تحليل الاستيك درام اسپول دوار FGM كمپرسور محوري در موتور توربين گاز هوايي

Elastic analysis of the rotating FGM spool drum of the axial compressor in aero gas turbine engine

در اين پژوهش حل تحليلي دقيقي براي درام اسپول كمپرسور محوري يك موتور توربين گاز جهت محاسبه تنش‌ها، كرنش‌ها و جابجايي‌ها انجام شده است. تحليل انجام شده در دو حالت مختلف يكي درام از جنس همگن و ديگري ماده هدفمند (FGM) تحت نيروي گريز از مركز ناشي از دوران و بارگذاري يكنواخت شعاعي در سطوح داخلي و خارجي انجام گرفته است. در حالت FGM خواص ماده شامل مدول يانگ و چگالي در راستاي شعاع اسپول متغير هستند. تنش‌ها و جابجايي‌هاي حاصل براي ماده همگن و ماده FGM با ضرايب غيرهمگن مختلف محاسبه شده است. نتايج نشان مي‌دهند استفاده از ماده‌ FGM با ضريب مناسب نسبت به همگن، مي‌تواند منجر به بهبود قابل توجه ضريب اطمينان و كاهش جابجايي­ها، كرنش‌ها و تنش‌هاي اسپول مدنظر گردد. از سوي ديگر انتخاب ضريب FGM نامناسب مي‌تواند باعث كاهش ضريب اطمينان و حتي شكست در سازه گردد. براي اسپول خاص بررسي شده، تنش‌هاي ايجاد شده در اسپول FGM براي حالتي كه ضرايب غيرهمگن منفي در نظر گرفته شده است، كمتر از حالت همگن بوده و باعث شكست سازه مي‌شود، در حالي‌كه ضريب اطمينان هنگام استفاده از ضرايب مثبت نسبت به حالت همگن بهبود و جابجايي‌ها كاهش يافته است.

In this paper, an exact analysis of an axial compressor’s spool of a gas turbine engine has been presented to calculate stresses, strains and displacements. Spool analysis is investigated for both homogeneous and functionally graded material (FGM) states and spool is subjected to centrifugal force and uniform radial loadings at internal and external surfaces. In FGM state, material properties including Young's modulus and density considered variable along the radius direction. Because the Poisson’s ratio variation ranges are insignificant, it considered constant for all states. Stresses, strains and displacements for both homogeneous and FGM with different non-homogeneous coefficients has been calculated. The results shown that using FGM material with suitable non-Homogeneous coefficient can lead to significant improvement in spool’s safety factor and reduction of displacements, strains and stresses in comparison with homogeneous state. On the other hand, using inappropriate FGM coefficients can lead to safety factor reduction and even structure failure. For particular investigated spool, calculated stresses in FGM with negative coefficients are less than homogeneous state and can cause failure in spool, while improvement in safety factor and displacements reduction observed using FGM with positive coefficients in comparison with homogeneous state.