تحلیل تنش دیسک دوجانه در روتور توربین خنک‌ شونده با هوای سرد

نوع مقاله : علمی پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار،مجتمع دانشگاهی مکانیک، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

2 کارشناس ارشد، مجتمع دانشگاهی مکانیک، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

چکیده

استفاده از دیسک های دوجانه به جای دیسک های تک جانه در روتور توربین، ایده نوینی است که به سبب
ایجاد فضای لازم، امکان خنک کاری روتور و در نتیجه کاهش سطح دما و تنش های ناشی از آن را فراهم می کند.
دیسک تحت بارگذاری های مکانیکی و حرارتی قرار دارد. بارگذاری مکانیکی شامل اثر ناشی از دوران دیسک و بار گریز از مرکز ناشی از دوران پره ها است. بارگذاری حرارتی در اثر تغییرات حرارتی موجود بین سطوح داخلی و خارجی بر دیسک اعمال شده است. شرایط مرزی دیسک به صورت دوسرگیردار در نظر گرفتهشده است. ابتدا با استفاده از روش حل تحلیلی تئوری الاستیسیته صفحه ای روابط حاکم بر یک دیسک دوار تک جانه در حالت تنش صفحه ای استخراج شده است. در ادامه دیسک مورد نظر با پروفیل ضخامت واقعی با استفاده از روش عددی تیموشنکو-گریمل مورد تحلیل قرار گرفته است. سپس به منظور رسیدن به یک دیسک دوجانه با پروفیل مناسب این دیسک با سوراخ های پله ای شکل در 044 حالت هندسی مختلف مورد بررسی قرار گرفته و حالت دارای کمترین جرم ممکن و ضریب اطمینان قابل قبول به دست آمده است. نتایج حاصل از تحلیل نشان دهنده کاهش جرم، کاهش سطح تنش ها و بهبود ضریب اطمینان در اثر استفاده از یک دیسک دوجانه بهینه می باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Zhang, M., Gou, W., Li, L., Wang, X., Yue, Z.,
"Multidisciplinary design and optimization of the twinweb
turbine disk", Structural and Multidisciplinary
Optimization, Vol. 53, pp. 1129-1141, (2016).
[2] Cairo, R. R., "Twin-web rotor disk", US Patent
5,961,287, (1999).
[3] Cairo, R. R., Sargent, K. A., "Twin web disk: a step
beyond convention, Journal of engineering for gas
turbines and power", Vol. 124, pp. 298-302, (2002).
[4] Lu, S., Li, L. W., "Twin-web structure optimization
design for heavy duty turbine disk based for aeroengine",
Journal of Propulsion Technology, Vol.5, pp. 6-
34, (2011).
[5] Yong-xian, L.U.A.N., "Structure Strength Analysis
of Dual-web Turbine Disk", Aeroengine, Vol. 38, No.5,
pp. 38-41, (2012).
[6] Shen, X., Dong, S., Chen, Z., "Research of an
advanced turbine disk for high thrust-weight ratio
engine", Turbine Technical Conference and Exposition,
ASME Turbo Expo, V07AT28A006-V07AT28A006,
(2014).
[7] Dogonchi, A., Ganji, D., "Investigation of heat
transfer for cooling turbine disks with a non-Newtonian
fluid flow using DRA", Case Studies in Thermal
Engineering, Vol. 6, pp. 40-51, (2015).
[8] Qi, X. D., Shen, X. L., "Multidisciplinary design
optimization of turbine disks based on ANSYS
Workbench platforms", Proc Eng., Vol. 99, No.1, pp.
1275-1283, (2015).
[9] Vasilyev, B., Salnikov, A., Semenov, A.,
Magerramova, L., "Twin-web turbine discks: part1-
design and analysis of their efficiency, Proceedings of
ASME Turbo Expo 2018", Turbomachinery Technical
Conference and Exposition,GT2018, Oslo, Norway,
GT2018-76306, June 11-15, (2018).
[10] Vasilyev, B., Magerramova, L., Salnikov, A.,
Tsykunov. N., Isakov, V., Semenov, A., "Twin-web
turbine discks: part2-Fabrication and processing",
Proceedings of ASME Turbo Expo
2018,Turbomachinery Technical Conference and
Exposition,GT2018, Oslo, Norway, GT2018-76310, June
11-15, (2018).
[11] Long, K., Wang, X., Liu, H. J. S., "Stressconstrained
topology optimization of continuum
structures subjected to harmonic force excitation using
sequential quadratic programming", Struct Optim., Vol.
59, No. 5, pp. 1747-1759, (2019).
[12] Giraldo-Londono, O., Paulino, G. H., "PolyDyna:
a Matlab implementation for topology optimization of
structures subjected to dynamic loads", Structural and
Multidisciplinary Optimization, Vol. 64, No. 2, pp. 957-
990, (2021).
[13] Shen, X., Hu, W., Dong, S., "Multidisciplinary
and multifidelity optimization for twin-web turbine disc
with asymmetric temperature distribution", Structural
and Multidisciplinary Optimization, Vol.60, No.2, pp.
803-816, (2019).
[14] Wang, B., Wang, G., Huang, L., Xu, S., Tian, K.,
"On the preliminary shape design of axisymmetric twinweb
turbine discs considering the burst speed constraint",
Eng Optimiz, Vol. 1, No. 1, pp. 1-16, (2021).
[15] Wang, B., Wang, G., Shi, Y., Huang, L., Tian, K.,
"Stress-constrained thermo-elastic topology optimization
of axisymmetric disks considering temperaturedependent
material properties", Mech Adv Mater Struc.
Vol. 1, No. 1, pp. 1-17, (2021).
[16] Song, J., Zhang, Y., Guo, X., Gao, H., Wen, W.,
Cui, H., "Topology and shape optimization of twin-web
turbine disk", Structural and Multidisciplinary
Optimization, Vol. 65, No.2, pp. 1-20, (2022).
[17] Vullo, V., Vivio, F., "Rotors: Stress analysis and
design, Springer Science & Business Media", (2013).
[18] Halliwell, I., Exoskeletal engine concept:
Feasibility studies for medium and small thrust engines,
Glenn Research Centrt, (2001).
[19] Zhang, M., Qin Y., Shouyi S., Lei L., Xu H., "An
efficient strategy for reliability-based multidisciplinary
design optimization of twin-web disk with nonprobabilistic
model", Applied Mathematical Modelling,
Vol. 82, pp. 546-572, (2020).