A study for the effects of turbine blade out on structural integrity of TJ90 turbojet engine
TJ90 turbojet motorunda türbin kanatçık kaybının motor yapısal bütünlüğüne etkisi
- Tez No: 661458
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MESUT KIRCA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 171
Özet
Turbofan motorların sertifikasyon süreçlerinin bir parçası olarak Federal Havacılık İdaresi (FAA) gibi uluslararası havacılık otoriteleri tarafından, fan kanatçık kaybı durumunda motorun yapısal bütünlüğünü koruduğunun doğrulanması istenmektedir. Fan kanatçık kaybı motorun servis ömrü boyunca karşılaşabileceği en kritik hasarlardan biridir. Motorun bütünlüğünü sağlayamaması tüm uçağın kaybına kadar varabilecek çok ciddi sorunlara sebep olabilir. Bu nedenle otoriteler tarafından bu gereksinim zorunlu hale getirilmiştir. Motorun da yapısal bütünlük gereksinimini sağladığını doğrulamak adına yerde, kuş çarpması vb. zorlayıcı koşulları simüle eden bir test yapılır. Fan Blade Out (FBO) testi diye anılan bu test esnasında fan kanatçıklarından biri kasıtlı bir şekilde patlatılmaktadır. Motorun fonksiyonunu yerine getiremez hale gelmesine rağmen bütünlüğünü koruması şarttır. Çünkü motorun infilak etmesi sonucu motordan kopan parçalar uçak kabinine çok hızlı bir şekilde çarpmakta, şarapnel etkisi yaratmakta ve bu durum da yolcuların canına mal olabilmektedir. Turbojet motorlarda ise bu teste karşılık gelebilecek hadise türbin kanatçık kaybıdır. Her ne kadar turbojet motorlar büyük çoğunlukla insansız hava araçlarında kullanılıyor olsa da hem motordan kopan parçaların meskun mahale düşme riski hem de mini turbojet motorların artık roket adam kostümü vb. insanlı hava platformlarında da kullanılmaya başlanmasından ötürü turbojet motorlarda da motor bütünlüğünün sağlanması önem kazanmıştır. Döner parça (Rotor) ve sabit parça (Stator) sürtmesinin başlıca nedenleri arasında balanssızlık, termal genleşme, sürünme, yorulma hasarı, parça kaybı ve eksen kaçıklığı bulunmaktadır. Döner parça (Rotor) – Sabit parça (Stator) etkileşiminde gözlemlenen fiziksel olaylar sırasıyla şöyledir; 1. İlk çarpma aşaması, 2. Çarpan yüzeyler arasındaki sürtünme davranışı, 3. Döner parçaların esnekliğindeki düşüş. Bu olaylar vuku bulurken sistem doğrusal olmayan bir davranış sergilediğinden dolayı çok karmaşık titreşimlere sebep olmaktadır. En kötü durumda motor performansında istikrarsızlık ve motorda hasar meydana gelir. Araştırmacılar tarafından yayımlanan araştırma sonuçlarının ışığında alınacak önlemlerle ciddi kazaların ve oluşabilecek hasarların önüne geçilebilir. Döner parça (Rotor) ve sabit parça (Stator) sürtmesi olayında çalışmalar iki ana başlık altında toplanmıştır: a) Sürtme olayı sırasında lokal olarak parçalardaki termal/gerilme etkilerinin incelenmesi, b) Döner parça (Rotor) ve sabit parça (Stator) sistemine ait toplam titreşimin incelenmesi. Bu tez çalışmasında TJ90 turbojet motorunda türbin kanatçık kaybı yaşanması durumunda motorun bütünlüğünü sağlayıp sağlayamadığının araştırılması amacıyla el hesapları ve analizler gerçekleştirilmiştir. Bu analiz çalışmaları statik yapısal analiz, rotordinamiği analizi ve explicit dinamik analizdir. Motor yapısal bütünlüğü analizi (Containment Analysis) diye tabir edilen bu analiz türünde de ön yüklemeli implicit statik analiz, hasar anını simüle eden doğrusal olmayan anlık geçiş dinamik analizi ve rotordinamiği analizi metotlarından faydalanılmaktadır. Statik analizin amacı kanat kopması sonucunda meydana gelen yüksek balanssızlık yükünün yataklar üzerinde ne mertebede tepki kuvveti oluşturacağının hesaplanması ve parçalar üzerinde oluşacak gerilme ve yer değiştirmelerin analiz edilmesidir. Rotordinamiği analizinin amacı kanat kopması sonucunda ortaya çıkan balanssızlığın keza yataklarda oluşturacağı tepki kuvvetlerinin hesaplanmasının yanı sıra oluşan balanssızlığın motorun çalışma aralığı içerisinde herhangi bir kritik şaft hızını (rezonans) harekete geçirip geçirmeyeceğinin analiz edilmesidir. Çünkü herhangi bir kritik şaft hızının tetiklenmesi durumunda ortaya çıkacak etkinin sonuçları kat be kat artmakta ve motorda daha şiddetli hasarlar meydana gelmektedir. Kabaca tabirle kanat kopması olayının motorda tek başına yaratacağı etki bir birim ise, kanat kopmasının herhangi bir kritik şaft hızını tetikleyip motoru rezonansa sokması ile birlikte yaratacağı toplam etki on birime kadar varabilir denilebilir. Belirtilen miktarlar farazi olup ortaya çıkacak etkinin şiddetinin ne şekilde katlanabileceği izah edilmeye çalışılmaktadır. Explicit dinamik analizde ise amaç gerçek dünyadaki yaşanacak kanat kopması olayının birebir simüle edilmeye çalışılarak kanat kopması durumunda motorun yapısal bütünlüğünü sağlayıp sağlayamayacağının analiz edilmesidir. Bu analiz türünde malzeme datası, hasar mekaniği metotları, başlangıç ve sınır koşulları gerçeğe ne kadar yakın girilebilirse gerçek fiziksel koşullara o kadar yakınsama sağlanabilir. Böylece simülasyon çıktısı olarak kopan kanat parçasının, kanatlı dönen disk parçasını saran sabit parçayı delip delemeyeceği, yani motorun yapısal bütünlüğünün korunup korunamayacağı net bir şekilde görülmüş olur. Bu tez çalışmasının çıktısı olarak TJ90 turbojet motorunun maksimum devirde türbin kanatlarından birinin kopması durumunda türbin parçasını saran sabit parçalar olan Nozzle Guide Vane (NGV) ve Casing gövde parçalarının delinmediği ve böylece TJ90 turbojet motorunun yapısal bütünlüğünün sağlandığı görülmüştür.
