The design of an aircraft engine fan blade based on operational safety regulations in civil aviation
Uçak motoruna kuş çarpması durumu için motor pervanesi kanatlarının sivil havacılık güvenlik yönergelerine uygun tasarımı
- Tez No: 763546
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ZEYNEP PARLAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Konstrüksiyon Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 69
Özet
Uçakların icadından bu yana, uçuşların emniyetli ve güvenilir bir şekilde gerçekleşmesi, yerine getirilmesi gereken en önemli ve öncelikli unsurlardan biri olmuştur. Yakıt tüketimini en aza indirmek ve kaldırma kuvvetlerinden en efektif biçimde yararlanabilmek için bir uçağın mümkün olduğu kadar hafif olması gereksinimi hem tasarım hem de üretim aşamalarında bir dizi zorluğu beraberinde getirmiştir. Sivil havacılık sektörünün ve havayolu şirketlerinin öncelikli amaçlarından birinin kârlı bir iş planına sahip olmak olduğu gerçeğinden hareketle, uçakların satın alım veya kiralanması için gerekli ilk yatırım, yakıt tüketimi, düzenli ve beklenmedik bakım süreçlerinin maliyeti, gerçekleştirecek nitelikli personel istihdamı ve yetiştirilmesi gibi ekonomik kriterler, karlılık ve sürdürülebilirlik açısından önemli faktörlerdir. Dolayısıyla bu alandaki araştırma ve geliştirme çabaları esas olarak sürdürülebilir, güvenli ve düşük maliyetli bir orta yol bulmaya yöneliktir. Sivil havacılığın bir taşımacılık endüstri olarak kara yolu ve deniz taşımacılığına göre nispeten yeni ve daha temelsiz bir kavram olması nedeniyle, kullanılan yöntemlerin eksiklikleri deneme yanılma yaklaşımıyla ortaya çıkmıştır. Hem tasarım hem de işletim yöntemlerinin ilk uygulamaları, uçakların kullanım operasyon ömürleri boyunca güvenli ve düşük maliyetli bir operasyon sunabilmesinin korumasının zorlu bir görev olduğunu göstermiştir. Verimli ve performanslı bir hava aracı tasarlamanın yanı sıra, zorlu çalışma koşullarının başlangıçta belirlenen güvenlik ve güvenilirlik hedeflerinden ödün vermemesini sağlamak yerine getirilmesi gereken en önemli ve en zorlu gereksinimlerden biri olmuştur. Uçakların güvenliğini ve yapısal bütünlüğünü korumanın en önemli yönlerinden biri, hava operasyonları süresince harici nesnelerin uçak ile temas etmesi nedeniyle meydana gelebilecek hasarları engellemek olmuştur. Potansiyel zararlı yabancı unsurların türleri, uçakların operasyon şartlarına ve konumlarına göre farklılıklar gösterebilse de bu tür yabancı unsurların büyük bir bölümünü kuşlar oluşturmaktadır. Uçaklara operasyon sırasında kuş çarpması durumunda uçağın tüm dış yapısı zarar görebilecek olsa da bu çalışma kapsamında motor pervanelerindeki tekil fan kanatlarının durumları incelenmiştir. Kuş çarpması sürecini ve sonrasında uçaklarda gerçekleşebilecek potansiyel hasarları daha iyi anlayabilmek için önceki yıllara ait kuş çarpması istatistikleri incelenmenmiş ve geniş kapsamda analiz yapılabilmesine olanak sunacak en olası senaryolar belirlenmiştir. Kuş ve uçağın göreli hızının maksimum olduğu seyir irtifasında kuş çarpması olaylarının meydana gelme olasılığının, kuşların uçuş irtifasında barınabilme ihtimalinin düşük olması nedeniyle inceleme altına alınmamıştır. Uçuşun kalkış ve tırmanış aşamalarından elde edilen veriler bu sebep nedeniyle daha yakından incelenmiştir. Simülasyonları gerçekleştirmek için bilgisayar destekli mühendislik yazılımı ABAQUS kullanılmıştır. Referans kuş modeli, önceki kuş çarpması olaylarının geçmişine ve konuyla ilgili literatür taramasına dayalı olarak tasarlanmıştır. Çarpışma modelinin doğru kurulduğunu ve darbe hasarının tutarlı olduğunu doğrulamak amacıyla, yaplın