Geri Dön

Modeling of a closed-loop lubrication system for a turbofan engine and active control of bearing temperatures

Turbofan motorda kapalı döngü yağlama sisteminin modellenmesi ve rulman sıcaklıklarının aktif kontrolü

  1. Tez No: 1016226
  2. Yazar: YASİN İNCE
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İLHAN KOCAARSLAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Savunma ve Savunma Teknolojileri, Aeronautical Engineering, Mechanical Engineering, Defense and Defense Technologies
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Enerji Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Günümüz modern havacılık ve uzay endüstrisinde, gaz türbinli motor teknolojilerine yönelik beklentiler ve tasarım kısıtlamaları, geçmiş on yıllara kıyasla çok daha zorlu ve çok boyutlu bir yapıya evrilmiştir. Mevcut pazar talebi ve sertifikasyon otoritelerinin gereksinimleri; daha yüksek itme-ağırlık oranlarına (thrust-to-weight ratio) ulaşılması, özgül yakıt tüketiminin (SFC) düşürülerek yakıt ekonomisinin radikal biçimde iyileştirilmesi ve motor bileşenlerinin operasyonel ömürlerinin (Time Between Overhaul - TBO) uzatılması ekseninde şekillenmektedir. Bu denli agresif performans hedeflerini karşılayabilmek, motor mimarisi içerisindeki alt sistemler üzerinde benzeri görülmemiş termodinamik ve mekanik baskılar oluşturmaktadır. Bu bağlamda, artan motor devirleri, yükselen kompresör çıkış sıcaklıkları ve kompakt tasarım zorunlulukları, motorun en kritik yaşam destek ünitesi olan yağlama ağında (lubrication network) yönetilmesi gereken termal ve mekanik stres seviyelerini katlanarak artırmaktadır. Bir turbofan motorun karmaşık termodinamik döngüsü içerisinde, yağlama sisteminin motor sağlığı, uçuş güvenliği ve verimlilik açısından hayati kabul edilen iki temel fonksiyonu bulunmaktadır. Birincil ve en bilinen işlev; yüksek hızlarda (10.000+ RPM) dönen şaftlar, dişli kutuları ve hassas rulmanlar gibi metal bileşenler arasında sürekli ve kararlı bir hidrodinamik film tabakası oluşturmaktır. Bu film tabakası, metal-metal temasını engelleyerek sürtünme katsayısını minimize etmekte, yüzey aşınmalarını önlemekte ve korozyon oluşumunun önüne geçmektedir. İkinci ve modern yüksek performanslı motorlar için çok daha kritik hale gelen işlev ise termal yönetimdir. Özellikle kalkış (take-off) ve tırmanma (climb) gibi yüksek güç gerektiren uçuş rejimlerinde, rulman yataklarında (bearing chambers) hem viskoz sürtünme (shear stress) hem de çevre bileşenlerden (türbin diskleri ve yanma odası) gelen ısı transferi (heat soak-back) sonucu muazzam miktarda atık ısı açığa çıkmaktadır. Yağlama sistemi, bu termal yükü absorbe ederek sistemden uzaklaştırmak ve malzemelerin yapısal bütünlüğünü korumakla yükümlüdür. Ne var ki, günümüzde ticari ve askeri havacılıkta yaygın olarak kullanılan geleneksel motor tasarımları, hidrolik güç aktarım mekanizmalarındaki yapısal ve kinematik kısıtlar nedeniyle bu artan termal yönetim ihtiyacına cevap vermekte yetersiz kalmaktadır. Bu yetersizliğin kök nedeni, ana yağ besleme pompası ile yüksek basınçlı motor şaftı (HP Shaft) arasında, Aksesuar Dişli