TURBOPROP BİR MOTORA AİT EGZOZ MODÜLÜNÜN HESAPLAMALI VE DENEYSEL ANALİZLERİ

Transkript

1 VI. Ulusal Uçak, Havacılık ve Uzay Mühendisliği Kurultayı Mayıs 2011 / ESKİŞEHİR TURBOPROP BİR MOTORA AİT EGZOZ MODÜLÜNÜN HESAPLAMALI VE DENEYSEL ANALİZLERİ İlhan SARI TUSAŞ MOTOR SANAYİİ A.Ş. (TEI), Çevre Yolu No:356 Eskişehir/TÜRKİYE Tel: ilhan.sari@tei.com.tr Özet: Bu çalışmada, turboprop bir motoruna ait egzoz modülünün, hesaplamalı ve deneysel akış çalışmaları incelenmiştir. Egzoz tasarımında temel karakteristikler olan Cd (Akış Boşaltma Katsayısı), Cv (Hız Katsayısı) ve Toplam Basınç Kaybı parametreleri, çeşitli uçuş koşulları için sayısal ve deneysel olarak incelenmiş ve karsılaştırmalar yapılmıştır. Hesaplamalı akış çalışmaları (HAD) ile deneysel çalışmalar arasında benzerlik ilişkileri kurulmuştur. Hesaplamalı çalışmalar için Fluent ve Gambit yazılımları kullanılmıştır. 1. GEOMETRİ VE TANIMLAR Egzoz modülü üç parçadan oluşan, yerçekimi yönünde 15 lik bir yönelme açısına sahip, ses altı akışlar için tasarlanmış ve yakınsak bir egzozdur (Şekil 1.). Egzozkon diye tabir edilen en içde bir parça, birinci nozzle diye tabir edilen ikinci bir parça ve bu ikisini içine alan ve ikinci egzoz diye tabir edilen üçüncü bir parçadan oluşmaktadır. Egzozkone ve birinci nozzle parçaları, türbin çıkış palelerinin oluşturduğu ana yapıya (OGV) monte edilmektedir ve ana motor akımı bu iki parça arasından geçerek atmosfere atılmaktadır. Şekil 1. Egzoz Modülü A: Egzozkon B: Birinci Egzoz C: İkinci Egsoz D: Türbin Soğutma Kanalı E: OGV soğutma kanalı F: Nacelle İkinci egzoz parçası motorun uçak kanadına bağlandığı bölgeyi (nacelle) sıcak ana motor akışından korumak, türbin etrafındaki ikincil soğutma akışlarına katkıda bulunmak ve diğer bazı aksesuarları taşımak amacıyla kullanılmaktadır. Türbin bölgesini atmosfer havası ile soğutmak amaçlanmıştır. Bu amaçla düşük basınçlı türbin bölgesinin etrafında bir soğutma kanalı (CCD) oluşturulmuştur. Atmosferden nacelle alınan hava bu kanal içinden geçirilerek ana motor karımı ile karışması sağlanmaktadır. Bu kanaldan geçen soğutma havasının aynı zamanda OGV palelerini soğutmak için de kullanılması planlanmıştır. OGV palelerinin içine soğutma kanalları açılmıştır. Nacelle den gelen soğuk hava, palelerdeki kanallardan ve egzoz konisinin içinden geçerek ana motor akımına karışmaktadır. 2. GEOMETRİK OPTİMİZASYON Bu çalışmada, ana akım için egzoz giriş ve çıkış alanları, motor çevrim analizinden gelen değerler olarak alınmıştır ve çevrim analizi sonuçlarına göre sürekli güncellenmiştir. Çalışmalarda bu alanları koruyacak şekilde egzoz modülü parçaşarının (egzozkon, birinci egzoz ve ikinci egzoz) geometrileri değiştirilerek tasarım parametreleri optimize edilmeye çalışılmıştır. Parçaların boylarının değişimi, akış alanlarının kesitlerinin deği-şimi, çıkış alanlarındaki değişimlerin etkisi incelenmiştir. Tasarım parametrelerinden en önemlileri, türbin bölgesinin ve OGV lerin soğutulması için gerekli havanın sağlanması ve bunu yaparken parçaların minimum ağırlıkta tutulması en önemli tasarım parametreleri olarak değerlendirilmiştir. Ana akım için ve ana akım ile soğutma akımının karışması durumları için Cd, Cv ve basınç kaybı parametrekeri farklı geometriler ve uçuş koşulları için (NPR=Egzoz girişindeki toplam basıncın egzoz çıkışındaki statik basınca oranı) incelenmiştir. Bu amaçla iki ve üç boyutlu birçok farklı geometri oluşturulmuş (Şekil 2.), HAD analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu konuda benzer çalışmalar incelenmiştir [1] 107

