Geri Dön

The effect of twist distribution on rotor performance and its applications on rotor blades

Burulma açısının rotor performansı üzerindeki etkisi ve rotor kanatlarında burulma açısı değişimi uygulama yöntemleri

PDF İndir

  1. Tez No: 953788
  2. Yazar: TACETTİN SANCAK
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ÖZGE ÖZDEMİR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  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: 93

Özet

Havacılık endüstrisi, tarihi boyunca durmaksızın gelişmiş ve her dönemde yeni teknolojilerle evrimini sürdürmüştür. Bu dönüşümün temelinde sabit kanatlı uçakların geliştirilmesi yatmakta olup, bu noktadan itibaren pek çok yenilik araştırılmış ve uygulanmıştır. Her havacılık araştırması, belirli bir ihtiyaca yanıt vermek üzere doğar; sabit kanatlı uçaklardan sonra, havada sabit kalabilme, dikey kalkış yapabilme ve yüksek manevra kabiliyeti sağlama amacıyla dikey uçuş teknolojileri geliştirilmiştir. Helikopterler, hem askeri hem de sivil alanlarda özellikle erişimi zor, uzak veya altyapısı sınırlı bölgelerde operasyonel görevlerin yerine getirilmesinde kritik rol oynar. Arama-kurtarma, acil tıbbi tahliye ve hava destekli yangınla mücadele gibi görevlerde helikopterlerin en büyük avantajı; dikey kalkış-kalkış yapabilme özelliği, yüksek hareket kabiliyeti ve sabit kanatlı hava araçlarının ya da kara araçlarının ulaşamayacağı bölgelere erişim sağlayabilmeleridir. Havacılık alanındaki iyileştirmelerin temel itici gücü, operasyonel maliyetlerin azaltılması ve sistem performansının tüm yönleriyle maksimize edilmesidir. Maliyeti düşürmenin en etkili yollarından biri, hava araçlarının güç tüketimini azaltmak ya da alternatif olarak genel verimliliği artırmaktır. Bu tür iyileştirmeler; yapısal tasarımlarda, aerodinamik yüzeylerde veya itki sistemlerinde gerçekleştirilen yeniliklerle sağlanabilir. Özellikle döner kanatlı hava araçlarında toplam güç tüketimini belirleyen en kritik bileşenlerden biri rotor sistemidir. Rotor performansı, büyük ölçüde kanatların aerodinamik niteliklerine bağlıdır ve bu nedenle rotor aerodinamiğinin optimize edilmesi, helikopterlerde enerji verimliliğini artırma açısından merkezi bir rol oynamaktadır. Aerodinamik verimlilik, tüm hava aracı tiplerinde performansın artırılmasında temel belirleyicilerden biridir. Rotor tasarımında dikkate alınması gereken en önemli unsurlardan biri, kanat açıklığı boyunca yunuslama (pitch) açısının nasıl değiştiğini tanımlayan burulma (twist) dağılımıdır. Bu dağılım, rotor kanadının her bir kesitinde optimum hücum açısı ve kaldırma kuvveti üretimi sağlayarak genel aerodinamik verimliliği artırmak adına hayati bir rol oynar. Kanat burulmasını anlamak ve optimize etmek, havada asılı kalma verimliliğini artırmaya, ileri uçuş performansını iyileştirmeye ve genel enerji gereksinimlerini düşürmeye yardımcı olabilir. Bu nedenle burulma dağılımı, geometrik bir sorun olmasının yanı sıra performans iyileştirme için stratejik bir aerodinamik araç haline gelir. Bu tez, teorik ve hesaplamalı teknikler kullanarak çeşitli burulma dağılımlarının havada asılı kalma ve ileri uçuş sırasında rotor performansı üzerindeki etkisini inceler. Daha sonra, çağdaş rotorlu hava araçları tasarımında pasif ve aktif burulma uygulamaları hakkında radikal bir görüş geliştirir. Kabul edilebilir rotor topolojileri, burulma mekaniğinin sağlam bir şekilde anlaşılması ve bunun güç katsayısını ve indüklenen akışı nasıl etkilediğinin anlaşılmasıyla belirlenebilir. Bu çalışma, MATLAB bilgisayar modellemesi ve helikopter teorisindeki sağlam bir temel tarafından desteklenmektedir. Bu çalışmanın sonuçları yalnızca enerji verimliliğini artırmayı değil, aynı zamanda daha uyarlanabilir, akıllı rotor sistemleri oluşturmaya yardımcı olmayı amaçlamaktadır. Bu