LEE- Isı Akışkan Lisansüstü Programı

Bu topluluk için Kalıcı Uri

http://hdl.handle.net/11527/20279

Gözat

Yazar "Ayder, Erkan" ile LEE- Isı Akışkan Lisansüstü Programı'a göz atma
  • Öge
    Eksenel transonik kompresörlerde gövde işlemenin performans ve kararlı çalışma aralığına olan etkisinin incelenmesi
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-06-13) Beşkardeş, Ahmet ; Ayder, Erkan ; 503171133 ; Isı Akışkan
    Kompresör tasarımında göz önünde bulundurulan önemli parametlerden biri kompresörün kararlı çalışma aralığıdır (stall marjı). Performans (verim) kaybı olmadan bu aralığın genişletilmesi tasarımcının hedeflerinden biri olmuştur. Gövde işleme (casing treatment) ise eksenel kompresörlerde tip kısmını çevreleyen gövdeye uygulanan ve kararlı çalışma aralığını genişleten bir modifikasyondur. Bu çalışmada öncelikle literatürde (çoğunlukla NASA'da) yapılan çalışmalar değerlendirilmiştir. Bu çalışmalardaki farklı gövde işleme konfigürasyonları tanıtılmıştır. Sonrasında yapılan testler ve bu testlerin sonuçları raporlanmıştır. Bu konfigürasyonların performansa olan etkileri de bu kısımda özetlenmiştir. Sonrasında kararlı çalışma aralığı genişlemesinin sebeplerini daha derinlemesine incelemek adına yapılan çalışmalar aktarılmıştır. Buradan yola çıkarak tasarımcı için hangi durumda gövde işlemenin olumlu bir etki yaratacağı belirtilmiştir. Literatür özetinden sonra yapılan nümerik çalışma testler ile doğrulanamayacağı için çözücünün ve numerik modelin validasyonu gerekmektedir. Rotor37 transonik kompresörü HAD doğrulama çalışmalarında sıkça kullanıldığı ve literatürde geometrik bilgileri ve test sonuçları bulunduğu için bu çalışmada da validasyon için kullanılmıştır. İlk elde edilen sonuçlar test sonuçlarından farklı olduğu için farklı türbülans modelleri ile analizler yapılarak bunların performans haritaları çıkartılmış ve test sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Bu performans haritası hem rotor, hem de rotor-stator kademesi beraber çözülerek elde edilmiştir. Test sonuçlarına en yakın olan numerik model ile bir sonraki analizlere devam edilmiştir. Sonrasında, KALE ARGE tarafından tasarlanan transonik kompresörün ilk kademesinin dört farklı hız eğrisi için haritası çıkartılmıştır. Bu çıkartılan harita yiv konfigürasyonlarının etkisini kıyaslamak için kullanılacaktır. İlk kademenin seçilmesinin sebebi ise; düşük hızlarda kompresörün çalışma aralığının dar olması ve bu aralığı belirleyen kademenin ilk kademe olmasıdır. Dolayısıyla ilk kademede kararlı çalışma aralığı genişletilirse gaz türbini için de genişlemiş olacaktır. Analiz edilecek kademe de seçildikten sonra hangi konfigürasyonun uygulanacağına karar verilmiştir. Literatüre göre; eksenel yuvalı, çevresel yiv ve kanada paralel yuvalı konfigürasyonların kararlı çalışma aralığı