Kompresör kabuğunun sayısal ve deneysel analizi
Numerical and experimental analysis of the compressor shell
Yazar: LEVENT YILDIZ
Danışman: PROF. DR. KENAN YÜCE ŞANLITÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Dinamiği, Titreşimi ve Akustiği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Doğrusal olmayan titreşimler = Nonlinear vibrations ; Endüstriyel gürültü = Industrial noise ; Santrifüj kompresör = Centrifugal compressor

Özet:
Dünya pazarında buzdolabı üreticileri birbirleriyle kalite, yeni teknoloji, gıdaların daha uzun süre saklanabilmesi, buzdolabı iç-dış tasarımı, enerji seviyesi ve ses gücü düzeyi gibi birçok konuda çok aktif bir biçimde rekabet halindedir. Artan rekabet koşullarında firmalar tüketici beklentilerini karşılayacak faaliyetler geliştirmek, fakat bunu minimum maliyetle gerçekleştirmek zorundadır. Gürültü denetim politikaları ve müşteri beklentileri göz önüne alındığında buzdolabı kompresörlerine ait ses ve titreşim seviyeleri önem kazanmaktadır. Kompresör kaynaklı titreşimler, buzdolabındaki gürültünün en önemli nedenlerinden biri olup, özellikle kompresör içindeki mekanik hareketin yaratmış olduğu titreşim ve bu titreşimin çeşitli yollarla kompresör kabuğuna iletilmesi sonucunda oluşan gürültü, buzdolabı gürültü seviyesini önemli oranda etkiler. Buzdolaplarının aşırı titreşimlere maruz kalması ile müşteri konforu açısından istenmeyen sesler yani gürültü artışı haricinde, bu titreşimlere bağlı arızaların oluştuğu da bilinmektedir. 
Bu tez kapsamında öncelikle buzdolabı ile ilgili temel bilgiler araştırılıp, buzdolabındaki baskın gürültü kaynakları belirlenmiş ve bu gürültü kaynaklarıyla ilgili literatür araştırması yapılmıştır. Yapılan araştırmalar sonucunda, zaruri bir ihtiyaç olan buzdolaplarında görülen titreşim ve gürültü probleminin araştırmacıları daha sessiz ve daha düşük titreşim seviyelerine sahip ürünler meydana getirme yoluna yönelttiği görülmüştür. Buzdolaplarında baskın gürültü kaynaklarından biri olan kompresörün titreşim ve gürültü problemlerinin giderilmesi ile ilgili farklı uygulamalar bulunmasına karşın, yapılan literatür araştırmasında genelde türbin kanatlarında kullanılan sürtünmeli sönümleyici uygulamasının kompresörlerde kullanımının yaygın olmadığı tespit edilmiştir. Bu sebeple bu tez kapsamında kuru sürtünme kaynaklı sönümleyici kullanımı ile kompresör titreşim ve gürültü seviyelerinin düşürülmesi amaçlanmıştır. Bunun için öncelikle tek ve çok serbestlik dereceli sistemler incelenmiş ve temel ses konuları hakkında bilgi toplanmıştır.  
Kompresör kabuğunda gerçekleştirilecek çalışmaların anlamlı olabilmesi için öncelikle mevcut durumun tespiti gerekmiştir. Bunun için ilk önce Sonlu Elemanlar Metodu ile kompresörün sayısal modeli oluşturularak kompresörün dış muhafazasını oluşturan alt ve üst kabuk ayrı ayrı ve birleşik durumda analiz edilmiş ve modellenen kompresör kabuklarının doğal frekansları, mod şekilleri ve Frekans Tepki Fonksiyonları (FTF) hesaplatılmıştır. 
