Structural design and optimization of bearingless helicopter tail rotor system
Yataksız helikopter kuyruk rotor sisteminin yapısal tasarımı ve optimizasyonu
- Tez No: 841228
- Danışmanlar: PROF. DR. VAHİT MERMERTAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Dinamiği, Titreşimi ve Akustiği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 159
Özet
Bu çalışmada, helikopter kuyruk rotoru için yataksız bir rotor sisteminin tasarımı ve optimizasyonu üzerinde durulmuştur. Çalışmanın amacı, helikopter kuyruk rotorlarında artiküle, yarı artiküle ve mafsalsız rotor sistemlerinde kullanılan çırpınma, ilerleme - gerileme ve hücum açısı yataklarını ortadan kaldırmaktır. Yataksız rotor sisteminin en büyük avantajlarından biri bakım işlemlerinin azalmasıdır. Uçakların belirli bir uçuş saatinden sonra kontrol edilmesi gerekir hatta parça birincil taşıyıcı yapılardan biri ise bazen her uçuştan sonra kontrol edilmesi gerekir. Bu çalışmada geliştirilen yataksız rotor, sistemin genelinde kullanılan parça sayısını azaltmakta ve bu sayede uçuş sonrası kontrol sıklığını düşürerek uçağın daha fazla havada kalmasını sağlamaktadır. Bakım periyodu ve süresi, şüphesiz ister askeri ister sivil havayolu şirketlerinin üzerinde en çok durduğu ve bir uçağı en fazla ve en efektif yollar ile nasıl havada tutabiliriz sorusunun cevaplanması açısından önemli. Yataksız kuyruk rotor sisteminin bir diğer büyük avantajı ise yine daha az parça kullanımından kaynaklanan, sistemdeki dinamik durumdaki parça sayısının azlığıdır. Sistemde dinamik durumda parçaların sayısının azalması sistemde operasyon sırasında olası bir arıza ya da hata olmas ihtimalini de azaltarak sistemin güvenilirliğini artırmaktadır. Yine yataksız rotor sisteminin avantajlarında biri olarak sayılabilecek önemli bir unsur ise ses ve titreşim seviyelerinin düşürülmesidir. Bunun da kaynağı, genel olarak sistemden azaltılan parça sayısıdır; bir sistemden ses ve titreşim yaratabilecek ne kadar parça çıkarılabilirse ve gerekli mühendislik çalışmaları yapılırsa, o sistem de daha sessiz ve kararlı çalışacaktır. Diğer bir sebep ise, yataksız rotor pallerinin aerodinamik tasarımı genellikle diğer rotor sistemlerinin rotor pal tasarımlarından daha az türbulansa sebep olur ve sonuç olarak bu da daha az ses üretilmesine katkıda bulunur. Ayrıca, bu tip rotor palleri diğer rotor tiplerine göre kıyasla daha sert bir yapıda olur ve bu da rotor palinde daha az yer değiştirme ve sonuç olarak daha az ses üretilmesi ile sonuçlanır. Bu çalışmanın tetikleyicisi olarak, yukarıda sayılan yataksız rotor sisteminin diğer rotor sistemlerine göre sayısız avantajı ve basitliği gösterilebilir. Yataksız rotor sistemi, tarihsel olarak helikopter keşfinin ilk zamanlarında keşfedilmiş olsa da, o zamanın malzeme ve modelleme teknolojisi gerekli seviyede olmadığıdan askıya alınmış ve daha çok artiküle sistemlerin gelişmesine yol açmıştır. Fakat, 1950'lerden beri hızla gelişen kompozit malzeme endüstrisi, tekrardan bu basit ve verimli sistemin gelişimine yol açmış ve yataksız rotor sistemi 1960'ların ortalarından itibaren tekrardan büyük helikopter geliştiricilerinin radarına girmiştir. Şuanda gelişmiş kompozit malzeme endüstrisi, gelişmiş sonlu elemanlar yöntemini baz alan yazılımlar, son derece etkili aerodinamik ve aeroelastik simülasyon programları ve verimli üretim yöntemleri, bu