2 Şekil 2. Çalışılan Farklı Geometriler 3. SAYISAL HESAPLAMA PARAMETRELERİ HAD alanizleri için gerekli geometriler ve grid oluşturma çalışmaları Gambit programı ile yapılmıştır. Hesaplama ve sonuçların değerlendirilmesi için ise Fluent programı kullanılmıştır. Çalışmalar önce iki boyutlu analizler ile başlamış daha sonrada üç boyutlu analizlere geçilmiştir (Şekil 3). Hesaplama yapılacak bölgenin girişinde ve çıkışında hayali (Dummy) bölgeler kullanılmıştır (Şekil 2). Bunların amacı, gerçek çalışma bölgesinin giriş ve çıkış sınırlarına istenen sınır koşullarını doğru olarak uygulamış olmaktır. Sınır koşulları olarak basınç girişi ve basınç çıkışı sınır koşulları kullanılmıştır. Türbülans modeli olarak Spalart- Almaras modeli ve çözüm yöntemi olarak da coupledimplicit, steady çözüm yöntemi kullanılmıştır. Farklı geometriler için farklı türbülans modelleri denenerek farklılıklar incelenmiştir. Şekil 3. Simetrik HAD Çözümleri 4. PERFORMANS PARAMETRELERİ Performas parametrelerinin hesaplanmasında kullanılan denklemler [2] aşağıda verilmiştir. Performans parametreleri, akışa ait özelliklerin egzoz girişindeki (istasyon 7) ve egzoz çıkışındaki (istasyon 8) değerleri kullanılarak hesaplanmıştır. Belirtilen istasyonlardaki akış özelliklerinin deneysel verilerden yararlanarak hesaplanmasında farklı veriler ve yöntemler kullanılmıştır. Alan taramasından elde edilen ölçümler, istasyonların duvarlarında alınan statik basınç ölçümleri, akış debisi ve kuvvet gibi ölçümler performans parametrelerin deneysel hesaplanmarı için gerekli verileri elde etmekte kullanılmıştır. Hesaplamalarda grid (mesh) bağımlılığını ortadan kaldırmak için farklı geometriler için farklı yuğunlukta gridler yapılarak hesaplamalar üzerindeki etkisi de incelenmiştir. Spalart-Almaras türbülans modeli için Y+ değerini aralığında tutturulmaya çalışılmıştır. Giriş koşulu olarak sabit ve doğrusal basınç girişinin kullanılması durumunda Fluent içindeki simetrik çözüm yöntemi uygulanmıştır (Şekil 3). Bu durum çözüm zamanından kazanç sağlamıştır. Türbin çıkış koşullarının egzoz giriş koşulu olarak uygulanması durumları için simetrik olmayan komple çözümler de yapılmış ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Şekil 4. Test Modeli ve Tanımları 108

3 Akış Boşaltma Katsayısı (Cd) : Burada, : Ölçülen veya hesaplanan değerdir (1) ünitesinde gerçekleştirilmiştir (Şekil 5). Test maliyetini azaltmak ve daha düşük kütle akış oranlarında çalışmak için testler 4/10 ölçeğinde küçültülmüş parçalar ile yapılmıştır. Boyutsuz parametreler olarak Mach sayısı ve Egzoz Basıç Oranı (NPR) kullanılmıştır. Testler soğuk akım şartlarında gerçekleştirilmiştir (2) Hız Katsayısı (Cv) : (3) Burada, V 8 x - actual : Ölçülen veya hesaplanan değerdir (4) Toplan Basınç Kaybı : (5) Şekil 5. Rig Test Ünitesi Egzoz Basıç Oranı : 5. DENEYSEL ÇALIŞMALAR VE SONUÇLAR Birinci egzoz ve egzozkon arasından geçen ana motor akımına ait Cd, Cv ve Basınç Kaybı parametreleri, deneyesel olarak elde edilip HAD analizleri ile karşılaştırılmıştır. Daha sonraki benzer çalışmalarda kullanılmak üzere, deney sonuçları ile HAD analizi sonuçları arasında korelasyonlar kurulmuştur. Rig test için kullanılan ve OGV yi de içeren egzoz modülü Şekil 4 de görülmektedir. Deneysel çalışmalar yurtdışında bir test merkezinde, özellikle egzoz testleri için kullanılan blow-down test (6) Testler esnasında egzoz modülü girişindeki akışın özellikleri gerçek motor üzerindeki giriş şartları ile aynı olacak şekilde test düzeneği kurulmuştur. Gerçek motorda türbinden çıkan döngülü (swirl) havayı simüle etmek amacıla 5 değişik açıda döngü oluşturucular (IGV) kullanılmıştır (Şekil 6.a). Yine gerçek motorda türbin çıkışında döngüyü düzeltmek için kullanılan OGV leri simüle etmek için gerçek OGV modülü kullanılmıştır (Şekil 6.b) (a) Şekil 6. IGV ve OGV Parçaları (b) 109 9