genişletmesi göze çarpmaktadır. Fakat verim kaybı göz önüne alındığında çevresel yiv konfigürasyonu belirgin bir avantaja sahiptir. Çevresel yiv konfigürasyonunun bir diğer avantajı ise daha kolay ve ucuz bir şekilde uygulanabilir olmasıdır. Bu sebeplerden ötürü bu çalışmada çevresel yiv konfigürasyonu incelenmiştir. Aynı geometrik özelliklere sahip yiv konfigürasyonu, dokuz farklı eksenel kord boyuna eşit aralıklar (%10) ile ayrı ayrı yerleştirilerek sayısal analizler yapılmıştır. Daha sonra bu analizler yiv konfigürasyonu olmayan temel kompresör performans haritası ile kıyaslanmıştır. Sayısal çözüm ağı, rotor akış hacmi 1.7x106, stator akış hacmi 6x105, yiv akış hacmi ise 1.75x105 altı yüzlü elemandan oluşacak şekilde oluşturulmuştur. Farklı yiv konfigürasyonları analiz edilirken rotor ve stator sayısal çözüm ağları aynı tutulmuştur. Sayısal çözüm ağı, ilk analizlerden sonra y+ < 5 değeri sağlanacak şekilde revize edilmiştir. Radyal olarak 75 eleman, bu 75 elemandan 26 tanesi ise uç açıklığını modellemek için kullanmıştır. Giriş sınır şartı olarak standart gün koşulu toplam basınç ve sıcaklık girilmiştir. Çıkış sınır şartı olarak ise statik basınç girilmiş, bu basınç arttırılarak kompresör haritası elde edilmiştir. Göbek, kanat ve tip kaymaz duvar olarak modellenmiştir. Analizleri daha hızlı yapmak adına rotor, stator ve yiv akış hacimleri periyodik olarak modellenmiştir. Rotor akış hacmi MRF (Moving Reference Frame) yaklaşımı ile çözülmüştür. Rotor ve stator kanat sayıları farklı olduğu için periyodiklikleri farklıdır. Dolayısıyla bu döner ve dönmez akış hacimlerinin arası "mixing plane" yaklaşımı ile modellenmiştir. Rotor ve yiv akış hacminde periyodiklik aynı olduğu için "frozen rotor" yaklaşımı tercih edilmiştir. Analiz sonuçlarında, kararlı çalışma aralığını en çok genişleten konfigürasyon, eksenel kord boyunun %50'sine yerleştirilen konfigürasyon (G5) olmuştur. Eksenel kord boyunun %40'ına yerleştirilen konfigürasyon (G4), düşük hızlarda her ne kadar G5 konfigürasyonu kadar kararlı çalışma aralığını genişletse de, tasarım hızında, bir diğer deyişle, %100 hızda sıkıştırma oranı daha düşük olmuştur. Eksenel kord boyunun %70, %80 ve %90'ına yerleştirilen yivler (G7-G8-G9) ile yapılan analizler literatür ile çelişkili sonuçlar vermiştir. G7, G8 ve G9 konfigürasyonları performans olarak (sıkıştırma oranı-debi) benzer sonuçlar verdiği için, bu konfigürasyonlar ile sağlanan kararlı çalışma aralığı genişlemesinin numerik kararlılık nedeniyle olduğu düşünülmektedir. Sonuç olarak, G5 konfigürasyonu ile düşük hızda (%77), minimum kararlı çalışma debisi %9 azalarak, kararlı çalışma aralığı genişlemiştir. Tasarım hızında (%100) ise, minimum kararlı çalışma debisi sadece %1.5 azalarak, kararlı çalışma aralığı çok az genişlemiş fakat rotor sıkıştırma oranı %4 azalmıştır.