sistemi günümüzde yukarıda sayılan avantajlarından dolayı çok daha verimli bir hale getirmiştir. Havacılık sektöründeki standartları değiştirmek zordur, fakat bu basit, uygun maliyetli ve verimli sistem dünya genelinde gerek büyük helikopter üreticilerini gerekse e-VTOL denilen, elektrik motorları ile dikine kalkış ve iniş yapabilen hava taksisi endüstrisini cezbetmeyi başarmaktadır. Yataksız kuyruk rotoru sistemi tasarımı için gerekli ilk adım, çırpınma, ilerleme – gerileme ve hücum açısı hareketlerini sağlayan mafsalları sistemden çıkarmaktır. Bunun için yapılması gereken tasarım değişikliği, beklenenin aksine, rotor göbeğinin kendisinden değil, rotor palinin tasarımındadır. Geleneksel artiküle rotor sistemlerinde kullanılan bir rotor pali basitçe, taşıyıcı bir omurga yapısı, gerekli aerodinamik yüzeyi sağlayacak üst ve alt kabuk, dengeleme ağırlıkları, burun bloğu, sandviç yapı oluşturmak için genellikle bal peteği yapısı, aşınma kalkanı ve kök tarafını kapatmak amacıyla konulan kapaklardan oluşur. Sistemden çırpınma, ilerleme – gerileme ve hücum açısı mafsallarını çıkarmak için bu hareketlerin hepsini rotor göbeğine bağlanan ara parçada (gerilme bağlantısı) aracılığı ile değil de rotor palinin kendisi ile yapılması hedeflenir. Bunun için de rotor palinin diğer tüm parçaları nerede ise aynı tutularak taşıyıcı omurga yapısı iki farklı parça ile tekrar oluşturulur; elastik kiriş ve tork tüpü. Elastik kiriş, aerodinamik yüklere ve titreşimlere belli seviyelerde eğilmesine ve burulmasına izin verecek esnekliğe ve sertliğe sahip olacak şekilde tasarlanır. Bu esneklik, rotor pallerinin hiçbir mafsala gerek duymadan gerekli seviyelerde eğilip burularak gerekli kontrol girdilerinin yansıtılmasını ve sistemin çalışmasını sağlar. Genel olarak, elastik kiriş, rotor göbeği ve rotor pali arasında gerekli esnekliği sağlayarak motordan gelen torkun gerektiği şekilde pallere aktarılmasını sağlayarak sistemde mafsal kullanılmadan bunun mümkün olmasına yardımcı olan birincil yapıdır. Elastik kiriş tasarımının kompozit malzemeler ile yapılması zorunludur çünkü metalik malzemelerin izotropik özelliği sebebi ile farklı yönlerde farklı yönlendirmeler yapılamamaktadır. En başta söylenildiği gibi, bu yönlendirmelerin yapılması kompzoit malzemeler ile mümkündür ve yataksız rotor sistemi her zaman malzeme teknolojisinin gelişmesi ile eş zamanlı gelişmiştir. Diğer çok önemli birincil yapı ise tork tüpüdür. Elastik kirişin burulma sertliğinin zayıflığından dolayı pilot tarafından iletilen hücum açısı girdileri rotor pali boyunca eşit olarak dağıtılamayabilir. Bu sebeple, hücum açısı girdisinin rotor pali boyunca eşit olarak yapılmasını sağlayacak burulma sertliği elastik kirişe göre çok daha yüksek ara bir parça kullanılmalıdır. Bu işlev, tork tüpü ile sağlanır. Tork tüpü, rotor göbeğinden neredeyse rotor pali sonuna kadar uzanan içi boş ve silindirik bir yapıdır. Elastik kirişin aksine, kompozit malzemeler dışında aluminyum ya da titanyum malzeme kullanılarak da tasarlanması mümkündür. Ayrıca tork tüpü, sadece burulma yönümde sertliği artırmak ile kalmaz, rotor göbeğine de yapısal destek sağlayarak rotor sistemin yapısal bütünlüğünü korumaya da yardımcı olur. Bunların yanı sıra, tork tüpü, rotor sisteminin çalışması ve kontrolü için gerekli hidrolik ve elektrik kablo hatları için de bir kanal görevi görür. Sistemde