Geri Dön

Fracture mechanics on critical rotor component in turbojet engine

Bir turbojet motorunda bulunan kritik rotor komponentinde kırılma mekaniği

PDF İndir

  1. Tez No: 946206
  2. Yazar: GÖRKEM TÜREN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Astronomi ve Uzay Bilimleri, Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Astronomy and Space Sciences, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 89

Özet

Rotor bileşenlerinde çatlak başlangıcının meydana gelmesi, turbo motorlar için ciddi bir tehdit oluşturmaktadır; çünkü yüksek hızda dönen ve zorlu çalışma koşullarına maruz kalan bu motorlarda çatlak, ciddi motor arızalarına yol açabilir. Turbo motorlar, havacılık, enerji üretimi ve endüstriyel uygulamalar gibi birçok alanda kritik bir rol oynar ve bu tür motorların güvenilirliği, performansı ve uzun ömürlülüğü büyük ölçüde, rotor bileşenlerinde meydana gelen yorulma ve kırılma süreçlerinin anlaşılmasına bağlıdır. Yüksek devir hızlarında çalışan turbo motorlarda, çatlakların erken tespiti ve ilerlemesinin tahmini, motorların genel güvenliği ve verimliliği açısından hayati öneme sahiptir. Özellikle bu tür motorların maruz kaldığı termal ve mekanik yükler, rotor bileşenlerinde yüksek gerilme konsantrasyonlarına neden olabilir ve bu da çatlakların büyümesine ve olası ani arızalara yol açabilir. Bu nedenle, bu motorların performansını ve güvenliğini sağlamak için kırılma mekaniği prensiplerinin derinlemesine anlaşılması ve bu prensiplerin mühendislik uygulamalarında etkin bir şekilde kullanılması kritik bir gerekliliktir. Kırılma mekaniği, çatlakların oluşumunu, ilerlemesini ve son kırılmayı tahmin etmede önemli bir bilimsel alan olup, mühendislerin motor tasarımı sırasında güvenilirlik ve dayanıklılığı optimize etmelerini sağlar. Çatlak ilerlemesi ve yorulma ömrü tahminleri, rotor bileşenlerinin malzeme seçimi, geometrik yapılandırmaları ve operasyonel yükleme koşulları ile doğrudan ilişkilidir. Dolayısıyla, kırılma mekaniği yaklaşımlarını kullanarak turbo motor bileşenlerinde güvenliği artırmak için hem teorik hem de pratik bilgiler bir araya getirilmelidir. Lineer Elastik Kırılma Mekaniği (LEKM) ve Elastik Plastik Kırılma Mekaniği (EPKM), çatlakların malzemeler üzerindeki etkilerini ve ilerlemesini analiz etmek için kullanılan iki temel kırılma mekaniği yaklaşımıdır ve turbo motor bileşenlerinde çatlak yorulma ömrü analizleri için kritik öneme sahiptir. Lineer Elastik Kırılma Mekaniği (LEKM), malzemenin elastik davranışını temel alarak çatlak uçlarında oluşan gerilme yoğunluğunu ve deformasyonları inceleyen bir yöntemdir. Bu yaklaşım, malzemenin doğrusal elastik davranış gösterdiği durumlarda ve çatlak boyutunun, malzeme elastikiyetine kıyasla küçük olduğu senaryolarda uygulanır. LEFM, özellikle çatlak ucu etrafındaki gerilme yoğunluk faktörünü (K) kullanarak çatlak ilerlemesini öngörür ve bu yöntemle hesaplamalar, turbo motor bileşenlerinde, yüksek hız ve zorlu şartlar altında oluşabilecek çatlak başlangıcı ve ilerlemesinin tahmin edilmesine olanak tanır. Öte yandan, Elastik plastik Kırılma Mekaniği (EPKM), malzemenin doğrusal elastik sınırlarını aşarak plastik deformasyon göstermeye başladığı durumları analiz etmek için kullanılır. EPKM, özellikle çatlak ucu bölgesinde plastik bölgenin önemli hale geldiği ve malzemenin doğrusal elastik sınırın ötesine geçtiği senaryolarda uygulanır. Bu yaklaşım, J-Integrali ve çatlak ucu açıklık deplasmanı (CUAD) gibi parametreleri