Kutusu (Accessory Gearbox - AGB) üzerinden kurulan doğrudan ve sabit oranlı mekanik bağlantıdır. Bu tez çalışmasında detaylıca analiz edildiği ve diyagramlarla ortaya konulduğu üzere, söz konusu mekanik ilişki, yağ akış debisinin motor devri (RPM) ile doğrusal, rijit ve değiştirilemez bir korelasyonla artmasına neden olmaktadır. Bu lineer“RPM'e bağımlı”yapı, termal yönetim açısından çözülmesi zor paradokslar doğurmaktadır: Motorun rölantide (ground idle) çalıştığı, ancak sıcak motor bloğu nedeniyle soğutma ihtiyacının devam ettiği durumlarda pompa yetersiz debi üretmekte ve risk oluşturmaktadır. Tam tersine, motorun en yüksek devirlere çıktığı uçuş fazlarında ise sistem, rulmanların gerçek soğutma ihtiyacının çok üzerinde“aşırı yağlama”(over-lubrication) yapmaktadır. Bu durum, motordan gereksiz yere mekanik güç çekilerek parazitik enerji kayıplarının artmasına ve dolayısıyla yakıt tüketiminin olumsuz etkilenmesine yol açmaktadır. Daha da önemlisi, rulman haznesi içine gönderilen aşırı yağ, yüksek devirli bilyalar tarafından şiddetli bir şekilde çalkalanmakta (churning); bu da akışkanın hava ile karışarak köpürmesine (aeration), iç sürtünme kaynaklı ekstra ısı üretimine ve yağın kimyasal yapısının bozularak (thermal degradation) kullanım ömrünün kısalmasına neden olmaktadır. Söz konusu yapısal verimsizlikleri ortadan kaldırmak ve yeni nesil motorların termal ihtiyaçlarına adaptif bir çözüm sunabilmek amacıyla bu tez çalışması kapsamında, yüksek bypass oranlı modern bir turbofan motorunun hem ön (fan/kompresör) hem de arka (türbin) rulman yataklarını besleyen kapalı devre bir yağlama sisteminin termohidrolik karakteristiği derinlemesine incelenmiştir. Çalışmada, havacılık ve otomotiv endüstrisinde modelleme standardı olarak kabul gören Siemens Simcenter Amesim yazılım platformu kullanılarak sistemin yüksek doğruluğa (high-fidelity) sahip, tek boyutlu (1D) sayısal bir modeli inşa edilmiştir. Geliştirilen bu kapsamlı model; atmosferik basınç altındaki yağ rezervuarı, pozitif deplasmanlı dişli pompalar, filtreleme elemanları, basınç kayıplarına neden olan boru hatları, valfler ve sistemin termal dengesini sağlayan Yakıt Soğutmalı Yağ Soğutucu (FCOC) gibi kritik bileşenlerin her birinin fiziksel davranışlarını, akış dinamiğini ve basınç-debi ilişkilerini gerçeğe en yakın şekilde simüle etmektedir. Model, sistemin farklı irtifa ve sıcaklık koşullarındaki tepkilerini analiz etmeye olanak tanıyan parametrik bir altyapıya sahiptir. Bu tez çalışmasının literatüre ve mühendislik pratiğine sunduğu en özgün katkı; onlarca yıldır kullanılan verimsiz“pasif akış kontrolü”stratejisini tamamen ortadan kaldıran, bunun yerine motorun anlık termal ihtiyacına göre debiyi milisaniyeler içinde ayarlayabilen yenilikçi bir“Aktif Kontrol”(Active Control) mimarisinin tasarlanmasıdır. Önerilen bu tasarımın merkezinde, sistemin ana besleme hattına entegre edilen, akış kesit alanı elektronik olarak değiştirilebilen bir oransal kontrol valfi (proportional valve) bulunmaktadır. Bu akıllı valf sistemi, rulman yatağını terk eden tahliye yağının (scavenge oil) sıcaklığını sensörler aracılığıyla sürekli