  • Öge
    Kısılabilir gaz jeneratörü çevrimli sıvı yakıtlı roket motoru tasarım aracı
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023) Soner Önder, Selin ; Ayder, Erkan ; 883411 ; Isı-Akışkan Bilim Dalı
    Günümüz uzay taşımacılığında önemli bir yere sahip olan sıvı yakıtlı roket motorlarında, atmosfere giriş, gezegene iniş, yörüngeye yerleştirme gibi fonksiyonlarının yanı sıra uçuş yüklerine karşı aracın sağlık durumunun korunması amacıyla itki kısma operasyonu uygulanmaktadır. Sıvı yakıtlı roket motoru, uzay araçlarında sevk görevini üstlenen kısımdır. Bu nedenle, performanslarının doğru tayin edilmesi önem arz etmektedir. Sıvı yakıtlı roket motoru tasarımı ve performans verisinin türetilmesi, birçok parametrenin bir arada ele alınması ile gerçekleştirilmektedir. Bu sürecin daha etkin gerçekleştirilebilmesi tasarım araçları ile mümkün olabilmektedir. Bu çalışmada, farklı itki kısılma isterine yönelik gaz jeneratörü çevrimli sıvı yakıtlı roket motoru tasarımını gerçekleştirecek ve performans parametrelerini türetecek bir tasarım aracı geliştirilmiştir. Çalışma kapsamında öncelikli olarak sıvı yakıtlı roket motoru çevrim tipleri ve literatürde yer alan benzer tasarım araçları anlatılacaktır. Gaz jeneratörü çevrimli roket motoru başlığında ise kritik tasarım parametreleri ve sıvı yakıtlı roket motoru bileşenlerinin tasarımı için literatürde yer alan matematiksel modellere yer verilmiştir. Metodoloji ve araçlar başlığında ise tasarım aracı içerisinde gerçekleştirilmekte olan hesaplamalar detaylandırılmıştır. Tasarım aracı itki odası, itki odası besleme hattı, güç dengesi, gaz jeneratörü, gaz jeneratörü besleme hattı, türbin çıkış lülesi, motor performans ve motor boyutlandırma modüllerinden oluşmaktadır. Modül algoritmaları, her bir modül içerisinde sözde kod (ing. pseudocode) ile özetlenmiştir. Tasarım aracı, %100 itki seviyesi için F-1 roket motoru özellikleri kullanılarak doğrulanmış ve hata oranları validasyon başlığı altında verilmiştir. Kısılma durumunda performans değişimine yönelik literatürde veri bulunamaması sebebiyle, farklı kısılma değerleri için doğrulama çalışması yapılamamıştır. Tasarım aracı kullanılarak, örnek bir motor tasarımı gerçekleştirilmiş ve kısılma durumunda itki odası debisi, itki odası basıncı, pompa çıkış basınçları, Turbopompa gücü, turbopompa devir sayısı, pompa verimleri, türbin verimi, türbin debisi, gaz jeneratörü basıncı, gaz jeneratörü besleme hattı kontrol vanası basınç kayıpları, türbin girişi ve çıkışındaki sıcaklık basınç değerleri, motor toplam itki ve özgül darbe değerlerinin nasıl değiştiği incelenmiştir. Sonuç olarak, bu çalışmada kısılabilir sıvı yakıtlı roket motoru tasarımı ve performans parametrelerinin türetilmesine yönelik bir tasarım aracı geliştirilmiş ve örnek bir motor ile kısılma durumunda performans parametrelerinde gözlenecek değişiklikler incelenmiştir.