herhangi bir yatak olmadığından tork tüpü herhangi bir mafsal ya da yatağa yükünü direkt aktarmak yerine yükleri doğrudan rotor göbeğine dağıtır. Görüldüğü üzere, tüm yatak, mafsal ve ara parçaları dışarıda bırakmak için geleneksel rotor omurgası elastik kiriş ve tork tüpü olarak iki parçaya ayrıldı. Elastik kiriş ve tork tüpü aynı zamanda tüm yataksız rotor sisteminin en ağır parçalarıdır. Bu nedenle, yatak, mafsal ve ek parçaların sistemden çıkarılması ile kazanılan ağırlık kazanımı bu iki parçanın yapısal olarak iyileştirmesi ile desteklenmiştir. Bu iyileştirme süreci, üretim ve güvenilirlik kısıtları dikkate alınarak ilerlemiştir. İyileşirme çalışmasından önce, ortaya basit olarak bir yük seti ortaya koymak için tüm rotor sistemi parçaları için ön bir temel tasarım oluşturulmuştur. Bu temel tasarımlar, gerçekte beklenilen parça boyutlarından daha çok az bir derecede daha büyük tasarlanarak olağan standarların ötesinde bir tasarım elde edilmiştir. Bunun amacı, yükleri hesaplarken uygulanabilecek gerçekçi ve en azından bir güvenlik katsayısı ile büyütülmüş bir yük grubu olmasıdır. Bu başlangıç tasarımı kullanılarak atalet, merkezkaç ve aerodinamik yükler hesaplanır ve daha sonrasında iyileştirme aşamasına bir girdi olarak yansıtılır. Bu çalışmada, rotor göbeği, hücum açısı bağlantısı, yalpalama plakası gibi rotor göbeği parçalarının yanı sıra elastik kiriş, tork tüpü, elastik damper, aerodinami yüzeyi sağlayacak sandviç laminat ve denge ağrılığı gibi gerçek bir rotor sisteminde kullanılan parçalar uzun literatür ve muadil helikopter tasarımları incelenerek tasarlanmıştır. Bu tasarımlar, genellikle yataksız rotor sistemi ile alakalı makale ve bildirilerin yanı sıra halihazırda Sikorsky şirketinin en başarılı helikopterlerinden ikisi olan S-70 ve S-92 modelinin kuyruk rotorunda kullanılan yataksız rotor sisteminden faydalanarak yapılmıştır. Bu helikopterlerin baz alınmasının temel sebebi uzun yıllardır yataksız kuyruk rotor sistemi ile herhangi büyük bir sorun yaşamadan uçmuş ve sistemin etkisini ve güvenilirliğini göstermiştir. Elastik kiriş ve tork tüpünün iyileştirme çalışması, kompozit parçaların iyileştirilmesi için Altair firması tarafından geliştirilen özel bir yazılım kullanılarak yapılır. İyileştirme çalışmasından önce temel modelleri oluşturduktan sonra analiz kurulumuna geçilebilir. Analiz için gerekli kurulumu yaparken tüm rotor sisteminin çalışma koşulları ve kısıtları modele uygulanır ve ayrıca yükler için uygulanma noktaları bu sayede sisteme yansıtılır. Analiz kurulurken dikkat edilmesi gereken en önemli noktalardan birisi kısıtlar ve yük uygulama noktaları için doğru ve etkili eleman kullanılıp kullanılmadığının kontrol edilmesidir. Bu kontrol, bazı basit durumları analiz kurulumuna yansıtarak analitik olarak da doğrulanması ile mümkündür. Bundan sonraki aşamada ise, iyileştirme kurulumu için gerekli mühendislik ve üretim kısıtları yazılıma yansıtılabilir. Bu çalışmada, arka arkaya en fazla kaç kat serim yapılacabileceği, parçanın en dışına hangi yönde serim atılabileceği, herhangi bir yönde azalma veya yükselme oranları, denge ve simetri kısıtları, serim kalınlığı, bir yönde en fazla yer değiştirme, gerilim ve sertlik miktarı gibi üretim ve mühendislik kısıtları yansıtılabilir. Bu sayede laminat tasarımı yeterince özelleştirilebilir ve istenilen performans ve işlev