Kompresörün mevcut titreşim ve gürültü davranışının deneysel olarak belirlenmesi için öncelikle kompresör alt ve üst kabuklarına çekiç testi yapılarak kabukların FTF'leri ölçülüp doğal frekans değerleri elde edilmiştir. Ölçülen FTF'lerin bir modal analiz yazılım programında işlenmesi ile mod şekilleri elde edilmiştir. Daha sonra kompresörün mevcut akustik davranışlarının tespiti için iki farklı tipteki kompresörün solo ses gücü düzeyi ölçülmüştür. Ayrıca bu iki kompresörden biri, buzdolabı kabin dibi bölgesine yerleştirilerek buzdolabının da toplam ses gücü düzeyi ölçülmüştür. Ölçülen bu değerler, ileride yapılacak çalışmaların mevcut durumla karşılaştırılmasında referans değerler olarak kabul edilecektir. Kompresördeki mevcut durumun tespiti için uygulanan üçüncü ve son çalışma ise buzdolabında kompresör kaynaklı gürültünün kompresörün hangi bölgesinden kaynaklandığını belirlemek amacıyla yapılan akustik kamera ölçümüdür. Bu sayede kompresör kaynaklı gürültünün kaynağı ve baskın olduğu frekans bölgeleri elde edilmiştir. 
Oluşturulan sayısal ve deneysel modellerin birbiriyle uyumlu olup olmadığını ve elde edilen sonuçların tutarlılığını tespit etmek amacıyla öncelikle sayısal ve deneysel modelde aynı yerden alınan bazı FTF verileri karşılaştırılmış ve birbiriyle uyumlu olduğu görülmüştür. Daha sonra her iki analizde alt ve üst kabuklar için elde edilen doğal frekans değerleri ve mod şekilleri karşılaştırılmıştır. Elde edilen doğal frekans değerlerinde özellikle alt kabuk için kısmi sapmalar olsa da, hem doğal frekans değerleri hem de mod şekillerinin birbirleriyle uyumlu olduğu görülmüştür. Kompresör alt ve üst kabuklarının birleşik halde bulunduğu durumda modeller arasında karşılaştırmanın yapılabilmesi için Operasyonel Koşullarda Titreşim Şekli (OKTŞ) yöntemi kullanılarak doğal frekans değerleri elde edilmiştir. Bu metodun ölçümler esnasında sağladığı en önemli avantaj, yapıya herhangi bir harici kuvvet uygulanmadan gerçekleştirilebilmesidir. Bu nedenle yöntemin uygulanması sırasında herhangi bir kuvvet sinyalinin ölçülmesine gerek yoktur. Modal parametreleri bulmak sadece kompresör kabuğu üzerinden alınan cevap (ivme) verilerine dayanmaktadır. Buzdolabı kabin dibi bölgesinde ve kompresörde bulunan bazı kısıtlar sebebiyle sadece üst kabuk bölgesine uygulanan bu yöntem sonucunda elde edilen veriler ile sayısal analiz sonuçlarından elde edilen bazı mod şekillerinin birbirleriyle uyumlu olduğu görülmüştür. Gerçekleştirilen üç farklı karşılaştırma yöntemiyle, oluşturulan sayısal ve deneysel modellerin birbirine yeter derecede yakınsadığı sonucuna varılmıştır.
Gerçekleştirilen sayısal ve deneysel analizler sonucunda kompresör kabuğu üzerinde belirlenen kritik bölgelerde sürtünmeli sönümleyici kullanılması amaçlanmıştır. Bu kapsamda ilk olarak sabit bir sürtünmeli sönümleyici, kompresörde belirlenen bölgeye yerleştirilmiş ve hem solo kompresör ses gücü düzeyi (SGD) hem de buzdolabı toplam ses gücü düzeyi ölçülmüştür. Bu yöntem ile kompresörün solo SGD'sinde 1.6 dBA, buzdolabı toplam SGD'sinde ise 0.3 dBA seviyesinde bir düşüş sağlanmıştır. Ölçülen buzdolabında düşük frekanslardaki sesin daha baskın olması sebebiyle gerçekleştirilen iyileşme buzdolabı toplam SGD'sine yansımamıştır. Bu sürtünmeli sönümleyicinin sabit normal kuvvette kullanılıyor olması sebebiyle daha etkin bir şekilde kullanılıp kullanılamayacağını tespit etmek amacıyla alternatif bir çözüm önerisi sunulup sönümleyici kuvveti ayarlanabilir olarak tasarlanmıştır. Ayarlanabilir sürtünmeli sönümleyicinin belirlenen iki farklı bölgede kullanılması ile solo kompresör SGD'sinde 2.1 dBA'lık bir düşüş sağlanmış olup, kabuğun titreşim genlikleri azaltılmıştır.
