Dar gövdeli ticari uçakların elektrik sistemi için generatör tasarımı ve en iyileştirilmesi
Design and optimization of generator for narrow body commercial aircraft electrical system
Yazar: MEHMET MURATHAN TAŞKIN
Danışman: PROF. DR. AHMET CANSIZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Havacılık endüstrisi, geleneksel mekanik, hidrolik ve pnömatik sistemlerden daha gelişmiş ve daha verimli elektriksel sistemlere doğru köklü bir geçiş sağlamıştır. Artık uçaklardaki güç üretimi, gelişmiş operasyonel verimlilik ve kolay bakım gerekliliğine dayanarak, elektrik enerjisi üretim kaynaklarına dayandırılmıştır. Modern uçaklarda kullanılan verimli enerji üretim teknikleri; uçak elektroniğinin geçmişi, bugünü ve geleceği düşünüldüğünde gerek üreticilere, gerekse kullanıcılara avantaj sağlamaktadır.
Geçmiş yıllara bakıldığında, uçak motorlarının elektrik enerjisi talebi ilk olarak ana motorların çalıştırılması gerekliliği ile oluşmuştur. Bu nedenle bu elektrik gücüne duyulan ihtiyaç Birinci Dünya Savaşı zamanlarına dayanmaktadır. O dönemde kullanılan bataryaları beslemek amacıyla; daha güvenilir bir kaynak olması açısından rüzgarla çalışan generatörler kullanılmış, bu aynı zamanda mevcut bataryaların düşük enerji yoğunluğu düşünüldüğünde iyi bir alternatif çözüm olarak ortaya çıkmıştır. Gelişen teknoloji ile artan güç ihtiyacı ise bu güç üretim yöntemlerinin yetersiz kalmasına sebep olmuştur.
Hava trafiğindeki sürekli artış, talebin gitgide büyümesi, uçak endüstrisini ilk olarak alternatif çözümlere yönelmeye teşvik etmiştir. Bu eğilimin bir sonucu olarak, uçakta ihtiyaç duyulan elektriksel güç yıllar içerisinde önemli ölçüde artmış; elektriksel mimaride ve kablolamada büyük değişikliklere neden olmuştur. Doğru akım güç üretimi ile başlayan tarihsel gelişim, alternatif akımla çalışan sistemlere evrilmiş; yıllar geçtikçe daha karmaşık bir hal almıştır.
Piyasada bulunan uçak güç üretim sistemlerinde; sabit hızlı sürücü ve entegre tahrik generatörü sistemleri, uçak elektrik sistemlerine sabit frekanslı güç üretilmesi noktasında önemli bir rol oynamaktadır. Bu sistemler, birtakım dezavantajları da beraberinde getirmektedir. Tamamen mekanik parçalardan oluşan ağır kısımlardan oluşur ve bu durum herhangi bir kırılma veya yıpranma durumunda tüm sistemi başarısız kılabilecek bir etkiye sahiptir. Dolayısıyla bu sistemlerin en iyileştirilmiş (optimize edilmiş) tasarımlara sahip olmaları; uçak uygulamaları gibi güvenilirliği ve sağlamlığı hayati önem taşıyan uygulamalarda yerine getirilmesi gereken bir koşuldur. 
Tüm bu gereklilikler çerçevesinde gerçekleştirilen akademik çalışmalar; uçakların daha hafif ve yüksek verimli elektrik sistemleri yardımıyla daha verimli hale getirilmesini amaçlamaktadır. Uçak endüstrisinde elektrik gücünden faydalanılmasıyla uçak elektroniği, tıpkı elektrikli araçların son birkaç yılda geçirdiği köklü değişiklikler gibi hem sektörü hem de akademik dünyayı etkisi altına almıştır. Emisyonların ve yakıt maliyetinin azaltılacak olması; elektriksel bileşenlerin mekanik ve pnömatik olanlara göre daha az bakım gerektirmesi ve daha güvenli olması, ayrıca verimliliğin arttırılabileceği her durumun elektrikli güç üretim sistemlerinde büyük bir ekonomik avantaj sağlayacak olması gibi özellikler; bu sistemlerin tercih edilmesini sağlamıştır. 