literatür araştırmaları kapsamında tespit edilen hem analitik hem pratik çarpışma analizi sonuçları içeren referans bir çalışma tespit edilerek analitik edilerek analik sonuçlar üzerinden karşılaştırma yapılmıştır. Referans çalışmada hazırlanan deney düzeneği; kullanılan mesh boyutu ve sayısı, atılan cismin boyutları, malzemesi ve hızı, hedef olarak kullanılan rijit bloğun boyutları ve malzemesi özellikleri gibi parametreler referans çalışmadaki değerler ile aynı olacak şekilde ABAQUS ortamında yeniden oluşturulmuş ve aynı simülasyon koşullarında yapılan analizler sonucunda %5'ten daha düşük bir hata payı elde edilerek hazırlanan ve hazırlanacak olan deney düzeneklerinin isabetliliği ve hassasiyeti doğrulanmıştır. Yapılan analizin doğruluğunun kullanılan mesh boyutundan bağımsızlığını doğrulamak amacıyla mesh sayılarını arttırarak ve azaltarak 2 ek analiz daha yapılmış ve orijinal mesh boyutlarının kullanıldığı çalışma ile karşılaştırılmıştır. Mesh sayısının arttırılmasıyla, deneysel çalışma sonucunda elde edilen değerlere daha da yaklaşılarak hata payı azaltılsa da analizlerin tamamlanması için gerekli sürenin büyük ölçüde artması sebebiyle gelecek analizlerde orijinal mesh boyutlarına sadık kalınmasına karar verilmiştir. Pervane kanatlarının tasarımını, bir kanadın operasyona devam edemez duruma gelmeden ne kadar darbe hasarına karşı koyabileceğine göre optimize etmek olan bu çalışmanın ana odak noktası olmuştur. Kuş çarpması olayının kanatlara olan etkisinin kanatların pervane göbeğinden uzak bölgelerinde maksimum olması nedeniyle çarpışma bölgesi bu durum göz önüne alınarak belirlenmiştir. Pervane kanatlarındaki hasarı azaltma metotlarının araştırıldığı bu çalışma kapsamında 1.8 kg ve 3.6 kg ağırlıklarına sahip 2 farklı kuş modeli tasarlanarak 7 farklı kanat modeli ile çarpıştırılmıştır. Kanat modelleri genel anlamda benzer tasarım felsefelerine sahip olsa da kanat dibinden ölçülen yüksekliğinin %80 olduğu bölgedeki profillerin açıları değiştirilerek çarpışma sırasında farklı hücum açılarına sahip olmaları sağlanmıştır. Bu sayede, an itibariyle sivil havacılıkta kullanılmakta olan turbofan motorların motor kanatlarına benzer bir tasarım korunmakla birlikte, hücum açısının arttığı ve azaldığı durumlarda kanatlarda meydana genel hasarların incelenmesi hedeflenmiştir. Yapılan analizlerde malzemelerin hasar dinamikleri simülasyona aktarabilmek amacıyla Johnson-Cook hasarı parametreleri kullanılmıştır. İncelenecek olan çarpışmaların yüksek hızda gerçekleşmesi sonucunda ortaya çıkan yüksek gerilme değerleri, kuş modellerinde kullanılacak malzemenin çarpışma sırasında sıvı karakteristiğine bürünmesini sağlayacağından, kuş modelleri düzleştirilmiş tanecik hidrodinamiği (SPH) metotları kullanılarak oluşturulmuştur. Motor kanatlarında meydana gelen ön kenar ve orta bölüm hasarına odaklanan simülasyonlar, kanadın %80 yüksekliğindeki profil açısının arttırılmasının plastik deformasyon dayanıklılığı açısından önemli iyileştirmeler sağladığını göstermiştir. Kanat yüzeylerinde izin verilen toleransların genellikle milimetrenin kesirleri ile tanımlandığı gerçeği göz önüne alındığında, deformasyon dayanıklılığındaki iyileştirmeler hem motor üreticileri hem de havayolu işletmecileri için önemli finansal kazanımlar anlamına gelmektedir. Mevcut çalışma kapsamında pratik bir test ortamına erişimin olmaması ve numune olarak kullanılacak bir motor kanadı elde etmenin maliyetinin finansal açından erişilebilir olmaması nedeniyle, çarpışma testleri bir simülasyon ortamı ile sınırlandırılmıştır. Kanat geometrisini değiştirmenin olası aerodinamik etkisi bu çalışmanın kapsamının dışında tutulmuştur.
