teknofest İstanbul

Click here to load reader

Post on 06-Nov-2021

1 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

KRTK TASARIM RAPORU
TAKIM ADI: FAMES
Fatih AKTA
DANIMAN ADI: -
2.1.1 HAD Analizleri ................................................................................................................. 3
2.1.3. zantropik Verim ............................................................................................................ 10
2.1.4. Surge Margin .................................................................................................................. 11
2.1.5. Hava Debisi .................................................................................................................... 11
2.2.1 HAD Analizleri ............................................................................................................... 11
2.2.3. zantropik Verim ............................................................................................................ 13
2.2.4. Surge Margin .................................................................................................................. 13
2.2.5. Hava Debisi .................................................................................................................... 14
2.3.1. Modal Analiz .................................................................................................................. 17
2.3.2. Gerilme Analizi .............................................................................................................. 18
2.3.4. Dier Hesaplamalar ve Analizler ................................................................................... 20
2.3.4.1. Düük Çevrimli Yorulma (LCF) Analizi .................................................................... 20
2.3.4.2. Dengeleme (Balance) .................................................................................................. 21
2.3.4.3. Montaj Edilebilirlik ..................................................................................................... 21
2.4. TEKNK RESM ............................................................................................................... 22
3. EKLER ................................................................................................................................. 23
4. REFERANSLAR ................................................................................................................. 29
- Fatih AKTA, ekip üyesi, doktora örencisi.
2. KONULAR
2.1.1 HAD Analizleri
Bu rapor “Mini Jet Radyal Kompresör Tasarm” projesinde tasarm yaplan çarkn
hesaplamal akkanlar dinamii yöntemlerine göre çözümlerini içermektedir. HAD
yönteminde temel olarak üç ana denklem (süreklilik, momentum ve enerji denklemleri) esas
alnmakta ve bu denklemlerin saysal çözümlemesiyle ak içindeki basnç, hz ve scaklk
dalmlar ve bu parametrelere bal olarak verim, basnç oran gibi performansa ilikin
verilere ulalabilmektedir. Tasarm ve analiz için ANSYS Workbench 15.0 yazlm
kullanlm ve istenilen verim ve ak özellikleri elde edilene kadar kompresör tasarm,
tasarm parametrelerini deitirmek suretiyle sistematik bir ekilde yenilenmitir. Optimum
deerleri veren kompresöre göre hesaplamal akkanlar dinamii analizi sonuçlar raporda
sunulmutur.
giri ve çk açlar vb.) oluturulmu, shroud profili için istenilen koordinatlar girilmi ve tip
boluu braklmtr. Kanat kalnl da yine bu program kullanlarak, istenilen ak
özelliklerini ve yapsal dayanm salayacak ekilde deitirilmitir. Daha önceden elle
yaplan hesaplamalar dorultusunda, 7 ana kanat ve 7 yardmc kanat kullanlmas
kararlatrlmtr. Kanadn iki boyutlu tasarm ekil 2.1’de verilmitir.
4
ekil 2.1. Kanadn iki boyutlu tasarmna ait ANSYS BladeGen görüntüsü
BladeGen’de kanat tasarmnn gerçekletirilmesinin ardndan, ANSYS TurboGrid
kullanlarak her kanat, yeterli sayda sonlu elemana bölünmütür. Yeterli sayda ve kalitede
sonlu eleman kullanlarak analiz sonucu elde edilen deerlerin, gerçek deerlere yakn
sonuçlar vermesi salanmtr. Kanatlarn çözüm alar ekil 2.2’de verilmitir. Çözüm ana
ilikin saysal bilgiler ise Tablo 2.1’de verilmitir. Ayrca çözüm a saysndan bamszlk
kontrol edilmi ve yaklak olarak 900000 eleman saysnn üzerinde sonuçlarda deiim
gözlemlenmemitir; bu sebeple hali hazrda kullanlan çözüm a deitirilmemitir.
