Investigation of the mechanical behaviour of superalloy bolted joints under extreme thermal conditions for aerospace applications
Havacılık uygulamalarındaki süper alaşım cıvatalı bağlantıların zorlu termal koşullar altında mekanik davranışının incelenmesi
- Tez No: 1022191
- Danışmanlar: PROF. DR. CEVAT ERDEM İMRAK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Civatalı bağlantı, Gaz türbinli motorlar, Süper alaşımlar, Bolted joint, Gas turbine engines, Superalloys
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Tasarımı Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Havacılık ve uzay teknolojilerindeki durdurulamaz ilerleme, modern gaz türbini motorlarının termal verimlilik sınırlarını her geçen gün daha da yukarı taşımaktadır. Mühendislik dünyasındaki bu verimlilik arayışı, kaçınılmaz olarak motorun sıcak bölgelerinde (hot-section) görev yapan bileşenlerin maruz kaldığı çalışma sıcaklıklarını 700°C ve üzerine çıkarmaktadır. Bu ekstrem termal ortam, motorun modüler mimarisini bir arada tutan ve yapısal bütünlüğü sağlayan cıvatalı flanş bağlantıları için benzeri görülmemiş zorluklar doğurmaktadır. Geleneksel endüstriyel makinelerin aksine, bir uçak motorundaki flanş bağlantısı, sadece statik yükleri taşıyan pasif bir eleman değil; farklı termal genleşme, modül düşüşü ve dinamik uçuş yükleri altında sızdırmazlığı korumak zorundadır. Aynı zamanda hayati öneme sahip dinamik bir termodinamik sistemdir. Bu tez çalışması, Inconel 718 (IN718) süper alaşımı kullanılarak tasarlanmış kritik bir flanş bağlantısının, bahsi geçen agresif işletme koşulları altındaki termo-mekanik davranışını, yapısal bütünlüğünü ve yorulma ömrünü tüm yönleriyle aydınlatmayı hedeflemektedir. Mevcut literatür incelendiğinde, cıvatalı bağlantıların analizi konusunda genellikle iki uç yaklaşımın benimsendiği görülmektedir: Ya aşırı basitleştirilmiş analitik el hesapları ya da doğrulanmamış karmaşık sayısal modeller. Bu çalışma, söz konusu metodolojik boşluğu doldurmak adına“hibrit”bir doğrulama stratejisi üzerine inşa edilmiştir. Çalışmanın analitik ayağında, cıvatalı bağlantıların mekaniği konusunda küresel kabul gören VDI 2230 ve NASA-STD-5020B standartları temel alınarak detaylı rijitlik ve mukavemet hesaplamaları yapılmıştır . Ancak bu yöntemler, doğaları gereği lineer varsayımlara dayanır. Aynı zamanda gaz türbinlerinin kaotik termal gradyanlarını tam olarak modelleyemediği için, çalışma ANSYS Workbench ortamında kurulan yüksek hassasiyetli bir 3D Sonlu Elemanlar Analizi (FEA) ile desteklenmiştir. Sayısal modelde, hesaplama zamanını optimize etmek adına 60 derecelik bir sektör model kullanılmıştır. Ancak kritik gerilme yığılması bölgeleri olan diş dipleri ve flanş geçiş radyuslarında ağ yapısı (mesh) özellikle sıkılaştırılarak analiz hassasiyeti maksimize edilmiştir. Analiz süreci; montaj (assembly), ön yükleme (preloading), basınçlandırma ve termal yükleme olmak üzere birbirini takip eden dört aşamalı, doğrusal olmayan bir kurguyla gerçekleştirilmiştir. Araştırmanın en kritik bulgularından biri, cıvata ön gerilmesinin (preload) termal etkiler altındaki evrimi ile ilgilidir. Bir cıvatalı bağlantının yorulma ömrünü ve sızdırmazlık kapasitesini belirleyen temel parametre, montaj sırasında uygulanan kenetleme kuvvetinin işletme sırasında ne kadarının korunabildiğidir. Yapılan analizler, henüz herhangi bir dış mekanik yük veya uzun süreli sünme (creep) etkisi devreye girmeden bile, sadece sistemin 700°C sıcaklığa ulaşmasının ciddi bir kuvvet kaybına yol açtığını göstermiştir. Bu kaybın temel mekanizması, Inconel 718 malzemesinin elastisite modülünün yüksek sıcaklıkta oda sıcaklığına göre yaklaşık %20 oranında düşmesidir. Ayrıca cıvata ile flanş arasındaki termal genleşme