kullanarak çatlak ilerlemesinin daha karmaşık bir şekilde modellenmesine olanak tanır. EPFM, özellikle yüksek gerilmeli bölgelerde veya plastik deformasyonun belirgin olduğu malzemelerde çatlak ilerlemesi tahminleri için kullanılır ve turbo motor bileşenlerinin zorlu çalışma koşullarına dayanıklılığını değerlendirmede önemli bir araçtır. Bu iki kırılma mekaniği yaklaşımı, turbo motor bileşenlerinin tasarımı ve analizinde kritik rol oynar; zira her iki yöntem de çatlak oluşumu ve ilerlemesi üzerinde farklı perspektifler sunarak, bileşenlerin güvenilirliğini ve uzun ömürlülüğünü artırmaya yönelik stratejilerin geliştirilmesine katkıda bulunur. Bu tez, çatlak yorulma ömrünün hesaplanması ve gerilme yoğunluğu faktörü (K) ve J-Integrali gibi ilgili kırılma mekaniği parametrelerinin belirlenmesi için üç aşamalı bir yaklaşımı içermektedir. İlk yaklaşımda, kompakt gerilim testi numunesi, hem Lineer Elastik Kırılma Mekaniği (LEFM) hem de Elastik Plastik Kırılma Mekaniği (EPFM) perspektiflerinden incelenmiştir. Bu numune, metalik malzemelerin kırılma tokluğu açısından bir referans noktası oluşturmak amacıyla, çeşitli testlerin gerçekleştirildiği test laboratuvarlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu testler, malzemenin çatlakların yükleme yönüne dik olarak ilerlemesi durumunda kırılmaya karşı gösterdiği direnci değerlendirmeye yönelik olarak tasarlanmıştır. Söz konusu numune, doğal bir çatlak oluşumunu simüle edecek şekilde, işlenmiş bir çentiğe ve yorulma çatlağına sahip küçük, dikdörtgen bir yapıdadır. Test sürecinde, numune kontrollü bir şekilde yük altına alınarak kırılma noktasına kadar zorlanır ve bu süreçte kritik gerilme yoğunluk faktörü (K) değeri hesaplanır. Elde edilen bu kritik değer, özellikle gevrek kırılma riskinin bulunduğu yapısal uygulamalarda malzemenin davranışını ve güvenilirliğini anlamak açısından son derece önemlidir. Bu tür değerlendirmeler, mühendislik yapılarında olası arızaların önlenmesine yönelik tasarım ve malzeme seçim süreçlerine önemli katkılar sağlar. Bu çalışmada ise bahsedilen incemeler, iki boyutlu (2D) ve üç boyutlu (3D) analiz yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Buradaki analiz modelindeki çıktılar, lineer elastik kırılma mekaniğinde sıklıkla kullanılan gerilme yoğunluğu faktörü ve elastik plastik kırılma mekaniğinde sıklıkla kullanılan hem elastik hem de plastik J Integral değerleridir. Buradaki modelde ana malzeme olarak Titanyum 6-4 seçilmiştir. Malzeme bilgileri ANSYS Granta Malzeme Modülünden direkt olarak alınmıştır. Fakat, buradaki malzeme modelinde sadece elastik bilgiler vardır. Plastik malzeme modeli oluşturmak için Ramberg- Osgood denklemleri kullanılarak önce mühendislik gerilme ve gerinim değerleri elde edilmiştir. Plastik malzeme modelinin elde edilmesi için Neuber formülasyonları da kullanılıp en son gerçek gerilme ve gerinim değerleri ANSYS malzeme modeline eklenmiştir. Gerçek hayattaki test senaryosuna uyumlu olacak şekilde yükleme koşulları uygulanmıştır. Elde edilen analiz sonuçları, Amerikan Test ve Malzeme Derneği (ASTM) tarafından sunulan empirik formüllerle karşılaştırılmıştır. Bu çalışmanın temel amacı, kırılma mekaniği analizlerinde kullanılan yöntemlerin doğruluğunu değerlendirmek ve daha sonraki çalışmalar için bir temel oluşturmaktır. Buradaki ilk çalışmanın amacı, üçüncü yaklaşımda kullanılacak makine öğrenmesi modeli için bir referans noktası ve doğrulama temeli oluşturmaktır. İkinci