Tablo 2.1. Kanat çözüm a bilgileri
Düüm Says (Toplam) Eleman Says (Toplam)
1052236 991070
Çözüm a oluturulurken, doruluu artrmak adna snr tabaka bölgesinde daha youn, bu
bölgeden uzaklatkça kademeli olarak seyrekleen bir yap kullanlmtr. Çözüm a
istatistiklerinden de görüldüü gibi tüm ak hacminin çözüm anda hata oran oldukça
düüktür.
koullarn tanmlamak için kullanlan bölgeler ekil 2.3’te verilmitir.
ekil 2.3. HAD analizi için kanat üzerinde snr koullarnn tanmland bölgeler
Giri ve çkta snr tipi “Opening” olarak seçilmitir. Bunun sebebi, kompresörün tasarm
noktasndaki çalma devrinin çok yüksek olmas sebebiyle, buralarda “inlet” veya “outlet”
tipi snr koulu seçilmesi halinde, CFX’in çözümü bu koullara zorlamas sebebiyle geri ak
olumas, ve dolaysyla istenilen performans parametrelerinin ve ak koullarnn
yakalanamamasdr. Giri ve çkta snr tipinin “Outlet” olarak seçilmesiyle, geri ak
engellenmi ve ak bu bölgelerde seçilen snr tipi dorultusunda herhangi bir zorlamaya
maruz kalmad için daha gerçekçi sonuçlar elde edilmitir. Ayrca göbek (hub) ksm için
herhangi bir duvar hz seçilmezken, taç (shroud) ksm için duvar hz “Counter Rotating
Wall” olarak seçilmitir. Bu ekilde taç ksm rotora göre ters yönde dönmesi salanmtr.
Baka bir deyile taçn mutlak hz sfrdr.
6
Girite 101.325 kPa basnç, 288.15 K scaklk; çkta 360 kPa basnç ve 470 K scaklk
koullar verilmitir. Referans basnç 0 atm olarak seçilmitir. Akkan hava-ideal gaz, açsal
hz 96000 rpm olarak girilmitir. Literatürde yaplan çalmalar dorultusunda, dönen
yaplarda daha doru sonuç verdii bilinen k-ω SST türbülans modeli kullanlmtr. Yüksek
çözünürlüklü adveksiyon emas ve birinci dereceden türbülans nümerii kullanlmtr.
Yaknsama için artk hedefi olarak 10-8 seçilmitir. Ayrca çktaki debi deeri ve giri – çk
bölgeleri arasndaki basnç oran monitör noktalar olarak belirtilmi ve yaknsama kontrol
edilmitir.
Çalma devri ve basnç oran yüksek bir tasarm istendiinden, çk basnc atmosferden
basncna nazaran kademeli olarak büyütülmü ve çözümler birbirlerinin ilk koulu olacak
ekilde balatlmtr. Bu ekilde istenilen tasarm noktasna ulalrken, çözümün daha tutarl
bir ekilde yaknsamas salanm ve ak tamasnn (overflow) önüne geçilmitir. Çözümler
için CFX Solver Manager kullanlmtr. Çözücünün artk miktarlarnn ve kontrol edilen ak
parametrelerinin (basnç oran ve debi) istenilen deerlere ulatna dair ekran görüntüsü
ekil 2.4’te verilmitir.
ekil 2.4. Çözücüden elde edilen deerler
Ak hacmi olutururlurken, yüksek devir hz ve basnç oran gibi isterlerin yaratt
salnmlarn azaltlmas amacyla, CFX’in kullanc klavuzunda da tavsiye edildii üzere,
giri ve çk düzlemleri kanadn mümkün olduunca uzanda oluturulmutur. Ancak, giri
ve çktaki ak özellikleri, kanadn balad ve bittii yere iki ayr düzlem atlarak
buralardan okunmutur. Bu ekilde kanadn giri ve çknda okunan deerlerin mümkün
olduunca gerçee yakn olmas temin edilmitir. Oluturulan düzlemler ekil 2.5’te
verilmitir.
7
Analiz sonucunda elde edilen kompresör performans sonuçlar Tablo 2.2’de verilmitir.