farklarının yarattığı uyumsuzluktur . Sayısal analizler (FEA), işletme koşullarında ön gerilmenin %18,65 oranında azaldığını öngörürken, analitik yöntemlerle hesaplanan kayıp oranı %20,38 seviyesindedir. Tamamen farklı iki metodolojiden elde edilen sonuçlar arasında %2'nin altında bir sapma tespit edilmiştir. Bu yüksek tutarlılık, elde edilen sayısal modelin güvenilirliğini kanıtlamaktadır. Aynı zamanda termal gevşemenin (thermal relaxation) tasarım aşamasında mutlaka bir“tasarım faktörü”olarak tork değerlerine yansıtılması gerektiğini net bir şekilde ortaya koymaktadır. Bağlantının yapısal dayanımı incelendiğinde, çalışmanın belki de en önemli mühendislik derslerinden biri ile karşılaşılmaktadır. Bu, basitleştirilmiş tek eksenli gerilme kontrollerinin yetersizliğidir. Cıvatalar sadece eksenel çekme yükleri (axial tensile stress) açısından değerlendirildiğinde, %117,36 gibi oldukça güvenli bir güvenlik marjına sahip görünmektedir. Bu sonuç, ilk bakışta tasarımın çok güvenli olduğu yanılgısını yaratabilir. Ancak, FEA sonuçları derinlemesine incelendiğinde, iç basınç etkisiyle flanşların dışa doğru dönme eğilimi gösterdiği ve bu durumun cıvata gövdesinde ciddi bir eğilme momenti (bending moment) yarattığı tespit edilmiştir. Literatürde“manivela etkisi”(prying action) olarak bilinen bu fenomen hesaba katılmıştır. Ardından cıvata diş diplerindeki maksimum fiber gerilmesi (maximum fiber stress) hesaplandığında, güvenlik marjının dramatik bir şekilde %39,83 seviyesine düştüğü görülmüştür. %117'den %40'a inen bu keskin düşüş, havacılık gibi güvenlik sınırlarının dar olduğu sektörlerde, flanş dönmesinin ve eğilme gerilmelerinin ihmal edilmesinin ne kadar tehlikeli sonuçlar doğurabileceğini somut bir veriyle kanıtlamaktadır. Sistemin bütünsel yapısal analizi, tasarımın“zayıf halkasını”da ortaya çıkarmıştır. Beklenilenin aksine, en kritik bölge cıvatalar değil, flanşın kendisidir. Özellikle cıvata delikleri arasında kalan ve“ligament”olarak adlandırılan net kesit alanı, flanşın bükülme direncini belirleyen ana unsurdur. Bu bölgedeki eğilme gerilmeleri analiz edildiğinde, güvenlik marjının %19,15 seviyesinde olduğu hesaplanmıştır. Bu değer pozitif olduğu için tasarım güvenlidir, ancak diğer tüm bölgelere kıyasla en düşük marja sahiptir. Dolayısıyla yapının limitlerini belirlemektedir. Buna tam tezat oluşturacak şekilde, flanşların merkezlemesini sağlayan“rabbet”(faturalı geçme) bölgesi ve cıvata başı altındaki ezilme (bearing) yüzeyleri incelendiğinde, %1000 ve üzeri gibi mühendislik açısından“aşırı güvenli”(over-designed) kabul edilebilecek marjlar tespit edilmiştir. Bu bulgu, gelecekteki tasarım iyileştirme çalışmalarında rabbet kalınlığının veya flanş dış çapının azaltılarak ciddi bir ağırlık tasarrufu sağlanabileceğine dair tasarımcılara net bir optimizasyon rotası çizmektedir. Bir gaz türbini flanş bağlantısının olmazsa olmazı, her koşulda sızdırmazlığı sağlaması ve flanşların birbirinden ayrılmasını (separation) önlemesidir. Bu kritik fonksiyonu doğrulamak adına, tezin kapsamında“En Kötü Durum”(Worst-Case) senaryosu çalışılmıştır. Bu senaryo, işletme sırasında olası bir hata sonucu 20 cıvatadan 2'sinin tamamen koptuğunu veya gevşediğini öngörmektedir. Ayrıca montaj torkunun da toleransların en alt sınırında (minimum preload) uygulandığını varsaymaktadır . Bu kadar ekstrem bir senaryoda dahi, bağlantının dış yükler altında ayrılmaya karşı %1359 gibi devasa bir güvenlik marjına sahip olduğu hesaplanmıştır. Benzer şekilde, motorun manevra yüklerinden kaynaklanan kesme kuvvetlerine karşı, flanş yüzeyleri arasındaki sürtünme direnci kontrol edilmiş (Transverse Load Capability - TLC) ve %101,67'lik bir marjla bağlantının kaymaya karşı güvenli olduğu