Bir santrifüj kompresör çarkının yapay sinir ağına bağlı genetik algoritma kullanılarak aerodinamik eniyilemesinin yapılması

Bu tez kapsamında, yapay sinir ağı ve genetik algoritma yardımıyla bir optimizasyon yöntemi mevcut ticari programlar kullanılarak oluşturulmuş ve deneysel bir mikro turbojet motorunun santrifüj kompresör çarkına uygulanmıştır. Uygulanan yöntemin geçerliliğini kanıtlamak adına baz kompresör ile optimize edilmiş kompresör arasında hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) kullanılarak kıyaslama yapılmış ve sonuçların beklentiler doğrultusunda olduğu görülmüştür. Optimize edilen kompresör, aynı zamanda tasarım noktası da olan deniz seviyesi, normal atmosfer şartlarında, 0.75 kg/s debi kapasine sahip olup, 100000 RPM dönüş hızında 4 basınç oranıyla çalışmaktadır. Yöntem uygulanırken daha iyi sonuçlar elde etmek adına bu değerlerin değişimine motorun çalışma noktasının çok değişmeyeceği tahmin edilen bir miktarda izin verilmiştir. Mikroturbo jet motorolarında boyutlar sebebiyle bileşenler birbirine çok yakındır. Bu sebeple hesaplarda kabul edilen adyabatiklik koşulu pratikte sağlanamamakta ve hesaplarla test arasında, normal jet motorlarında beklenen hata seviyesinden daha yüksek miktarda hataya rastlanmaktadır. Bunun yanı sıra turbomakine kanatlarının uç boşluğu, kanat boyuna oranla daha büyük olduğu için sınır tabaka kayıpları önemli hale gelmekte ve bu boyuttaki turbomakineler yüksek verim seviyelerine ulaşmak için nispeten küçük toleranslar kullanmaktadır. Bu sebeple en ufak kazanım dahi rekabet edebilirlik adına büyük avantajlar getirmekte ve önemli sayılmaktadır. Geliştirilen yöntemin diğer avantajları da tasarım süresini kısaltması ve tasarım uzayının sistemli bir şekilde araştırılmasını sağlaması olarak sıralanabilir. Deneme yanılma ile tasarlanan bir tasarımın belirtilen isterler doğrultusunda en iyi tasarım olup olmadığı konusunda kesin bir şey söylenemez. Ayrıca rekabetçi bir tasarımın ortaya çıkması deneyimsiz bir tasarımcı için uzun zaman alan bir süreç iken deneyimli bir tasarımcı için nispeten kısa sürmektedir. Bu tip tasarımcıya bağlılıkları ve insan hatasını azaltmak, aynı zamanda da tasarımın iyiliğinden emin olmak için tasarım sürecinin standartlaştırılmasını sağlayan yöntemler endüstrinin ihtiyacını oluşturmakta ve yaygın olarak kullanılmaktadır. Ele alınan problem öncelikle 5 ana alt başlık altında incelenmiştir. Bunlar, problemin geometrik parametrizasyonu, veritabanı için HAD hesaplamalarının kurulması, veritabanı oluşturulması ve veritabanındaki tasarımlar ile yapay sinir ağının (YSA) eğitilmesi, eğitilen YSA' nın genetik algoritmaya dahil edilerek eniyileme işleminin tamamlanması, eniyilemeden çıkan en iyi tasarımın HAD hesaplarıyla incelenerek uygunluğunun kontrol edilmesi olarak sıralanabilir. Problemin ilk ana başlığı incelenen santrifüj kompresörün matematiksel olarak bir CAD programında ifade edilmesini içermektedir. Böylece, geometri tam olarak kontrol edilir ve istenilen değişimler haricinde herhangi bir değişimin engellenmesi sağlanarak veritabanı kurulumu için hazır bir geometri modeli elde edilmiş olur. İkinci başlık ise HAD hesaplamalarının modelinin oluşturulması ayarlarının düzenlenerek (akış modeli, türbülans