Gaz türbinli motorların rotordinamik analizlerinin esnek modellerle incelenmesi
Investigation of rotordynamic analysis of gas turbine engines with flexible models
Yazar: YİĞİT CAN EREN
Danışman: PROF. DR. ATA MUĞAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Askeri havacılık = Military aviation ; Gaz türbini = Gas turbine ; Gaz türbinli motorlar = Gas turbine engines ; Sivil havacılık = Civil aviation ; Turbo jet motoru = Turbojet engine

Özet:
Gaz türbinli motorlar kendi aralarında farklı sınıflara ayrılmakla beraber, bu motorlar çekirdek motor üzerine eklenen özelliklerle beraber birbirlerinden ayrılmaktadırlar. Gaz türbinli motorlar, türbin komponentine sahip motorları kapsayacak şekilde çok geniş bir motor ailesini tanımlar.
Bugün içinde yaşadığımız dünyanın verim ve enerji ihtiyacı günümüz mühendisliğinin sınırlarını zorlanmasını da beraberinde getirmektedir. Bunun için ise mühendislik ürünlerinin git gide daha iyi, daha verimli, daha maliyet-etkin daha çevre dostu bir hale gelmesi beklenmektedir. Tüm bu isterleri sağlamak için ise mühendislik çalışmasını bir ürün olarak ele almamızı sağlayan tasarım, analiz, üretim, geliştirme, test ve entegrasyon aşamalarını sürekli olarak optimize edecek ve ek olarak günümüz mühendisliği en önemli sınırlarından biri olan malzemenin dayanabileceği çalışma ve mukavemet sınırına yaklaştıracak ve de zaman ve maddi kısıtları zorlamayacak daha iyi analiz ve mühendislik yöntemlerine olan ihtiyaç ortaya çıkmaktadır. Bu sorun ise bu tez kapsamında gaz türbinli motorların tasarım sürecindeki rotordinamik sınırların daha iyi belirlenebilmesi konusuna yoğunlaşılarak ele alınmış olacaktır.
Ancak gaz türbinli motorlar günümüz dünyasında malzemelerin dayanım sınırı ile endüstrinin zaman ve maliyet kısıtlarıyla sınırlanmaktadır. Bir gaz türbinli motorun tasarım süreci farklı adımların birbirine girdi yaparak katkı sağlamasıyla ilerler. Çoğu zaman bu adımların belli bir olgunluk seviyesine ulaşması bir sonraki adımlarım başlaması için yeterli olur. Bu tez çalışmasında, rotordinamik hesaplamalar ve sınırlamaların daha doğru değerlendirilmesi için, doğrusal ve doğrusal olmayan olmak üzere iki farklı analiz metoduna ait matematiksel modellerin birbirleriyle karşılaştırılması ve böylelikle hangisinin daha tutarlı ve literatürde daha önce değerlendirilmiş sonuçlara yakınsadığı incelenmiştir. Bu sayede de bir havacılık gaz türbinli motorunun tasarım sürecine girdi yapacak şekilde ön tasarım sürecine harcanacak zamanın kısaltılmasına katkı sağlanması amaçlanmıştır.
Bunun için ise, rotor dinamiği hesaplamaları için yukarıda da bahsedildiği gibi 2 temel yöntemin karşılaştırılması yoluna gidilmiştir. Bir gaz türbinli rotorunun tasarımında rotor dinamiği, farklı motor parametrelerindeki optimum çalışma hızı ve tehlikeli çalışma sınırlarının belirlenmesi açısında son derece önemlidir. Bu sınırların yanlış belirlenmesi veya belirlenmemesi durumunda motor hasara uğrayıp fonksiyonunu yerine getirememesine ek olarak, kullanıldığı platform ve çevresi için son derece ciddi maddi kayıplara, zaman kaybına ve can kaybına sebep olabilmektedir.
