طراحی بهینة سازة بلیسک توربین در روتور یک موتور مینی‌توربوجت

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری / مجتمع دانشگاهی مکانیک و هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

2 عضو هیات علمی / مجتمع دانشگاهی مکانیک و هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

3 عضو هیات علمی / دانشکدة مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاداسلامی واحد اراک

4 عضو هیات علمی / دانشکدة مهندسی مکانیک، دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته

چکیده

با توجه به موقعیت و شرایط کاری سخت دیسک توربین و کمپرسور به‌عنوان اجزای اصلی روتور در موتور توربین ‌گاز هوایی، طراحی این ادوات اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کند. این دیسک‌ها از یک‌طرف تحت بار گریز از مرکز قرار دارند که با افزایش سرعت دوران روبه افزایش می‌نهند و از طرف دیگر تحت بار حرارتی قرار دارند که با افزایش گرادیان حرارتی، به‌ویژه در اجزای تحت دمای بالا در روتور افزایش می‌یابد. در این بین، لازم است تا وزن روتور جهت بهبود رفتار دینامیکی، کاهش بار یاتاقان‌ها و کاهش وزن کل موتور به‌عنوان یک بخش اصلی وسیلة پرنده کمینه گردد. سرعت دورانی، عملکرد در دمای بسیار بالا، گرادیان حرارتی شدید و نیاز به کاهش وزن، شرایط و الزاماتی برای روتور موتورهای توربینی هوایی است که طراحی آن را با مشکل مواجه می‌سازد. تحلیل استحکامی پیش‌نیاز تحلیل عمر در یک روتور است؛ زیرا ابتدا باید مقاومت قطعه در برابر بارگذاری استاتیکی قبل از بارگذاری سیکلی محقق شود. هدف این مقاله، طراحی بهینة وزنی سازة ‌دیسک پره‌دار یکپارچه (بلیسک) توربین در روتور یک موتور مینی‌توربوجت است. برای این منظور، مشخصات طراحی ائروترمودینامیکی از جمله هندسه، تعداد و موقعیت قرارگیری پره‌ها، توزیع بارهای ائرودینامیکی، توزیع حرارت و فشار روی روتور و سرعت دورانی به‌عنوان ورودی مسئلة طراحی بهینة بلیسک تحت قیود استحکامی و هندسی در نظر گرفته شده‌اند. در ادامه، برنامه‌های مربوط به طراحی و تحلیل بلیسک با استفاده از روش‌های عددی تدوین و نتایج خروجی با مقایسه با موارد بیان‌شده در مقالات معتبر اعتبارسنجی شده و در پایان سازة بلیسک توربین یک موتور مینی‌توربوجت خاص طراحی بهینه شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Optimum design of the turbine blisk of a mini-turbojet engine

نویسندگان [English]

  • Behrooz Shahriari 1
  • Shahram Yousefi 2
  • Mehdi Tajdari 3
  • Mohammad Reza Karamooz 4
چکیده [English]

As the main parts of rotor of aero-gas turbine engine, due to arduous working conditions, the design of turbine as well as compressor disks is of importance. These disks are loaded under centrifugal and thermal forces which gets higher with increasing rotating speed, and the gas’s pressure and temperature. To improve the rotor dynamic behavior, decrease the bearing’s load and motor’s weight, the weight of the rotor, as the main part of the motor, should be minimized. Rotating speed, high temperature working condition, high temperature gradient, and the demand for minimum weight, imply serious restrictions on the design of rotor, especially turbine’s rotor. On the other hand, the strength analysis is prior to the study of rotor’s life because, to assess the cyclic loading, first the static one should be investigated. The aim of this study is to optimum the weight of a turbine integrally bladed disk (blisk) of a mini-turbojet engine. Aero-thermodynamic design parameters such as geometry, blades’ number and location, aerodynamic loads’ distribution, temperature and pressure distribution on the rotor, and rotating speed are the input parameters of the optimum design problem of the rotor’s disk under strength and geometrical constraints. To do so, numerical programs for design, analysis and optimization of the disk is developed and the obtained results are validated through previous ones in the literature. In addition, the structure of a special mini-turbojet engine is designed in an optimum manner.

کلیدواژه‌ها [English]

  • mini-turbojet engine
  • turbine blisk
  • optimum design
  • Analysis

[1] Vullo, V., F., Vivio, Rotors: stress analysis and design, Mechanical Engineering Series, Springer, 2013.

