Tasarım noktası için yapılan bütün aşamalar tekrarlanmıştır. Sadece makinenin şaft hızı için -70000 rpm, giriş toplam basınç değeri için 102118 Pa ve giriş toplam sıcaklığı için 289,78 K girilmiştir. Analizler 190 kPa çıkış statik basıncı değerine göre koşturulmuştur. Hız vektör grafikleri 0.1, 0.7 ve 0.9 span için aşağıda verilmiştir.
Şekil 2.24. Off-design için 0.1 span hız vektör grafiği
18
Şekil 2.25. Off-design için 0.7 span hız vektör grafiği
Şekil 2.26. Off-design için 0.9 span hız vektör grafiği
19 Okunan değerler aşağıda verilmektedir.
Şekil 2.27. Leading edge ve trailing edge'de okunan toplam sıcaklık ve toplam basınç değerleri
Leading edge ve trailing edge'de okuduğumuz değerler formülasyonlu tabloya aktarılarak, isterler hesaplanmıştır. Tablo'nun görüntüsü aşağıda verilmektedir.
Şekil 2.28. İsterler tablosu
Koyu kırmızı renkte belirtilen isterler görüldüğü üzere aralıklara girmiştir. Basınç oranı, 2,394<2,49<2,59<2,69 arasında elde edildi. Basınç oranı isteri sağlanamamıştır. Efficiency değeri 0,85≤0,9328 (%93.28) elde edildi. Mass için ise sistemden okuduğumuz değerin görüntüsü aşağıda verilmektedir.
Şekil 2.29. Hava debisi değeri
20
CFD-Post'ta leading edge ve trailing edge'deki hava debileri eş gelmiş olup, 7 adet kanat çiftimiz bulunduğundan -0.0633812 değerinin 7 ile çarpımı ile 0,4436684 kg/s değeri elde edilmiştir. Bu değer ise 0,431<m<0,491 aralığında verilmişti. Tablodan ve değerlerden de görüleceği üzere, yapılan kompresör istenen hava debisini ve verim değerlerini sağlamaktadır. Ancak basınç oranını sağlamamaktadır.
2.2.2. Toplam Basınç Oranı
2,394 elde edilmiştir. 2.2.1. HAD analizleri kısmında açıklanmıştır. İster sağlanamamıştır.
Yukarıdaki vektör grafiklerinden de görüleceği üzere akış ayrılmaları off-design'da bir miktar daha fazladır. Bu akış ayrılmalarından kaynaklı elde edilen basınç oranı düşmektedir.
2.2.3. İzantropik Verim
%93.28 izantropik verim elde edilmiştir. 2.2.1. HAD analizleri kısmında açıklanmıştır. İsteri sağlamaktadır.
2.2.4. Surge Margin
Tasarım dışı noktası analizlerimiz için 190 kPa çıkış statik basınç değerinde yapılmıştı. Surge noktamızın ise 192,5 kPa'da oluştuğu gözlemlendi. Yarışma şartnamesinde verilen formül kullanılarak surge margin hesabı yapıldı.
Aşağıda verilen tablodaki değerler formülde yerine konduğunda 6,720927 surge margin değeri elde edilmiştir. İsteri sağlamamaktadır.
Tablo 2.2. Tasarım dışı noktası için yapılan analizlerin farklı kPa değerlerinde hava debisi, basınç oranı ve verim değerleri tablosu
70000 rpm mdat Pr Efficiency
21 2.3. MEKANİK HESAPLAMALAR-İSTERLER 2.3.1. Modal Analizi
Titreşim analizinde yarışmacılara şaftın uzunluğu ve yataklama yerleri, yataklama katılıkları verilmediği için yalnızca impeller'ın doğal frekanslarını bulmak amacıyla bir modal analiz yapılmıştır. Yalnızca impeller'a ait doğal frekansların bulunması için program içinde yataklama yapılmıştır. Bunun için Model→ Connections→Insert→Bearing seçenekleri ile alt segman basma yüzeyiyle üst somun basma yüzeyine rulmanlar eklenmiştir. Bu rulmanların analiz sonucuna olumlu veya olumsuz etki yapmasının önüne geçmek için büyük bir Stiffness (katılık) değeri girilmiştir. Bunun sebebi rulmanda hiçbir esnekliğin olmadığını kabul etmek içindir.
