Türbin diskleri ve kompresör çarklarının infilak analizleri ve doğrulaması
Burst analysis of turbine disks and impellers and validation
Yazar: MUSTAFA BURAK TABAKÇI
Danışman: DOÇ. DR. MESUT KIRCA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Diskler = Discs ; Elastoplastik = Elastoplastic ; Kompresör = Compressor ; Türbin diskleri = Turbine discs

Özet:
Gaz türbinli motorlarda kullanılan dönen diskler zorlu çalışma koşulları ve ağırlık isterleri nedeniyle yüksek gerilmelere maruz kalırlar. Bu nedenle dönen disklerin operasyon sırasında infilak etmemeleri için havacılık otoriterleri tarafından regülasyonlar belirlenmiştir. Motor üreticilerinin olası bir hata durumu için regülasyonlarda belirtilen hızlarda ve koşullarda dönen disklerin infilak etmediğini test ve analizlerle göstermesi gerekmektedir. Dönen disklerin infilak hızının analizlerle doğru bir şekilde hesaplanabilmesi ihtiyaç duyulan infilak testi sayısının azaltılmasına ve test maliyetlerinin düşürülmesine katkı sağlamaktadır.

Bu çalışmada türbin diskleri ve kompresör çarklarının infilak hızının analizler ile hesaplanabilmesi için literatürde bulunan infilak hızı hesaplama yöntemleri araştırılmıştır. Literatürde en çok kullanılan Robinson kriteri, Hallinan kriteri, ortalama radyal gerilme kriteri, kritik birim şekil değiştirme kriteri ve kesit boyunca kritik birim şekil değiştirme kriterleri incelenerek dönen diskler üzerinde uygulamaları yapılmıştır. Çalışmada kullanılan dönen diskler iç çap, orta bölge ve dış çap gibi farklı lokasyonlardan infilak oldukları için infilak hesaplama yöntemlerinin infilak lokasyonu açısından da incelemesi yapılmıştır. Hesaplanan infilak hızlarının doğrulamasını yapabilmek için makalelerde bulunan sonuçlar ve infilak test sonuçları kullanılmıştır.

Türbin diskleri değişken kalınlıklı eksenel diskler oldukları için çalışmaya ilk olarak sabit kalınlıklı eksenel disklerin infilak hızı hesaplamalarıyla başlanmıştır. İnfilak hesaplamaları yapabilmek için 2 boyutlu sabit kalınlıklı eksenel simetrik bir disk geometrisi oluşturulmuştur. İnfilak hızı hesaplamak için diske elastik ve elasto-plastik analizler yapılmıştır. Analiz sonucunda diskin iç çap (bore) bölgesinden infilak olduğu görüldüğü için ortalama çevresel gerilme kriteri ve kritik birim şekil değiştirme kriteri kullanarak infilak hızı hesaplanmıştır. Uygulanan analiz ve infilak yöntemini doğrulamak için literatürde bulunan bir makaleden yararlanılmıştır.

Çalışmanın ikinci bölümünde türbin disklerinin infilak hızı hesaplanmıştır. Örnek olarak seçilen türbin diski literatürde bulunan bir makaleden alınmıştır. Makalede türbin diski için infilak hesaplamaları ve infilak testi gerçekleştirilmiştir. Türbin diski test sonucunda orta bölgeden (web) infilak olmaktadır. İnfilak hızını hesaplamak için ilk olarak türbin diskine elastik ve elasto-plastik analizler yapılmıştır. Analiz sonrasında ortalama radyal gerilme kriteri, ortalama çevresel gerilme kriteri ve kritik birim şekil değiştirme kriteri kullanarak infilak hızı hesaplanmıştır. Hesaplanan infilak hızı ve lokasyonu infilak testinde bulunan hız ve lokasyon ile örtüşmektedir.

Çalışmanın üçüncü bölümünde gerilme konsantrasyonlu türbin disklerinin infilak hızı hesaplanmıştır. Örnek olarak seçilen türbin diski literatürde bulunan bir makaleden alınmıştır. Türbin diskinde gerilme konsantrasyonu olarak diskin dış çapında delikler bulunmaktadır. Makalede türbin diski için infilak hesaplamaları ve infilak testi gerçekleştirilmiştir. İnfilak hızı hesaplamak için türbin diskine elasto-plastik analizler yapılmıştır. Analiz sonucunda diskin delik bölgesinden infilak olduğu görüldüğü için kritik birim şekil değiştirme kriteri kullanarak infilak hızı hesaplanmıştır. Hesaplanan infilak hızı makalede hesaplanan hızlar ve test hızları ile doğrulanmıştır.

