بهينه‌سازي ديسك غيرهمگن دوار به روش غيرگرادياني

Optimization of Inhomogeneous Rotating Discs by the Ingredient Method

در صنايع هوافضا، براي ديسكهاي توربين گاز، كاربردهاي متعددي مانند استفاده در موتورهاي توربوجت تعريف شده است. اين ديسك‌هاي دوار معمولاً در شرايط عادي در دماي بسيار بالايي كار مي‌كنند و با سرعت زاويه‌اي بسيار زيادي مي‌چرخند. لذا كم كردن وزن آنها در دستگاه‌هاي مرتبط با صنايع هوافضا، مزاياي زيادي دارد و علاوه بر كاهش وزن خالص دستگاه، صرفه‌جويي اقتصادي را نيز در پي خواهد داشت. در حالت كلي ديسك دوار به‌علت كاربردهاي فراواني كه در صنعت دارد، از ديرباز، موضوع تحقيقات و مطالعات متعددي بوده است. از ميان كاربردهاي ديسك دوار مي‌توان به ديسكهاي توربين و كمپرسورهاي توربين‌هاي گازي اشاره كرد. ديسك توربين گاز اغلب در گراديان‌هاي دمايي بالا و سرعتهاي زاويه‌اي زياد كار مي‌كند. سرعت زاويه‌اي بالا باعث ايجاد نيروي گريز از مركز بزرگ در ديسك مي‌شود و همزمان با آن، دماي بسيار زياد، منجر به كاهش مقاومت ماده سازنده ديسك و اين باعث افزايش تغيير شكل در ديسك مي‌شود. به‌منظور تحليل ديسك و رسيدن به توزيع مناسب تنشها در آن، بايد با توجه به شرايط دمايي ديسك، خواص ماده را نيز متغير درنظر گرفت كه اين تغييرات ممكن است وابسته به شعاع، دما يا هر دو باشد. براي رسيدن به اين هدف، ديسك غيرهمگن با ضخامت مشخصي مطالعه مي‌شود. در اينجا، با استفاده از مدل‌سازي ديسك دوار به‌عنوان مجموعه‌اي از حلقه‌هاي مختلف كه هر يك خواص ثابتي دارند، مسأله تغييرات خواص در كل ديسك را با كمي تقريب و با وجود تغييرات در خواص هر يك از حلقه‌ها نسبت به ديگري، مي‌توان مدل‌سازي كرد. حالت بهينه و پروفيل آن، با متناسب ‌شدن ضخامت حلقه‌ها نسبت به‌هم به‌دست مي‌آيد و محدوديتهاي تنش را ارضا مي‌كند. در اين تحقيق با استفاده از الگوريتم سيمپلكس اين فرايند انجام شده است. الگوريتم سيمپلكس با فضاي نرم‌افزار تحليلي انسيس تركيب شده و سپس به اجرا درآمده و نتايج نهايي ارائه شده است.

There are numerous applications for gas turbine discs in the aerospace industries such as in turbojet engines. These discs normally work under high temperature while subjected to high angular velocities. Minimizing the weight of such items in aerospace applications results in benefits such as low dead weights and lower costs. Optimization of rotating discs is historically, an area of research due to their vast utilization in industry. The gas turbine disc is one of examples to name. Gas turbine discs work mostly at high temperature gradients and are subjected to high angular velocities. High speed results in large centrifugal forces in disc and simultaneous high temperatures reduces the disc material strength, thus the later increases stress in disc automatically. In order to obtain a reliable disc analysis and arrive at the corresponding correct stress distribution, solution should consider changes in material properties due to the temperature field throughout the disc. To this end, an inhomogeneous disc model with variable thickness is considered. Using the variable material properties method, stresses are obtained for the disc under rotation and a steady temperature field. In this paper this is done by modeling the rotating disc as a series of different rings with constant properties. The optimum disc profile is arrived at by sequentially proportioning the thickness of each ring to satisfy stress requirements. In this paper these are done using the simplex method. Simplex algorithm is applied in Ansys software and the results are presented.