tez, klasik aerodinamik teoriyi çağdaş teknik çözümlerle birleştirerek gelecekteki rotorlu hava arçaçları inovasyonu için önemli kazanımlar elde etmeyi hedeflemektedir. Döner kanatlı hava araçlarındaki performans iyileştirmelerinin ardındaki fikri anlamak için helikopter teorisi derinlemesine incelenmelidir. Helikopter hareketlerini açıklamak için başvurulan üç temel aerodinamik prensipten ilki ve en önemlisi Momentum Teorisi'dir. Bu teori, rotor sistemini idealize bir aktüatör diski olarak ele alır ve bu disk üzerinden geçen hava akışının aşağıya doğru yönlendirilmesiyle itki kuvveti üretimini tanımlar. Momentum Teorisi, itki ve güç hesaplamalarında kütle, momentum ve enerji korunumu ilkelerine dayanır. Bu yaklaşım, rotor diskinin yukarısından aşağıya hızlandırılan hava sütununun oluşturduğu net momentum değişimi üzerinden, helikopterin kaldırma ve hareket kapasitesini basit fakat etkili bir şekilde modellemeye olanak tanır. Bir sonraki teoriye Bıçak Elemanı Teorisi (BET) denir ve bu teori, kaldırma ve sürükleme kuvvetleri gibi aerodinamik kuvvetleri türetmek için dönen kanatları ayrı ayrı ele alır. Böylece sorunun üstesinden gelen Bıçak Elemanı Teorisi, bağıl hıza ve hücum açısına bağlı olarak yerel kaldırma ve sürükleme kuvvetlerini hesaplamak için bıçağı küçük radyal parçalara böler. λ Bu iki metodolojiyi birleştirerek BEMT, özellikle eğim açısı boyutsal olmayan radyal konumun bir fonksiyonu olarak gösterildiğinde, kanat bükülmesinin etkisini değerlendirmek için daha kapsamlı ve pragmatik bir çerçeve sağlar. Teoriler artık anlaşıldığından, bükülme dağılımlarının etkisi gösterilebilir. Dağılım türleri, bükülmemiş (düzgün eğim), doğrusal bükülmüş, ikinci dereceden bükülmüş ve ideal bükülmüş kanatlardır. Rotor performansını analiz edebilmek için, farklı burulma dağılımlarına karşılık gelen matematiksel modellerin oluşturulması gereklidir. Bu analizlerdeki temel hedef, indüklenmiş kayıpları en aza indirerek rotor verimliliğini artırmaktır. Bu doğrultuda özellikle dikkat edilen hususlardan biri, rotor diski boyunca mümkün olduğunca homojen bir giriş oranı (λ) dağılımı elde etmektir. Giriş oranı, rotor aerodinamiğinde yaygın olarak kullanılan boyutsuz bir parametre olup, eksenel akış hızının rotor uç hızına oranını temsil eder. Hem klasik Momentum Teorisi'nde hem de Kanat Elemanı Momentum Teorisi (BEMT) yaklaşımlarında merkezi bir rol oynayan bu oran, rotor diski boyunca hava akısının davranışını anlamak ve indüklenen hız ile güç tüketimi ilişkisini doğru biçimde modellemek açısından kritik öneme sahiptir. Gerçek rotorlu hava taşıtı niteliklerini, özellikle de UH-60A Black Hawk ana rotorundan gelenleri kullanarak MATLAB hesaplamalar yapar. Güç katsayıları çeşitli negatif büküm açıları için hesaplanır (örneğin, 0°, -4°, -8°, -10°, -12°) ve sonuçlar negatif bükümlü kanatların havada asılı kalma sırasında güç gereksinimlerini önemli ölçüde azalttığını gösterir. Bulgular, özellikle belirli uçuş koşullarına göre uyarlandığında, bükümün dahil edilmesinin aerodinamik avantajını doğrular. Tez, ilerleyen ve geri çekilen kanatlar nedeniyle giriş akış modelinin eşitsiz döndüğü ileri uçuştaki büküm etkilerine bakar. Büküm dağılımı kaldırma kuvvetini dengelemeye ve titreşimli yükleri azaltmaya yardımcı olur. İleri uçuş koşulları altında gerçekleştirilen simülasyonlar, bükümün verimliliği artırdığını ve rotor dinamiklerini stabilize ettiğini göstermektedir. Rotor davranışını düzenleyen sayısız tasarım bileşeninden biri, rotor kanadı boyunca eğim açısındaki değişim olan büküm oranıdır. Büküm oranını pasif veya aktif olarak ayarlama yeteneği, çeşitli çalışma rejimlerinde gelişmiş uçuş niteliklerine olanak tanır. Tezin amacı, rotorlu uçakların havada asılı kalması ve ileri uçması için gereken gücü azaltmak amacıyla bükümün