Tek Rotorlu Helikopterlerde Pal Geometrilerinin Aerodinamik ve Uçuş Performansına Etkilerinin Sayısal Analizi

Abstract

Döner kanatlı hava araçlarında rotor pal geometrisi, itki üretimi, tork ihtiyacı, güç tüketimi ve görev performansı üzerinde belirleyici etkiye sahiptir. Tezin amacı, farklı pal geometrilerinin aerodinamik ve uçuş performansına etkilerini Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) sonuçları ve görev profili temelli performans modeliyle karşılaştırmalı olarak incelemektir. Pal burulma açısı ve daralma oranındaki değişimlerin rotor performansını doğrudan etkilediği, düşük enerji tüketimi sağlayan geometriler ile yüksek itki üreten geometrilerin aynı olmayabileceği varsayılmıştır. Dokuz farklı pal geometrisi ele alınmış, her geometri için yer etkisinde askı uçuşu, yer etkisi dışında askı uçuşu ve üç farklı ileri uçuş koşuluna ait HAD sonuçları değerlendirilmiştir. Analizlerden elde edilen itki ve tork verileri MATLAB/Simulink ortamında kurulan görev performansı modeline aktarılmıştır. Üç farklı görev profili için güç, enerji, yakıt tüketimi, görev mesafesi, güç yüklemesi, itki/tork oranı, boyutsuz performans katsayıları, askı uçuşu başarım katsayısı ve ileri uçuş etkin verim değerleri hesaplanmıştır. Sonuçlar ayrıca pal elemanı momentum teorisine dayalı düşük mertebeli bir modelle eğilim bakımından karşılaştırılmış, seçilen geometriler için koaksiyel rotor davranışına yönelik sınırlı bir kuramsal tarama yapılmıştır. Elde edilen bulgular, negatif burulma ve artan daralma oranının toplam görev enerjisini azalttığını göstermiştir. Pal 9 geometrisi en düşük enerji tüketimini sağlarken, Pal 1 geometrisi en yüksek ortalama itkiyi üretmiştir. Pal 6 geometrisi orta ve yüksek ilerleme oranlarında güç yüklemesi ve etkin verim bakımından öne çıkmıştır. Pal geometrisi seçiminin görev gereksinimine bağlı enerji, itki ve güç dengesiyle yapılması gerektiği sonucuna ulaşılmıştır.

Rotor blade geometry has a direct effect on thrust generation, torque demand, power consumption and mission performance in rotary-wing aircraft. The objective of the research is to compare the aerodynamic and flight performance effects of different blade geometries by using Computational Fluid Dynamics (CFD) results and a mission-profile-based performance model. It was assumed that variations in blade twist angle and taper ratio affect rotor performance and that geometries with low energy consumption may differ from geometries producing high thrust. Nine blade geometries were examined. For each geometry, CFD results were evaluated for hover in ground effect, hover out of ground effect and three forward flight conditions. Thrust and torque data obtained from the analyses were transferred to a mission performance model developed in MATLAB/Simulink. For three mission profiles, power, energy, fuel consumption, mission distance, power loading, thrust-to-torque ratio, non-dimensional performance coefficients, hover Figure of Merit and forward flight effective lift-to-drag ratio values were calculated. The results were also compared with a low-order model based on Blade Element Momentum Theory in terms of trends, and a limited theoretical screening was performed for coaxial rotor behavior using selected geometries. The findings showed that negative twist and increasing taper ratio reduced total mission energy. Blade 9 provided the lowest energy consumption, whereas Blade 1 produced the highest mean thrust. Blade 6 became prominent at medium and high advance ratios in terms of power loading and effective efficiency. It was concluded that blade geometry selection should be based on mission-dependent energy, thrust and power balance.