doğrulanmıştır. Bu sonuçla birlikte flanşların birbiri üzerinde asla kaymayacağı doğrulanmıştır. Bu sonuçlar, cıvataların işletme ömrü boyunca asla doğrudan kesme yüküne maruz kalmayacağını ve bağlantının tam bir“sürtünme etkili”(friction-grip) birleşim olarak çalışacağını garanti etmektedir. Son olarak, bu çalışmanın kapsamlı analizlerinden biri olan yorulma ömrü değerlendirmesidir. Smith-Watson-Topper (SWT) hasar parametresi kullanılarak gerinim esaslı (strain-life) bir yaklaşımla gerçekleştirilmiştir. Yüksek sıcaklık ve yüksek ortalama gerilme koşulları, malzemelerin yorulma davranışını karmaşıklaştıran faktörlerdir. Analizler, montaj sırasındaki ilk sıkma işlemi ve hemen ardından gelen termal yüklemeyle birlikte, diş diplerindeki gerilme yığılması bölgelerinde yerel bir akma (plastik deformasyon) yaşandığını göstermiştir. Ancak bu durum, malzemenin“shakedown”(uyum sağlama) mekanizması sayesinde stabil bir hale gelmektedir. Yani malzeme, ilk çevrimde yaşadığı bu küçük plastik şekil değişiminden sonra kendini toparlamakta ve motorun sonraki tüm çalışma döngülerinde (başlatma, uçuş, durdurma) tamamen elastik sınırlar içinde kalmaktadır. Elastik bölgeye oturan bu kararlı gerilme döngüsü üzerinden yapılan hesaplamalar, cıvatanın yorulma ömrünün yaklaşık 73,4 milyon çevrim olduğunu göstermektedir. Havacılık motorları için tipik ömür gereksinimlerinin çok üzerinde olan bu değer, cıvatanın teorik olarak sonsuz ömür (infinite life) bölgesinde çalıştığını ve termal döngülerden kaynaklı bir metal yorgunluğu riskinin bulunmadığını doğrulamaktadır. Özetle bu tez çalışması, 700°C gibi zorlu bir termal sınırda çalışan havacılık bağlantılarının tasarımında, statik ders kitabı varsayımlarının yetersiz kaldığını göstermektedir. Termal modül düşüşü, diferansiyel genleşme ve flanş dönmesi gibi lineer olmayan etkilerin tasarımın kaderini belirlediğini ortaya koymuştur. Analitik ve sayısal yöntemlerin birbirini %98'in üzerinde bir uyumla doğruladığı bu hibrit yaklaşım, gelecekteki gaz türbini motor tasarımları için güvenilir, optimize edilebilir ve doğrulanmış bir mühendislik çerçevesi sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
The effort to increase thermal efficiency in modern aviation propulsion systems brings with it extremely aggressive operating conditions that push the structural limits of engine components. Bolted flange connections located in the hot regions of gas turbine engines are not merely simple connecting elements. They are dynamic thermodynamic interfaces that must maintain sealing and rigidity at critical temperatures such as 700°C. This thesis investigates in-depth the thermomechanical behavior of a two-flange bolted connection group made of Inconel 718 superalloy under demanding service conditions. The literature generally presents simplified strength approaches. This study utilizes analytical methods based on standards such as VDI 2230 and NASA-STD-5020B. Furthermore, a hybrid methodology providing cross-validation with high-precision 3D Finite Element Analysis (FEA) performed using ANSYS software has been adopted. The phenomenon of pre-stress relaxation, often overlooked in standard design processes, is one of the focal points of this research. The analyses revealed significant losses in pre-load strength during operation. This is largely due to the decrease in the elastic modulus of the materials along with different amounts of thermal expansion. FEA simulations predicted a pre-stress loss of 18.65% due to thermal effects alone. Furthermore, this value was calculated as 20.38% in analytical hand calculations, and these results largely coincide. This consistency supports the validity of the numerical model, but also reveals that a significant