Multidisciplinary conceptual design of a transonic high pressure compressor

Bu proje VolvoAero, Chalmers Teknik Üniversitesi ve Istanbul Teknik Üniversitesinin katkıları ile yapılmı?tır. Projenin amacı 2025 yılı için tüm motorun birincil aerodinamik tasarımını sadece mü?terinin istediği parametrelere göre tasarlamaktır. Bu amaçla bir çok disiplin bir araya getirilmi? ve VolvoAero'nun halihazırdaki motorları üzerinde de yapılan çalı?malarla üretim süresinin kısaltılması hedeflenmi?tir.Bu yüksek lisans çalı?masının amacı yukarıda bahsi geçen projeye yapısal mekanik yönünden destek vermektir. Ba?ka bir deyi?le yüksek basınçlı transonik bir eksenel kompresör için disiplinlerarası sistematik bir yakla?ım geli?tirmektir.Yeni bir kompresör tasarımı yapılmak istendiğinde birçok etken hesaba katılmalıdır. ?yi bir aerodinamik tasarımdan ba?ka sürekli bir yüksek verimlilik, üretimde makul bir fiyatın olması, yapısal ve rotor dinamik etkiler göz önüne alındığında güvenli olarak çalı?ması da önemlidir. Aerodinamik olarak çok iyi tasarlanmı? gibi görülen çoğu kompresörde, çalı?ma sırasında aynı dönme hızında makinanın kararsızlıklar göstermesi tasarım basamaklarında ba?a dönülerek yapısal tasarımın tekrar yapılmasına sebep olduğu çok sık rastlanan bir problemdir.Bu çalı?ma 5 kademeli transonik bir yüksek basınç kompresörünün disiplinlerarası olarak kavramsal tasarımını sunmaktadır. Bahsi geçen tasarım 4.46 toplam basınç, 401.542 K ba?langıç sıcaklığı, 132,562 KPa ba?langıç basıncı ve 14.1832 kg/s kütle debisine sahiptir.Disk stress hesaplaması ve tasarımı gibi ba?langıç parametreleri yazılan Matlab kodu ve analitik tekniklerle hesaplanmı?tır. Çalı?mada sonlu elemanlar yöntemini (FEM) kullanmak için ANSYS yazılımı ve rotordinamik analizleri için de DyRoBeS yazılımı kullanılmı?tır. Bu programların çalı?tırılması için gerekli olan geometrik veriler basit eksenel akı?lı bir kompresör için kullanılan teoriye dayanılarak hesaplanmı?tır.Çalı?ma temel gaz türbin teori ile ba?lar ve aerodinamik analiz ile sonuçlanır. Eksenel akı?lı kompresörün aerodinamik teorisi ba?langıç ve çıkı? eksenel mach sayısı, relatif tip mach sayısı, rotasyonel hız, sıcaklık, basınç, blade geometrisi, hız diagramı gibi tasarım parametrelerinin hesaplanmasında kullanılır. Aerodinamik hesaplamalardan sonra kompresör diski için stress hesaplamaları yapılır. Bunun için ANSYS yazılımından yararlanılmı?tır. ANSYS kullanımı ile tasarlanan parça üzerinde sıcaklık ve stres dağılımı ve tip açıklığı bulunmu? olur. Bu adımdan sonra tüm motorun dönme hareti kar?ısında nasıl tepki verdiğini ve olu?an yükler altındaki davranı?larını incelemek üzere DyRoBeS yazılımı ile basit rotordinamik analizi yapılır. This project is a joint effort of Volvo aero, Chalmers University of Technology AND Istanbul Technical University. The aim of this work is to develop a systematic approach for multidisciplinary high pressure transonic axial compressor?s initial design. Several aspects have to be taken into account when establishing a new compressor design. Apart from developing a successful aerodynamic design that provides high efficiency and maintaining a design that allows manufacturing at a reasonable cost, structural dynamics and rotor dynamic considerations have to be taken to ensure a mechanically stable operation. It is quite common that a seemingly well designed compressor exhibits rotor dynamic instability at some rotational speed and that this requires re-designing the machine.This report presents the initial results of a multidisciplinary conceptual design of a five stage transonic high pressure compressor that has an overall pressure ratio of 4.46, 401.452K inlet temperature, 132.862KPa inlet pressure and 14.1832 kg/s mass flow.Basic parameters such as blade masses, disc stress calculation and conceptual disc design were carried out using existing tools and analytical techniques. The work consists of setting up a basic Finite Element (FE) model using the ANSYS software and subsequently a basic rotor dynamic model in the DyRoBeS tool. In order to evaluate these parameters, basic aerodynamic theory of the axial flow compressor was used.The work starts with a brief introduction to the fundamentals of gas turbine theory and results in a basic aerodynamics design. The aerodynamic theory of the axial flow compressor is used to calculate design parameters, for example inlet and exit axial Mach numbers, relative tip Mach number, rotational speed, temperature and pressure for all stages, geometrical parameters, velocity triangles, etc. After the aerodynamic calculation stress calculation for compressor disks follows. This basic non-linear analytic procedure is followed by creating whole blisk shape to use for ANSYS software to create the basic FE model. The using ANSYS determine temperature and stress distribution and tip clearances. After this step, a basic rotor dynamic model in the DyRoBeS tool is established to correctly continue the analysis and to learn the behaviour of the compressor during operation at high speed. 88