Bir gaz türbininin çalışma şartlarındaki kanat tabii frekansının ve uygun nozul sayısının tayini

Abstract

Yüksek sıcaklık ve yüksek devirde çalışan türbin kanatlarının doğal frekansları yüksüz durumdaki kanat doğal frekanslarına göre farklılık gösterir. Türbin kanadındaki yüksek sıcaklık malzeme özelliklerine doğrudan etki etmektedir. Ayrıca türbinin rotasyon hızından kaynaklanan merkezkaç kuvvetler kanatta çeki gerilmesi oluştururken, akışkan basıncı kanat üzerinde eğilme gerilmesine sebep olmaktadır. Çeki gerilmesi ve eğilme gerilmesine maruz kalan türbin kanadı üzerinde deformasyon oluşmaktadır. Bu deformasyonlar ve malzemenin sıcaklığa bağlı davranışı, kanat doğal frekanslarında değişikliğe neden olur. Türbin kanadının doğal frekans tayini yapılırken sonlu elemanlar analiz metodundan istifade edilmiştir. Bu kapsamda yapılan çalışmalar ANSYS Sonlu elemanlar analiz programında gerçekleştirilmiştir. Kanadın çalışma koşulundaki doğal frekans tayini için ön gerilmeli modal analiz gerçekleştirilmiştir. Bu analiz metodunda ilk olarak kanadın gerilme ve deformasyon tayini yapılmıştır. Elde edilen gerilme ve deformasyon sonuçları modal analizde girdi olarak kullanılmıştır. Böylece çalışma esnasındaki deformasyonların etkisi modal analize eklenmiştir. Bu tezde incelenen yüklü kanadın birinci doğal frekansının yüksüz duruma göre Inconel 718 için %9,6 ve Inconel 738 Lc için %5,6 mertebesinde daha düşük olduğu bulunmuştur. Birinci doğal frekansta meydana gelen bu düşüş türbin nozul tasarımında önem arz etmektedir.

The natural frequencies of the turbine blade operating at high temperature and high speed differ from the natural frequencies of the unloaded blade. The high temperature directly affects the material properties of turbine blades. In addition, the centrifugal forces due to rotation at very high speeds cause tensile stresses, which is called geometrical stiffening in the literature, while the fluid pressure generates bending stresses on the blade. Subject to this combined loading, i.e. bending + axial stresses, the blade undergoes some deformations. These three factors, high temperature, geometrical stiffening and bending, influence natural frequencies of the blade. In a finite element software, the ANSYS, a pre-stressed modal analysis was carried out to determine the natural frequencies of the turbine blade. Analyses show that natural frequencies under operating conditions become lower than those found in the unloaded case. Especially, the first natural frequency is as much as 9.6% for Inconel 718 and 5.6% for Inconel 738 LC smaller than that of unloaded cases, which is an important factor in turbine nozzle design.