[2] Bar, W., M. Orkisz, H. Moustapha. “Multidisciplinary design and optimization of gas turbine engine low pressure turbine at preliminary design stage.” Journal of KONES Powertrain and Transport 21(3), 2014, pp. 15-22.

[3] Liu, Jing-Sheng, Geoffrey T. Parks, P. John Clarkson. “Optimization of turbine disk profiles by metamorphic development.” Journal of Mechanical Design, ASME 124, 2002, pp. 192-200.

[4] Stodola. Aurel, Steam and gas turbines, New York: McGraw Hill, 1945.

[5] Smith. C. W. Aircraft gas turbines, General Electric Company, 1958.

[6] Eraslan, A., Y. Orcan. “Elastic–plastic deformation of a rotating solid disk of exponentially varying thickness.” Mech. Mat. 34(7), 2002, pp. 423-432.

[7] Eraslan, A. N., H. Argeso. “Limit angular velocities of variable thickness rotating disks.” Int. J. Solids. Struct 39(12), 2002, pp. 3109-3130.

[8] Seireg, A.A., K.S. Surana. “Optimum design of rotating disks.” Journal of Engineering for Industry, ASME, 92(1), 1970, pp. 1-10.

[9] Bhavikatti, S.S., C.V. Ramakrishnan. “Optimum shape design of rotating disks.” Computers and Structures 11, 1980, pp. 397-401.

[10] Ray, G.S., B.K. Sinha. “Profile optimization of variable thickness rotating disc.” Computers and Structures 42(5), 1992, pp. 809-813.

[11] Luchi, M. L., A. Poggiali, F. Persiani. “An interactive optimization procedure applied to the design of gas turbine discs.” Computers and Structures 11, 1980, pp. 629-637.

[12] Farshi, B., H. Jahed, A. Mehrabian. “Optimum design of inhomogeneous non-uniform rotating discs.” Computers and Structures 82, 2004, pp. 773-779.

[13] Jahed, H., B. Farshi, J. Bidabadi. “Minimum weight design of inhomogeneous rotating discs.” International Journal of Pressure Vessels and Piping 82, 2005, pp. 35-41.

[14] شهریاری، بهروز، محمدرضا کارآموز، شهرام یوسفی و مهدی تاجداری. "بهینه‌سازی سازة دیسک ردیف دوم توربین موتور توربین‌گاز هوایی J85-21-GE." پیشرانش هوافضایی (1)، ص. 51-65.

[15] Cairo, R. R., K. A Sargent. “A scientific approach to the process development bonded attachments for high-speed rotor application.” Journal of Engineering for Gas Turbine Engines and Power, ASME 124, 2002, pp. 190-195.

[16] Cairo, R. R., K. A. Sargent. “Twin web disk: a step beyond convention.” Journal of Engineering for Gas Turbine Engines and Power, ASME 124, 2002, pp. 298-302.

[17] Gutzwiller, David P., Mark G. Turner. “Rapid low fidelity turbomachinery disk optimization.” Advances in Engineering Software 41, 2010, pp. 779–791.

[18] Gunston. Bill. The Cambridge aerospace dictionary, 2nd ed., Cambridge university pressو 2009.

[19] Meisl, C. J. “Life-cycle-cost considerations for launch vehicle liquid propellant rocket engine.” Journal of Propulsion and Power 4(2), 1988, pp. 26-118.

[20] Zhan, H., W. Zhao, H. Wang. “Manufacturing turbine blisks.” Aircraft Engineering and Aerospace Technology 72(3), 2000, pp. 247-251.

[21] Feiner, D. M., J. H. Griffin. “Mistuning identification of bladed disks using a fundamental mistuning model-Part II: Application.” Journal of Turbomachinery, ASME 126(1), 2004, pp. 159-165.

[22] Kostyuk A., V. Forlov. “Steam and gas turbines.” Translated from the Russian by V. Afanasyev, Mir Publishers Moscow, 1988.

[23] Liexiang, Y. M. Dexian. “Global optimization of non-convex nonlinear programs using Line-up Competition Algorithm.” Computers and Chemical Engineering 25, 2001, pp. 1601-1610.

[24] Liexiang, Yan. “Solving combinatorial optimization problems with line-up competition algorithm.” Computers and Chemical Engineering 27, 2001, pp. 251-258.

[25] Liexiang, Y., S. Kun, H. Shenghua. “Solving mixed integer nonlinear programming problems with line-up competition algorithm.” Computers and Chemical Engineering 28, 2004, pp. 2647-2657.

[26] Federal Aviation Administration (FAA) William J. Hughes Technical Center. Metallic Materials Properties Development and Standardization (MMPDS-06), USA, 2011.