Bu olumsuz durumların önüne geçmek için de rotordinamik sınırların ve hesaplama yöntemlerinin doğru ve kullanılabilir bir şekilde karşılaştırılması için bu çalışmada, tasarım sürecindeki yol haritasının daha verimli gelmesine yardımcı olacak şekilde farklı yöntemler birbiriyle karşılaştırılmıştır. Günümüz mühendislik dünyasında 4 ana başlık altında ilerleyerek motor tasarımı süreci tamamlanmaktadır. Bunlar; konsept tasarım, ön tasarım, nihai tasarım ve detay tasarım süreçleridir. Tasarım süreci ilerledikçe farklı disiplinlere ve bileşenlere ait çalışmalar belli bir olgunluğa ulaştıkça bu çalışmalar birbirini besleyerek ilerler. Ancak bazı çalışmalar doğası ve karmaşıklığı gereği daha fazla mühendislik saatine ihtiyaç duyarken, bazı çalışmalar daha kısa sürede sonuçlanmaktadır. Bununla birlikte bu uzun soluklu mühendislik çalışmalarının çıktıları, kısa dönemli tasarım süreçlerine girdi sağlayacak ise, kısa sürede tamamlanması mümkün olan tasarım adımlarının, uzun süreli iş kalemlerini beklemesinden dolayı, genel pencerede tüm tasarım sürecinin uzun ve maliyetli olduğu bir sonuçla karşı karşıya kalırız. Başka bir ifadeyle; aynı anda başlayan gaz türbin motora ait alt tasarım süreçlerinde, diğer tasarım gruplarına ön çalışma yapacak şekilde donmuş bir tasarım limiti için girdi sağlanması, diğer tasarım grupları bu limitler ile sürece devam ederken yataklama konusunda diğer tasarım süreçlerinin bitiş süresini de etkilemeyecek bir şekilde çalışmasına imkân sağlayacak metotlar geliştirilmesi hedeflenmiştir. Genel olarak makinalarda dengesizlik ve dengesizliğin kabul edilebilir seviyelerde görülme yöntemleri iyi biliniyor olmasına rağmen bu adımlar makinalarındaki dengesizlik probleminin kontrol altına alınabilmesi için ön aşamaları oluşturmaktadır. Bu durumun önüne geçmek ve mühendislik açısında daha maliyet-etkin bir tasarım süreci ortaya koymak adına da bu süreçlerin kısaltılması hedeflenmiştir. Bu amaçla bu çalışma kapsamında ele alınan doğrusal ve doğrusal olmayan analiz matematik modellerine ait denklemler koda dökülerek bu kodların sonuçları grafikleştirilmiş ve rulman ile şaft hareketi görselleştirilmiş, sonrasında ise farklı parametrelere bağlı olarak bu hareketlerin nasıl değiştiği incelenmiş ve yorumlanmıştır. Doğrusal ve doğrusal olmayan matematik modeller birbirleriyle kıyaslanırken hazırlanan kodlardaki parametrelerden, rulmana ait bilya sayısı ve radyal boşluk baz alınırken, gaz türbinli motora ait özelliklerden disk kütlesi hesaba katılmış ve seçilen bu 3 parametre üzerinden bu iki modelin grafik çıktıları ile rulman ve şaft deplasmanı incelenmiştir. Bu 3 parametreye ek olarak hazırlanan bu hesaplama aracı ile ihtiyaç duyulduğu anda elastisite modülü, rulman iç ve dış çapı, dengesiz ağırlık, bilya katılığı, disk eylemsizlik momentleri, şaft katılığı, şaft sönümü, rulman ağırlığı ve hız (rpm) parametrelerinin hesaba katılması yeteneği de kazanılmıştır.
Son olarak ise, disiplinler arası ve motor komponentleri arası mühendislik çalışmalarının daha verimli ve daha hızlı ilerleyebilmesi için hedeflenmiştir. Bu hedef için ise çalışma şaft ve rulman tasarımı konusunda konsept olarak yapılan çalışmaların bir ön incelemesine yönelmiştir. Bu konsept ve karşılaştırmanın parametreleri ve sonuçlarıyla beraber ortaya konulması için rotordinamik çalışma koşullarının incelenmesinde kullanılan matematiksel modellerin karşılaştırılması ile gaz türbinli motor tasarım sürecine girdi sağlayabilecek bir inceleme yapılmıştır.

Abstract:
While gas turbine engines are divided into different classes, these engines are differentiated from each other by the features added to the core engine. Gas turbine engines define a very large family of engines, including engines with turbine components.
The efficiency and energy need of the world we live in today bring the limits of today's engineering. For this, engineers are expected to make engineering products better, more efficient, more cost-effective and more environmentally friendly. In order to meet all these requirements, it will continuously optimize the design, analysis, production, development, testing and integration stages that enable us to consider the engineering work as a product, and in addition, it will approach the work and strength limit that the material can withstand, which is one of the most important limits of today's engineering, and time. There is a need for better analysis and engineering methods that will not push financial and financial constraints. This problem will be addressed within the scope of this thesis by focusing on the better determination of rotordynamic limits in the design process of gas turbine engines.
However, in today's engineering world, gas turbine engines are expected to be more cost-effective due to the durability limits of materials and the time and cost constraints of industry. The design process of a gas turbine engine progresses with the continuous contribution of different engineering steps and studies. In the scope of this study, it is aimed to determine the appropriate method and to prepare a calculation tool for rotordynamic calculations, which need to reach a certain maturity to start the next step, to make an input to direct studies such as bearing number, position, bearing stiffness with the outputs of this study. In order to provide these inputs, within the scope of this thesis, in order to evaluate the rotordynamic calculations and limitations more accurately, the mathematical models of two different analysis methods, linear and nonlinear, were compared with each other, and thus it was examined which one is more consistent and converges to the results previously evaluated in the literature. While doing this, the equations of the 2 models were first coded in matlab and then visual graphics were obtained from these codes. After this process, the codes of the 2 mathematical models were examined over 3 main parameters, namely the number of balls, disk mass and radial clearance, and it was examined how which model graphs which parameter change. Thus, it is aimed to compare the 2 main rotordynamic analysis models in order to contribute to shorten the preliminary design process to make an aviation gas turbine engine more efficient, and to complete the engineering studies in a shorter time.