yaklaşımda, bir türbin geometrisi, firtree yapısına sahip olacak şekilde tasarlanmış ve NACA hava kanat profilleri temel alınarak modellenmiştir. Geometri oluşturulmasının ardından, Sonlu Elemanlar Yöntemi (FEM) kullanılarak ANSYS Separating Morphing and Adaptive Remeshing Technology (SMART) modülü ile ayrıntılı bir analiz gerçekleştirilmiştir. Bu analiz modelinde, lineer malzeme modeli ile Lineer Elastik Kırılma Mekaniği kullanılmıştır. Malzeme modeli olarak literatürde çokça kullanılan ve üzerine çalışmalar yapılmış Titanyum 6242 seçilmiştir. Bu malzeme modeline ek olarak, geometri üzerinde bulunan çatlağın ömrünün hesaplanması için Paris Erdoğan Yasası katsayısı da dahil edilmiştir. Çatlak ucuna yakın bölgelerdeki gerilme değerlerini belirlemek amacıyla, dönme hızına bağlı yüklemeler dikkate alınarak elastik malzeme özellikleri kullanılarak statik bir yapısal analiz yapılmıştır. Bu yaklaşım, rotor bileşenlerindeki gerilme yoğunluğunun hangi bölgelerde olacağına ve bu değerlerin hassas bir şekilde hesaplanmasına ve çatlak başlangıcının tahmin edilmesine odaklanmıştır. Analizin sonucunda çatlağın belirli yükleme koşulunda ve Paris-Erdoğan Yasası kapsamında çatlağın ilerleme hızını, çatlağın parça üzerinde ömür açısından etkisini açık bir şekilde ortaya koymuştur. Üçüncü yaklaşımda, ilk çalışmada kullanılan kompakt gerilim testi numunesi üzerinde çeşitli geometrik parametreler (örneğin, plaka kalınlığı, numune genişliği, yük değerleri) değiştirilerek parametrik bir çalışma yürütülmüştür. Bu çalışmadaki öncelikli çıktılar gerilme yoğunluğu faktörü (K) ve Elastik J Integral değerlerini hesaplamaktır. ANSYS Mechanical kullanılarak yapılan bu analizlerde, toplamda 250 farklı çözüm kombinasyonu elde edilmiştir. Bu analizlerin sonuçları bir veri dosyası olarak dışa aktarılmış ve bir makine öğrenimi modelinde kullanılmak üzere hazırlanmıştır. sklearn kütüphaneleri kullanılarak lineer regresyon tabanlı bir makine öğrenimi modeli oluşturulmuştur. Bu model, kırılma mekaniği parametrelerinin ve çatlak ilerlemesinin öngörülmesine yönelik tahminler yapabilmektedir. Çalışmanın son aşamalarında hem ANSYS simülasyonu hem de geliştirilen sayısal yöntemlerden elde edilen sonuçlar titizlikle karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırmalı analiz, analitik yaklaşımlar arasındaki uyum ve farklılıkların kapsamlı bir şekilde anlaşılmasını sağlamış ve yöntemlerin güvenilirliğini değerlendirmeye yönelik kritik bir bakış açısı sunmuştur. Analiz sonuçlarının karşılaştırılması, seçilen metodolojilerin sağlamlığını ve geçerliliğini doğrulamakla kalmamış, aynı zamanda türbin kanatları gibi rotor bileşenlerinde belirli çalışma koşulları altında çatlak ilerlemesini etkileyen faktörlerin daha derin bir şekilde anlaşılmasına katkıda bulunmuştur. Bu geniş kapsamlı araştırma, turbo motor bileşenlerinde çatlak oluşumu ve ilerlemesi konusundaki bilgi birikimine önemli katkılarda bulunmaktadır. Çalışma, kırılma mekaniği ve yorulma ömrü analizlerinde yenilikçi yaklaşımlar, sayısal yöntemler ve ileri düzey simülasyon teknikleri sunarak bu alandaki mühendislik problemlerinin çözümüne yönelik önemli bir kaynak oluşturmaktadır. Bu bağlamda, elde edilen bulgular ve önerilen metodolojiler, rotor bileşenlerinin güvenilirliğini artırmak ve operasyonel güvenliği sağlamak için değerli bilgiler sunmaktadır. İleride bu çalışma kullanılarak, özellikle makine öğrenmesi konusunda daha gelişmiş düzeylerde çalışmalar yapılabilir.