4 Test düzeneğinin her kademesinde akışın özelliklerinden emin olmak ve ayrıca, akışın hem döngülü hem de döngüsüz olarak egzoza girmesi durumlarında, performans parametrelerini, HAD analizleri ile karşılaştırabilmek macıyla, testler aşağıda belirtildiği şekilde 5 aşamalı olarak gerçekleştirilmiştir. 5.1) Rig Giriş Testi: Bu test, egzosa gönderilen havanın, egzoz girişinde düzgün olup olmadığını kontrol etmek amacıyla düzenlenmiştir. Girişdeki akışın daha düzgün olması için bal-peteği düzeneği kullanılmıştır. Bu amaçla toplam basınç ve iki yönde akış açısı ölçen 5 delikli basınç sensörü kullanılmıştır. Giriş şartları alan tarayıcı bir düzenek ile (Area traverse) iki farklı uçuş şartı için çevresel olarak ve radyal olarak taranmıştır. Çevresel ve radyal tarama sonuçları, toplam basınç ölçümü okumalarındaki ve akış açısı ölçümü okumalarındaki değişimin çok küçük olduğunu göstermiştir. 5.2-) Referans Egzoz Testi: HAD analizleri genellikle, egzoz girişindeki akışın düzgün akış olduğu, herhangi bir döngünün olmadığı durumlar için çalışılmıştır. Bu yöntemle elde edilen performans parametrelerini deneysel olarak doğrulamak ve deneysel sonuçlar ile sayısal sonuçlar arasında ilişki kurabilmek amacıyla böyle bir test gerçekleştirilmiştir. Bu test esnasında egzoz girişinde düzgün akış elde edebilmek amacıyla paleleri olmayan IGV ve OGV bölümleri kullanılmıştır. Testlerden elde edilen performans parametreleri farklı uçuş şartları (NPR) için aşağıdaki şekillerde görüldüğü gibi elde edilmiştir (Şekil 7). Şekile 7. Referans Egzoz Test İçin Cd, Cv ve Basıç Kaybı Değişimi Grafiklerden de görüleceği gibi, Hava boşaltma katsayısı (Cd) yüksek basınç oranları ile exponansiyel azalan bir eğilim göstermektedir Düşük basınç oranlarında 1 den büyük değer gözlemlenmesinin nedeni basınç kayıplarının bu bölgelerde düşük olması ve ölçümlerin yeterli hassasiyette alınamaması olarak değerlendirilmiştir[3]. Hız katsayısı (Cv) da Cd katsayısı ile benzer bir eğilim göstermektedir. CD = CD (CFD) - CD (Test) CD (REAL) = CD (CFD) - CD CV = CV (CFD) CV (Test) CV (REAL) = CV (CFD) - CV PT = PT (CFD) PT (Test) PT (REAL) = PT (CFD) - PT Şekile 9. Performans Testi İçin Basıç Kaybı Değişimi ve Korelasyonlar Toplam basınç kaybı parametresi için ise diğer iki parametreden farklı olarak hesaplamalı sonuçlar deneysel sonuçlara göre daha küçük çıkmaktadır. Korelasyon ilişkisi yukarda verilmiştir. 110

5 6. REFERANSLAR [1] Huddleston, S. C., Wilsted, H. D. and Ellis, C. W. : Performance of several air ejectors with conical mixing section and small secondary flow rates, NACA RM No. E8D23. [2] Jack D. Mathingly, William H. Heiser, Daniel H. Daley, Aircraft Engine Design, AIAA Education Series, 1987 [3] Suitable averaging Technique in Non-Uniform Internal Flows, AGARD-AR-182, June ÖZGEÇMİŞ İlhan SARI 1990 yılında İstanbul Teknik Üniversitesi (İTÜ) Uzay Mühendisliği Bölümü'nden mezun oldu yılında aynı bölümde yüksek lisansını tamamladı yılına kadar İTÜ Uzay Mühendisliği Bölümü'nde asistanlık yaptı. Şuan TEI Tusaş Motor Sanayi A.Ş. Arge Bölümünde çalışmaya devam etmektedir

6 112 VI. ULUSAL UÇAK, HAVACILIK VE UZAY MÜHENDİSLİĞİ KURULTAYI