Çalışmanın dördüncü bölümünde kanatçık dip radyus bölgesinden infilak olan kompresör çarklarının infilak hızı hesaplanmıştır. İnfilak hızı hesaplamak için kompresör çarkına 3 boyutlu elasto-plastik analizler yapılmıştır. İnfilak gerilme konsantrasyonu bölgesinden olduğu için kritik birim şekil değiştirme kriteri kullanarak infilak hızı hesaplanmıştır. Sonrasında kompresör çarkına infilak testi yapılmıştır. Analiz ile hesaplanan infilak hızı test sonucunda elde edilen infilak hızı ile doğrulanmıştır. Ayrıca, sayısal analiz ile bulunan infilak lokasyonu ile kompresör çarkının infilak testi sırasındaki infilak lokasyonu aynı çıkmaktadır.

Çalışmanın son bölümünde orta bölgesinden infilak olan kompresör çarklarının infilak hızı hesaplanmıştır. Kullanılan geometri eksenel simetrik olduğu için 2 boyutlu elastik ve elasto-plastik analizler yapılarak infilak hızı hesaplanmıştır. Kompresör çarkının infilak hızını hesaplamak için ortalama radyal gerilme kriteri, ortalama çevresel gerilme kriteri ve kritik birim şekil değiştirme kriteri kullanılmıştır. Sonrasında kompresör çarkına infilak testi yapılmıştır. Analiz ile hesaplanan infilak hızları test sonuçları ile örtüşmektedir. Kompresör çarkı için analiz ve test ile bulunan infilak lokasyonları aynı çıkmaktadır.

Abstract:
Gas turbines or turbo machines convert the heat energy resulting from the combustion of fuel with compressed air into mechanical energy. Rotating discs used in compressor and turbine sections are among the parts that are exposed to the highest stresses due to harsh working conditions and weight requirements. Due to various reasons that can be seen during the operation of the engine, the rotating discs can exceed the design speeds. Burst of rotating discs is one of the most dangerous failures that can occur in gas turbine engines since the impellers and turbine discs rotate at high speed and their kinetic energy and inertia are high. For this reason, certification requirements have been determined by aviation authorities such as the European Aviation Safety Agency (EASA) and the Federal Aviation Administration (FAA) in order to obtain certification for gas turbine engines and to use these engines in air transportation and to prevent rotating discs burst during operation. The requirements that the rotating parts must meet in case of overspeed are specified in the CS-E document prepared by EASA and in the FAR document prepared by the FAA. Engine manufacturers are required to show by tests and analyzes that rotating discs do not burst at the speeds and conditions specified in the regulations in case of an engine failure conditions.

Burst tests are costly tests considering the production cost of test parts, the material cost of rotating discs, and the cost of burst test rigs. When the burst test is to be performed, the burst calculations must be done before the test in order to calculate the approximate speed at which the disc burst will occur during the test. After the burst tests and overspeed tests, it is not possible to reuse the rotating discs and some parts of the test rig used in the test. Accurate determination of the burst speed of the rotating discs with analyzes contributes to reducing the number of tests needed and reducing test costs.

In this study, the burst speed calculation methods in the literature are investigated to calculate the burst speed of turbine discs and compressor impellers. The most widely used Robinson criteria, Hallinan criteria, average radial stress criteria, critical strain criteria and critical strain through cross section criteria are examined and their applications are made on rotating discs. Since the rotating discs used in the study burst from different locations such as bore, web and rim, the burst calculation methods are also examined in terms of burst location.

In the theory part, the theoretical details required to use Robinson criteria, Hallinan criteria, average radial stress criteria, critical strain criteria and critical strain through cross section criteria, which are used in the burst calculations of rotating discs in the literature, are examined. The details and formulas of the burst criteria examined in this study, as well as the details of when and how these criteria are used, are shared. In order to use Robinson criteria and average radial stress criteria, finite element analyzes with elastic material properties are done. In order to use critical strain criteria, elastoplastic finite element analyzes are required.

In the literature and industry, burst analysis and burst tests have generally been done on axial discs, and tests and publications for impellers are less in number. Test results available in the literature are used to validate the methodology used in the analyzes for the turbine discs. Burst tests have been performed to validate the methodology used in the analyzes for compressor impellers. The most common materials used in the aviation industry which are Alloy 10, Ti-64 and Ti-6242 are selected for the disk materials in the study.