modeli v.b.), kompresör içerisinde fiziksel olarak gelişen fenomenlerin temsil edilmesi için gerekli uyarlamaların yapılmasını içermektedir. Üçüncü başlıkta ise ANSYS Workbench ortamında parametrik modelin eniyilenecek parametreleri tanımlanır ve bu parametrelerin sayısına bağlı olarak deneylerin tasarımı yöntemi (DTY) kullanılır ve tasarım uzayının sistemli bir şekilde araştırılması sağlanır. Bu çalışmada toplamda 8 parametre kullanılmıştır. Buna ek olarak 2 tasarım validasyon için, 2 tasarım ise test için kullanılmak üzere, toplamda 20 adet HAD hesaplamasıyla veritabanı kurulmuştur. Bunu takiben yapılan değerlendirmelerde YSA' nın performansı incelenerek yetersiz bulunmuş bu sebeple validasyon için kullanılan 2 tasarım veritabanına dahil edilerek, validasyon için 2 ayrı tasarım daha yapılmıştır. Bunun sonucunda YSA'nın performansında büyük bir iyileşme görülmüş ve çalışmanın devamı için yeterli olduğu sonucuna varımıştır. Böylece toplamda 22 adet HAD hesabı ile veritabanı otomatik olarak ANSYS Workbench ortamında oluşturulmuştur. Diğer bir başlıkta ise YSA' nın GA döngüsüne dahil edilmesi incelenmiştir. YSA için MATLAB' da hazır olarak bulunan NN Tool kullanılmıştır. Bu programdan elde edilen çıktı bir MATLAB fonksiyonu olarak herhangi bir MATLAB koduna dahil edilebilmektedir. GA kodunun içine, performans tahmin aracı olarak daha önceden eğitilen YSA' ya ait fonksiyon yerleştirilmiş ve HAD hesaplarının ağır yükünden kaçınılmıştır. Böylece günler alacak bir eniyileme döngüsünün 39 saniyede tamamlanması sağlanmıştır. Eniyilemenin sonucununun tedbirli olmak adına tekrar HAD hesabıyla kontrol edilmesi de geliştirilen yöntemin bir parçasıdır. Bu çalışmanın konusu olan kompresör için de YSA kullanılarak bulunan tasarım HAD hesabıyla kontrol edilmiş ve HAD hesabıyla YSA tahmini arasında ne kadar fark olduğu incelenerek değerlendirilmiştir. Hata payının yeterince küçük olduğu görülerek çalışma sonlandırılmıştır. Fakat YSA' nın tahminiyle HAD hesabının yeterince yakın olmaması durumunda, YSA' nın en iyi olarak tanımladığı birey de veritabanına katılarak YSA' nın tekrar eğitilmesi sağlanır ve eniyileme süreci tekrarlanır. Böylece YSA' nın yanlış eğitilmesinden kaynaklı problemlerin de en iyileme sürecini etkilemesi engellenmiş olur. Bu çalışmanın konusu olan kompresörün, geliştirilen yöntem ile yalnızca kanatlarının açı dağılımı değiştirilmiştir. Buna rağmen çark izantropik veriminin yaklaşık %1.5 arttığı görülmüştür. Probleme geometrik açıdan daha fazla serbestlik sağlanmasının daha iyi sonuçlar vereceği aşikardır. Bu çalışma yalnızca böyle bir yöntemin uygulanmasının ticari yazılımların birbirine bağlanmasının ve ufak değişimlerle de olsa önemli ölçüde verim artışının sağlanabileceğini görmek için yapılmıştır. İnsan faktörünü tasarım sürecinin bir etkeni olmaktan çıkarmak adına isterlerin belirlenerek, herhangi bir turbomakine bileşeninin detay tasarımının tamamıyla otomatik olarak yapılması bu çalışmada incelenen yönteme benzer yöntemlerin geliştirilmesi ve birbirine bağlanması ile mümkün olacaktır. Böylece kısa sürede daha verimli tasarımların yapılmasının önü açılacak ve tasarım süreci, şirketlerin ya da insanların deneyim seviyelerinden bir ölçüde de olsa bağımsız hale gelecektir.