Tablo 2.2. Kompresör performans sonuçlar
Elde edilen ak analizi sonuçlarnn özeti ise Tablo 2.3’de mevcuttur.
8
Tablo 2.3. Ak analizi sonuçlar
Elde edilen basnç – scaklk konturu ve benzeri sonuçlar ekil 2.6 ve 2.9 arasnda verilmitir.
9
ekil2.6.Kanat, taç ve göbein üç boyutlu izometrik görüntüsü
ekil 2.7. Kanat %50 düzleminde bal Mach says ve hz konturlar
10
ekil 2.8. Meridyonel yüzeyde kütle arlkl basnç ve alan arlkl Cm konturlar
ekil 2.9. Kanat hücum ve kuyruk kenarlarnda basnç konturlar
2.1.2. Toplam Basnç Oran
Tablo 2.2 ve 2.3’te verilen sonuçlar dorultusunda toplam basnç oran 4.6135 olarak
hesaplanmtr. artnamede basnç oran için istenen aralk 4.55 ve 4.65 arasnda olduundan,
ilgili ister salanmtr.
2.1.3. zantropik Verim
zantropik verim için % 92.3842 deeri elde edilmitir. Bu deer hesaplanrken, 100 * ((Pt
out / Pt in)^((Gamma ave - 1)/Gamma ave) - 1) / (Tt out / Tt in – 1) formülasyonu
kullanlmtr. artnamede izantropik verim için istenen minimum deer %87 olduundan,
ilgili ister salanmtr.
mdesign = 0.678 kg/
mstall = 0.5806 kg/s deerleri ile 29.106 elde edilmitir. artnamede surge margin için
hesaplanan deerin 15’ten büyük olmas gerektiinden, ilgili koul salanmtr.
2.1.5. Hava Debisi
Kütlesel debi, 0.687 kg/s elde edilmitir. Hava debisi için istenen deer 0.67 ile 0.69 kg/s
arasnda olduundan, ilgili ister salanmtr.
2.2. TASARIM DII NOKTASI SONUÇLARI
2.2.1 HAD Analizleri
Tasarm d noktas için yaplan tasarm için de, yine yukarda açklanan metodoloji
kullanlmtr. artnamede belirtilen isterler dorultusunda girite 102.118 kPa basnç ve
289.78 K scaklk snr koullar uygulanm ve kompresörün dönü hz 70000 rpm olarak
deitirilmitir. Elde edilen sonuçlar aada verilmitir.
Tablo 2.4. Kompresör performans sonuçlar
12
Elde edilen konturlar ekil 2.10 ve 2.12 arasnda verilmitir.
ekil 2.10. Kanat %50 düzleminde bal Mach says ve hz konturlar
13
ekil 2.11. Meridyonel yüzeyde kütle arlkl basnç ve alan arlkl Cm konturlar
ekil 2.12. Kanat hücum ve kuyruk kenarlarnda basnç konturlar
2.2.2. Toplam Basnç Oran
Tablo 2.4 ve 2.5’te verilen sonuçlar dorultusunda toplam basnç oran 2.5299 olarak
hesaplanmtr. Basnç orannn 2.49 ve 2.69 arasnda olmas beklendiinden, ilgili ister
salanmtr.
2.2.3. zantropik Verim
zantropik verim için % 95.7937 deeri elde edilmitir. Verim için gerekli minimum deer
%85 olduundan, ilgili kriter salanmtr.
2.2.4. Surge Margin
mdesign = 0.4349 kg/s
mstall = 0.3901 kg/s deerleri ile 17.208 elde edilmitir. Elde edilen surge margin deerinin
12’den büyük olmas beklendiinden, ilgili ister salanmtr.
2.2.5. Hava Debisi
Kütlesel debi, 0.4349 kg/s elde edilmitir. Elde edilen kütlesel debinin 0.431 ve 0.491 kg/s
arasnda olmas beklendiinden, ilgili koul salanmtr.
