Turboprop motorlar için akçaağaç tohumu yaprağından esinlenmeli biyomimetik pervane tasarımı - Meşeci, Yunus
Turboprop motorlar düşük hızlarda yüksek itki ve düşük yakıt tüketimi sağladıklarından günümüz havacılık endüstrisinde İHA'lardan yolcu uçaklarına kadar birçok uygulamada en çok tercih edilen tahrik sistemlerinin arasında yer almaktadır. Turboprop motorların itki verimleri, büyük ölçüde tahrik sisteminin en önemli parçalarından biri olan pervanelerin aerodinamik performansına bağlıdır. Bu yüzden, turboprop motor pervanelerinin aerodinamik performansının optimize edilmesi önemli bir araştırma konusu olarak karşımıza çıkmaktadır. Basitçe, bir pervane geometrisi, eksen boyunca farklı hücum açılarında dizilmiş belirli kesit şekline sahip 2 boyutlu geometrilerin birleşiminden oluşan, burulmuş 3 boyutlu model olarak tarif edilebilir. Bu nedenle, pervane tasarımının ilk aşamasının, aerodinamik performans açısından kesit geometrisinin optimize edilmesi olduğunu söylemek mümkündür. Genellikle uygulamada düşük hızlarda makul kaldırma-sürükleme oranı sağladığı bilinen NACA 44 serisi (örn. NACA 4412 ve 4415) kesit geometrileri kullanılmaktadır. Ancak, literatürde, turboprop motorlar için en uygun pervane kesit geometrisinin araştırıldığı kapsamlı bir çalışma bulunmamaktadır. Bu çalışmanın temel amacı, turboprop motorlar için HAD ve FSI analizleri ile alternatif bir pervane kesit geometrisi önermektir. Bu doğrultuda, kesit geometrisine ilişkin tasarım parametrelerinin pozitif hücum açısı (5°) ve düşük uçuş hızı (30 m/s) gibi kritik koşullar altında aerodinamik yükler üzerindeki etkileri HAD analizleri ile detaylı olarak incelenmiştir. NACA dört-dijit serisinde kesit geometrisi, maksimum kamburluk (𝑚), maksimum kamburluk noktası (𝑝) ve kalınlık oranı (𝑡) olmak üzere üç temel tasarım parametresine sahiptir. Bu çalışmada, aynı veter uzunluğu (140 mm) farklı 𝑚, 𝑝 ve 𝑡 değerlerine sahip 120 farklı kesit geometrisi üzerindeki 2- boyutlu sıkıştırılamaz türbülanslı akış durumu sürekli akış koşulu altında HAD ile analiz edilerek aerodinamik yükler tahmin edilmiştir. Türbülans modeli olarak Spalart-Allmaras kullanılmış, referans kesit geometrisi (NACA 4412) üzerinden detaylı ağ bağımsızlık çalışması ve NASA tarafından sunulan deneysel ve sayısal sonuçlar ile doğrulama çalışması yapılmıştır. HAD sonuçları kullanılarak, pervane kesit geometrisi tasarım parametreleri ile aerodinamik yükler arasında cevap yüzey yöntemi ile matematiksel modeller oluşturulmuştur. Daha sonra bu modeller yardımıyla kaldırma kuvvetini maksimum, sürükleme kuvvetini minimum yapacak olası pervane kesit geometrileri çok amaçlı optimizasyon işlemi ile tahmin edilmiştir. Yapılan optimizasyon çalışması neticesinde 𝑚 = 7.8926, 𝑝 = 3.1536 ve 𝑡 = 6.9928 değerine sahip kesit geometrisin NACA 4412'e göre yaklaşık %40,95 daha iyi kaldırma-sürükleme oranı sağladığı belirlenmiştir. Pervane tasarımının ikinci aşamasında ise, optimize edilen kesit geometrisi kullanılıp doğadan toplanan akçaağaç tohumlarının kanat yapıları detaylı olarak incelenerek kanat planformunun tasarım parametreleri ve seviyeleri belirlendi ve optimizasyon yöntemleri ve HAD analizleri sonucunda nihai turboprop pervanesinin 3B katı modeli oluşturulurdu. Son aşamada ise, aerodinamik ve yapısal açıdan en uygun geometriyi elde edebilmek için belirlenen akçaağaç tohum yaprağından esinlenmeli biyomimetik pervane geometrileri, 2000 𝑑/𝑑𝑘 ve 70 𝑚/𝑠 yüksek hız koşulları altında çift yönlü FSI analizleri ile pervane üzerinde oluşabilecek yapısal yükler öngörülmüştür. FSI analizleri sonucunda maksimum gerilme değerinin pervane malzemesi olarak seçilen alüminyum alaşımın akma sınırının altında kaldığı, maksimum deformasyonun milimetre düzeylerinde gerçekleştiği ve pervanenin dinamik yükler altında ömür hesaplaması tespit edilerek, tasarlanan pervane geometrisinin uygulanabilir olduğu sonucuna varılmıştır.