Daha sonra titreşim analizinin uygun yapılabilmesi için Quadratic mesh yapısı atılmıştır.
Problem çözümü için Analysis Settings kısmında Max Nodes değeri 10 girilmiştir. Yine aynı kısımda Coriolis efekti ve Campbell diyagram okumalarının yapılabilmesi için Damped seçeneği Yes olarak girilmiştir.
Değer okumaları için 0 rpm - 116000 rpm arasında 13 farklı devir değerlerinde okumalar yapılmıştır. Maksimum RPM değerinin 60'a bölünmesi ile frekans değeri elde edilir. 1EO maksimum rpm değerinin 60'a bölünmesi ile bulunurken, 2EO bu değerin 2 ile çarpılması ile bulunur. Bu değerler sırası ile 1600 Hz ve 3200 Hz olarak hesaplanmıştır. Bunların
İsterlerin tutturulduğu kanat geometrisi BladeGen'den export edilmiştir. Daha sonra Siemens NX kullanılarak. Hub geometrisi, Shroud geometrisi, disk geometrisi ve export edilen blade geometrileri birleştirilerek, geometrinin son hali oluşturulmuştur. Ağırlık kontrolü yapılmıştır.
22
NX'den alınan impeller geometrisinden 1 bıçak ve 1 splitter ayrılarak, CFD analizinde kullanılan geometrinin konumu ile tam olarak eşleştirilmiştir. Bu sayede CFD analizin sonucunda elde edilen basınç değerleri kanat üzerine tam olarak yerleştirilebilmiştir.
Şekil 2.30. Cycle Symmetric komutu ile Impeller'dan alınan kesit görüntüsü
Ardından geometri Cycle Symmetric olacak şekilde düzenlenmiştir. Static structural analiz açılmıştır. İlk olarak Engineering Data içerisinden bize verilmiş olan malzeme datasındaki Young Modulus, Yield Stress ve Tensile Stress değerleri girilerek malzeme ANSYS malzeme kısmında tanımlanmıştır. Cycle simetrik analiz yapılabilmesi için, silindirik koordinat düzlemi oluşturulmuştur. Cycle simetri yüzeylerinin tanımlamaları yapılmıştır. Mesh olarak, Element Size 1 mm, Slow Transition ve Smoothing seçeneği High olarak ayarlanıp Grid yapısına atılmıştır. 184957 Node ve 116692 Element sayısı elde edilmiştir. Ardından milin temas ettiği iç yüzey ve alt segman basma yüzeyiyle, üst somun basma yüzeyine displacement sınır tanımlaması yapılmıştır. Bu tanımlamada z ekseninde hareketi kısıtlanmış olup r ve teta eksenlerinde ise hareket serbest bırakılmıştır.
23
Şekil 2.31. Yapısal Analizdeki mesh görüntüsü ve sayı değerleri
Şekil 2.32. Fixed Support ve Cyclic Region uygulanan yüzey tanımlamaları
Analiz sonuçlarına bakıldığında, Von-Mises Stress değerlerinde maksimum noktaya 441 Mpa girilmiş olup, yapılan kompresörde hiçbir noktada kırmızı bölge görülmemiştir. Analizde okunan max değerinde 411,6 Mpa olduğu gözlemlenmiştir.
Ayrıca analizler yukarıda belirtildiği gibi cyclic simetrik olarak tanımlanıp, yalnızca bir kanat çifti için gerçekleştirilmiştir.
24
Şekil 2.33. Von-Mises Stress analiz sonuçları
Low Cycle Fatigue sonuçlarını görmek için Fatigue Tool da Life analizinde ise, maksimum noktaya 1000 çevrim değeri girilerek 1000 çevrimden daha fazla çalışıp çalışmadığı gözlemlenmiştir. Impeller'ın tamamı mavi renkte geldiğinden isteri karşılamaktadır. 1e32 çevrime kadar dayanıklıdır.