Kompresör kabuğu üzerindeki titreşimleri ve gürültüyü azaltmak için önceki uygulamalardan farklı olarak, kompresör alt ve üst kabuklarının birleşim bölgesinde kemer şeklinde şerit metal yay kullanılmış ve kuru sürtünmeli alan oluşturulmuştur. Bu sayede iki farklı tip kompresör üzerinde denenen yöntem ile bir kompresörün toplam solo SGD'si 1.5 dBA; diğer kompresörün toplam solo SGD'si ise 1.8 dBA düşürülmüş olup kabuktan alınan titreşim genlikleri de azaltılmıştır.
Yukarıda özetlenen alternatif çözüm önerilerinden farklı olarak, kompresör kabuğunda daha fazla ve daha farklı bölgelerde titreşim sönümü gerçekleştirilebilmesi için baskı yüzüğü kullanımı önerilmiştir. Bu yöntemin kompresör kabuğunda uygulanması ile kabuk titreşim genliklerinde diğer yöntemlere göre daha fazla miktarda düşüş sağlanmıştır. 
Kompresör kabuğu titreşimlerinin belirli frekans bantlarında kontrol edilebilmesi için önerilen diğer bir yöntem de kompresör kabuğunun çok katmanlı kullanımıdır. Katmanlı kompresör kabuğu tasarımlarında kabuk yüzeyleri arasında özellikle temasın sağlanması istenmektedir. Bu sayede kabuk saclarının birbirine sürtünerek titreşim enerjisini azaltması beklenmektedir. Tez kapsamında kompresör üst kabuğunun iki katmanlı üretilmesi ile oluşturulan kompresörün SGD'si ölçüldüğünde, gerçekleştirilen prototip üzerinde 1.8 dBA'lik bir düşüş sağlanmıştır.

Abstract:
On the world market, refrigerator manufacturers are very actively competing with each other in terms of quality, new technology, long-term storage of food, interior and exterior design of refrigerator, energy and sound power levels. The competitions between the companies lead to continuous research activities to meet the consumer expectations while keeping the costs of the products as low as possible. Controlling the noise and vibration levels of a refrigerator compressors is essential in order to control the noise emission and to comply with the noise regulations and consumer demands. Vibrations in the compressor is one of the most important causes of noise in the refrigerator. Especially the vibrations generated by the mechanical movement in the compressor and the noise generated as a result of this vibration transmitted to the compressor shell in various ways affect the overall noise level quite significantly. The excessive vibrations of the refrigerators not only increase the unwanted noise which adversely affects the comfort of the customer, but also increase the failure rate of the refrigerators. 
In this thesis, fundamental information about refrigerators is gathered, dominant sources of noise in the refrigerators is determined, and a general literature search is conducted on noise sources in refrigerators. It is seen that noise and vibration problems in refrigerators leads researchers to develop new ways of designing quieter systems with less vibrations. Although there are various methods of reducing the noise and vibration problems in refrigerators, the reduction of vibration amplitudes by using friction dampers for the compressor shells has not found sufficient attention among researches. Therefore, in this thesis, it is aimed to reduce compressor vibration and noise levels by using friction dampers. For this purpose, single and multi-degree of freedom systems are examined and information about basic sound and vibration issues are examined.  
First of all, the current situation needs to be established in order to create a reference case and make the level of improvements via planned studies in this thesis more meaningful. . Therefore, numerical models of the compressor are created by Finite Element Method. The upper and lower parts of a compressor shell, forming the outer casing of the compressor, are modelled and analyzed individually first and then the whole compressor shell, i.e. the assembly of the upper and lower parts, are modelled and analyzed. Natural frequencies, mode shapes and frequency response functions of the compressor shell models (upper and lower part as well as the compressor shell assembly) are obtained. 
