Turbo-kompresörlerde sabit elemanların hafifletilmiş tasarımına bütünleşik bir yaklaşım
An integrated approach to the design of lightweight fixed elements in turbo-compressors
- Tez No: 1020908
- Danışmanlar: PROF. DR. HALUK EROL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Dinamiği, Titreşimi ve Akustiği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Turboşaft motorları sahip olduğu güç türbini modülü sayesinde mekanik güç üretimini doğrudan şaft üzerinden gerçekleştiren gaz türbini çalışma prensibine sahip motorlardır. Bu motorların sahip oldukları güç/ağırlık oranından dolayı manevra kabiliyetleri artmakta ve bu sayede helikopterlerde oldukça yaygın kullanılmaktadır. Turboşaft motorları içerisinde bulunan kompresör modülü aldığı havayı sıkıştırarak basıncını yükseltir ve yanma odasına iletir böylece yanma verimi artar. Kompresör modülünün tasarımı, motorun güç üretim kapasitesini, yakıt verimliliğini doğrudan etkilemektedir. Kompresör modülü içerisinde birçok parça bulunan bir motor modülüdür ve her bir parçanın güvenle çalışabilmesi açısından tasarımları oldukça kritiktir. Motor verimliliğini artırılması amacıyla bu motorlarda kullanılan parçaların güvenli çalışma koşullarını ihlal etmeden hafifletilmesi havacılık endüstrisinde yaygın olarak çalışılan araştırma konularından biridir. Ağırlık azaltma sürecinde ilgili parçaların statik ve dinamik dayanımları önemli bir etkendir. Bu tez çalışmasında, turbo-kompresörlerde sabit elemanların hafifletilmiş tasarımına bütünleşik bir yaklaşım sunulması amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda turbo-kompresörlerde yer alan kılıf parçasının titreşim ve mukavemet davranışları sayısal ve deneysel yöntemlere başvurularak incelenmiş ve parçanın ağırlığının optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Öncelikle kılıf parçasına çekiç testi uygulanmıştır. Çekiç testi, bir parçanın modal parametrelerinin belirlenmesi için yaygın olarak kullanılan bir test yöntemidir. Test düzeneğinde, üzerinde sensör bulunan bir çekiç ile parçaya geniş bantlı bir uyarım verilmiştir. Bu sırada parça serbest halde bırakılmıştır. Ortaya çıkan titreşimler parçanın farklı bölgelerine bağlı olan ivmeölçerler yardımıyla kaydedilmiştir. Çekiç testinde sensörler sabit iken kuvvet hareketli yöntem, uygulama kolaylığı açısından tercih edilmiştir. İvmeölçer yardımıyla kaydedilen titreşim verilerinden parçaya ait doğal frekans ve mod şekilleri elde edilmiştir. Bu veriler parçanın dinamik davranışını temsil etmektedir. Sonlu elemanlar modeli kurulmuş ve bu modelde parça geometrisi, malzeme özellikleri detaylı bir şekilde modellenmiştir. Başlangıçta, parçanın sadece dinamik özelliklerini belirlemek amacıyla parçanın üzerine gelen kuvvetler ve sönüm katsayıları göz ardı edilerek serbest halde bir modal analiz gerçekleştirilmiştir. Bu sonlu elemanlar modeli çekiç testindeki durumu simüle etmektedir. Sonlu elemanlar modelinin vermiş olduğu sonuçlar çekiç testinden elde edilen deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Bu korelasyon analizi, deneysel ve sayısal analizlerden gelen mod şekillerinde benzerliği ölçen MAC matrisi yardımıyla yapılmıştır. Elde edilen MAC değerleri oldukça yüksek olup oluşturulan sonlu elemanlar modelinin deneyle eşleştiğini göstermektedir. Bu doğrulama adımı sonlu elemanlar modelinin ileriki adımlarda oluşturulacak statik ve öngerilmeli modal analizlerde güvenle kullanılabileceğini göstermektedir. Daha sonra ilgili parçanın ve tüm kompresör modülü parçalarının da bulunduğu global bir sonlu elemanlar modelinin içine doğrulaması MAC matrisi ile gerçekleştirilen kılıf parçasının sonlu elemanlar modeli dahil edilmiştir. Global model, kompresör modülünün iki farklı çalışma koşulu için sıcaklık ve basınç yüklerini de içermektedir. Bu global model kullanılarak önce statik analiz daha sonrasında statik analizden elde edilen sonuçlar kullanılarak öngerilmeli bir modal analiz gerçekleştirilmiştir. Bu yaklaşım, ön gerilme durumunda parçanın doğal frekanslarını daha doğru bir şekilde ortaya koyacağı için parçanın çalışma koşulundaki güvenlik durumuyla doğrudan ilişkilendirilmesini sağlamıştır. Öngerilmeli global model analizinden elde edilen frekanslar kullanılarak modülün ve kılıf parçasının rezonansa girme riski Campbell diyagramı yardımıyla her iki koşul için incelenmiştir. Campbell diyagramı, motorun doğal frekanslarını motorun dönüş hızına göre çizerek doğal frekanslar ile motor devirleri arasında bir kesişim olup olmadığını ortaya koyar. Bu kesişim noktaları, tehlikeli titreşim genliklerine sebep veren rezonans noktalarını göstermektedir. Kılıf parçasının Campbell diyagramı analizinde motorun rölanti hızı, en yüksek kalkış hızı ve maksimum çalışma hızı bir güvenlik marjı ile birlikte kullanılmıştır. Sonuçlar, doğal frekansların motor devirlerine kıyasla oldukça uzak olduğunu ve elde edilen güvenlik marjlarının parçanın rezonansa girme sorunuyla karşılaşmayacağını göstermiştir. Çalışmasının son aşamasında, parçanın optimizasyonuna odaklanılmıştır. Sadece kılıf, ayar sacı, akış düzleştirici ve kompresör muhafaza parçasının olduğu yeni bir sonlu elemanlar modeli oluşturulmuştur. Bu