2.3. MEKANK HESAPLAMALAR - STERLER
alnmtr. Bu kaynaktan edinilen bilgiler dorultusunda HAD analizleri ve mekanik analizler
gerçekletirilmitir. Girilen malzeme özellikleri ekil 2.13’te mevcuttur.
ekil 2.13. Al2124-T851 için girilen malzeme özellikleri
Yorulma analizleri için ihtiyaç duyulan gerinim-ömür parametreleri bahsi geçen malzeme için
bulunamadndan, yerine yakn bir alam olan Al2024 malzemesinin özellikleri
kullanlmtr. Bu malzemeye ait özellikler [2]’den alnm olup kullanlan deerler ekil
2.14’te verilmitir.
stenilen yapsal analizler için, tasarm noktasndaki scaklk ve basnç yükleri HAD analizleri
ile hesaplanm, ardndan HAD analizlerinden alnan scaklk ve basnç bilgileri ANSYS
Mechanical aracna snr art olarak tanmlanmtr. Kullanlan metodoloji, özet bir ekilde
ekil 2.15’te anlatlmtr.
Analizler için dört yüzlü elemanl çözüm a kullanlmtr. Kullanlan toplam düüm noktas
says yaklak olarak 572000, toplam hücre says ise yaklak olarak 360000’dir. Hacimde
kullanlan en büyük elemann ölçüsü 5mm, yüzeyde kullanlan en büyük eleman ölçüsü ise
3mm’dir. Çözüm ana ait görüntüler ekil 2.16’da verilmitir.
16
ekil 2.16. Yapsal analiz için kullanlan çözüm a
96000 rpm devir hznda tasarm noktasnda HAD analizinden elde edilen basnç ve scaklk
yüklerinin içe aktarlmasyla elde edilen sonuçlar ise ekil 2.17’de verilmitir.
ekil 2.17. HAD analizlerinden aktarlan basnç ve scaklk yükleri
17
frekanslarnn motor çalr halde iken maksimumçalma hznn ±%10 aralnda ilk 2EO ile
çakmamas; disk için gerçekletirilecek titreim analizi sonucunda da çark diskinin doal
frekanslarnn motor çalr halde iken maksimumçalma hznn ±%20 aralnda ilk 2EO ile
çakmamas istenmitir. 96000 rpm’de elde edilen ilk 3 moda ait titreim analizi sonuçlar
ekil 2.22’de verilmitir.
ekil 2.22. 96000 rpm için srasyla 1., 2. ve 3. mod sonuçlar
30000, 50000, 70000, 96000 ve 120000 rpm dönü hzlarndaki ilk 12 doal frekansn ilk 6
EO ile birlikte çizilen Campbell diyagram ekil 2.23’de verilmitir.
Mod 1
Mod 2
Mod 3
ekil 2.23. Campbell diyagram
Diyagramdan da görüldüü üzere, ilk 2EO ile herhangi bir mod çakmamaktadr. EO3’ten
itibaren çakmalar gözükmesine ramen, bunlar da oldukça yüksek dönü hzlarndadr;
tasarm noktasnda EO3’te de çakma mevcut deildir. Dolaysyla, ister salanmtr.
2.3.2. Gerilme Analizi
Kanat üzerindeki edeer gerilmeler ekil 2.18’de, toplam deformasyonlar ise ekil 2.19’da
verilmitir.
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
F re
z ]
Çark üzerindeki maksimum elastik edeer gerilmenin, min %0.2 akma gerilmesinden küçük
olmas istenmitir. Verilen malzemenin akma gerilmesi 441 MPa iken, gerilme analizi sonucu
elde edilen maksimum gerilme 342 MPa’dr. Bu durumda yaplan tasarm, maksimum
gerilme durumunda dahi elastik deformasyon bölgesindedir. Baka bir deyile, elde edilen
maksimum gerilme, malzemenin akma gerilmesinden küçük olduundan tasarm isteri
salanmtr.
artnamede verilen kanatta 0.25 mm kanat üstü boluk bulunmaktadr. Tasarm noktasndaki
yük çözümlemeleri sonucu elde edilen toplam deformasyon deeri maksimum 0.15 mm
olarak bulunmu olup, deformasyonun teetsel yönde meydana geldii görülmütür.