üzeyinde lamineler elde edilebilir. Genel olarak bu iyileştirme çalışması üç aşamada gerçekleştirilir; serbest boyut, boyut ve karıştırma iyileştirmesi. Serbest boyut iyileştirmesi laminat elemanlarının kalınlık parametresının değişmesine bağlıdır. Bu esneklik, bu optimizasyon sırasında bir parametre olarak kabul edilir. Genel olarak, katı elemanların optimizasyonu için eleman yoğunluğu yöntemi en iyi yaklaşımdır, ancak kabuk elemanları için yoğunluk açısından katı elemanlar kadar iyi kontrol edilemez. Bu problem, kabuk elemanının kalınlığı değiştirilerek çözülebilir ve bu kalınlık değişikliği, katılar için topoloji optimizasyonu gibi sonuçlar verecektir. Serbest boyut optimizasyonu, yapıdaki yük yolları hakkında da birçok nokta verir. Serbest boyut optimizasyonundan sonra, kullanıcı yük yollarını açıkça görebilir ve yük akışı hakkında yorum yapabilir. Serbest boyut optimizasyonunda her yön kullanılabilir; ancak, 0°, ±45 ve 90° olan ortak ve pazardan rahatça temin edilebilir yönlendirme ile gidilmesi tercih edilir. Boyutlandırma optimizasyonu temel olarak laminat boyunca daha detaylı bir kalınlık ayarıdır. Boyuta göre optimizasyon sırasında, yüzlerce veya binlerce alan manuel olarak takip etmek yerine, farklı alanlar boyunca kat sürekliliğini otomatize edilmiş bir şekilde takip edebilir. Boyutlandırma iyileştirilmesi, her üst katın kalınlığının değiştirilmesini içerir ve yapıda yeni alt katlar oluşturur. Ayrıca iyileştirmenin en başında girilen üretim parametrelerinin de çoğu burada yansıtılarak parçanın farklı bölgelerindeki kalınlıklar hakkında daha detaylı bilgi verir. Diğer bir yandan, boyut optimizasyonu, mukavemet ve imalat mühendisliği gereksinimlerini karşılamak için her bir bölge için tam olarak kaç katın gerekli olduğu sorusunu yanıtlar. Son olarak, karıştırma optimizasyonu, bileşik tasarım optimizasyon prosedüründe, nihai parça imalat gereklilikleriyle karşılaşan olası kat dizilimlerini elde etmek için başta girilmiş olan simetri, balans ve en dış katman oryantasyonu gibi bazı kısıtları kullanarak dizilim anlamında optimize edilmiş laminatı verir. Sonuç olarak, bu üç farklı adımı içeren optimiazasyon döngüsü istenilen mühendislik hedeflerine yakınsayana kadar devam ettirildi ve elastik kiriş ve tork tüpü için iyileştirme çalışması tamamlandı. Sonuç olarak, optimizasyon sonrasında elastik kirişin ağırlığı 8.5 kg'den 3.4 kg'ye düşürüldü. Bu karşılaştırma, en başta yükleri çıkarmak için yapılan konservatif temel tasarım ile parçanın optimizasyon sonrası hali ile yapılmıştır. Ağırlık azaltma karşılaştırması, sonraki iyileştirme adımların etkinliğini görmek için serbest boyut iyileştirmesinden sonra da gerçekleştirilebilir. Bu adım ayrıca, temel tasarım konservatif olduğundan ve temel tasarımdan başlayarak ağırlık azaltmanın karşılaştırılması amaçlandığı gibi bilgilendirici olamayacağından gereklidir. Kısaca, serbest boyut optimizasyonundan sonra, ağırlık cinsinden ilk optimizasyon adımının çıktısı 4 kg'dır. Sonuç olarak, temel tasarıma kıyasla esnek kiriş için %60.35'lik bir ağırlık azalması ve ilk adım optimizasyon çıktısına kıyasla %18'lik bir ağırlık azalması elde edilmiştir. Aynı yaklaşım tork tüpü için de yapılabilir; tork tüpünün temel tasarımı 17.4 kg, ilk optimizasyon adımından sonraki ağırlık 7.7 kg ve tam optimizasyondan sonraki ağırlık 4.8 kg'dır. Bu, temel tasarım ile tam optimizasyon adımı arasında %72.4'lük bir ağırlık azalması sağlarken, optimizasyonun ilk adımı ile tam optimizasyonun sonucu arasındaki ağırlık azalması %37'dir. Ayrıca, yatakların, menteşelerin ve bağlantı bağlantılarının optimizasyonu ve ortadan kaldırılmasından elde edilen ağırlık tasarrufları da dahil olmak üzere genel olarak, genel rotor yapısı geleneksel mafsallı rotor sistemlerine kıyasla %23 daha hafif hale gelir.