Özet (Çeviri)
As a part of the certification process of turbofan engines, it is requested by international aviation authorities such as Federal Aviation Administration (FAA) that engines must contain their structural integrity against fan blade out event. Sudden fan blade loss is one of the crucial damages a turbofan engine may encounter during its entire service life. If an engine cannot contain its integrity, that may cause so serious issues up to a loss of the whole aircraft. Therefore, this requirement has been become obligatory by the authorities. To validate that the engine provides its structural integrity requirement, a ground test is performed simulating challenging conditions like bird strike, etc. During that test called Fan Blade Out (FBO) Test, one of the fan blades is exploded deliberately. Even though the engine disfunctions, it is a necessity that the engine contains its integrity. Because liberated parts after a burst of the engine may hit fuselage of aircraft at lightning speed, make shrapnel effect and cause the death of passengers. When it comes to turbojet engines, the corresponding event of fan blade out is turbine blade out or sudden turbine blade loss in other words. In spite of the fact that turbojet engines are mostly used in unmanned aerial vehicles, because of both the risk of fall of ruptured parts from turbojet engine upon a residential area and turbojet engines are started using in manned aerial vehicles such as jet suits called rocket man, containing structural integrity has become crucial for turbojet engines as well. The main reasons for rotating part (rotor) and fixed part (stator) rubbing are unbalance or imbalance, thermal expansion, creep, fatigue damage, part loss, and misalignment. The physical events observed during rotating part (rotor) and fixed part (stator) interaction are below respectively; 1. Initial impact phase, 2. Rubbing behaviour between colliding surfaces, 3. Decrease of the flexibility of rotating parts. While occurring of these events, since the system exhibits nonlinear behaviour causes very complicated vibrations. At worst case, instability occurs in the engine performance and a failure happens. Serious accidents and failures can be prevented by taking precautions in the light of research results published by researchers. Studies about rotating part (rotor) and fixed part (stator) rubbing events gather under the same roof of two major topics. a) Investigation of thermal/stress effects on parts locally during rubbing event, b) Investigation of total vibration pertains to rotating part (rotor) and fixed part (stator) system. In order to research whether TJ90 turbojet engine contains its structural integrity or not against turbine blade out condition, hand calculations and analyses are carried out in this master's thesis study.
Benzer Tezler
- Gaz türbini kanat ucu geometrisinin aerodinamik ve ısıl optimizasyonu
Aerothermal optimization of axial gas turbine blade tip geometry
HIDIR MARAL
Doktora
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
- Düşey eksenli hidrokinetik türbin için asimetrik kanal tasarımı
Asymmetric duct design for vertical axis hydrokinetic turbine
OĞUZ SUSAM
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. HAKAN ÖKSÜZOĞLU
- Türbin bıçaklarının torna-freze takım tezgahlarında optimal talaşlı imalatı için işlem metodolojisi geliştirilmesi ve Ti6Al4V ile uygulamaları
Development of process metodology for optimization of machining of turbine blades on turn-mill machine tools with Ti6Al4V applications
MÜGE KAHYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Makine MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HAKKI ÖZGÜR ÜNVER
- Eksenel gaz türbini kanat ucu geometrisinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile aerotermal tasarımı
Aerothermal design of axial gas turbine blade tip using computational fluid dynamics
CEM BERK ŞENEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
- Investigation of the effect of hydrodynamics on the production of pickering emulsions in baffled stirred tanks
Pickering emulsiyonları üretimi için engelli karıştırmalı tanklarda hidrodinamiğin etkisinin incelenmesi
USMAN KAYODE ABDULRASAQ
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İNCİ AYRANCI TANSIK