Özet (Çeviri)

The occurrence of crack initiation in a rotor component within turbo-engines poses a substantial threat, given the potential for severe engine failure due to the high-speed rotation and harsh operational conditions. To enhance engine durability and safety, a comprehensive understanding of fracture mechanics is necessary. The thesis incorporates a triple-pronged approach to calculating crack fatigue life and related fracture mechanics parameters such as stress intensity factor and J-Integral. In the first approach, a compact tension test (CTT) specimen was investigated in terms of both Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) and Elastic Plastic Fracture Mechanics (EPFM) by using 2D and 3D analysis methods. These analysis results were compared with empirical formulations available in the literature. The main goal of first study is creating a baseline for third study. In the second approach, a turbine geometry with firtree structure was drawn by utilizing NACA airfoils as a baseline. After geometry adaptation, Finite Element Method (FEM) is leveraged using ANSYS In the analysis model, Linear Elastic Fracture Mechanics was deployed with linear material model. To ascertain stress values in proximity to the crack tip, a static structural analysis with elastic material properties is conducted, considering rotational velocity loading. In the third approach, a parametric study was conducted by using the same compact tension test specimen in first approach by changing geometric parameters such as plate thickness, specimen width, load values using ANSYS Mechanical. After having 250 different solution combination of the analysis, these parameters were exported as a data file in order to use in a machine learning model. A linear regression machine learning model was deployed by using sklearn's machine learning libraries. In the final stages of the study, the results gathered from both the ANSYS simulation and the numerical method are rigorously compared, providing a nuanced understanding of the agreement and discrepancies between these analytical approaches. This comparative analysis not only validates the robustness of the chosen methodologies but also contributes to a deeper comprehension of the factors influencing crack propagation in turbine blades within the specified operational contexts.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    55668

    Helikopter rotor pali dinamik yüklemesi altında yorulma çatlak analizi

    Başlık çevirisi yok

    TAMER İLHAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1996

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    DOÇ.DR. A. NİHAT GÜLLÜOĞLU

  2. Tez No

    803386

    Helikopter kuyruk rotor hatve kolunun topolojik optimizasyon temelli eklemeli imalatı ve test edilmesi

    Topological optimization-based additive manufacturing and testing of helicopter tail rotor pitch control arm

    SÜLEYMAN DEMİR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine MühendisliğiMarmara Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA KURT

    PROF. DR. TEMEL KOTİL

  3. Tez No

    66407

    Metal infiltre edilmiş mikro poroz karbon kompozitlerin aşınma ve sürtünme davranışının karakterizasyonu

    Başlık çevirisi yok

    GÜLTEKİN GÖLLER

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ADNAN TEKİN

  4. Tez No

    386750

    Eksenel yüklü dairesel kesitli kusurlu kirişlerde titreşim probleminin sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesi

    Finite element modelling of vibration and stability of cracked circular cross-section beams subjected to axial load

    ZEKERİYA ASLAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Makine MühendisliğiHarran Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MURAT KISA

  5. Tez No

    553702

    The effects of design parameters on the strength of adhesively bonded single lap joints

    Tasarım parametrelerinin tek tesirli yapıştırma bağlantılarının dayanımına etkileri

    TİMUR SOĞANCI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    ÖĞR. GÖR. SÜREYYA ERGÜN BOZDAĞ

Geri Dön