sonlu elemanlar analizi kılıf parçasına ait en kritik yükleme durumunu içermektedir. Bu analiz içerisindeki kılıf parçasının ölçüleri birer parametre olarak araca tanımlanmıştır. Optimizasyon çalışmasında, parçanın daha öncesinde hesaplanan rezonans marjları çok yüksek olduğu için sadece statik mukavemetine odaklanılmıştır. Optimizasyon çalışmasında, araç içerisine parçanın en yüksek gerilmesinin parçanın malzemesinin akma sınırının belli bir oranı üstünde kalması, parça ağırlığının azalması ve parça ölçülerinin belirli bir aralıkta kalması gibi kısıtlamalar tanımlanmıştır. Araç içerisine tanımlanan bu kısıtlamalar, yazılımın parçanın istenilen amacına uygun iterasyonlar yapması için yol gösterici olmuştur. İlgili kısıtlamalar altında yazılım, birden fazla tasarım iterasyonunu incelemiş ve aday çözümler önermiştir. Bu adaylar arasından, uygun olan tasarım seçilmiştir. Deneyle eşleştirilen kılıf parçasının sonlu elemanlar modeli, seçilen tasarım ölçülerine göre manipüle edilmiştir. Böyle doğrulanmış sonlu elemanlar modeli önerilen tasarımın ölçülerine uygun hale getirilmiştir. Elde edilen yeni sonlu elemanlar modeli, global model içerisine yerleştirilmiş ve öngerilmeli modal analiz en kritik motor durumu için çözdürülmüştür. Bu analiz sonucunda elde edilen yeni doğal frekanslar Campbell diyagramı yardımıyla analiz edilmiştir. Hesaplanan yeni marjlara göre parçanın gerilme ve rezonans risklerinin güvenli sınırlar içinde kalarak parçanın ağırlığı %7-10 aralığında azaltılabileceğini göstermiştir. Özetle, bu çalışma kritik havacılık bileşenlerinin analizi ve optimizasyonu açısından bir metodoloji sunmaktadır. Deneysel ve sayısal tekniklerin birbirini tamamlayıcı bir şekilde kullanılabileceğini ve optimizasyon araçlarıyla aynı anda birden fazla tasarım denemesi yaparak istenilen tasarıma nasıl ulaşılabileceğini göstermektedir. Böylece tek bir yönteme bağlı kalmadan daha güvenilir ve hızlı bir yaklaşımın mümkün olduğunu göstermiştir. Bu çalışma ile turbo-kompresörlere ait kılıf parçasının ağırlık azaltma çalışmalarında optimizasyon yöntemi kullanılmıştır. Geliştirilen optimizasyon yöntemleri sayesinde hem ağırlığın azaltılabileceğini hem de parçaların dayanımının istenilen sınırlar içerisinde korunabileceğini ortaya koyarak havacılık endüstrisinde yapısal optimizasyon uygulamalarına önemli katkılar sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Turboshaft engines are gas turbine engines that generate mechanical power directly through a shaft, thanks to their power turbine module. Due to their high power-to-weight ratio, these engines enhance maneuverability and are therefore widely used in helicopters. The compressor module within a turboshaft engine compresses the incoming air, increasing its pressure and delivering it to the combustion chamber, thereby improving combustion efficiency. The design of the compressor module directly affects the engine's power generation capacity and fuel efficiency. As a module containing many components, the compressor module requires highly critical designs to ensure the safe operation of each part. To improve engine efficiency, reducing the weight of components used in these engines—without violating safe operating conditions is a widely studied research topic in the aerospace industry. During the weight reduction process, both static and dynamic strength of the components play a crucial role. In this thesis, an integrated approach is proposed for the lightweight design of stationary components in turbo-compressors. For this purpose, the vibration and structural behavior of the shroud component located in the turbo-compressors were investigated using both numerical and experimental methods, and the weight of the component was optimized. First, an impact hammer test was applied to the shroud component. The hammer test is a commonly used experimental method for determining the modal parameters of a structure. In the test setup, a broadband excitation was applied to the component using an instrumented hammer. During the test, the component was kept in a free-free condition. The resulting vibrations were recorded using accelerometers mounted at different locations on the component. In the hammer test, the roving hammer method was preferred for ease of application while keeping the sensors fixed. From the vibration data obtained via accelerometers, the natural frequencies and mode shapes of the component were extracted. These results represent the dynamic behavior of the component. A finite element model was then developed, in which the geometry and material properties of the component were modeled in detail. Initially, a free-free modal analysis was performed by neglecting external forces and damping effects, aiming only to determine the dynamic characteristics of the component. This finite element model simulates the conditions of the hammer test. The results obtained from the finite element model were compared with the experimental results from the hammer test. This correlation study was conducted using the Modal Assurance Criterion (MAC), which measures the similarity between mode shapes obtained from