Bu bağlamda Entegre Tahrik Generatörü adı verilen ve uçak uygulamalarında ana elektrik sağlayıcı olarak kullanılan elektriksel birim, uygulama dahilinde değişken motor girişinin sabit bir çıkış hızına dönüştürülerek güç ihtiyacı bulunan birimlere birincil elektriksel gücü sağlar. Bu birimde gerçekleştirilecek verim artışı tüm sistemi etkileyerek en iyileştirilmiş tasarımın elde edilmesine katkı sağlayacaktır.
Tez kapsamında modern bir uçak için uygun olan ve hali hazırda kullanılan elektrik güç üretim ünitesinin analizi gerçekleştirilerek en iyileştirilmesi (optimizasyon) sağlanmıştır. Bu doğrultuda tezin ilk kısmında gerekli kavramlar tanıtılarak uçak içi elektrik sistemlerinin tarihsel gelişiminden bahsedilmiş; bu alanda yapılan akademik çalışmalar özetlenmiş ve tezin amacı belirtilmiştir. Tezin ikinci bölümü entegre tahrik generatörleri ve bu birime bağlı tüm birimlere ilişkin özellikler verilmiş ve teknik detayları anlatılmıştır. Ayrıca tasarımı, analizi ve en iyileştirilmesi gerçekleştirilecek olan generatörün uçak uygulamalarındaki kullanımından da bu kısımda bahsedilmiştir. 
Tezin üçüncü bölümünde tasarlanacak olan senkron generatörlerin genel teorisi anlatılmış; gerekli olan denklemler ve ifadelere yer verilmiştir. Referans modelin kurulmasının akabinde kullanılacak senkron generatörün en iyileştirmesinin sağlanacağı Sonlu Elemanlar yöntemi dördüncü bölümde anlatılmıştır.
Çalışmanın modellenmesi, hesaplamaları, analizi ve en iyileştirilmesi beşinci bölümde gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda gerekli çizimler, yapılan analiz çeşitleri ve elde edilen sonuçların günümüz uçaklarında mevcut sistemlerde kullanılan referans modellere ne kadar üstünlük sağladığı da yine bu kısımda verilmiştir.  Son olarak altıncı kısımda elde edilen sonuçlar değerlendirilmiş; ilerleyen süreçte gerçekleştirilebilecek akademik çalışmalar için çözüm ve öneriler sunulmuştur.

Abstract:
The aerospace industry has made a radical transition from traditional mechanical, hydraulic and pneumatic systems to more advanced and more efficient electrical systems. Power generation in aircraft is now based on electrical power generation resources, based on improved operational efficiency and the need for easy maintenance. Efficient energy production techniques used in modern aircraft; Considering the past, present and future of aircraft electronics, it provides advantages to both manufacturers and users.
Looking back on the previous years, the demand for electrical energy of aircraft engines was first formed by the necessity of starting the main engines. Therefore, the need for this electrical power dates back to the times of the First World War. In order to feed the batteries used in that period; Wind generators have been used to be a more reliable source, which has also emerged as a good alternative solution given the low energy density of the existing batteries. The need for increasing power with the developing technology caused these power generation methods to be inadequate.
The steady increase in air traffic along with the growing demand, encouraged the aircraft industry to search for alternative solutions. As a result of this trend, the electrical power needed in the aircraft has increased considerably over the years; it has caused major changes in electrical architecture and wiring. The historical development that started with direct current power generation has evolved into alternating current systems; Over the years, it has become more complex.
Electrical power systems provide the power required for the operation of both avionics and flight control systems in aircraft. In this context, indicator, warning and control; it can be said that all systems such as interior lighting, environmental control, fuel gauges operate depending on the electrical power.
