Bir turbofan motor fanının yapısal davranışının incelenmesi ve optimizasyonu

Bir turbofan motor fanının yapısal davranışının incelenmesi ve optimizasyonu isimli tezde turbofan motor fanı yapısal optimizasyonu yapılmıştır. Optimizasyon en iyi çözümü veya en iyi tasarımı bulmak anlamına gelmektedir. Turbofan motor fanının optimizasyonunda CFM 56-7motoru örnek alınmıştır. CFM 56 serisi motorları sivil havacılıkta birçok uçak modelinde kullanılmıştır ve günümüzde en yaygın kullanılan motorlardandır. Havacılık sektöründe uçan aracın ağırlığı sistem performansı açısından çok önemlidir. Bu nedenle uçak motorlarının performansını arttırmaya yönelik çalışmalar yapılmıştır ve hala yapılmaktadır. Optimizasyon için en az bir hedef gerekmektedir. Bir sistemin ağırlığı, maliyeti, süresi veya performansı gibi etkenler hedef olarak seçilebilmektedir. Bu çalışmada kütlenin azaltılması amaçlandığından hedef fonksiyonu olarak kütle seçilmiştir. Fan çalışma şartı olarak 4200 rpm seçilmiştir ve bu çalışma şartı için fanın yapısal olarak uygun olması gerekmektedir. Fan üzerinde oluşacak gerilmelerin 1.1 emniyet katsayısı ile sınırlı olması şartı istenmiştir. Bunun yanı sıra fan kanat ucu uzamalarının 30 mm'den daha fazla olmaması istenmiştir. Bu nedenle optimizasyonda kütle hedef fonksiyonu ile birlikte gerilme ve kanat ucu uzaması kısıt fonksiyonları oluşturulmuştur. Optimizasyon sırasında fan malzemesi olarak Al 7050-T7651 veya Ti-6Al-4V malzemeleri kullanılmıştır. Al 7050-T7651 malzemesi alüminyum alaşımlı bir malzemedir. Ti-6Al-4V malzemesi ise titanyum alaşımlı bir malzemedir. Her iki malzeme türü de uçak motorlarında yaygın kullanılmaktadır. Al 7050-T7651 ve Ti-6Al-4V malzemeleri yoğunlukları düşük olmasının yanında dayanımları yüksek olan bir malzemelerdir. Optimizasyon sonunda bu malzemelerden Al 7050-T7651 malzemesinin en iyi sonucu verdiği görülmüştür ve optimum model uygunluk analizlerinde Al 7050-T7651 malzemesi seçilmiştir. Fan 22 kanatçıktan oluşmaktadır ve 1.55 m çapa sahiptir. Optimizasyon çalışması için fan parametrik tasarlanmış olup fan kanatçık profilleri ve fan gövdesi boyutları değiştirilmiştir. Optimizasyon çalışması sırasında fan statik yapısal analizleri yapılmıştır ve bu analizlerde ANSYS programı kullanılmıştır. Analiz sınır şartı olarak fan, gövde mil deliğinden dönme hareketine izin verilecek şekilde tutulmuştur. Yükleme şartları için 4200 rpm dönüş hızı verilmiş ve fan kanatçıklarının basma yüzeylerine basınç etki ettirilmiştir. Basınç değerleri turbo makine formülleri ile hesaplanmıştır. Fanın sonlu elemanlar ağ yapısında tetrahedral elemanlar kullanılmıştır. 230520 eleman kullanılan sistemde eleman kalitesi 0.82 olup ANSYS çözümlerinde iyi seviye kabul edilen bir kalitedir. Başlangıç tasarımının optimizasyon kısıtlarını sağlayıp sağlamadığı kontrol edilmiştir. Başlangıç tasarımı Al 7050-T7651 malzemesi için gerilme ve kanat ucu uzaması kısıtlarını sağlamaktadır. Ancak fan malzemesinin Ti-6Al-4V olarak seçildiği durumda kanat ucu uzaması 30 mm üzerinde çıkmıştır. Ti-6Al-4V malzeme fanın kanat ucu uzama kısıdını sağlaması gerekmektedir ve bu nedenle fan gövde boyutlarının ve kanatçık profillerinin değiştirilmiştir. Tüm bu değişiklikler modeFRONTIER optimizasyon programı ile otomatik olarak yapılmıştır. Fan kanatçık profilleri ve fan gövdesi boyutları için 13 parametre belirlenmiştir. Bu parametrelerin 5 tanesi fan kanatçıkları içindir. Diğer 8 parametre ise fan gövdesi üzerinde belirlenmiştir. Belirlenen parametreler için modeFRONTIER içerisinde boyut kısıtları ve değişim adımları tanımlanmıştır. Bu program ANSYS programı içerisinde fan geometrisini otomatik olarak değiştirmektedir. Boyut değişimlerini optimizasyon algoritmaları ile daha uygun tasarımlar oluşturacak şekilde yapmıştır. Optimizasyon için kullanılan algoritmalar Simplex ve MOGA II algoritmalarıdır. Simplex tek hedef fonksiyonu olan problemlerde kullanılmaktadır. MOGA algoritması ise optimizasyon yaparken Simplex metodu ve Pareto fonksiyonunu kullanan bir algoritmadır. Fan optimizasyonu sırasında hangi algoritmanın daha iyi sonuç verdiği araştırılmıştır. Optimizasyon için DOE (Desing of Experiments) sayısı 32 olarak seçilmiştir. 150 tasarım iterasyonu yapılmıştır. Başlangıç fan tasarımı kütlesi Al 7050-T7651 malzemesi için 165.5 kg, Ti-4Al-4V malzemesi için ise 276.0 kg çıkmıştır. Simplex optimizasyonu ile Al 7050-T7651 malzeme fan kütlesi 135.5 kg olmuştur. Ti-4Al-4V malzeme fan kütlesi 235.1 kg'a düşürülmüştür. Al 7050-T7651 malzemesinin daha düşük bir kütleye sahip olduğu görülmüştür. Al 7050-T7651 malzeme fan için MOGA II optimizasyonu ile belirlenen tasarım kütlesi 145.7 kg'dır. Sonuç olarak Simplex yöntemi daha iyi sonuç vermiştir. Bu çalışma ile fan malzemesi olarak Al 7050-T7651 belirlenmiştir. Başlangıç tasarımı kütlesi 165.5 kg fan tasarımı değiştirilmiş ve 135.5 kg kütleye sahip yeni bir tasarım belirlenmiştir. Çalışma ile kütle %18.1 azaltılmıştır. Oluşturulan optimum tasarımın titreşim ve ömür şartlarını sağlayıp sağlamadığı kontrol edilmiştir. Titreşim kontrolü için titreşim modlarının çalışma frekansı olan 70 Hz için sorun oluşturmaması şartı göz önünde bulundurulmuştur. Sonuç olarak bu optimizasyon çalışmasında fan kütlesini %18.1 azaltacak bir tasarım bulunmuştur. Bu sayede uçuş sırasında yakıt sarfiyatı düşürülmüş olacaktır. Yakıt sarfiyatının düşürülmesi çevreye salınan zararlı gazların miktarını düşüreceğinden dolayı bu çalışmanın doğal yaşamı korumak üzerinde yararlı etkileri olacaktır.