experimental and numerical analyses. The obtained MAC values were quite high, indicating a strong agreement between the finite element model and experimental data. This validation step demonstrated that the finite element model could be reliably used in subsequent static and prestressed modal analyses. Subsequently, the validated finite element model of the shroud component was integrated into a global finite element model that includes all compressor module components. The global model incorporates temperature and pressure loads corresponding to two different operating conditions of the compressor module. Using this global model, a static analysis was first performed, followed by a prestressed modal analysis based on the results of the static analysis. This approach provides a more accurate representation of the natural frequencies under prestressed conditions, allowing for a direct assessment of the component's safety under operating conditions. Using the frequencies obtained from the prestressed global model, the resonance risk of both the module and the shroud component was evaluated for both operating conditions using a Campbell diagram. The Campbell diagram plots the natural frequencies of the system against engine rotational speed, revealing any intersections between natural frequencies and excitation frequencies. These intersection points indicate potential resonance conditions that may lead to dangerous vibration amplitudes. In the Campbell diagram analysis of the shroud component, the engine idle speed, maximum take-off speed, and maximum operating speed were considered along with a safety margin. The results showed that the natural frequencies were sufficiently separated from engine excitation frequencies, and the calculated safety margins indicated no risk of resonance. In the final stage of the study, the focus shifted to the optimization of the component. A new finite element model was created, including only the shroud, shim, deswirler and the compressor case components. This model represents the most critical loading condition for the shroud component. The dimensions of the shroud were defined as design parameters within the optimization tool. Since the previously calculated resonance margins were sufficiently high, the optimization study focused solely on static strength. Constraints were defined in the optimization tool, including maintaining the maximum stress below a certain fraction of the material's yield strength, reducing the component weight, and keeping the geometric parameters within specified limits. These constraints guided the software to perform iterative design evaluations. Under these conditions, the software explored multiple design iterations and proposed several candidate solutions, from which the most suitable design was selected. The validated finite element model of the shroud component was then updated according to the selected design parameters. This updated model was integrated back into the global model, and a prestressed modal analysis was performed for the most critical operating condition. The newly obtained natural frequencies were again evaluated using a Campbell diagram. Based on the updated margins, it was demonstrated that the stress levels and resonance risks remained within safe limits, while achieving a weight reduction of approximately 7–10%. In summary, this study presents a methodology for the analysis and optimization of critical aviation components. It demonstrates how experimental and numerical techniques can be used complementarily, and how the desired design can be achieved by simultaneously performing multiple design trials with optimization tools. Thus, it shows that a more reliable and faster approach is possible without relying on a single method. This study utilizes an optimization method in weight reduction studies of shroud component of turbo-compressor. By demonstrating that the developed optimization methods can both reduce weight and maintain the strength of the components within desired limits, it makes significant contributions to structural optimization applications in the aviation industry.
Benzer Tezler
- Motorlarda aşırı doldurmanın bilgisayar yardımıyla incelenmesi
Başlık çevirisi yok
NEDİM AKBULUT
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Makine MühendisliğiUludağ ÜniversitesiMakine Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OĞUZ BORAT
- Geçmişten günümüzde epilepsi (sar'a)
Today and in the past of epilepsy
ÖMÜR ŞAYLIGİL
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
Deontoloji ve Tıp TarihiUludağ ÜniversitesiDeontoloji ve Tıp Tarihi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYŞEGÜL DEMİRHAN ERDEMİR
- Dört zamanlı türbaşarj direk püskürtmeli bir dizel motorunun bilgisayar ile sümülasyonu
Computer aided simulation of a fourstroke turbocharged direct-anjection diesel engine
MUSTAFA BALCI
- Sıralama yöntemleri ve ikili ağaç sistemi üzerine bir araştırma
Başlık çevirisi yok
ALİ TANSEL DEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolEge ÜniversitesiBilgisayar Bilimleri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ŞABAN EREN