Geri Dön

A multi-disciplinary design approach for conceptual sizing of advanced rotor blades

Gelişmiş rotor palalarının kavramsal boyutlandırması için çok disiplinli tasarım yaklaşımı

PDF İndir

  1. Tez No: 754107
  2. Yazar: HASAN İBAÇOĞLU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. AYTAÇ ARIKOĞLU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Havacılık Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Aircraft Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 171

Özet

Rotorlu hava araçları, düşey uçuş kabiliyetleri nedeniyle çok farklı görevleri icra edebilen oldukça başarılı hava araçlarıdır. Ancak, ileri uçuş hız limitleri ve yüksek gürültü seviyeleri bu araçların çok daha geniş alanlarda kullanılabilmesini engellemektedir. Bu nedenle pek çok rotorlu hava aracı üreticisi, bu problemleri aşabilmek için ileri seviyede gelişmiş bileşik rotorlu hava aracı geliştirme projelerine ağırlık vermektedir. Kavramsal tasarım süreci araç geliştirme projelerinin ilk aşamasıdır ve pek çok kritik karar bu aşamada verilmektedir. Dolaysıyla, doğru karar verme mekanizmalarının oluşmasını sağlayacak, ancak kavramsal tasarım sürecini yavaşlatmayacak araç seviyesi tasarım eniyilemesi algoritmalarına ihtiyaç duyulmaktadır. Rotorlu hava araçlarının, özelde helikopterlerin sahip olduğu düşük ileri uçuş hızı, yüksek gürültü seviyesi, yetersiz havada kalış süresi, kararlılık, vs. gibi pek çok problemi aşmak için çeşitli çözümler geliştirilmiş ve uygulanmıştır. Genel olarak bileşik rotorlu hava aracı olarak da ifade edilen bu tip gelişmiş rotorlu hava araçları, bahsedilen problemleri aşabilmek için alışılagelmiş modellerin aksine ek olarak kanat gibi ek taşıyıcı yüzeylere, pervane gibi ek itki sistemlerine, değişken devirli ve/veya eğilebilen rotor sistemlerine sahip olabilmektedir. Bir yandan gelişmiş araç gereksinimleri eniyileme süreçlerinin çok daha detaylı analiz yaklaşımları ile yürütülmesini gerekli kılarken kullanılan ek sistemler eniyilenecek değişken sayısını arttırmaktadır. Halbuki kavramsal tasarım süreçlerinde mümkün olduğunca basitleştirilmiş modeller aracılığıyla araç seviyesi tasarım süreçleri işletilerek kabul edilebilir bir zaman maliyetine ulaşılmaya çalışılır. Ortaya çıkan bu çelişkili durum ile baş edebilecek yeni kavramsal tasarım yaklaşımlarına ihtiyaç duyulması kaçınılmazdır. Bir rotorlu hava aracının rotor sistemi, rotorlu hava araçlarının en önemli, aynı zamanda çoğu probleminin kaynağı olan bileşenleridir. Dolayısıyla rotor palalarının tasarım eniyilemesi kavramsal tasarım sürecinin ana unsuru haline gelmektedir. Diğer taraftan, performans, gürültü ve ağırlık gibi pek çok disiplinin tasarım sürecinde göz önüne alınması gerekliliği sonucu çok disiplinli tasarım eniyileme yaklaşımlarının kullanılması gerekli hale gelmektedir. Aynı zamanda eniyileme yapılacak değişkenlerin farklı disiplinlerde araç karakteristiklerine etki ediyor olmaları tasarım sürecini daha da karmaşık hale getirmektedir. Bu çalışma kapsamında bileşik rotorlu hava araçlarının kavramsal tasarım süreçlerinde kullanılmak üzere aerodinamik performans, gürültü ve yapısal karakteristiklerin dikkate alındığı çok disiplinli rijit rotor palası tasarım ve eniyilemesi metodolojisi üzerinde çalışılmış, çeşitli yaklaşım önerileri getirilmiş ve sürecin çeşitli aşamalarını ihtiva eden yazılımlar ve kodlar geliştirilmiştir. Genellikle