the blades surface have been presented in graphs. Finally, based on the findings obtained from the analysis, the most suitable one has been determined according to the criterion priority status of two different airfoils and three different materials consisting of Inconel 625, Inconel 718 and Rene'95.