olarak izleyen ve bir kapalı çevrim geri besleme döngüsü (closed-loop feedback) ile çalışan, sisteme özel olarak optimize edilmiş bir PID (Oransal-İntegral-Türev) kontrol algoritması tarafından yönetilmektedir. Kontrolcü, anlık ölçülen sıcaklık ile referans hedef sıcaklık arasındaki hata payını analiz ederek valf açıklığını dinamik olarak optimize etmekte ve rulmanları soğutmak için gereken“tam ve en uygun”yağ miktarının gönderilmesini sağlamaktadır. Bu sayede, yatağa iletilen yağ debisi, motor devrinin (RPM) boyunduruğundan tamamen kurtarılarak (decoupling), sadece termal yüke endekslenmiş bağımsız ve yönetilebilir bir değişkene dönüştürülmüştür. Geliştirilen bu akıllı kontrol stratejisinin etkinliği, kararlılığı ve güvenilirliği; taksi, kalkış, tırmanma, düz uçuş (cruise), alçalma ve iniş gibi gerçekçi bir uçuş profilini temsil eden geniş kapsamlı geçici (transient) motor devri senaryoları altında test edilmiş ve doğrulanmıştır. Simülasyon sonuçlarının detaylı karşılaştırmalı analizleri, önerilen aktif sistemin, referans alınan pasif sisteme kıyasla performans ve verimlilik açısından belirgin üstünlükler sağladığını somut verilerle ortaya koymuştur. Geleneksel pasif kontrol stratejisinin uygulandığı senaryolarda, artan motor devriyle birlikte rulman sıcaklıklarının kontrolsüz bir şekilde yükseldiği, dalgalandığı ve malzeme limitlerini zorladığı gözlemlenmiştir. Buna karşın, önerilen aktif kontrol stratejisi; motorun yük durumu ve ortam koşulları ne olursa olsun, tüm simülasyon döngüsü boyunca tahliye yağı sıcaklığını, yağın viskozite ve yağlama kabiliyetinin en ideal olduğu 140°C - 145°C hedef aralığında tutmayı genel itibarıyla başarmıştır. Ayrıca, aktif kontrol stratejisi sistem dinamikleri açısından başarılı bir kararlılık (stability) sergilemiş; ani güç değişimlerinde (throttle transient) ortaya çıkan termal salınımları hızla sönümlemiş ve sistemin agresif yükleme koşullarına maruz kaldığı durumlarda dahi sıcaklık aşımını (overshoot) minimum seviyeye indirerek güvenli çalışma zarfını korumuştur. Pasif ve aktif sistemlerde şaftlara göre maksimum rulman sıcaklıkları karşılaştırıldığında düşük basınç şafttaki rulmanlarda yaklaşık %11, orta basınç şaftındaki rulmanlarda %12 ve yüksek basınç şafttaki rulmanlarda yaklaşık %12 sıcaklık düşüşü gözlenmiştir. En dikkat çekici bulgulardan bir tanesi pasif sistemde orta basınç şaftında rulmanların en yüksek sıcaklıklarının ortalaması 170,24 °C iken, aktif sistemde bu değer 148,58°C olacak şekilde iyileşmiştir. Özetle, bu çalışma; havacılık tahrik sistemlerinde pasif yağlama mimarisinden aktif akış kontrolüne geçişin sadece bir tercih değil, artan performans gereksinimleri karşısında bir mühendislik zorunluluğu olduğunu açıkça göstermektedir. Önerilen aktif kontrol mimarisi, turbofan bileşenlerinin termal güvenlik sınırlarına tam uyumunu garanti altına alırken; eş zamanlı olarak parazitik güç kayıplarını azaltarak genel sistem verimliliğini artırmakta, yakıt tasarrufuna katkı sağlamakta ve yağlayıcı akışkanın termal bozulmasını engelleyerek bakım periyotlarının ve komponent ömürlerinin uzatılmasına olanak tanımaktadır.