kavramsal tasarım aşamalarında basitleştirilmiş pala geometrileri ile araç boyutlandırması gerçekleştirilmektedir. Sabit veter, lineer burulma açısı ve sabit pala kesit geometrisi bu basitleştirmelere örnek olarak verilebilir. Ancak bileşik rotorlu hava aracı gereksinimleri çok daha karmaşık geometriye sahip pala modellerine ihtiyaç duymaktadır. Böylesi karmaşık modellerin kavramsal tasarım aşamasında dikkate alınması projenin en başından itibaren daha doğru kararların alınmasına olanak sağlayacaktır. Geliştirilen pala geometrik modelinde, lineer olmayan veter, burulma açısı, kalınlık oranı, kamburluk oranı ve ok açısı dağılım fonksiyonları aracılığıyla pala tanımlaması yapılmıştır. Polinom ya da üstel fonksiyonlar olarak tanımlanan dağılım fonksiyonlarının katsayıları değiştikçe pala geometrisi de değişmektedir. Dolayısıyla fonksiyon katsayıları tasarım eniyilemesinin değişkenleridir ve süreç neticesinde tasarım isterlerine en uygun pala geometrisini verecek şekilde elde edilmektedir. Pala üzerindeki airfoil dağılımı ise, dağılım fonksiyonlarının her bir pala istasyonu için belirttiği kalınlık, veter ve kamburluk değerlerinden hareketle seçili airfoil ailesinden en uygununun otomatik olarak atanması sonucu belirlenmiş olur. NACA airfoil ailesi bu yaklaşım için en ideal seçeneklerden biri olmakla birlikte amaca uygun herhangi bir airfoil ailesi kullanılabilir. Ara-D airfoil ailesi özellikle pervaneler için örnek olarak verilebilir. Pala elemanı momentum teorisi performans analizleri için son derece hızlı ve yeter doğrulukta çözüm verebilen bir yaklaşımdır. Her bir pala istasyonunda yerel hızların hesaplandığı teoride, ilgili pala istasyonundaki airfoil kesitinin taşıma ve sürükleme karakteristiklerinin doğru hesaplanması oldukça önemlidir. En ideal çözüm, ilgili airfoil için rüzgâr tüneli test sonuçlarından elde edilmiş tablolardan aerodinamik karakteristiklerin okunmasıdır. Ancak kullanılan pala modelinde herhangi bir pala istasyonunda olabilecek airfoil sayısının çok fazla olması bu tip tabloların önceden hazırlanarak sürece dahil edilmesini mümkün kılmamaktadır. Xfoil, airfoil aerodinamik karakteristiklerini hesaplamak için geliştirilmiş açık kaynak bir panel kodudur ve literatürde çok yaygın kullanıma sahiptir. Bu çalışmada geliştirilen modelde, Xfoil yardımıyla elde dilen kesit geometrilerinin ilgili uçuş şartları için taşıma ve sürükleme karakteristikleri otomatik olarak hesaplanabilmektedir. İlgili uçuş şartlarında rotor kontrol açıları kuvvet ve moment denkliklerinin sağlanması suretiyle dengeleme analizleri ile hesaplanır. Altı bilinmeyenli altı denklemin çözümlendiği dengeleme analizleri konvansiyonel haliyle gelişmiş bileşik rotorlu hava araçları için kullanılamaz. Zira kanat, pervane, rotor devir sayısı gibi ek kontrol bileşenleri nedeniyle bilinmeyen sayısı artmaktadır. Dolayısıyla dengeleme analizleri güncellenerek ek kontrol bileşenlerinin hesabını yapmak üzere ilave eniyileme algoritmaları dengeleme analizlerine eklenmiştir. Bu çalışma kapsamında rotor palalarının rijit olması kabulü yapılmıştır. Rijitlik tanımı ise iki şekilde gerçekleştirilebilir. Bunlardan ilki yükler altında pala ucunda olabilecek en büyük deformasyonun rotor yarıçapının % 3ünden daha fazla olmaması olarak kabul edilmiştir. Bir diğer yaklaşım ise pala birinci doğal frekansının dönme devrinin en az üç katı olması şeklindedir. Dolayısıyla