Geri Dön

Numerical investigation on hub effects of hubless-rim driven propeller

Göbeksiz jant tahrikli pervanelerdeki göbek çapı etkisinin sayısal yöntemler araştırması

PDF İndir

  1. Tez No: 827858
  2. Yazar: ALİ BURAK AŞÇI
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. SERTAÇ ÇADIRCI
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Gemi Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Marine Engineering, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 117

Özet

İnsanlığın ilk başlangıcından bu yana; uzak diyarları keşfetmek, keşfedilen yerlerdeki doğal kaynakları taşımak ve yeni koloniler kurmak amaçlı çeşitli taşımacılık yöntemleri keşfedilmiştir. Bu taşımacılık yöntemlerinden önemli bir kısmını deniz taşımacılığı oluşturmaktadır. Çeşitli diyarlarda, suyun üzerinde hareketi kolaylaştıracak taşıtlar geliştirilmiştir ve bu durum Avrupa kıtası merkezli kolonyalist hareketin yayılmasına yol açmıştır. Deniz ulaştırmacılığın en önemli araçlarından biri gemidir ve gemiler, farklı ülkeler tarafından yüzyıllar boyunca üretilmeye devam edilmektedir. Gemiler; taşımacılık, savaş, yayılmacılık gibi çeşitli görevler için kullanılmakadır ve bu görevler sayesinde çoğu Avrupa ülkesi tarih boyunca yüksek zenginliklere sahip olmayı başarmıştır. Gemiler, genel olarak petrol, kömür ve doğal gaz, gibi çeşitli fosil kaynaklardan elde edilen kimyasal enerjinin, elektrik motoru yardımıyla üretilen elektrik enerjisinin veya her iki combine güç çevriminin; miller vasıtasıyla hareket enerjine çevrildikten sonra şaft mekanizması yardımıyla hareket enerjisinin pervanelere aktarılarak tahrik edilmesiyle hareket eder. Gemilerin boyutu arttıkça yakıt tüketimi artış gösterir, bu yüzden çeşitli güçler üretebilen gemi motorları ve pervaneler geliştirilmiştir. Pervanelerin tahriki sırasında çeşitli mekanik kayıpları gözlemlenir. Bu mekanik kayıpların başında, şüphesiz ki şaft mekanizması yer almaktadır. Motordan aldığı gücü pervaneye aktarırken şaft mekanizmasında verim kayıpları gözlemlenir. Şaftın, pervane ile motor arasında iyi bir merkezleme yapılmaması sonucunda titreşim ve gürültü problemleri oluşarak doğal yaşam alanlarına gözle görülür zararlar verebilmektedir. Ayrıca verim kayıplar ve diğer sorunların yarattığı etkiler yakıt tüketimini artırmakta, bu durum da ulaşım maliyetlerini bir sorun hale getirmektedir. Bununla birlikte, iklim değişimi; tüm dünyayı etkileyen önemli sorunların başında gelmektedir. İklim krizini tetikleyen en önemli etkilerden biri sürekli artış gösteren karbondioksit (CO2) salınımıdır. Ulaşım araçları, CO2 üretmede önemli bir yer kaplamaktadır. Deniz ulaştırmacılığı, uluslarası alanlarda CO2 salınımını artırmada havacılık endüstrisi ile birlikte başı çekmektedir. Çevre sorunlarının yarattığı etkileri en aza indirmek ve gelecek nesillere daha iyi bir dünya bırakmak için ulaşım sektöründe iyileştirme yapmak zorunlu bir hale gelmiştir. Yukarıdaki sorunların ışığında gemi pervanelerin üzerinde oluşan problemlerin etkisini azaltmak amacıyla çeşitli tasarım arayışlarına girilmiştir ve yapıcı bir işbirliğinin sonunda göbeksiz Jant Tahrikli Pervaneler (JTP) geliştirilmiştir. Göbeksiz Jant Tahrikli Pervaneler, genel olarak şaft mekanizması olmaksızın bir elektrik motoruna bağlanan jantın, entegre edilmiş pervaneyi döndürerek tahrik mekanizmasının oluşması olarak özetlenebilir. Jant Tahrikli Pervaneler, şaft mekanizmasının hareket sisteminden çıkarıldığı için daha kolay montajlanabilmesi, verim kayıplarının önlenmesiyle daha az yakıt tüketimiyle daha uzun menzilde hareket edebilmesi, gürültü ve titreşim etkilerinin minimuma inmesi gibi faydaları sayesinde deniz ulaştırma sektöründe tercih edilmeye başlanmış ve bu projelere şirketler tarafından ciddi bir yatırım yapılmaktadır. Göbeksiz Jant Tahrikli Pervanelerin birçok faydası olmasına ragmen hidrodinamik etkiler hakkındaki bilgiler sınırlıdır ve Jant Tahrikli Pervanelerin daha uyumlu bir şeklide çalışması için araştırmalar yapılmasına ihtiyaç vardır, bu yüzden Jant Tahrikli Pervaneler hakkında çeşitli çalışmalar yürütülmüştür. Bu çalışmada, Jant Tahrikli