Özet (Çeviri)

The current demand for turbofans is centered around achieving higher levels of thrust-to-weight ratio, improved fuel economy and longer operating lives. To meet the desired performance requirements of such an engine introduces increasing levels of thermal and mechanical stress on various sub-systems within the engine, specifically the lubrication network. Within the context of a turbofan engine, the lubrication system has two primary functions. The first function is to reduce friction and prevent corrosion among rotating parts. The second function is to remove the considerable waste heat produced within the bearing chamber, particularly during high speed flight regimes. However, traditional engine designs are limited due to an intrinsic inefficiency in the mechanical relationship between the main oil supply pump and the high pressure engine shaft via the Accessory Gearbox (AGB). As illustrated below, this relationship forces a linear correlation where oil flow rates correlate directly with engine RPM. This rigidity causes significant thermal management challenges; whereas, at ground idle the system will be producing insufficient amounts of oil to meet the demands of the bearings, during takeoff and climb phases the system will produce excessive quantities of oil that will result in additional parasitic energy loss and accelerate the degradation of the lubricant through excessive churning of the fluid. To improve upon these inefficiencies, this thesis has provided a thorough analysis of the thermohydraulic characteristics of a closed loop lubrication system designed to provide lubrication to both the front and rear bearing chambers of a high bypass turbofan engine. A high fidelity, one dimensional numerical model was created using the Siemens Simcenter Amesim modeling software. The model accurately simulates the physical behavior of each of the key components of the system including the oil reservoir, the positive displacement pump, the filtration devices and the Fuel Cooled Oil Cooler (FCOC). Furthermore, the model includes an advanced heat generation algorithm that dynamically determines the viscous friction and mechanical loads experienced by the bearings based on shaft speed and uses empirically derived tribological relationships to determine these values. This study has introduced a novel“Active Control”design that replaces the traditional passive flow control strategy with a dynamic flow control mechanism. An important component of this design is the inclusion of a variable area proportional valve located in the hydraulic circuit of the system. This valve is controlled by a custom designed PID control algorithm that continuously measures the scavenge oil temperature exiting the bearing and adjusts the valve position to deliver the exact amount of oil necessary to cool the bearing. Thus, the flow rate of oil delivered to the bearing is decoupled from the engine RPM. The effectiveness of this intelligent control strategy was validated against a wide range of transient engine speed profiles that simulated realistic flight scenarios. Comparative evaluations of the simulation results indicated a clear improvement in system performance compared to the baseline passive control strategy. While the passive control strategy exhibited uncontrolled increases in bearing temperature with increasing engine speed, the proposed active control strategy was able to maintain the scavenge oil temperature at the target value of 145°C during the entire simulation cycle generally. Additionally, the active control strategy exhibited excellent stability, rapidly damped thermal oscillations and minimized temperature overshoot even when subjected to aggressive loading conditions. In summary, this study clearly demonstrates that transition to active flow control will not only ensure compliance with thermal safety limits for turbofan components, but will also lead to improvements in overall system efficiency and lubricant longevity.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    906342

    Pnömatik yapay kas tabanlı üst ekstremite manipülatöründe agonist-antagonist kontrol

    Agonist-antagonist control in a pneumatic artificial muscle-based upper limb manipulator

    FİLİZ ATAK METİNER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. UĞUR ARİFOĞLU

  2. Tez No

    921939

    Sıcak metal şekillendirmede proses kaynaklı kusurların proses performansına etkisinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi

    Experimental and numerical investigation of the effect of process-induced defects on process performance in hot metal forming

    ALİ CEM GÖÇER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MESUT KIRCA

  3. Tez No

    851415

    Closed loop dynamic system identification of a manned classical configuration helicopter

    İnsanlı klasik konfigurasyon bir helikopterin kapalı döngü dinamik sistem tanımlaması

    ILGAZ DOĞA OKCU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET KEMAL LEBLEBİCİOĞLU

  4. Tez No

    346415

    Demontaj hattı dengeleme problemi içeren kapalı çevrim tedarik zincirlerinin bulanık ortamda modellenmesi ve optimizasyonu

    Modeling and optimization of the integrated problem of closed-loop supply chain network design and disassembly line balancing under fuzzy environment

    EREN ÖZCEYLAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Endüstri ve Endüstri MühendisliğiSelçuk Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. TURAN PAKSOY

  5. Tez No

    773682

    TR 81 düzey 2 bölgesinde orman ürünleri sanayiinin endüstriyel simbiyoz potansiyeli ve sürdürülebilir bir ağ tasarımı: Filyos vadisi projesi örneği

    Forest products in TR 81 level 2 region industrial symbiosis potential of the industry and a sustainable network design: Filyos valley project example

    ÖZLEM YILDIZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Endüstri ve Endüstri MühendisliğiBartın Üniversitesi

    Orman Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BÜLENT KAYGIN

    DOÇ. DR. FERDİ KESİKOĞLU

Geri Dön