performans özelliklerini nasıl etkilediğini anlamaktır. Dahası, sonraki amaç aktif büküm oranı kavramlarının nasıl uygulandığını keşfetmektir. Geleneksel (pasif) bükümün yanı sıra, makale uçuş sırasında kanat bükümünün gerçek zamanlı olarak değiştirilmesi için aktif büküm sistemlerini araştırmaktadır. Böylece, mekanik menteşeler veya eklemler gerektirmeden kanat geometrisini değiştirmek için akıllı malzemeler kullanan şekil değiştiren rotor kanatları üretilmektedir. Bu makalede incelenen 2 ana aktif büküm teknolojisi türü vardır. Birincisi Aktif Elyaf Kompozitler (AFC) olarak adlandırılır ve temel olarak gömülü elektrotlar ve piezoseramik malzemelerden oluşur ve önemli düzlem içi deformasyonu nedeniyle yüksek kuvvet uygulamalarında kullanılabilirler. Benzer şekilde, diğer tür Makro Elyaf Kompozitler (MFC) olarak adlandırılır ve çoklu katmanlara (piezoelektrik lifler, kapton film ve epoksi dahil) dayanır ve monolitik seramiklerden daha iyi enerji dönüşüm verimliliği ve daha iyi esneklik sağlar. Aktif Büküm Rotoru (ATR) sistemleri, bu aktüatörleri kompozit kanat yapısına bağlı veya dahil edilmiş olarak içerir. Elektriksel aktivasyon, burulma gerginliği üretmelerine neden olur ve dolayısıyla kanadın eğim açısını dinamik olarak değiştirir. Dağıtılmış aktüasyon, açıklık üzerinde hassas büküm kontrolü sağlar. Avantajları arasında azaltılmış gürültü, titreşim sönümleme ve iyileştirilmiş aerodinamik yükleme performansı bulunur. Aktif Büküm Rotoru (ATR) sistemlerinin performansı, bir dizi kritik tasarım ve entegrasyon parametresine bağlıdır. Bu parametreler arasında aktüatörlerin rotor kanadı üzerindeki yerleşimi ve yönelimi, kompozit malzemenin anizotropik özellikleri, kanat boyunca değişen yapısal sertlik dağılımı ve kontrol sisteminin bant genişliği öne çıkan etkenlerdir. Bu faktörlerin her biri, sistemin dinamik tepkisini, etkin büküm üretimini ve genel aerodinamik verimliliğini doğrudan etkilemektedir. MFC tabanlı (Makro Elyaf Kompozit) aktif büküm çözümleri, bu tür sistemleri entegre etmede yaşanan zorluğa rağmen kayda değer bir vaat göstermiştir. Düşük ağırlıkları, yüksek yorulma dirençleri ve çağdaş rotor kanat üretiminde sıklıkla kullanılan kompozit malzemelerle uyumlulukları bunu çoğunlukla açıklamaya yardımcı olur. Bu tez, hem geleneksel hem de çağdaş büküm uygulama yöntemlerini kapsar. Farklı pasif büküm dağılımlarını modellemenin ve değerlendirmenin yanı sıra, MFC'ler ve AFC'ler (Aktif Elyaf Kompozitler) kullanarak aktif büküm teknolojilerini teorik olarak araştırır. Özellikle zorlu çalışma koşullarında, bulgular, akıllı malzemelerle etkinleştirilen şekil değiştiren rotor kanatlarının, daha iyi çeviklik, daha düşük güç gereksinimleri ve daha düşük akustik imzalar sağlayarak rotorlu taşıt tasarımını değiştirme potansiyeline sahip olduğunu ima eder. Özellikle kanat bükülmesinin önemine odaklanan makale, helikopter rotor aerodinamiğinin kapsamlı bir teorik incelemesiyle başlıyor. Hem havada asılı kalma hem de ileri uçuş koşullarında çeşitli bükülme dağılımları için matematiksel modellerin evrimini ve karşılaştırılmasını teşvik ediyor. Performans etkileri, UH-60A Black Hawk rotor ayarları kullanılarak yapılan simülasyonlar yoluyla değerlendiriliyor. Makale ayrıca şekil değiştiren kanat teknolojileri sunuyor ve aktif bükülme sistemlerinin uygulanabilirliğini teorik ve teknolojik perspektiflerden değerlendiriyor. Sonuçlar, aerodinamik verimliliği iyileştirmeye ve yeni nesil helikopterlerin uçuş menzilini artırmaya çalışan mühendisler ve tasarımcılar için önemli yeni bilgiler sunuyor. Rotorlu uçak şekil değiştiren sistemleri konusunu ilerleten ve esnek kanat tasarımında gelecekteki araştırmalara olanak tanıyan bu çalışma, geleneksel aerodinamik teoriyi modern akıllı malzeme teknolojileriyle birleştiriyor.