  • Öge
    Sıvı yakıtlı turbopompa beslemeli roket motoru tasarım aracı geliştirme
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-08-20) Deniz, Baran ; Ayder, Erkan ; 503201128 ; Isı Akışkan
    Bu çalışmada sıvı yakıtlı roketlerin turbopompa sistemlerinin ve bileşenlerinin tasarım ve performans analizlerine yönelik bir yazılım geliştirilmiştir. Sıvı yakıtlı roketler, genellikle uzay uygulamaları amaçlı roketlerin son modülleri olup, nihai görevi gerçekleştirme amaçlıdır. Bu roketlerde tahrik sistemi başlıca basınçlı yanıcı ve oksitleyici içeren depolar, yanıcı pompası, oksitleyici pompası, ön yanma odası, ana yanma odası, türbin ve lüleden oluşur. Bu sistem bir mil üzerinde değişik biçimlerde tasarlanabilir. Turbopompa sisteminin yüksek güç yoğunluğuna sahip olması istenir. Bu nedenle pompalar ve türbin yüksek devir hızlarında çalışırlar. Bu ise klasik tasarım yöntemlerine ilave olarak, önemli birikimlere ihtiyaç duyan farklı yöntemlerin geliştirilmesini ve güncel mühendislik araçlarının aktif kullanımını gerektirir. Bu çalışma turbopompa sisteminin geliştirilmesi ve optimize edilmesine bu bakış açısıyla yaklaşmaktadır. Gerçekleştirilen çalışmada literatürde yer alan yayınlar ve çeşitli kitaplar yardımıyla bir yüksek hızlı pompanın tasarımı ve boyutlandırılması için gerekli olan eşitlikler ve yaklaşımlar bir araya getirilerek bir tasarım kılavuzu oluşturulmuştur ve bu tasarım kılavuzu python kodlama dili kullanılarak kullanıcı arayüzüne sahip bir tasarım aracı geliştirilmiştir. Tasarım aracı yardımıyla turbopompa tasarlamak isteyen bir kullanıcının çeşitli isteklerine göre hızlı bir biçimde pompa tasarımı yapabilmesi ve tasarım sürecinin kısaltılması amaçlanmıştır. Gerçekleştirilen çalışmada kullanıcı için yüksek hızlı bir pompanın alt bileşenleri olan önçark, çark ve salyangoz tasarımı gerçekleştirilmektedir. Ayrıca motor bütünü ele alındığında tasarım aracı aracılığıyla yanma odası ve lüle tasarımı da gerçekleştirilebilmektedir. Gerçekleştirilen tasarımın ardından ise meridyenel kesitleri program aracılığıyla çizilmektedir. Önçark ve çark tasarımlarının sonucunda meridyenel kesitte bir ağ yapısı oluşturulmakta ve oluşturulan bu meridyenel kesit ağ yapısında akım fonksiyonun çözdürülmesi sonucunda akış analizi gerçekleştirilmektedir. Bu sayede meridyenel kesitte hız alanları tespit edilebilmekte ve kullanıcılara sunulmaktadır. Programda bir boyutlu kayıp korelasyonları yardımıyla basma yüksekliği bulunabilmektedir. Bir boyutlu kayıp korelasyonları tasarlanan önçark, çark ve salyangoz bileşenlerinde kullanılmaktadır. Ayrıca bir başka çalışma ile gerçekleştirilen yapay zeka modülü yardımıyla çark için performans tahmini gerçekleştirilmektedir. Bu tahmin modülü gerçekleştirilen hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleriyle eğitilmiş olup tasarım aracına eklenme nedeni kullanıcıların tasarladıkları yüksek hızlı pompaları analiz etme isteğine karşın daha az analiz ile istedikleri sonuçlara ulaşabilmeleridir. Yanma odası ve lülenin tasarlanması için gereken kimyasal reaksiyonlar NASA tarafından geliştirilen Chemical Equilibrium Analysis (CEA) yazılımı örnek alınarak geliştirilen bir kimyasal reaksiyon modülü kullanılarak belirlenmektedir. Geliştirilen bu modül yardımıyla belirlenen oksitleyici ve yakıt çifti için yanma odasında gerçekleşen yanma tepkimesi simüle edilmektedir. Tasarım aracının tüm modülleri kullanıcı arayüzüne eklenerek kullanıcıların zorlu olabilecek bu tasarım sürecini daha kolay ilerletebilmeleri sağlanmıştır. Ayrıca yapılan yayınlar ile tavsiye edilen değerler ile özellikle tasarım aşamasında kullanıcılar bilgilendirilmeye çalışılmıştır. Sonuç olarak deneyimlediğim ticari yazılımlarda eksik olan kayıp korelasyonları ve motorun tamamının tasarlanmasına olanak sağlayan bu tasarım aracı kullanıcıların tasarım süreçlerini kolaylaştırmak ve tasarım süreci ile ilgili deneyimsiz kullanıcılara bilgi vermek amacıyla gerçekleştirilmiştir.