Şekil 2.34. Fatigue Tool Life analizi sonuçları 2.3.3. Disk İnfilakı Analizi
Impeller infilak kontrolü için titreşim ve yapısal analiz sonuçlarının birlikte kontrol edildiği bilinmekle birlikte; %120 rpm değerinde gerçekleştirilen yapısal analiz sonucu impeller
25
bıçaklarının firar kenarına yakın bölgede, kök radius'unun hemen üzerinde Al2124 malzemesinin maksimum akma değerinin üzerinde stres görülmüştür. Bu sebeple Modal analize bakmaksızın impeller'ın maksimum stres gördüğü yerden kopma yapabileceği anlaşılmıştır. %120 rpm değerinde infilak mümkündür.
Şekil 2.35. Burst (İnfilak) analizi sonuçları (geometri tersten çekilmiştir) 2.3.4. Diğer Hesaplamalar ve Analizler
2.3.4.1. Dengeleme (Balance) Analizi
Dönen makine parçaları ve özellikle kompresörümüz gibi yüksek devirde çalışan parçalarda kalıntı dengesizlik olmaması büyük önem taşımaktadır ancak imalat sonrası kalıntı dengesizliklerin oluşması kaçınılmazdır. Bu dengesizlikler belirli standartlar ve belirli bir sınır dahilinde kabul edilebilirdir. Kompresörümüze için uygun standartlar ISO1940-1 belgesinden okunmuş ve Grade G2.5 seçilmiştir[6].
İmalat sonrası kabul edilebilir sınırın üzerinde dengesizlik oluşması halinde, bu dengesizlik alımalı ve balans yapılmalıdır. Impeller bağlantı yüzeyleri ve akış yüzeyleri etkilenmeyecek şekilde balans yapılabilmesi için impeller alt yüzeyi (alt segman basma yüzeyi hariç tutularak) üzerinde işlem yapılabilir. Balans için uygun bulunan yüzey aşağıdaki şekilde turuncu renkte belirtilmiştir.
26
Şekil 2.36. Balans için uygun bulunan yüzeyin görüntüsü
Kalıntı hesapları ve dengeleme işlemleri aşağıdaki formüllerden faydalanarak yapılmış olup, en son tablo haline dökülmüştür[5].
Et = (9550/N). G (2.17) Et = (9550
96000) . 2,5 = 0,2487
Burada Et[μ], toplam kabul edilebilir kütle eksantrikliğini, N[RPM], maksimum rotor hızını ve G[mm/s], dengeleme kalite derecesini ifade etmektedir[5].
U[gr. mm] = Et. M (2.18) Buradaki U ise, toplam kabul edilebilir (dengesizlik) değerini ve M ise Impeller'ın kütlesini (kg) ifade etmektedir.
U[gr. mm] = Et. M =(0,2487)(255,4626)
1000 = 0,0635336
Kabul edilebilir dengesizlik için ilgili hesaplar aşağıdaki formüllerle yapılmış ve şekildeki tabloya işlenmiştir. Alt segman basma yüzeyinden (8.51 mm yarıçap) başlayarak Hub ucuna
27
(48.7 mm yarıçap) kadar 10 farklı yarıçapta hesap yapılmış ve bu yarıçaplar dahilinde Kabul Edilebilir Maksimum Dengesizlik kütlesel olarak hesaplanmıştır[5].
U = mr (2.19) Tablo 2.3. Kabul Edilebilir Maksimum Dengesizlik Kütlesi hesap tablosu
U
m (gr) r (m) M (kg) Et (mikron) 0,50709198 0,012529 0,25546262 0,02487 0,38393494 0,016548 0,25546262 0,02487 0,30891016 0,020567 0,25546262 0,02487 0,25841354 0,024586 0,25546262 0,02487 0,22210646 0,028605 0,25546262 0,02487 0,19474483 0,032624 0,25546262 0,02487 0,17338524 0,036643 0,25546262 0,02487 0,15624798 0,040662 0,25546262 0,02487 0,14219367 0,044681 0,25546262 0,02487 0,13045904 0,048700 0,25546262 0,02487
m dengesizlik kütlesini ve r yarıçapı ifade etmektedir. Grafiği aşağıda verilmektedir.
Şekil 2.37. Yarıçapa bağlı izin verilen maksimum kalıntı miktarı grafiği
0,00000000
28 2.3.4.2. Montaj Edilebilirlik
Şaftın tam olarak malzemesi, hem delik içi hem şaft yüzey işleme kaliteleri gibi özellikler bilinmediği için tolerans tablolarından uygun bir geçme toleransı yorumlanarak seçilmiştir.