Özet (Çeviri)
In this study, it is concentrated on to eliminate flap, lead and pitch bearings that are used in articulated, semi-articulated and hingeless rotor systems in helicopter tail rotors. This can be accomplished by eliminating all bearings and hinges from the rotor hub system and allocating the rotor blade into two main primary structures which are flexbeam and torque tube. Elimination of bearings and links is possible with proper rotor blade design and optimization process. The exclusion of hinges and bearings from conventional rotor system will result in less parts to maintain, lower manufacturing costs, reduced parasite drag, less fuel consumption and a lighter tail rotor system in overall. The flexbeam and torque tube is optimized using a three-stage optimization procedure that comprises free size optimization, sizing optimization, and shuffling optimization. Free size optimization endeavours to create multiple ply design options based on load path and establish the most constructive ply sizing among the options. Through sizing optimization, the thickness of each ply is improved with accuracy, building upon the outcomes obtained from free size optimization. Shuffling optimization is the final stage that involves incorporating design and manufacturing constraints, for example symmetry, balance, and the maximum number of successive plies. After optimization, weight reduction of 72.43% for detail parts and 23.08% for the complete tail rotor system is successfully achieved.
Benzer Tezler
- Rüzgar türbini göbeğinin yapısal tasarımı ve optimizasyonu
Structural design and optimization of wind turbine hub
SERKAN DEMİRCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
Mühendislik BilimleriKocaeli ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MURAT MAKARACI
- Genetic algorithm optimization of space frame
Uzay çerçevelerin genetik algoritma ile optimizasyonu
GHEDAN HUSSEİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
İnşaat MühendisliğiGaziantep Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. NİLDEM TAYŞİ
- Geri dönüşüm makinelerinin parametrik optimizasyon yöntemleriyle yapısal tasarımı
Structural design of recycling machines by means of parametric optimization methods
ÖZER ÖĞÜÇLÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiİZMİR BAKIRÇAY ÜNİVERSİTESİAkıllı Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OĞUZ EMRAH TURGUT
- Design and optimization of shaft bracket of drum brake for heavy duty vehicle
Ağır hizmet araçları için kampanalı fren mil braketi tasarımı ve optimizasyonu
MERT ÇETİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HATİCE SEÇİL ARTEM
- Bir akrobasi uçağının yatay dengeleyicisinin yapısal tasarımı
Structural design of the horizontal stabilizer of an acrobatic plane
MEHMET YAŞARTEKİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Makine MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BORA YILDIRIM