The study is first started by calculating burst speed of axial discs with constant thickness since turbine discs are axial discs of variable thickness. In order to perform burst calculations, two dimensional axisymmetric disc geometry with constant thickness is created. Elastic and elastoplastic analyzes are performed on the disc to calculate burst speed. As a result of the analysis, it is seen that the burst location is the bore region, so Robinson criteria and critical strain criteria are used to calculate burst speed. An article in the literature is used to validate the analysis and burst methods.

Robinson criteria and critical strain criteria give similar results for disk burst caused by hoop stress for the bore region.

In the second part of the study, the burst speed of turbine discs is calculated. The turbine disc selected is taken from an article in the literature. In the article, burst calculations and burst test are performed for the turbine disc. The turbine disc bursts from the web region in the test. Firstly, elastic and elastoplastic analyzes are performed using the turbine disc to calculate burst speed. After the analysis, the burst speed is calculated using average radial stress criteria, Robinson criteria and critical strain criteria. The calculated burst rotation rate and burst location are found to be in good agreement with the experimental result.

The burst speed calculated by average radial stress criteria and critical strain criteria in turbine discs give results close to the burst test results found in the literature for radial stress-induced burst in the web region of the disc. During the burst test, the disk burst occurs from maximum plastic strain location.

In the third part of the study, burst speed of a turbine disc with stress concentration is calculated. The turbine disc selected is taken from an article in the literature. The turbine disc has holes in the outer diameter of the disc as stress concentration. In the article, burst calculations and burst test are performed for the turbine disc. Elastoplastic analyzes are performed on the turbine disc to calculate burst speed. As a result of the analysis, it is seen that the disc bursts from the hole region, so critical strain criteria is used to calculate burst speed. The burst speed found is validated with the burst speed calculated in the article and with the test result.

The difference between the burst speed calculated using critical strain criteria for the burst of turbine disks from stress concentration regions and the test results found in the literature is approximately 2%. In the elastoplastic analysis results done to use critical strain criteria for the turbine disk, the maximum plastic strain location and the burst location during the burst test are the same.

In the fourth part of the study, burst speed of compressor impellers bursting from blade root fillet location is calculated. 3D elastoplastic analyzes are performed on the impeller to calculate the burst speed. Since the burst location is a stress concentration region, the burst speed is calculated using critical strain criteria. Afterwards, burst test is performed using the impeller. The burst speed by the analysis is verified with the test burst speed. In addition, the burst location found by numerical analysis and the burst location of the burst test are the same.

In the elastoplastic analysis results done to use critical strain criteria for impellers, the maximum plastic strain location on the impeller and the burst location during the burst test are the same.

In the last part of the study, the burst speed of the impellers bursting from web location is calculated. Since the geometry used is axisymmetric, 2D elastic and elastoplastic analyzes are performed and the burst speed is calculated. Average radial stress criteria, Robinson criteria and critical strain criteria are used to calculate the burst speed of the impeller. Afterwards, burst test is performed using the impeller. The burst rotation rate found by analysis is found to be in good agreement with the experimental result. The burst locations found by analysis and burst test are the same.

The burst speed calculated with average radial stress criteria for impellers gives higher results than the burst test results performed for the web region of the disc. The burst speed calculated with critical strain criteria for impellers gives lower results than the burst test results performed for the web region of the disc. The burst speed calculated by average radial stress criteria and critical strain criteria are close to the burst test results. The difference between Robinson criteria and the burst test results for radial stress-induced burst is higher than average radial stress criteria and critical strain criteria.

The burst speed calculated for the turbine disks are closer to the burst test speed than the speed calculated for the impellers.

Robinson criteria gives results very close to the results in the literature for circumferential stress-induced burst in the inner diameter region of the disk. In cases of radial tension-induced burst in the web region of the disk, the difference between the burst speed calculated by Robinson criteria and the test results is higher than average radial stress criteria and critical strain criteria. The reason for this situation can be shown as the burst caused by radial stress.

Average radial stress criteria gives close results to the test results for radial stress-induced burst in the web region of the rotating disks. Since there is no radial stress in the inner diameter and outer diameter of the disk, the average radial stress criteria cannot be used in these regions.

The burst speed calculated with critical strain criteria gives close results with the test results for the bore, web and stress concentration regions of the rotating disks in cases of radial or circumferential stress-induced burst. Critical strain criteria can be used for bore, web and rim regions to calculate burst speed of the rotating disks. While the critical strain through cross section criteria gives the closest results for the impellers, it gives 4% different results with the test results for the turbine disks. Critical strain through cross section criteria can be used for web region to calculate burst speed of the rotating disks.