Özet (Çeviri)

The long-established industry of aviation has been evolving inexhaustedly throughout the history and the story has to be continued from now on with the new developments. From the fixed-wing aircraft model developed in earlier times in history of the industry, numerous advancements have been investigated. Each investigation had its own reason to improve. Then vertical flight technology came to mind for enabling hovering, vertical takeoff and manoeuvrability. Helicopter rotorcrafts are essential for both military and civilian applications to operate in confined or remote areas. In order to complete missions such as search and rescue and medical evacuation and aerial firefighting, the biggest advantage for helicopters are vertical takeoff, versatility and ability to reach out areas that neither the fixed-wing aircraft nor ground vehicles can go through. The main motivation for improvements in aviation is about lowering the operational cost and maximizing the capacity in every sense. In order to lower the cost, generaly the power consumption of aircraft must be reduced or in a similar way the efficiency must be enhanced. These improvements can occur in structural meaning, in aerodynamic or in propulsive systems. A major contributor to the overall power consumption of rotorcraft is the rotor system, particularly the aerodynamic characteristics of the blades. It is important to say that the aerodynamical efficiency is a key factor to improve a performance for all aircraft types. The aerodynamic loading, lift distribution, and eventually the thrust and power consumption properties of the rotor are directly influenced by the phenomena called twist distribution. A key factor in rotor design is blade twist distribution, which shows the pitch angle variation over the blade span. Understanding and optimising blade twist can help to increase hover efficiency, enhance forward flight performance, and lower overall energy requirements. Twist distribution thus becomes a strategic aerodynamic instrument for performance improvement as well as a geometric issue. In rotorcraft engineering, the importance of customised twist designs grows more as mission profiles get more varied and demanding. This thesis examines the impact of various twist distributions on rotor performance during hover and forward flight using theoretical and computational techniques. Afterwards, It also developes a radical opinion about passive and active twist implementations in contemporary rotorcraft design. The agreeable rotor topologies may be determined by having a solid understanding of twist mechanics and how it affects the power coefficient and induced flow. This work is supported by a solid basis in MATLAB computer modelling and helicopter theory. The results of this study seek not just to increase energy efficiency but also to help create more adaptive, intelligent rotor systems. This thesis hopes to provide significant insights for future rotorcraft innovation by combining classical aerodynamic theory with contemporary technical solutions. In order to understand the idea beehind the performance improvements in rotorcrafts, the theory of helicopter has to be examined deeply. There are three main principles for helicopter motions. First and the most primary is the Momentum Theory, and it basically defines a relation around the actuator disk with the airflow going downwards in order to create a thrust. Momentum Theory treats the rotor as an actuator disc and uses the ideas of mass, momentum, and energy conservation to explore thrust and power generation. Next theory is called Blade Element Theory (BET) and this theory considers the rotating blades individually to derivate the aerodynamic forces such as lift and drag forces. So overcoming the problem, Blade Element Theory divides the blade into tiny radial parts to compute local lift and drag forces depending on relative velocity and angle of attack. By integrating these two methodologies, BEMT provides a more comprehensive and pragmatic framework for assessing the influence of blade twist, especially when the pitch angle is represented as a function of the non-dimensional radial location. Since the theories are now understood, the effect of twist distributions can be demonstrated. Types of distributions are, untwisted (uniform pitch), linearly twisted, quadratically twisted and the ideally twisted blades. Mathematical models of these distributions must be obtained for analyzing the performance values. The major concern is the achieve a homogeneous inflow ratio (λ) distribution in order to reduce losses and increse the rotor efficiency. A key non-dimensional value in rotorcraft aerodynamics, the inflow ratio measures the axial flow velocity across the rotor disc in relation to the rotor tip speed. Fundamental in both momentum theory and blade element momentum theory (BEMT), it is also huge for understanding induced velocity and overall rotor efficiency. Using real rotorcraft attributes especially those from the UH-60A Black Hawk main rotor, MATLAB does calculations. Power coefficients are calculated for various negative twist angles (e.g., 0°, -4°, -8°, -10°, -12°), and the results show that negatively twisted blades