Pervaneler üzerindeki değişen göbek çabı etkisinin nasıl bir hidrodinamik etki yarattığıı ile ilgili sayısal bir araştırma yapılacaktır. Bu çalışmada gerçekleşen sayısal etkilerin, değişen göbek çapları arasındaki ilgileşim ifade edilmiştir. Çalışmada, önceliklikli olarak çeşitli perspektiflerde elde edilen geniş bir literatür araştırmasıyla başlanmıştır. Bu literatür araştırmasında; türbülans modeli değişimi, kanat yapısı değişimi, akış hızı değişimi gibi çeşitli parametrelerin yarattığı sonuçlar irdelenmiş ve bu sonuçların birleşimiyle bir metodoloji oluştulmuştur. Metotdolojik etkiler, değişen beş farklı göbek oranının (0,05, 0,1, 0,15, 0,167 ve 0,25) tasarımına katkıda bulunmuştur. Bu beş farklı tasarım, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden (MIT) elde edilen bir doktora tezi yardımıyla üretilmiş MATLAB tabanlı OpenProp programı yardımıyla oluşturulmuştur. Beş farklı tasarım için değişen pervane parametreleri sisteme entegre edilerek Ka-4 70 pervanesi için tasarımlar oluşturulmuş ve tasarım düzeltmeleri çeşitli Bilgisayar Destekli Tasarım (CAD) programlarında gerçekleştirlmiştir. Tasarım aşamasından sonra Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) simülasyonlarının yürütülmesi için farklı nümerik alanlar oluşturuldu. Akışın ilerlediği alan olarak tanımlanan akış alanı ve dönme işleminin gerçekleştiği alan olan tanımlanan döngü alanı, CFD analizlerinin daha iyi çözülebilmesi amacıyla yaratıldı. Simülasyonun sayısal anlamda çözülebilmesi için literatür taraması sonucunda pervane uçlarındaki duvar kayma gerilmeleri (WSS) etkilerini daha iyi gözlemlemek için SST k-ω türbülans modelinin kullanılması kararlaştırıldı. Simülasyon aşamasına geçmeden önce ağ yapısı için bir yakınsama kriteri oluşturularak ideal sayıda ağ sayısının ve ideal bir ağ yapısının seçilmesi sağlandı. Seçilen ağ yapısı sayesinde daha az zamanla daha iyi sonuçlar alınması hedeflendi. Tüm simülasyonlar Daimi olmayan Reynolds Ortalamalı Navier-Stokes denklemleri (Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes – URANS) yardımıyla yürütülmüştür ve simülasyonalrın yürütülmesi İsveç Ulusal Yüksek Hesaplama Merkezi'nin (Swedish National Infrastructure for Computing- SNIC) süperbilgisyarları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Her bir tasarım için ilerleme oranının 0,1-0,6 arasında 0,1 kademe artırılarak 6 farklı ilerleme oranı için hız profili oluşturulmuştur. Sonuçlar için doğrulara işlemi, Göbeksiz Jant Tahrikli Pervaneler için deneysel bir çalışma olmadığından en yakın bir göbekli pervane tasarımı yardımıyla yapılmıştır. Göbeli pervane çalışmasının deneysel çalışması ile simülasyon sonuçları arasında tork katsayısı, itki kaysayısı ve verim gibi boyutsuz parametrelerin ışığında karşılaştırılarak göbek etkisinin hidrodinamik açıdan pervaneyi nasıl etkilediği sorusu üzerine bir kanıya varılmıştır. Boyutsuz parametreler incelendiğinde tüm tasarımlarda en iyi verimin ilerleme oranı 0,5 için gerçekleştiği görülmüştür. Ayrıca, tork katsayısı ve itki katsayıları açısından bakıldığında göbek çapı artıkça yukarıdaki iki parametrenin de arttığı sonucu fark edilmiştir. Tasarımların; simülasyon sonrası karşılaştırılmaları için pervanenin arkasındaki dönüş mekanizmalarının incelenmesi için farklı mesafelerden elde edilmiş dönümlülük dağılımları, türbülans viskozite oranı dağılımları ve hız profili dağılımları grafikleri oluşturulmuştur. Bu dağılım grafikleri işığında simülasyonlar karşılaştırılmış ve ideal bir simülasyon seçimi yapılmıştır. Tasarımlar, çeşitli parametreler altında değerlendirildiğinde ideal bir tasarımın; göbek oranının 0,167 koşulu olduğu fark edilmektedir. Bu simülasyon işlemlerinden sonra tasarımın optimum bir tasarım olduğunu daha iyi belirlemek amacıyla deniz suyu ve pervane arasındaki hidroelastik etkilerin gözlemlenmesi için Akışkan-Yapı Etkileşimi (FSI) probleminin çözülmesi ve kavitasyon etkilerinin daha iyi incelenmesi gerekir. Bu sayede göbeksiz Jant Tahrikli Pervaneler için makul bir tasarım modellemesi gerçekleştirilerek deniz ulaştırmasında önemli bir aşama kaydedilmesi amaçlanmaktadır.