Özet (Çeviri)
Since the invention of airplanes, maintaining safe and reliable flights have been one of the prioritized factors to be ensured. The requirement of an aircraft being relatively lightweight to minimize fuel consumption and take advantage of the lift forces brought a series of challenges during both the design and manufacturing stages. Considering the fact that the civil aviation industry has a general purpose of having a profitable business plan, economic criteria such as initial investment of purchasing an aircraft, fuel consumption, cost of regular and unexpected maintenance periods, and employing and training qualified staff to carry out the maintenance actions are important factors hence research and development efforts in this area are mainly geared towards finding a sustainable, safe and affordable middle ground. As civil aviation as an industry is relatively a new and unfounded concept compared to land route and naval transportation, the majority of the shortcomings of the methods used became known during the trial-and-error approach. Early implementations of both the design and operation methods showed that maintaining the integrity of the aircraft is a challenging task. Apart from engineering an efficient and performant aircraft, ensuring that the harsh operation conditions do not compromise the safety and reliability targets initially set. One of the most important aspects of maintaining the aircraft's safety and structural integrity is preventing external objects from contact in contact with the airplane's exterior. While the types of potentially harmful foreign objects may differ with operational conditions and location, the majority of the objects are globally problematic such as debris, dust, and most importantly birds. In order to have a better understanding of the nature of bird strike events, bird strike statistics from the previous years are examined and the most likely scenarios that may cover the widest scope are determined. Considering the fact that the probability of a bird strike event happening at cruise altitude where the relative velocity of the bird and the airplane is at maximum, is very low even though it is the most harmful scenario; data from the take-off and climb stages of the flight are examined more closely. The computer-aided engineering software ABAQUS is used to perform the simulations. The reference bird model is designed based on the previous bird strike event history and literature review on the subject. In order to validate that the impact model is set up correctly and the impact damage is accurate, a reference aluminum plate with 4 different thickness values was struck with the reference bird model. The primary focus of this study, which is optimizing the design of the fan blades based on how much the impact damage a blade can withhold without being rendered inoperative, was targeted toward optimizing the leading-edge design of the blade at the %80 of height from the fan hub which is where most of the bird strike impacts affect. Within the scope of this study, in which the methods of reducing damage to the fan blades are investigated, 2 different bird models were designed and collided with 7 different fan blade models at 2 different sections. Although the wing models have similar design philosophies in general, the angles of the profiles in the region where the height measured from the wing base is 80% have been changed so that they have different angles of attack during the collision. In this way, although a design similar to the engine blades of turbofan engines currently used in civil aviation is preserved, it is aimed to examine the general damages that occur on the fan blade surface when the profile angle increases or decreases.
Benzer Tezler
- Bir turbofan motor fanının yapısal davranışının incelenmesi ve optimizasyonu
Structural behavior and optimization of a turbofan engine fan
TAHİR SOYUGÜZEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU
- Eksenel akışlı fan tasarımı
Axial flow fan design
MESUT ÇALIŞKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FIRAT OĞUZ EDİS
- Geçiş kanalları ile kanal içi pervane sistemleri üzerinde pasif akış kontrolü sağlanması ve performansının değerlendirilmesi
Passive flow control over a duct and ducted fan and evaluation of the performance
YÜCEL ORKUT AKTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik ÜniversitesiDisiplinlerarası Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. DUYGU ERDEM
- A multiscale approach to understand the effects of design parameters on the elastic behavior of 3D orthogonally woven composites
3B ortogonal dokuma kompozit yapıların geometrik parametrelerinin yapının elastik davranışına etkisinin incelenmesi
HİLAL ERKOÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜLYA CEBECİ