Kanat Performansını Arttırmak İçin Wınglet Tasarımı Ve Bir Uygulaması

Abstract

Bu tez çalışmasında Bayraktar Tb-2 taktik insansız hava aracına bir Winglet geometrisi tasarlanmış ve optimize edilmiştir. Çalışmanın amacı Winglet entegresi ile kanat aerodinamik verimliliğini minimum ağırlık eklentisi ile arttırmak olarak belirlenmiştir. Çalışmalara başlamadan önce bu konuda daha önce gerçekleştirilen çalışmalar, Winglet tarihi ve çeşitleri incelenmiş ve elde edilen bilgilere dayanılarak Winglet tasarım metodolojisi oluşturulmuştur. Oluşturulan metodoloji Winglet geometrisinde rol oynayan yedi ana parametreyi incelemeye yönelik olup ve incelenen insansız hava aracının uçuş koşullarındaki taşıma sürükleme oranına göre Winglet geometrilerini değerlendirmektedir. Winglet geometrisi yedi ana parametre ile belirlenmektedir. Bunlar; cant açısı, ok açısı, toe açısı, burulma açısı, Winglet genişliği, sivrilme oranı ve Winglet kanat profilidir. Analizlerin ilk aşamasında bahsedilen bu parametreler dikkate alınarak kanat performansı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Analizler de Winglet kanat profili için, kanatta kullanılan profile nazaran daha az kalınlıklı olmasından ve Winglet yapılarında tercih edilmesinden dolayı olarak KC-135 Winglet profili kullanılmıştır. Çalışmanın ilerleyen bölümlerinde analizler için açık kaynak olarak sunulan ve matlab tabanlı Tornado VLM kodunu otomatik bir şekilde kullanılmasını sağlayan bir yazılım geliştirilmiştir. Bu sayede analizler boyunca seçilen 384093 adet Winglet yapısına sahip kanat geometrisi daha sistematik ve daha hızlı bir şekilde incelenmiştir. Optimizasyon sürecinde Tornado paket programı kullanılmıştır. Maliyet analizi sonucunda en uygun Winglet genişliğinin 0,6 metre olduğuna karar verilmiştir. Bu Winglet genişliğine sahip bütün Winglet geometrileri içeresinden en verimli sonuç veren Winglet yapısı tespit edilmiş ve Bayraktar Tb-2 İHA için en uygun kanat ucu geometrisi olacağı görüşüne ulaşılmıştır. Tasarlanan Winglet geometrisinin sahip olduğu yüzey alanı kadar mevcut kanada aynı sivrilme oranı ile uzantı eklendiğinde ise kanat performans parametresinin yaklaşık %6 oranında düştüğü gözlenmiştir. Çalışmanın son bölümden ise elde edilen optimum Winglet geometrisi hesaplamalı akışkanlar dinamiği ve deneysel olarak incelenmiştir. Analiz sonuçları ile daha önce elde edilen girdap kafes yöntemi sonuçları kıyaslanmış ve birbirleri ile uyumlu sonuçlar verdiği gözlenmiştir. Bütün çalışmanın sonucunda Winglet tasarım metodolojisi oluşturulmuş ve bu metodoloji ile Bayraktar Tb-2 insansız hava aracı kanat performansını yaklaşık %9 oranında arttıran bir Winglet tasarlanmıştır.

In this project winglet geometry is designed and optimized for Bayraktar Tb-2 tactical UAV system. Objective of the project is determined to increase wing aerodynamic efficiency with minimum weight addition. Before starting the analysis, a literature study is made about winglet design, history and in the light of the experience acquired from the literature review a design methodology has created. This methodology is based on parametric analyze that depends seven main parameters of winglet geometry and comparing the structures with their lift-to-drag ratio values at the flight conditions of the unmanned aerial vehicle that examined. Winglet geometry is defined by seven main parameters. These are; cant angle, sweep angle, toe angle, twist angle, winglet span, taper ratio and winglet airfoil [1]. In the first phase of the analysis, these parameters investigated individually to determine effect of the wing performance characteristics. KC-135 winglet airfoil is selected and used for all designs because of its lower thickness ratio relative to wing airfoil and it’s widely usages in winglet structures. In progressive, an optimization code developed which uses an open source code of vortex lattice method solver Tornado VLM. Thanks to optimization code 384093 wings with winglet structures analyzed in more systematic and quicker way. Cost analysis shows that the most suitable winglet span is 0,6 meter. During the optimization process design of experiments method has followed. With respect to this method all the winglet geometries which has 0,6 meter span is investigated and most efficient winglet is determined as a most suitable wingtip device for Bayraktar Tb-2 UAV system. At the end of the study the geometry that determined is examined with computational fluid dynamics analyze program and with experimental analysis in Istanbul Technical University. Analyses showed both, vortex lattice method and computational fluid mechanic results are confirm to each other. In this thesis project a winglet design methodology has created and with this methodology a winglet which increases Bayraktar Tb-2 tactical UAV wing by approximately %9 is optimized.