Bunun için; genellikle kalıcı monte edilecek parçalar için kullanılan, ancak çıkartılırken şafta veya parçaya zarar vermeyecek ve çoğunlukla rotor, dişli, şaft bağlantıları için tercih edilen bir sıkı geçme toleransı aranmıştır. Hem sıcak hem soğuk presleme ile yapılabilecek H7/s6 delik/mil toleransı parçamızın bağlantısı için uygun görülmüştür. Boyut hesaplamaları için yapılan tablo aşağıda verilmiştir[4].
Tablo 2.4. Seçilen geçme türünün tolerans tablosu Anma = 0.010 mm şeklinde bulunmuştur.
2.4.TEKNİK RESİM
Teknik resim bir sonraki sayfada verilmektedir.
29
30 2.5. CAD MODEL ve GEOMETRİ
Ağırlık hesaplamasında çizdiğimiz modelin hacmi ve Al2124 malzemesinin yoğunluğu olan 2780 kg/m3 (2.78 g/cm3) kullanılarak hesaplanmıştır ve 255.46262 gram olarak bulunmuştur.
Şekil 2.38. Siemens NX'de oluşturulan geometrinin hacim değer görüntüsü
Kompresörümüz; nikel veya titanyum alaşımları gibi işlenmesi zor bir malzemeden üretilmediği için uygun bir maksimum üç ağızlı freze takımı ile kolayca işlenebilir. Ancak alüminyum malzemelerde işlenen parçanın atması en sık yaşanan sorunlardandır, bu yüzden atmamasına dikkat edilmeli ve gerekirse bir fikstür yardımıyla desteklenmelidir. İmalat önerisi şu şekildedir:
Kompresör için öncelikle silindir şeklinde alınacak malzeme kütüğü tornaya düzgün bir şekilde bağlanmalıdır. Bağlama sırasında salgı kontrolü yapılmalı ve varsa salgısı alınmalıdır.
İlk olarak silindirin üst ve alt alınlarından düşük bir miktar talaş kaldırılmalı, daha sonra şaftın gireceği delik kaba tornalama ile boydan boya açılmalıdır. Bu işlemden sonra parça 5 eksenli torna (mill-turn) tezgahına alınmalı ve düzgün bir şekilde işleme yapılabilmesi için delik içine bir pens bağlantısı atılarak parçanın tezgahtaki rijitliği arttırılmalıdır.
Bu aşamada 5 eksenli tezgahta tornalama işlemi kaba paso uygulanarak shroud eğrisi ve impeller alt yüzey eğrisi çıkartılarak başlanmalıdır. Ardından yine kaba işlemeyle splitter ve
31
kanatların geometrisi ortaya çıkarılmalıdır. Daha sonra semi-finish ve finish işlemleri uygulanarak kanat geometrisi belirtilen toleranslar ölçüsünde işlenmelidir.
Kompresörün tasarlanan şekle en yakın çalışması için yüzey iyileştirme operasyonları gerekir. Bunun için uygun takım veya tezgah durumuna bağlı olarak; taşlama frezesi, robotic polish veya uygun (düşük) medya kullanılarak extrude hone işlemlerinden birisi uygulanabilir.
Parça işlenmesi sonrasında mutlaka tahribatsız muayeneye girmeli ve varsa çatlak/mikro-çatlak oluşumuna dikkat edilmelidir. Aksi takdirde impeller kırıma ve hatta infilak durumuna uğrayabilir.
