Gaz türbini rotorunun transfer matrisi metodu kullanarak tasarım optimizasyonu

Abstract

Gaz türbinleri helikopterlerden, uçaklara birçok farklı platformda itki sistemi olarak kullanılmaktadır. Geniş bir kullanım alanına sahip olmalarının nedeni daha hafif bir yapı ile yüksek itki gücü sağlayabilmeleridir. Bu itki gücünü sağlayabilmek adına gaz türbinleri yüksek hızlarda çalışır. Yüksek hızlarda çalışmaları rotor üzerinde oluşabilecek herhangi bir dengesizliğin yataklama sisteminde yüksek genlikte ve tekrarlı yüklerin oluşmasına sebep olur. Bu nedenle gaz türbinleri için, yatak yüklerinin belirli bir değeri aşmaması, rotor ve stator arasındaki mesafelerin belirli bir değer içerisinde olması ve işletme hız aralığında doğal frekansın olmaması tasarım gereksinimidir. Bu gereksinimleri dikkate alarak farklı tasarım parametrelerini aynı anda en iyi şekilde kullanmak, deneme yanılma yöntemlerinden ziyade optimizasyon yöntemlerini gerektirir. Bu tez çalışmasında, bu tür kapsamlı bir tasarım probleminin çözümüne yönelik, klasik sonlu elemanlar yöntemi (FEM) yerine, karmaşık transfer matris metoduna (CTMM) dayalı bir rotordinamik çözücüsü geliştirilmiştir. Geliştirilen bu çözücünün FEM'den çok daha hızlı çözümler sunabildiği ve böylece gaz türbini rotor tasarım problemleri için hızlı bir alternatif çözüm yöntemi olduğu gösterilmiştir. Optimizayon algoritmasında literatürde yaygın olarak kullanılan metaheuristik optimizasyon yöntemlerinden genetik algoritma (GA), diferansiyel evrim (DE), benzetilmiş tavlama (SA), yerçekimi arama algoritması (GSA), kara delik (BH), parçacık sürüsü optimizasyonu (PSO), harris şahini optimizasyonu (HHO), yapay arı kolonisi (ABC) ve metaheuristik olmayan örüntü arama (PS) yöntemleri seçilmiştir. Sonuç olarak rulman kuvvetleri ve disk sehimleri daha az, doğal frekansları çalışma aralığında olmayan bir gaz türbini tasarımı elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar deneysel veriler ile karşılaştırılmış ve CTMM yöntemi ile optimizaston tasarımı doğrulanmıştır. Bu tez çalışması gaz türbini üretici firmaları için tasarıma yönelik önemli sonuçlar sunmaktadır.

Gas turbines are widely used as propulsion systems in various platforms, from helicopters to airplanes, due to their ability to provide high thrust with a lightweight structure. To achieve this, gas turbines operate at high speeds. However, such speeds with rotor unbalances, leads to high-amplitude and repetitive loads on the bearing system. For gas turbines, it is critical to ensure that bearing loads remain below specific limits, rotor-stator clearances are maintained, and no natural frequencies exist within the operating speed range. Meeting these requirements efficiently requires optimization methods rather than trial-and-error approaches. This thesis developed a rotordynamic solver based on the Complex Transfer Matrix Method (CTMM) as an alternative to the Finite Element Method (FEM). The CTMM solver demonstrated significantly faster solutions, making it a rapid alternative for gas turbine rotor design. Metaheuristic optimization methods commonly used in the literature, including Genetic Algorithm (GA), Differential Evolution (DE), Simulated Annealing (SA), Gravitational Search Algorithm (GSA), Black Hole (BH), Particle Swarm Optimization (PSO), Harris Hawk Optimization (HHO), Artificial Bee Colony (ABC), and the non-metaheuristic Pattern Search (PS), were applied in the optimization process. As a result, a gas turbine design was achieved with reduced bearing forces and disk deflections, as well as natural frequencies outside the operating range. Experimental data validated the optimized design using the CTMM method. This study offers valuable design insights for gas turbine manufacturers