طراحی بهینه سازه بلیسک توربین در روتور یک موتور مینی‌توربوجت

با توجه به موقعیت و شرایط کاری سخت دیسک توربین و کمپرسور به‌عنوان اجزای اصلی روتور در موتور توربین ‌گاز هوایی، طراحی این ادوات اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کند. این دیسک‌ها از یک‌طرف تحت بار گریز از مرکز قرار دارند که با افزایش سرعت دوران روبه افزایش می‌نهند و از طرف دیگر تحت بار حرارتی قرار دارند که با افزایش گرادیان حرارتی، به‌ویژه در اجزای تحت دمای بالا در روتور افزایش می‌یابد. در این بین، لازم است تا وزن روتور جهت بهبود رفتار دینامیکی، کاهش بار یاتاقان‌ها و کاهش وزن کل موتور به‌عنوان یک بخش اصلی وسیله پرنده کمینه گردد. سرعت دورانی، عملکرد در دمای بسیار بالا، گرادیان حرارتی شدید و نیاز به کاهش وزن، شرایط و الزاماتی برای روتور موتورهای توربینی هوایی است که طراحی آن را با مشکل مواجه می‌سازد. تحلیل استحکامی پیش‌نیاز تحلیل عمر در یک روتور است؛ زیرا ابتدا باید مقاومت قطعه در برابر بارگذاری استاتیکی قبل از بارگذاری سیکلی محقق شود. هدف این مقاله، طراحی بهینه وزنی سازه ‌دیسک پره‌دار یکپارچه (بلیسک) توربین در روتور یک موتور مینی‌توربوجت است. برای این منظور، مشخصات طراحی ائروترمودینامیکی از جمله هندسه، تعداد و موقعیت قرارگیری پره‌ها، توزیع بارهای ائرودینامیکی، توزیع حرارت و فشار روی روتور و سرعت دورانی به‌عنوان ورودی مسئله طراحی بهینه بلیسک تحت قیود استحکامی و هندسی در نظر گرفته شده‌اند. در ادامه، برنامه‌های مربوط به طراحی و تحلیل بلیسک با استفاده از روش‌های عددی تدوین و نتایج خروجی با مقایسه با موارد بیان‌شده در مقالات معتبر اعتبارسنجی شده و در پایان سازه بلیسک توربین یک موتور مینی‌توربوجت خاص طراحی بهینه شده است.

Optimum design of the turbine blisk of a mini turbojet engine

As the main parts of rotor of aero gas turbine engine, due to arduous working conditions, the design of turbine as well as compressor disks is of importance. These disks are loaded under centrifugal and thermal forces which gets higher with increasing rotating speed, and the gas’s pressure and temperature. To improve the rotor dynamic behavior, decrease the bearing’s load and motor’s weight, the weight of the rotor, as the main part of the motor, should be minimized. Rotating speed, high temperature working condition, high temperature gradient, and the demand for minimum weight, imply serious restrictions on the design of rotor, especially turbine’s rotor. On the other hand, the strength analysis is prior to the study of rotor’s life because, to assess the cyclic loading, first the static one should be investigated. The aim of this study is to optimum the weight of a turbine integrally bladed disk (blisk) of a mini turbojet engine. Aero thermodynamic design parameters such as geometry, blades’ number and location, aerodynamic loads’ distribution, temperature and pressure distribution on the rotor, and rotating speed are the input parameters of the optimum design problem of the rotor’s disk under strength and geometrical constraints. To do so, numerical programs for design, analysis and optimization of the disk is developed and the obtained results are validated through previous ones in the literature. In addition, the structure of a special mini turbojet engine is designed in an optimum manner.