The vibration and noise characteristics of the compressor is identified experimentally. First, experimental modal analyses of the upper and lower parts of the compressor are carried out via hammer testing. The measured FRFs are processed to identify the natural frequencies and mode shapes using ICATS software. After this, to determine the current noise level of the compressor, the solo sound power levels of the two different types of compressors are measured. Then, this compressor is positioned in its place at the back of a refrigerator and the total sound power level of the refrigerator is measured. These metrics constituted the reference state for determining the level of improvements by various methods investigated within the scope of this thesis. The last experimental method utilized here for determining the current state of the compressor was the acoustic camera measurements which is performed to determine the noise source around the compressor shell in the refrigerator. This measurement leads to the identification of the noise sources due to the compressor and frequency bands where the noise levels were high. Some of the predicted FRFs for the compressor structures modelled in this thesis are compared with their experimental counterparts in order to determine the level of consistency of the results obtained from the analysis. Results confirmed acceptable level of correlation between the predicted and measured behavior. Then, the natural frequencies and mode shapes obtained for the upper and lower shells of the compressor is compared. Even though there were some differences in the predicted and experimentally identified natural frequencies, especially for the lower shell, both the natural frequencies and the mode shapes were found to be compatible with each other.  
The vibration behavior of the compressor under operating conditions is also investigated experimentally.  Experimental results is obtained by using the so-called Operational Deflection Shapes (ODS) method. The most important advantage of this method is that no artificial excitation needs to be applied to the structure or force signals need to be measured. All the estimations in ODS method are based on the response signals only. It is found that the ODS results obtained by this method using the measurements over the upper half of the whole compressor are similar to some of the mode shapes obtained from numerical models. Considering all the correlation studies, it is concluded that, for the purpose of this thesis, numerical and experimental models is correlated with other adequately.
In order to provide some additional damping to the system, it is aimed to introduce some additional frictional contacts to the compressor at critical regions suggested by numerical and experimental analyzes of the compressor shell. In this context, first of all, a friction damping device is fixed at a predetermined location on the compressor shell and both the solo compressor sound power level and the refrigerator total sound power level were measured. With this method, there was a reduction of 1.6 dBA in the solo sound power level of the compressor and 0.3 dBA in the total sound power level of the refrigerator.  Fairly low level of reduction in the total sound power level of the refrigerator is attributed to the higher level of contribution of the noise at relatively low frequency bands. After this, an alternative solution is proposed and the damper force is designed to be adjustable in order to determine whether this friction damper can be used more effectively. The use of this adjustable friction damper at two different positions (i.e., using two friction dampers) resulted in a reduction of 2.1 dBA in the solo compressor sound power level and reducing the vibration amplitude of the shell. 
In order to be able to provide additional vibration damping to the compressor shell, another method of providing additional frictional contacts by means of a belt-shaped strip metal across the compressor circumference is utilized. In this application, the strip metal is used in the connection region of the lower and upper shells to create dry friction contact area. This method is applied to two different types of compressors and the total solo sound power levels of a compressors are reduced by 1.5 dBA and 1.8 dBA. As expected, providing additional damping also reduced the vibration levels of the compressor shell. In addition to the alternative solutions explained above, the usage of pressure rings over the compressor shell surface is recommended for providing additional damping in various regions of the compressor shell surfaces. By applying this method to the compressor shell, higher levels of damping hence vibration reduction is achieved compared to the other methods investigated in this thesis,
Another method suggested in this thesis for controlling compressor shell vibrations in certain frequency bands is via the use of so-called multilayered compressor body (shell). In layered compressor shell designs, it is especially desirable to reduce noise and vibration by frictional contacts between multilayered shell surfaces. In the scope of the thesis, the upper shell of the prototype compressor was produced in two layers. Even with only the upper shell of the compressor being manufactured in two layers, a reduction of 1.8 dBA in compressor noise power level is achieved.