strength loss occurs in the design even before long-term creep effects come into play. The structural evaluation of the connection also highlights the risks of relying on uniaxial stress controls. The bolt appears to have a high safety margin of 117% under pure tensile load. However, when the bending moments created by flange rotation are taken into account, this margin drops to around 40% at the thread roots. This demonstrates how critical the“prying action”is in high-temperature designs. Furthermore, analyses determined that the flange net cross-section is the weakest link in the structure with a safety margin of 19.15%. While secondary alignment features such as rabbets were designed with an overly safe margin of over 1000%, indicating suitability for optimization studies in these areas. Finally, the fatigue life of the connection element was also calculated in this study. In this section, the strain-life approach was evaluated using the Smith-Watson-Topper (SWT) damage parameter. The material was assessed to exhibit local yielding or“shakedown”behavior during the initial assembly and warm-up cycles. In subsequent operating cycles, the stresses were found to stabilize within elastic limits. The calculated life of 73.4 million cycles confirms that the connection achieves a very long fatigue life, well beyond typical service requirements, as long as separation does not occur. The sealing function was further confirmed through a deliberately severe worst-case scenario, in which two of the twenty bolts were assumed lost and the remainder installed at the minimum permissible preload. Even then, the joint retained a separation margin of 1359%, showing that flange opening is effectively impossible within the operating envelope. A complementary transverse-load check showed that interface friction resists the maneuver-induced shear with a margin of 101.67%, confirming that the connection acts as a pure friction-grip joint in which the bolts are never exposed to direct shear. These findings provide a validated design methodology that bridges the gap between static theory and the dynamic reality of gas turbines.
Benzer Tezler
- İzmir'de bazı yolların kapatılarak yaya bölgeleri oluşturma da kent peyzajını geliştirme açısından yeniden planlanması üzerinde araştırmalar
Başlık çevirisi yok
BAHAR TÜRKYILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Şehircilik ve Bölge PlanlamaEge ÜniversitesiŞehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı
- Kuyruk modelleri ve analizi üzerine bir uygulama
Başlık çevirisi yok
DİDEM ÖZPULAT
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
İstatistikEge ÜniversitesiBilgisayar Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FİKRET İKİZ
- Samsun ve çevresinde tarla sarmaşığı (conuolvulus arvensis L.)'na karşı biyolojik savaşa esas olacak fauna tespiti
Investigations on the insect fauna of the field binweed (Conuolvulus arvensis L.) related to its biological control in Samsun Province
YASEMİN UFUK GERMAN
- Gebelik ve doğum olgularında prolaktin düzeylerinin değerlendirilmesi
The Evaluation of prolactin values during pregnancy labour and in deliveries
TÜLİN AKAN
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
1987
Kadın Hastalıkları ve DoğumGazi ÜniversitesiKadın Hastalıkları ve Doğum Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. MÜLAZIM YILDIRIM
- Bromtimol mavisi, bromkresol moru ve klorfenol kırmızısı indikatörleri katılmış özel besiyerlerinin sütlerde antibiyotik belirtilmesine uygunluğu üzerine araştırmalar
Başlık çevirisi yok
ESENGÜL TUNCER
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Gıda MühendisliğiEge ÜniversitesiSüt Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN YAYGIN