YAKIT TASARRUFLU TÜRBİNLER İÇİN 3D TARAMA LAZER DOPPLER VİBROMETRESİ
Uçakların yakıt tüketimi, küresel iklim değişikliği ile ilgili güncel tartışmalarda sıcak bir konudur. Önemli bir faktör, uçak motorunun kendisinin tasarımıdır. Ağırlığı azaltmak ve daha ekonomik motorlar oluşturmak için, kanatçıklı disklerin kullanımı daha da yaygınlaşmaktadır. Bu bileşenler, geleneksel parçalar gibi birleştirilmek yerine tek bir parçadan işlenir.
TİTREŞİM TESTLERİ VE MODEL KORELASYONUN GEREKLİLİĞİ
Kanatçıklı diskler ağırlık ve karmaşıklığı azaltır, ancak teknik zorluklar getirir. Tek bir parçadan yapıldığı için son derece düşük sönümleme gösterirler ve çok keskin, belirgin titreşim rezonanslarına yol açarlar. İdeal bir disk simetriktir, yani tüm sektörler aynı geometri ve malzeme özelliklerine sahiptir. Böyle bir durumda, titreşim modları da simetrik bir davranış gösterir, titreşim enerjisi tüm sektörler arasında eşit olarak dağıtılır. Üretim sürecindeki çok küçük kusurlar rezonansların yanlış ayarlanmasına neden olur. Titreşim ortaya çıkarsa, titreşim enerjisi bir veya birkaç bıçakta yoğunlaşarak yüksek titreşim genliklerine yol açabilir. Çalışma sırasında, bu daha yüksek strese ve nihayetinde bileşenin daha erken arızalanmasına (yüksek döngü yorgunluğu) yol açabilir. Çalışma altındaki gerçek gerilmeleri tahmin etmek için ayrıntılı Sonlu Elemanlar (FE) modellemesi gereklidir.
İlk adım olarak, simetrik bir parça için bir FE modelinin testle doğrulanması gerekir. İkinci adımda, gözlenen hataya göre düzenleme yapılır. Bu nedenle ayrıntılı FE korelasyonu çok önemli bir adımdır ve çok doğru bir şekilde gerçekleştirilmesi gerekir.
MODEL KORELASYONU İÇİN 3D LAZER DOPPLER VIBROMETRİ
Lazer Doppler vibrometreler, titreşim davranışını gerekli tüm frekans aralığında temassız bir şekilde güvenilir bir şekilde ölçer. İvme ölçerler gibi konvansiyonel temas sensörlerinde olduğu gibi kütle yüklemesi veya artan sönümleme görülmez. Bu, doğru ve ayrıntılı bir model korelasyonu için zorunlu bir koşuldur. 3D Tarama Lazer Doppler Vibromerler (3D SLDV’ler) ayrıca tüm frekanslar için eksiksiz 3D sapma şekillerini basit ve doğru bir şekilde verir ve FE modelleri ile korelasyon için kolayca kullanılabilecek tam bir veri kümesi sağlar.
Bu çalışmada, Stuttgart Üniversitesi’nden ITSM tarafından sağlanan 240 mm çapında bir kompresör diski incelenmiştir. Disk, paslanmaz çelikten imal edilmiş ve bu parçaların üretimi konusunda uzmanlaşmış bir şirkette yüksek hassasiyetle işlenmiştir. Yüksek çözünürlüklü bir geometri taraması, sadece 50 um seviyelerinde geometrik sapmalar göstermiştir. Disk, parçayı ortamdan ayırmak ve desteğin etkisini en aza indirmek için üç küçük lastik ped üzerine yerleştirilmiştir. SAM 1 Ölçeklenebilir Otomatik Modal Çekiç tarafından 20 kHz’e kadar geniş bant uyarımı gerçekleştirilmiştir. Ölçüm için, 3 mW gücünde bir kızılötesi ışık kaynağı kullanan PSV-500-3D Xtra tipi lazer dopler titreşim ölçer kullanılmıştır. Bu, ayrıntılı yüzey hazırlığı ihtiyacını ortadan kaldırmaktadır ve göze güvenlidir.
SONUÇLAR
Şekil 3, tüm tarama noktalarında ortalaması alınmış ölçülen transfer fonksiyonu (FRF) spektrumunu göstermektedir. Şekil 2’de bazı örnek sapma şekilleri görülmektedir. Şekil 4, döngüsel simetrik yapılar için karakteristik olan, önemli bir parametre olan, diskin çok hafif yanlış ayarlanmasıyla ilgili ilk ipucu veren çift modların frekans ayrılmasını örneklendirmektedir.
Daha ileri analizler ve FE ile karşılaştırılması için veri seti dışa aktarılır ve modal analiz yazılım paketi PolyWave kullanılarak modal ekstraksiyon yapılır. Bu şekilde elde edilen birinci mod ailesinin modları daha sonra tamamen simetrik bir yapı için FE simülasyonundan modlarla karşılaştırılır.
Tablo 1, test ve simülasyondaki frekansları, farklılıkları ve testten elde edilen sönüm oranını göstermektedir. Veriler, tüm ayrı kanatların aynı ilk eğilme tipi sapma şeklini gösterdiği birinci mod ailesi için gösterilmektedir. Frekanslar, yanlış ayarlanmanın küçük olduğunu gösteren mükemmel bir uyum içindedir. Bununla birlikte, çift modların frekanslarındaki hafif ayrılma (yaklaşık 1 – 2 kHz merkez frekansları için, 0.6 – 3 Hz) mevcut olduklarını gösterir.
Bu, testten çıkarılan mod şekillerinin Şekil 5’te gösterilen bir MAC analizi ile FE’den olanlar ile karşılaştırılmasıyla birleştirilir. Her zaman olduğu gibi, 1’e yakın MAC değerleri mod şekillerinde yüksek benzerlik gösterir, daha küçük değerler mod şeklindeki sapmaları gösterir. Düşük dereceli modlar mükemmel korelasyon gösterirken, yüksek dereceli modlardan bazıları daha düşük MAC değerleri göstermektedir.
Daha ayrıntılı bir çalışma, mod şekillerindeki bu sapmaların, mod şekillerinin simetrisini kıran hafif geometrik hatalar ile açıklanabileceğini göstermektedir.
SONUÇ
3D lazer Doppler tarama vibrometrisi, kanatçıklı diskler gibi zorlu nesnelerden yüksek kaliteli veriler elde etmek için mükemmel bir yöntemdir. PolyWave kullanarak bulunan modlar, FE modları ile ayrıntılı bir korelasyon sağlar. Simülasyon ve testten elde edilen sonuçlar genel olarak çok uyumludur, simülasyondan ilgili tüm modlar açıkça tespit edilebilir ve frekans bazında uyum çok iyidir. Verilerin ayrıntılı bir analizi, üretilen diskin CAD modelinin idealleştirilmesi için FE modeli tarafından yakalanmayan hafif hataları gösterir.
Bu hatalar, çift modların frekans ayrılması ve aynı zamanda titreşim enerjisinin lokalizasyon etkilerini gösteren yüksek dereceli modların mod şekillerindeki farklılıklar tarafından tespit edilebilir. Sonuçlar, gerçek çalışma koşullarında yüksek döngü yorgunluğunu tahmin etmek için zorunlu olan, bir FE modeli güncellemesine olanak tanır. Şimdiye kadar yapılan analiz, diskin ilk mod ailesinin modları ile sınırlıydı, ancak veriler 10 kHz’e kadar elde edildiğinden, daha yüksek mod aileleri de aynı düzeyde incelenebilir.