yapısal analizler ile rijitlik kısıtının sağlanıp sağlanmadığı kontrol edilirken pala ağırlığının mümkün olan en düşük değerde kalması arzu edilir. Uygun kiriş modeli ile bir boyutlu sonlu elemanlar yöntemi yapısal analizler için hızlı ve yeter doğrulukta sonuçlar verme yeteneğine sahiptir. GEBT lineer olmayan pala geometrilerinin bir boyutlu modellenmesine olanak sağlayan açık kaynak bir boyutlu sonlu elemanlar yazılımıdır ve literatürde pala analizleri için çokça kullanım örneği bulunmaktadır. Ancak bu yazılım analizler için kiriş kesit mekanik özelliklerine ihtiyaç duymaktadır ve kompozit palaların kesit özelliklerinin hesabı oldukça karmaşıktır. VABS yazılımı bu amaçla geliştirilmiş literatürdeki en gelişmiş tekniklerden birini kullanmaktadır. VABS notasyonuna uygun olarak pala geometrik modeli üzerinde mesh modelleri hazırlayarak GEBT ile otomatik olarak birlikte çalışmasını sağlamak mümkündür. Yükler ise her bir ilgili uçuş şartı için performans analizlerinden alınabilir. FfowcsWilliams-Hawkings eşitlikleri rotor sistemlerinin gürültü kestirimleri için standart hale gelmiş analiz yaklaşımlarıdır. Ancak bu eşitliklerin çalışması için pala üzerindeki basınç dağılımlarına ihtiyaç bulunmaktadır ve bu dağılımlar hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri ile elde edilebilmektedir. Fakat, hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri oldukça yavaş ve kavramsal tasarım süreçlerinde kullanıma uygun olmayan analiz yöntemleridir. Öte yandan, indirgenmiş FfowcsWilliams-Hawkings eşitlikleri ile pala elemanı analizlerinden elde edilen yük değerlerini kullanmak suretiyle yükleme ve kalınlık gürültüleri hakkında kestirimde bulunmak mümkün olabilmektedir. Ayrıca ampirik yaklaşımlar ile HSI gürültüsünü de kestirime dahil etmek mümkündür. RSM tabanlı vekil modelleme yaklaşımları, rotorlu hava araçları gibi karmaşık çok disiplinli sistemlerin değerlendirilebilmesi için ideal yöntemlerdir. Çok disiplinli bir eniyileme problemin iki temel sıkıntısı bulunmaktadır. Bunlardan ilki, yüksek değişken sayısı nedeniyle çözüm süresinin çok uzamasıdır. Alternatif DOE teknikleri ile çözüm süresi kısaltılabileceği gibi, kademeli eniyileme yaklaşımı da çözüm süresinin azaltılmasında oldukça etkili olmaktadır. Pala dış geometrsini belirleyen parametreler performans, gürültü ve yapısal karakteristikler üzerinde etkili olduğundan öncelikle bu parametrelerin eniyilemesi ve ardından sadece palanın yapısal karakteristiklerini etkileyen kaplama ve diğer yapısal elemanları temsil eden parametrelerin eniyilemesi tasarım sürecini ciddi miktarda azaltacaktır. Diğer eniyileme sıkıntısı ise yerel eniyilemiş değerler yerine global eniyilemiş değerin tespitidir. SQP ve yanıt yüzeyi tekniklerinin döngüsel olarak birlikte kullanılması ile bu problemin daha başarılı bir şekilde yönetilmesi mümkün olabilecektir. Bahsedilen tüm teknik ve yöntemlerin bir araya getirilerek otomatik çalışacak şekilde entegre edilmesi önerilmiştir. Böylece, gelişmiş bileşik rotorlu hava araçları palalarının kavramsal tasarım aşamasında eniyilemesini etkin bir şekilde gerçekleştirmek mümkün olabilecektir. Ancak her problemde olduğu gibi tasarımcının tasarım uzayını manuel olarak değerlendirmesine, parametre ve kısıt sınırlarının değiştirilmesi ile eniyileme değerlerinin değişimini gözlemlemesine olanak sağlayacak araçlar da oldukça faydalı olmaktadır.