Today, power generation systems are categorized as primary and secondary generation systems, and the electricity generators to be used in the primary generation systems are electric generators. Electrical generators and systems have an important opportunity to regulate the quality of energy use in aerospace applications. In order to increase the efficiency of generators, reduce harmonics and increase the production of electrical energy is inevitable.
Since in-flight electrical systems are becoming more and more complex, they are subdivided over time. Power generation systems are categorized as primary generation systems and secondary generation systems, and primary generation systems are integrated drive systems and generators, which are responsible for generating the electrical energy to be used.
The primary power generation systems control and protection elements mainly have functions such as voltage regulation, parallel operation, reverse current protection and high / low voltage protection. 
The ability of the power supplies to operate and supply adequately under all conditions and maximum operating times is guaranteed by regular and periodic technical analyzes in aircraft applications. Because the insufficient electrical power system can affect all systems in the aircraft and cause accidents. In order to prevent this situation, the power needs of all equipments that need electrical power are determined according to the working conditions at each stage and these needs are provided to be compatible with the capacities of the power generating resources.
Secondary electric power generation systems in aircraft electrical systems include circuits and batteries that convert electrical energy into different voltage levels and frequency.
Another electrical system used in the aircraft is the system that includes the distribution elements. In this context, the main tasks of this system are to distribute the power to all the busbars needed and to isolate the failures that may occur in the busbars.
In addition to the automatic controls of the electrical system as described, the main indicators for manual control of the inclusion or removal of all power supplies are available in the cockpit; flight personnel are given the opportunity to intervene to ensure safe flight.
Aircraft power generation systems available in the market; constant speed drive and integrated drive generator systems play an important role in generating constant frequency power to aircraft electrical systems. These systems bring with it some disadvantages. It consists of heavy parts consisting entirely of mechanical parts, and this has the effect that in the event of any breakage or wear, the entire system may fail. Therefore, these systems have optimized designs; reliability and robustness, such as aircraft applications, is a condition that must be met in vital applications.
Academic studies carried out within the framework of all these requirements; aims to make aircraft more efficient with the help of lighter and more efficient electrical systems. With the use of electric power in the aircraft industry, aircraft electronics has influenced both the industry and the academic world, just as the fundamental changes that electric vehicles have undergone in the last few years. Reduce emissions and fuel costs; features such that the electrical components require less maintenance and are safer than the mechanical and pneumatic ones, as well as that any situation where efficiency can be increased will provide a great economic advantage in electrical power generation systems; these systems have been preferred.
In this context, the electrical unit called Integrated Drive Generator, which is used as the main electricity supplier in aircraft applications, provides primary electrical power to the units in need of power by converting the variable motor input to a constant output speed within the application. The increase in efficiency in this unit will affect the whole system and contribute to obtaining the optimized design.
Within the scope of the thesis, the analysis of the electric power generation unit which is suitable for a modern airplane is optimized. In this context, in the first part of the thesis, some of the necessary concepts are introduced and historical development of in-flight electrical systems is reviewed. In this section, a number of academic studies in this field are summarized and the purpose of the study is introduced. In the second part of the thesis, features of integrated drive generators and all units connected to this unit are given and technical details are explained. In addition, the design, analysis and optimization of the generator to be performed in the aircraft applications are mentioned in this section.
In the third part of the thesis, general theory of synchronous generators was explained; following the necessary equations and expressions are given. The finite element method, which provides the optimization of the synchronous generator to be used after the establishment of the reference model, is explained in the fourth section.
Modeling, calculations, analysis and optimization of the study were carried out in the fifth chapter. In this context, the necessary drawings, the types of analysis and the results obtained in today's aircraft, the superiority of the reference models used in existing systems are also given in this section. Finally, the results obtained in the sixth part were evaluated; solutions and suggestions for future academic studies are presented.