32 KAYNAKÇA
[1]
http://www.wikizero.biz/index.php?q=aHR0cHM6Ly9lbi53aWtpcGVkaWEub3JnL3dpa2kvU1NUXyhN ZW50ZXLigJlzX1NoZWFyX1N0cmVzc19UcmFuc3BvcnQp
[2] https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/isentrop.html
[3] http://www.jmcampbell.com/tip-of-the-month/2015/07/how-to-estimate-compressor-efficiency/
[4] EK3
[5] http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.413.3966&rep=rep1&type=pdf [6] https://www.dcma.mil/Portals/31/Documents/NPP/Forms/ISO_1940-1.pdf
1
EK1- KOMPRESÖR HARİTASI VE TABLOLARI Tablo 1. Kompresör haritası için okunan değerler tablosu
%110 rpm mdot Pr efficiency
2
Şekil 1. Kompresör Haritası
1
EK2- TİTREŞİM ANALİZLERİNİN CAMPBELL DİYAGRAMLARI VE TABLOLAR
Şekil 1. Kanat için Campbell Diyagramı
2
Tablo 1. Kanat için yapılan titreşim analizindeki mode'lara göre rpm-Hz değerleri
Mode
3
Şekil 2. Disk için Campbell Diyagramı
4
Tablo 2. Disk için yapılan titreşim analizindeki mode'lara göre rpm-Hz değerleri
Mode
Whirl Direction
Mode Stability
Critical
Speed 0 rpm 6000 rpm 16000 rpm 26000 rpm 36000 rpm 46000 rpm 56000 rpm 66000 rpm 76000 rpm 86000 rpm 96000 rpm 106000 rpm 116000 rpm 1 FW STABLE 0, rpm 4935,3 Hz 4935,3 Hz 4934,9 Hz 4934,3 Hz 4933,4 Hz 4932,2 Hz 4930,7 Hz 4928,9 Hz 4926,7 Hz 4924,3 Hz 4921,5 Hz 4918,5 Hz 4915,1 Hz 2 FW STABLE 0, rpm 4984,8 Hz 4984,8 Hz 4984,8 Hz 4984,6 Hz 4984,4 Hz 4984,1 Hz 4983,8 Hz 4983,4 Hz 4983, Hz 4982,5 Hz 4982, Hz 4981,4 Hz 4980,8 Hz 3 BW STABLE 0, rpm 5021,2 Hz 5021,2 Hz 5021, Hz 5020,6 Hz 5020, Hz 5019,2 Hz 5018,3 Hz 5017,3 Hz 5016,2 Hz 5015, Hz 5013,7 Hz 5012,3 Hz 5010,9 Hz 4 BW STABLE 0, rpm 5027,8 Hz 5027,8 Hz 5027,7 Hz 5027,5 Hz 5027,3 Hz 5027, Hz 5026,8 Hz 5026,5 Hz 5026,3 Hz 5026, Hz 5025,8 Hz 5025,5 Hz 5025,2 Hz 5 FW STABLE 0, rpm 5032,9 Hz 5033, Hz 5033,1 Hz 5033,5 Hz 5033,9 Hz 5034,4 Hz 5034,9 Hz 5035,4 Hz 5035,9 Hz 5036,5 Hz 5037, Hz 5037,5 Hz 5037,9 Hz 6 FW STABLE 0, rpm 5052,1 Hz 5052,1 Hz 5052,2 Hz 5052,3 Hz 5052,5 Hz 5052,8 Hz 5053,1 Hz 5053,5 Hz 5053,9 Hz 5054,3 Hz 5054,8 Hz 5055,4 Hz 5055,9 Hz 7 FW STABLE 0, rpm 5099,7 Hz 5099,7 Hz 5099,7 Hz 5099,8 Hz 5099,8 Hz 5099,9 Hz 5099,9 Hz 5100, Hz 5100,1 Hz 5100,2 Hz 5100,4 Hz 5100,5 Hz 5100,7 Hz 8 BW STABLE 0, rpm 7119,7 Hz 7119,8 Hz 7120,3 Hz 7121,4 Hz 7122,9 Hz 7124,9 Hz 7127,4 Hz 7130,4 Hz 7133,9 Hz 7137,8 Hz 7142,2 Hz 7147,1 Hz 7152,5 Hz 9 BW STABLE 0, rpm 8271,6 Hz 8269,7 Hz 8264,6 Hz 8259,3 Hz 8254,1 Hz 8248,9 Hz 8243,8 Hz 8238,7 Hz 8233,7 Hz 8228,8 Hz 8223,9 Hz 8219,1 Hz 8214,3 Hz 10 FW STABLE 0, rpm 8275,3 Hz 8277,2 Hz 8282,5 Hz 8288, Hz 8293,6 Hz 8299,3 Hz 8305,1 Hz 8310,9 Hz 8316,8 Hz 8322,8 Hz 8328,8 Hz 8334,9 Hz 8341, Hz
1 EK3
Şekil 1. Tolerans ve geçme tablosu değerleri