significantly lower power requirements during hover. The findings confirm the aerodynamic advantage of include twist, particularly when tailored for specific flight circumstances. The thesis looks at twist effects in forward flight, when the inflow model turns unequal owing to advancing and retreating blades. The twist distribution helps to balance lift and reduce vibratory loads. Simulations conducted under forward flight conditions show that twist improves efficiency and stabilises rotor dynamics. One of the numerous design components that regulate rotor behaviour is the twist ratio, which is the variation in pitch angle along the rotor blade. The ability to passively or actively adjust the twist ratio allows for improved flying qualities in a variety of operating regimes. The goal of the thesis is to comprehend how twist affects performance characteristics in order to lower the power required for rotorcrafts to hover and fly forward. Moreover, the subsequent aim is to discover how the active twist ratio concepts are implemented. Apart from traditional (passive) twist, the paper investigates active twist systems for real-time modification of blade twist during flight. Morphing rotor blades that use smart materials to change blade geometry without requiring mechanical hinges or joints are thereby produced. There are 2 main types of active twist technologis that investigated throughout this paper. First one is called Active Fiber Composites (AFC) basically consists of embedded electrodes and piezoceramic materials and they are capable to be used in high-force applications due to its significant in-plane deformation. Likewise, the other type is called Macro Fiber Composites (MFC) is based on multiple layers (including piezoelectric fibers, kapton film, and epoxy) and provide better energy conversion efficiency and better flexibility than monolithic ceramics. Active Twist Rotor (ATR) systems include these actuators either attached to or incorporated into the composite blade structure. Electrical activation causes them to produce torsional strain, hence dynamically changing the pitch angle of the blade. Dispersed actuation allows for precise twist control over the span. Benefits include reduced noise, vibration damping, and improved aerodynamic loading performance. There are many important factors that affect how well Active Twist Rotor (ATR) systems work. These include the location and orientation of the actuators, the anisotropic behaviour of composite blade materials, the distribution of structural stiffness along the blade, and the dynamic responsiveness of the control system. Of all the actuation technologies that have been looked into, Macro Fibre Composite (MFC)-based solutions stand out as the most promising. This is mostly because they are light, can withstand a lot of wear and tear, and work well with the fiber-reinforced composite materials that are often used to make current rotor blades. MFC actuators are a good choice for advanced rotorcraft applications because they strike a good compromise between mechanical efficiency and structural adaptability, even if ATR systems can be hard to integrate. This study focusses on the aerodynamic importance of blade twist and starts with a detailed theoretical look at how helicopter rotors work. It helps to create and compare mathematical models that show how different twist distributions work in both hover and forward flight modes. The study uses simulation-based assessments to figure out how the UH-60A Black Hawk rotor settings affect performance. In addition to passive configurations, it also looks into morphing blade technologies and evaluates the practicality of active twist mechanisms from both an engineering and a theoretical point of view. The findings contribute valuable insights for aerospace engineers and designers striving to optimize aerodynamic performance and extend operational range in future helicopter platforms. Ultimately, this work bridges classical rotorcraft theory with modern smart material innovations, paving the way for continued advancements in adaptive blade technologies. Focussing particularly on the relevance of blade twist, the paper starts with a thorough theoretical investigation of helicopter rotor aerodynamics. It promotes the evolution and comparison of mathematical models for several twist distributions in both hover and forward flight conditions. Performance impacts are assessed by means of simulations using the UH-60A Black Hawk rotor settings. The paper also offers morphing blade technologies and evaluates the viability of active twist systems from theoretical and technological perspectives. Examining passive and active twist methods concurrently reveals their unique and relative benefits in enhancing rotorcraft performance. The results offer important new information for engineers and designers trying to improve aerodynamic efficiency and increase the flight range of next-generation helicopters. Advancing the subject of rotorcraft morphing systems and enabling future research in flexible blade design, this work combines traditional aerodynamic theory with modern smart material technologies.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    482483