For this purpose, as mentioned above, two basic methods used in rotor dynamics calculations were compared. In the design of a gas turbine rotor, rotor dynamics is extremely important in terms of determining the optimum operating speed and dangerous operating limits for different engine parameters. If these limits are incorrectly determined or not determined at all, it may cause serious material losses, loss of time, loss of life on the platform and its surroundings, as well as undesirable results such as low efficiency, low power capacity, high vibration. In order to prevent these negative situations, in this study, it is aimed to contribute to making the roadmap of the design process more efficient by comparing different methods with each other and comparing rotordynamic limits and calculation methods in an accurate and usable way.
In today's world, the engine design process is completed under four main headings: concept design, preliminary design, final design and detail design. As the design process progresses, these studies progress by feeding and updating each other as different engineering disciplines and the designed engine components reach a certain maturity. In this way, it is aimed to reach the most productive, cost-effective and optimum product design in a cycle. However, while some studies can be carried out in a short time with lower costs and higher efficiency, some studies such as rotordynamic, which is the subject of this thesis, take longer time due to its originality and the criticality of know-how on this subject, while other steps wait for the engineering results on this subject. causes a waste of time.
To achieve these goals, engineering design and analysis must be optimized and new methods and techniques developed that will enable engineers to better understand the limitations of design methodologies used in gas turbine engines. This will require a multidisciplinary approach that takes into account a number of factors, including aerodynamics, thermodynamics, materials science and rotor dynamics. In this study, the rotor dynamics of gas turbine engines, which are of great importance especially in the design process, are emphasized. The ability to accurately predict the optimum operating speeds and hazardous operating limits of gas turbine rotors is critical to ensuring these engines perform their intended function effectively, efficiently, cost-effectively and safely.
To achieve this, different linear and nonlinear mathematical models associated with various analysis methods are compared in order to evaluate and select the most consistent and literate result in the analysis of rotor dynamics calculations and limitations.
With this study, it is aimed to shorten the preliminary design process, which will significantly increase the efficiency of the design process and reduce the cost and time required for the design of gas turbine engines. It is also hoped to identify new approaches and technologies that can be used to further optimize the design and operation of these motors, helping to meet the ever-increasing demand for energy and efficiency in the modern world. In doing so, two models, linear and nonlinear mathematical models, were compared with each other. For this comparison, flow charts of the mathematical models of the 2 methods were prepared, respectively, and then these models were mathematically shown with equations and the expressions in these equations were defined. In step 3, these models were written in the matlab environment and the results were visualized as bearing and shaft movements. Finally, in order to examine and understand how this movement is affected depending on which parameters, different variables such as the number of balls, bearing and mattress firmness were changed and the results were obtained and these results were compared with each other. Thus, it was concluded that which of the linear and non-linear analysis methods is compatible with the results previously shown in the literature and therefore should be preferred. In conclusion, the text discusses the importance of gas turbine engines in modern engineering and the need for continuous improvement to make them more efficient, cost-effective and environmentally friendly. The design process includes different stages that must be completed in a specific order, and each component must reach a certain level of maturity before the next step can begin. This Study, on the other hand, focuses on the preliminary design process and the need for optimizing this process by delving into the rotor dynamic calculations and the evaluation method of their constraints to reduce the time required for this phase. In this study, the equations of the linear and nonlinear analysis mathematical models are coded, the results of these codes are graphically represented and the bearing and shaft motion is visualized, and then how these motions change depending on different parameters is examined and interpreted. While comparing the linear and nonlinear mathematical models, the number of balls and radial clearance of the bearing were taken as parameters in the prepared codes, while the disk mass was taken into account from the properties of the gas turbine engine, and the graphical outputs of these two models and the bearing and shaft displacement were analyzed based on these 3 parameters. In addition to these 3 parameters, this calculation tool also provides the ability to take into account the modulus of elasticity, bearing inner and outer diameter, unbalanced weight, ball stiffness, disk moments of inertia, shaft stiffness, shaft damping, bearing weight and rpm parameters when needed. 
Thus, in order for interdisciplinary and inter-engine engineering studies to progress more efficiently and quickly, a preliminary review of the conceptual studies on bearing shaft and bearing design, a comparison of mathematical models used in the study of rotordynamic operating conditions to reveal the concept and comparison, as well as a calculation tool, as well as a review that can provide input during gas turbine engine design.