Özet (Çeviri)

Since the beginning of humanity, various methods have been developed for the interaction of countries with each other. Therefore, people have developed various methods of transportation in order to strengthen political and economic relations, explore new places and access resources in new places. Maritime transportation is one of these prominent methods to create interactions among countries. Thanks to the developments in the field of maritime transport, humanity has made significant progress in numerous fields. Ships have been a widely used vehicles for transportation and ships are generally driven by the shaft-propeller mechanism. Energy occurred from fuel, nuclear or electrical is transferred to propeller via a transmission mechanism. During this drive movement, undesirable problems such as increased fuel consumption, reduced mechanical efficiency and noise may occur and these problems may cause irreversible damage to the shaft mechanism. Besides the effects of climate change dramatically continue to increase and marine transportation sector is one of the causes to emit more CO2 in the world. Therefore, hubless Rim Driven Propellers (RDP) has been developed and used for various marine vehicles in order to prevent above-mentioned problems. The working principle of RDP can be summarized as an electric motor driving the propeller with the help of the rim. However, since hubless RDP technology is a new field of marine researches, information on how changing the dimensions of the hub affects the hydrodynamic performance of the propeller is scarce. In this master's thesis, analyzes were made for hubless RDP design with five different hub ratios (0.05, 0.1, 0.15, 0.167, 0.25) by means of various dimensionless parameters to monitor the performance effects of the propeller. Ka4-70 propeller was selected for these five designs. They were solved numerically benefiting from Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes equations (URANS) and Shear Stress Transform (SST) k-ω turbulence transport equations. Numerical operations were handled on the finite volume method solver Simcenter STAR-CCM+ solver, using the Rigid Body Motion (RBM) approach. The Computational Fluid Dynamics (CFD) results have been conducted in terms of non-dimensional parameters such as thrust coefficient (KT), torque coefficient (KQ), and efficiency (η) ranging from 0.1 to 0.6 advance ratio (J) for 600 rpm. It was monitored that KT, KQ, and η increased as the hub ratio increased under a certain rotation speed until the hub ratio =0.167. Due to no experimental data for hubless RDP, validation studies were able to conduct with hub type propeller. Accordingly, an ideal propeller configuration can be determined by comparing numerical results and experimental data.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    556206

    Parametrik oluk yapısının eksenel gaz türbinlerindeki aerodinamik performansa etkisinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile incelenmesi

    Investigation of the effect of the parametric casing grooves on aerodynamic performance in axial gas turbines by using computational fluid dynamics

    ANIL BERK ATALAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU

  2. Tez No

    821143

    Sönümleyici parçacık yerleştirilmiş sandviç yapıların dinamiği ve titreşim özelliklerinin incelenmesi

    Investigation of dynamics and vibration properties of sandwich structures with particle damper

    OSMAN YİĞİD

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine MühendisliğiFırat Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ORHAN ÇAKAR

  3. Tez No

    637410

    Kompresör çark tasarımına etki eden parametrelerin incelenmesi

    Investigation of compressor impeller design parameters

    EDA BİLGİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ HİKMET ARSLAN

  4. Tez No

    789609

    Sıkı geçme bağlantılarında çentik etkisinin sayısal olarak incelenmesi

    Numerical investigation of the notch effect in interference fit connections

    NAZLI AŞKIN ARIKAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine MühendisliğiAkdeniz Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. VOLKAN KOVAN

  5. Tez No

    833155

    Optimization of sweep and lean angles of a compressor blade using CFD and artificial neural network

    CFD ve yapay sınır ağı kullanarak bır kompresör palinin sapma ve eğik açılarının optımızasyonu

    ARMAĞAN KÖKSAL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Havacılık ve Uzay MühendisliğiAnkara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi

    Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUNİR ALİ ELFARRA

Geri Dön