    Wind energy assessment at Elspiaa Tripoli Libya: Design and performance of horizontal axis wind turbine using blade element momentum theory (BEMT)

    Elspiaa Tripoli Libya'daki rüzgar enerji değerlendirmesi: Blade element momentüs teorisini (BEMT) kullanarak yüksek aksam rüzgar türbininin tasarımı ve performansı

    HAMZA ABO NAMA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Makine MühendisliğiTürk Hava Kurumu Üniversitesi

    Makine ve Uçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    Assist. Prof. Dr. MOHAMED ELMNEFI

  2. Tez No

    39816

    İplik tüylülüğü ölçümünde farklı yaklaşımlar

    Effects of fibre and yarn characterictics for polyester/viscose blends on yarn hairiness

    YEŞİM İRİDAĞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1994

    Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. BÜLENT ÖZİPEK

  3. Tez No

    14348

    Poliester/viskon ipliklerde lif ve iplik özelliklerinin iplik tüylülüğüne tesiri

    Effects of fibre and yarn characteristics for polyester/viscose blends on yarn hairiness

    CEVZA KOÇAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1991

    Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    DOÇ.DR. BÜLENT ÖZİPEK

  4. Tez No

    953859

    Span morphing rotorcrafts: Performance analysis and mechanism selection

    Döner kanatlarda değişken pal açıklığı: performans analizi ve mekanizma seçimi

    ÖYKÜ ETÇİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖZGE ÖZDEMİR

  5. Tez No

    798832

    Multibody simulation of coupled aerodynamics and structural model of a helicopter main rotor

    Bir helikopterin ana rotorunun aerodinamik ve yapısal etkiler dahil edilerek oluşturulmuş modelinin çok gövdeli simülasyonu

    GÜRKAN SERTSOY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Havacılık MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. VOLKAN PARLAKTAŞ

    DOÇ. DR. BARIŞ SABUNCUOĞLU

Geri Dön