Özet (Çeviri)

Rotorcrafts are versatile vehicles with their unique hovering flight capability. However, their forward flight speed limitations and high noise levels are shortened to their usage in much wider areas. Therefore, the rotorcraft industry working on advanced rotorcraft, which are called compound rotorcrafts, development projects increasingly to overcome these problems. The conceptual design phase is the beginning of a development project where the most critical decisions are taken in this stage. So, vehicle-level optimization algorithms are needed for decision-making to lead the project correctly. On the other hand, simplified low-level approaches must be used during conceptual design optimization because of too many design parameters to avoid impractical solution times. Furthermore, rotorcrafts with advanced rotors require advanced design approaches to obtain superior performance, structural, and noise-level characteristics. Therefore, advanced conceptual design approaches are needed to overcome this contradiction. The rotor is the most critical component, which is also the source of the most problems of a rotorcraft such as lack of performance and noise. Therefore, rotor blade optimization is the main issue in the conceptual design phase at the beginning of a project. A multidisciplinary rigid rotor blade design optimization approach that is suitable for the conceptual design, sizing, and evaluation stages of helicopter development processes is suggested. Performance, structural strength of the blade, and noise-level predictions are considered for the objective function. Blade outer surface and structure are represented by a geometrical model in which the chord, thickness ratio, chamber ratio, and twist distributions along the blade radial stations can be defined as linear or nonlinear functions. The distribution of the number of layers for both skin and spar was also defined in the presented model parametrically. Low-level but sufficient fidelity analysis methods were chosen to be able to reduce the computing time. Performance analysis and sizing of the vehicle were obtained by Blade Element Momentum Theory (BEMT) based in-house developed helicopter sizing code called ROTAP. A trim algorithm for compound helicopters that may have additional lifting surfaces and thrust components is suggested. Airfoil Characteristics are calculated by the well-known panel method code Xfoil. Both these codes are modified and embedded in the code developed for this study. Structural analysis was obtained using the 1D FEM approach. Cross-sectional properties of the composite beam are calculated by VABS and displacements under the loads are calculated by GEBT. Reduced FfowcsWilliams-Hawkings equations are used to estimate loading, thickness, and high-speed impulsive noise levels. A hybrid optimization algorithm is suggested to get optimal results. Sequential Quadratic Programming (SQP) can be used to find local optimal points. And then the global optimal point is searched by RSM over local optimal points iteratively. RSM-based surrogate modeling, evaluation, and optimization tool was also developed for manual inspection of the design space. As a case study, multi-objective aerodynamic performance optimization of aircraft propeller is performed.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    857967

    Innovation management in design-intensive family firms from office furniture manufacturing industry: A dynamic capability perspective from an emerging market

    Ofis mobilyası imalat sanayisindeki tasarım yoğun aile firmalarında inovasyon yönetimi: Gelişmekte olan bir pazardan dinamik yetenek perspektifi

    SELİN GÜLDEN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Endüstri Ürünleri Tasarımıİstanbul Teknik Üniversitesi

    Endüstriyel Tasarım Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖZLEM ER

  2. Tez No

    268495

    A probabilistic conceptual design and sizing approach for a helicopter

    Bir helikopter için probabilistik kavramsal tasarım ve boyutlandırma yaklaşımı

    SELİM SELVİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2010

    Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. İLKAY YAVRUCUK

  3. Tez No

    771317

    Sürdürülebilir kalkınmaya yönelik bir sivil havacılık master plan önerisi

    A civil aviation master plan proposal for sustainable development

    HAKKI BAĞAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Sivil HavacılıkAnadolu Üniversitesi

    Sivil Havacılık Yönetimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FUNDA RANA ADAÇAY

  4. Tez No

    299671

    Görsel peyzaj kalitesinin ?biçimsel estetik değerlendirme yaklaşımı? ile irdelenmesi üzerine bir araştırma

    A research on determination of visual landscape quality based on? formal aesthetic evaluation approach?

    AYŞE AYLİN DİNÇER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Peyzaj MimarlığıAnkara Üniversitesi

    Peyzaj Mimarlığı Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İLKDEN TAZEBAY

  5. Tez No

    765100

    Disiplinlerarası zeminde eleştirel mekânsal pratiklerin denemeci açılımları: Mimari deneme filmi

    Essayistic expansions of critical spatial practices on interdisciplinary terrain: Architectural essay film

    AYGEN EROL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. PELİN DURSUN ÇEBİ

Geri Dön