Bir radyal türbin ve kompresörlü hava çevrim makinesinin tasarlanmasi ve hesaplamali akiskanlar dinamigi analizleri

Abstract

İklimlendirme işlemi, geçmişten günümüze halen büyük önem arz eden bir konudur. Çeşitli elektronik cihazların soğutulmasından, ticari yolcu uçakları ve otomotiv kabinlerinin beklenen konfor sıcaklık aralığında tutulmasına kadar birçok benzer alanda çeşitli mühendislik faaliyetleri sürdürülmektedir. Özellikle hava platformlarında soğutma işlemi kritik rol üstlenmektedir. Konvansiyonal soğutma sistemleri, bünyelerinde buhar sıkıştırmalı çevrim içermekle beraber hava platformalarında artık nadiren kullanılmaktadır. Hava platformlarında iklimlendirme işlemi için hava çevrimi içeren soğutma sistemleri birçok avantajından dolayı yer almaktadır. Düşük güç tüketimi ve ağırlığı, bakım onarım kolaylığı, bünyesinde ozon yok edici, sera etkisi yaratan toksik gazların yerine güvenli ve temiz bir akışkan olan havanın bulunması bu avantajlara örnektir. Hava çevrim makinesi (HÇM), hava çevrimi yapılan soğutma sistemlerindeki en temel bileşendir. Hava çevrim makineleri; hava platformlarının uçuş profillerine, gerekli soğutma kapasitesine, basınçlandırma ve nem kontrolü gibi ihtiyaçlarına göre birçok farklı konfigürasyona sahiptir. Bu çalışma kapsamında; ram havası beslemeli ters önyüklemeli, 2 tekerli, hava çevrim makinesi ile savaş uçaklarının kanat altında bulunan podlarının soğutulması üzerine çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Deniz seviyesi, 322 K (49 °C) ortam koşulunda, 1 Mach seyir hızında uçan hava platfotmunun, kanat altında bulunan, aviyoniklerin bulunduğu poddaki ısıl yükler aktif iken hava çevrim makinesi ile soğutulması için radyal türbin ve kompresör tasarımı yapılmıştır. İlk başta, kavramsal tasarım çalışmaları yapılmış olup bu noktada bir boyutlu hesaplamalar yapılmıştır. Bu hesaplamalar için elde edilen girdiler, ANSYS Vista RTD (Radial Turbine Design) ve CCD (Centrifugal Compressor Design) ile elde edilen çıktılar üzerinden ANSYS BladeGen programına girdi sağlanarak üç boyutlu kanat geometrileri elde edilmiştir. Kanat geometrilerine ve yönlendirici kanatçık profilleri eklenerek tek kanatçık geometrisinin modellendiği üç boyutlu Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği analizleri gerçekleştirilmiştir. Daha kapsamlı sayısal çalışmaların yapılması adına tüm sistem bileşenlerinin yer aldığı üç boyutlu Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizleri koşturulmuştur. Tüm sistem bileşenlerinin yer aldığı HAD analizlerinde kullanılan geometri bünyesinde, türbin ve kompresör rotorları ve salyangozları, yönlendirici kanatçık profili ve borulamalar yer almaktadır. Tüm sistem bileşenlerinin geometrisinin hazırlanmasındaki temel motivasyon, tasarlanan hava çevrim makinesine ait ANOVA ARGE Teklonojileri A.Ş altyapısında kurulan test düzeneği geometrisinin kurulmasıdır. Üç boyutlu HAD analizleri kapsamında, sayısal ağ ve türbülans modeli çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği analizleri ticari bir yazılım olan ANSYS CFX çözücüsü ile gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan Hava Çevrim Makinesi test düzeneğinde testler gerçekleştirilmiş olup elde edilen sonuçlar HAD analiz sonuçları ile karşılaştırılmıştır

The climatization process is still a phenomenon of great importance from the past to the present. Various engineering activities are carried out in many similar areas, from cooling electronic equipment to keeping commercial passenger aircraft and automotive cabins within the defined comfort temperature range. Especially in aerial platforms, the cooling process takes a critical role. Conventional cooling systems, which contain a vapor compression cycle, are rarely used on aerial platforms at present. Air cycle cooling systems have many advantages about air conditioning for aerial platforms. Low power consumption, low weight, ease of maintenance and repair are important advantages of Air Cycle Machines (ACM). Using air as a coolant which is a safe and clean fluid instead of ozone-depleting gases is an additional and important advantage of an ACM. Air cycle machines are the most essential component in air cycle cooling systems. Air cycle machines have many different configurations according to the requirements of aerial platforms such as flight mission profiles, required cooling capacity, pressurization and humidity control. Within the scope of present studies, research was carried out on the cooling of the under-wing pod of fighter jets with a ram powered reverse bootstrap, 2-wheel, air cycle machines. A radial turbine and compressor have been designed for cooling the external pod located under the wing of aerial platforms. First, conceptual design calculation were carried out for a preleminery design of ACM. Three-dimensional blade geometries were obtained by providing input to the ANSYS BladeGen program through the inputs obtained for these calculations and the outputs obtained with ANSYS Vista RTD (Radial Turbine Design) and CCD (Centrifugal Compressor Design). Adding the guidevane geometries to the blade geometries, single-stage (one-blade) three dimensional Computational Fluid Dynamics (CFD) analyzes were performed. In order to carry out more comprehensive numerical studies, three-dimensional Computational Fluid Dynamics analyzes including all system components were run. The geometry used in CFD analysis, which includes all system components, includes turbine and compressor rotors and volutes, guide blade profile and piping. Three Dimensional Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis were performed for the detailed design of experiment (DOE). Within the framework mesh independence and turbulence model studies were carried out. CFD compuations were performed using ANSYS CFX solver. Tests were performed on the designed ACM installed at ANOVA ARGE A.Ş. and results were compared with the 3D CFD predictions.