تحلیل ترموالاستیک سازه دیسک دوار FGM در توربین آزاد موتور توربوشفت به روش مربعات دیفرانسیلی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی مکانیک، اصفهان، ایران

2 مجتمع دانشگاهی مکانیک، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، اصفهان، ایران

چکیده
دیسک دوار در توربین آزاد موتور توربوشفت یکی از اجزای بحرانی موتور است که تحت بارهای مکانیکی و حرارتی مختلف قرار دارد. در این تحقیق، تحلیل ترموالاستیک بر روی یک دیسک دوار با ضخامت متغیر و از مواد مدرج عملکردی با استفاده از روش مربعات دیفرانسیلی تعمیم یافته انجام شده است. ابتدا با گسترش معادله دیفرانسیل جابجایی و سپس با اعمال کرنش حرارتی ناشی از گرادیان حرارتی، روابط تنش-کرنش شعاعی و محیطی در حالت الاستیک و از ترکیب این معادلات روابط تنش بر حسب کرنش به دست می‌آیند. در نهایت با جایگذاری روابط کرنش-جابه‌جایی در معادلات تنش-کرنش و جایگذاری معادله حاصله در رابطه تعادل دیسک، معادله ترمو الاستیک این دیسک بدست می آید. این معادله کلی تعادل مربوط به یک دیسک با ضخامت و خواص متغیر است که تحت بار حرارتی متقارن و گریز از مرکز قرار دارد. تغییرات در ضخامت، دما و خواص دیسک به عنوان تابعی از شعاع بررسی شده و نتایج مقایسه شده است. در این مطالعه اعتبارسنجی با روش تئوری مواد متغیر انجام شده و در انتها، تنش و کرنش و جا به جایی درحالت خواص وابسته به دما، بررسی شده است. نتایج نشان می‌دهند بیشترین خطا 5 درصد است و این روش می‌تواند در تحلیل دیسک‌های دوار تحت بارگذاری مکانیکی و حرارتی در موتورهای توربین موثر باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Thermoelastic Analysis of the FGM Rotating Disk Structure in the Free Turbine of the Turboshaft Engine Using the Differential Quadratic Method

نویسندگان English

Behrooz Shahriari 1
Mahdi Sharifi 2
Abdollah Gudarzi 2
1 Faculty of Mechanics, Malek Ashtar University of Technology, Isfahan, Iran
2 Faculty of Mechanics, Malek Ashtar University of Technology, Isfahan, Iran.
چکیده English

he engine, which is under to various mechanical and thermal loads. In this study, thermoelastic analysis has been performed on a rotating disk with variable thickness and made of functionally graded materials using the generalized quadratic differential method. First, by expanding the displacement differential equation and then by applying the thermal strain caused by the thermal gradient, the radial and circumferential stress-strain relations in the elastic state and from the combination of these equations, the stress relations in terms of strain are obtained. Finally, by placing the strain-displacement relationships in the stress-strain equations and placing the resulting equation in the disk equilibrium relationship, the thermo-elastic equation of this disk is obtained. This general equilibrium equation is related to a disk with variable thickness and properties that is under symmetrical thermal loading and centrifugal. Changes in the thickness, temperature and properties of the disc as a function of the radius have been investigated and the results have been compared. In this study, the validation was done with the variable material theory method and at the end, the stress, strain and displacement in the state of temperature-dependent properties was checked. The results show that the maximum error is 5% and this method can be effective in the analysis of rotating disks under mechanical and thermal loading in turbine engines.

کلیدواژه‌ها English

Turboshaft engine
Free turbine
FGM rotating disk
Thermoelastic analysis
Differential quadratic method
[1] Module 15 For B1 Certification, Gas Turbine Engine, Aviation Maintenance Technician Certification Series, Aircraft Technical Book Company, 2019.
[2] Farokhi S. Aircraft propulsion: cleaner, leaner, and greener. John Wiley & Sons, 2021.
[3] Jahed H, Bidabadi J. An axisymmetric method of creep analysis for primary and secondary creep. International journal of pressure vessels and piping. 2003; 80(9): 597-606.
[4] Kordkheili SH, Naghdabadi R. Thermoelastic analysis of a functionally graded rotating disk. Composite Structures. 2007; 79(4): 508-516.
[5] Farhatnia F, Bagheri MA, Ghobadi A. Buckling analysis of FGM thick beam under different boundary conditions using GDQM. Advanced Materials Research. 2012; 433: 4920-4924.
[6] Vakili-Tahami F, Rasoulian A, Fard AMA. Comparison of Different Methods for Thermoelastic Analysis of Functionally Graded Rotating Disks. Mechanical Engineering. 2015; 45(2): 65-75, 2015. (in persian).
[7] Sadeghi H, Ziaei S, Khoshro M. Analysis of variable thickness and heterogeneous FG rotating disc under temperature gradient and specific boundary conditions. Presented at the 22nd Annual International Conference on Mechanical Engineering, 2014. (in persian).
[8] Torabi K, Afshari H. Thermo-Mechanical Stress Analysis in a Rotating Radially Graded FG-Disc with NonUniform Thickness. Amirkabir Journal Mechanical Engineering. 2018; 50(1): 33-46. (in persian).
[9] Cveticanin L. Homotopy–perturbation method for pure nonlinear differential equation. Chaos, Solitons & Fractals. 2006; 30(5): 1221-1230.
[10] Singh S. One parameter model for creep in a whisker reinforced anisotropic rotating disc of Al-SiCw composite. European Journal of Mechanics-A/Solids. 2008; 27(4): 680-690.
[11] Pan E, Han F. Exact solution for functionally graded and layered magneto-electro-elastic plates. International Journal of Engineering Science. 2005; 43(3-4): 321-339.
[12] Jalali MH, Shahriari B. Elastic Stress Analysis of Rotating Functionally Graded Annular Disk of Variable Thickness Using Finite Difference Method. Mathematical Problems in Engineering, 2018.
[13] Yousefi Sh, Shahriari B, Sadeghinezhad MS. Elastic analysis of the rotating FGM spool drum of the axial compressor in aero gas turbine engine. 2020; 5(2): 55-66.
[14] Shahriari B, Sadeghi Nezhad MS. Investigation on Effective Factors in Thermoelastic Analysis of FGM Rotating Drum in Air Turbine Engine under Nonlinear Thermal Loading,"Mechanic of Advanced and Smart Materials. 2020; 1(2): 106-135.
[15] Shahriari B, Safari M. Stress Analysis of FGM Rotating Disk Subjected to Mechanical and Thermal Loads In Aircraft Gas Turbine Engine. Mechanics of Advanced Composite Structures. 2020; 7(1): 1-13
[16] Jafari Mehrabadi S, NezamAbadi A, Moayeedi E. Deflection analysis of composite micro-beam on elastic foundation by strain gradient theory. Mechanic of Advanced and Smart Materials. 2022; 2(1): 94-107.
[17] Shahriari B, Seddighi N. Stress analysis of non-linearly variable thickness rotating disk in gas turbine engine using hyper-geometric method. Journal of Simulation and Analysis of Novel Technologies in Mechanical Engineering. 2023; 15(2): 37-51.
دوره 3، شماره 4
زمستان 1402
صفحه 516-536

  • تاریخ دریافت 24 دی 1402
  • تاریخ بازنگری 14 اسفند 1402
  • تاریخ پذیرش 28 اسفند 1402