Dolaysyla, maksimum deformasyonun kanat üstü boluk deerinden yaklak olarak 0.1 mm
az bulunmasna ek olarak, deformasyon dönü yönünde olduu için her halükarda deforme
olan kanat taç ksmna demeyecektir. Bu dorultuda, gerek toplam deformasyonun kanat
üstü boulktan az olmas, gerekse deformasyon yönünün teetsel olmas sebebiyle oluan
toplam deformasyon sonucu taç ve kanat temas olmayacaktr.
2.3.3. Disk nfilak Analizi
Burst speed analizinden elde edilen sonuç ekil 2.20’de verilmitir. Çarkn, çalma hznn +
%20’sine kadar disk infilakna uramamas beklenmektedir. Analizler de 120000 rpm’de
gerçekletirilmitir. Verilen malzemenin UTS (Ultimate Tensile Strength) deeri 481 MPa
olup, elde edilen en yüksek gerilme deeri yaklak 444 MPa’dr. Bu dorultuda, elde edilen
en yüksek gerilme deeri, malzemenin UTS deerinin altnda kald için, ister
salanmaktadr.
20
2.3.4. Dier Hesaplamalar ve Analizler
2.3.4.1. Düük Çevrimli Yorulma (LCF) Analizi
Limit yüklerde çark üzerinde oluacak lokal gerinim deerlerine karlk gelen düük çevrimli
yorulma deerinin 1000 çevrimden büyük olmas beklenmektedir. Analiz sonucunda, çark
üzerinde snr hzda görülen yükleme deerlerinin 1 ve 0.5 katlar arasnda yük dalm
öngörülmütür ve düük çevrimli yorulma deerine karlk gelen ömür 2.5x108 olarak
bulunmutur. Elde edilen sonuçlar ekil 2.21’de verilmitir.
ekil 2.21. Düük çevrimli yorulma analizi sonucu verileri
21
Dengeleme hesaplar için ISO-1940-1 standard kullanlmtr. lenmi parçann balans kalite
snf, ISO-1940-1 standardna uygun olarak en az G 2.5 olmaldr. zin verilen en yüksek
kalnt dengesizlik deeri 0.25 mikrometredir. Balanslama ilemleri, teknik resimde belirtilen
lokasyonlardan tala kaldrlarak yaplmaldr. lgili ileme ait hesaplamalar, Ek-1’de
verilmitir.
Montaj edilebilirlik çalmasnda çark mil çapnn montaj yöntemi için sk geçme yöntemi
seçilerek ve ilgili yöntem için geçme tolerans deerleri hesaplanmtr. Hesaplar hem mil hem
çark mil çap için parametrik olarak hazrlanmtr. Sonuçta; mil için 11 m6 +18/+7, göbek
çap için 11 n6 -20/-9 tolerans deerleri elde edilmitir. Detayl hesaplamalar Ek-2’de
verilmitir.
Kompresör performans haritas ekil 2.24’te verilmitir. Stall ve choke bölgeleri harita
üzerinde gösterilmitir.
00
1
2
3
4
5
6
B a s
105600 rpm Stall Choke 86400 rpm
Stall
Choke
22
2.4. TEKNK RESM
Teknik resim Ek-3’te mevcuttur. Ayrca “.pdf” formatnda da eklenmitir.
2.5. CAD MODEL ve GEOMETR
ekil 2.26. Kompresör orta kesit, izometrik ve önden görüntüsü
CAD modeli ayrca “.stp” formatnda yüklenmitir.
Çark hacmi 96693.0066 mm3 olup, arl da 268.811 gram olarak bulunmutur. stenen çark
arl 260±15 gram olduundan, tasarm isteri salanmtr.
70
75
80
85
90
95
100
z a n tr
24
25
http://asm.matweb.com/search/SpecificMaterial.asp?bassnum=MA2124T851, eriim tari-
https://www.efatigue.com/constantamplitude/strainlife/materials/#a, eriim tarihi: 22.06.2019