Turbojet motorlarda yanma odası sistemi için ısı kalkanı tasarımı ve analizi
Heat shield design and analysis for the combustion chamber system in turbojet engines
Yazar: ONUR KARAASLAN
Danışman: PROF. DR. HASAN GÜNEŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı / Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Havacılık ve Uzay Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Savunma ve Savunma Teknolojileri = Defense and Defense Technologies

Özet:
Günümüzde savunma sanayisinde havacılık sektörü, beraberinde kritik teknolojileri barındıran, ülkemizde ve dünyada önemli bir yere sahip bir sektördür. Hava araçları için gerekli olan itkiyi üreten sistemlerden biri olan turbojet motorların itkiyi üretirken harcadığı yakıt enerjisi ile yüksek sıcaklıklar açığa çıkmaktadır. Bir arada uyum içinde çalışması gereken sistemlerin maruz kaldığı sıcaklıkların belirlenmesi ve önlem alınması için termal analiz yöntemlerinin gözden geçirilmesi ve gerekli bölgelerde termal yalıtım uygulamalarının yapılması hem sistemin güvenliği hem de ömrü açısından kritiktir. Turbojet motorlarda yaygın olarak kullanılan termal yalıtım uygulamalarından biri de ısı kalkanı (ing. Heat Shield) uygulamasıdır. 
Turbojet motorun ve motorun kullanıldığı sistemin emniyet gereksinimlerinin yerine getirilebilmesindeki önemli bir tasarım noktası doğru ısı kalkanı uygulamasının seçilmesidir.
Bu yüksek lisans tezi çalışmasında ısı kalkanı tasarımının gereksinimlerinin belirlenmesi ve bu gereksinimlere uygun bir ısı kalkanı tasarım çalışması uygulamalarından bahsedilecektir. Tez kapsamında yanma odası gövdede kullanılabilecek ısı kalkanının tasarım çalışmaları belirlenmiş olup, tasarlanan ısı kalkanının analizleri gerçekleştirilmiştir.
Tasarım çalışmasının ilk aşaması turbojet motorda ısı kalkanının maruz kalacağı termal yükler için kullanılacak teorinin incelenmesi ile denklemlerin türetilmesidir. İlgili denklemler, turbojet motor çalışma prensibi gereği kullandığı yüksek sıcaklıktaki hava-yakıt karışımı ile iletim, taşınım ve ışıma gibi ısı transfer mekanizmalarının bir arada kullanılması ile türetilmiştir. Bu mekanizmaların sistem üzerindeki etkisi tez kapsamında sonlu farklar metodu ayrıklaştırma yöntemi kullanılarak incelenmiştir. 
Tezin ikinci aşamasında ısı kalkanı üretimi için kullanılacak yalıtım malzeme seçilimi yapılmıştır. Yalıtım malzemesi seçilirken sektörde kullanılan uygulamalar incelenmiş olup seçilen 2 ürününün yalıtım performansı karşılaştırması için test faaliyeti yürütülmüştür. Testin içeriği, ısı tablası ile uygulanan sıcaklığa karşın yalıtımın üstünden termokupl ile ölçülmüş sıcaklık değerlerinin kıyaslamasına dayanmaktadır. Kullanılacak yalıtım malzemesi belirlendikten sonra yalıtımı örten malzeme seçenekleri değerlendirilip sistemde kullanılacak malzemeler kesinleştirilmiştir.
 Tasarım çalışmasının sonraki aşamasında göz önünde bulundurulması ve yalıtımı doğrudan etkileyen hususlardan bahsedilmiştir. Örnek vermek gerekirse, yalıtım malzemesinin yerleşimi sebebiyle vorteks oluşumunun önlenmesi, yalıtımı örten malzemenin geometrisinin performans üzerindeki etkisidir.
Tasarım geometrisi belirlendikten sonra CAD model oluşturulmuştur.  2 boyutlu çözücü kullanılarak girilen sıcaklık, akışkan hızı, ısı kalkanı çapı gibi sınır koşulları ile 2 boyutlu ısı transferi uygulanıp farklı kalınlıklardaki yalıtım uygulamalarıyla elde edilecek sıcaklık değerleri ortaya çıkarılmıştır. Yalıtım malzemesinin yalıtımı örten malzemeye kıyasla çok düşük ısı iletim katsayısına sahip olması sebebiyle termal köprü oluşumu da analizde gözlemlenen bir diğer noktadır.
Son olarak tez kapsamında elde edilen bilgilerin değerlendirilmesi, ısı kalkanı tasarım ve analiz doğrulamasına yönelik uygulanması gereken yöntemler, tezin ileriye dönük çalışma planlarından bahsedilmiştir.

Abstract:
In the contemporary defense industry, the aviation sector, hosting critical technologies, occupies a significant position both in our nation and globally. Turbojet engines, one of the systems generating the necessary thrust for aircraft, produce high temperatures due to the fuel energy expended during thrust generation. Identifying and mitigating the temperatures that systems, which must operate in unison, are subjected to is critical for both the system's safety and lifespan. This necessitates the review of thermal analysis methods and the application of thermal insulation in key areas. One commonly used thermal insulation application in turbojet engines is the implementation of heat shields.
A pivotal design aspect in meeting the safety requirements of the turbojet engine and its system is the selection of the appropriate heat shield. Key parameters for the right heat shield selection include high temperature resistance. The heat shield must maintain its shape and structural integrity even under prolonged high temperatures. It should possess low thermal conductivity, essential for cooling critical areas of the engine at high temperatures and reducing thermal stress. By actively balancing heat distribution, it should prevent the formation of hot spots on the engine, thus enabling more efficient operation of the combustion chamber and exhaust system. The heat shields must expand during engine operation and contract upon cooling. This thermal expansion and contraction should be considered in the design of the heat shield. High temperature can lead to material corrosion, hence heat shields are expected to be resistant to such chemical wear. In the aviation industry, weight is always a significant factor. The heat shield should provide adequate protection while being as lightweight as possible. Heat shields should be easily accessible for maintenance and inspection, and replaceable if necessary. Being long-lasting and cost-effective enhances sustainability and operational efficiency. A review of literature reveals studies and patent applications, particularly from European and American manufacturers, focusing on protecting the relevant engine area against high temperatures, extending service life, and reducing heat transfer.
This master's thesis will discuss the requirements for heat shield design in turbojet engines, a vital field in the defense industry, and the application of a suitable heat shield design. Preliminary design studies for a heat shield usable in the combustion chamber body have been determined, and analyses of the designed heat shield have been performed within the scope of the thesis.
The first stage of the design study is the examination of the theory to be used for the thermal loads the heat shield in the turbojet engine will face and the derivation of equations. The relevant equations have been derived explaining how heat transfer mechanisms like conduction, convection, and radiation, due to the high-temperature air-fuel mixture used in turbojet engines, occur in different components of the heat shield. The impact of these heat transfer mechanisms on the system has been studied.
In the second phase of the thesis, the selection of insulation material for heat shield production was conducted. While choosing the insulation material, industry practices were examined, and a test activity was conducted to compare the insulation performance of two selected products. The test consisted of comparing temperatures measured with a thermocouple over the insulation against the applied heat from a heat table. After determining the insulation material, options for the covering material were evaluated, and the materials to be used in the system were finalized.
The next stage of the design study discussed considerations and factors directly impacting the insulation. For example, preventing vortex formation due to the placement of the insulation material and the effect of the geometry of the covering material on performance.
After establishing the design geometry, a CAD model was created. Initially, one-dimensional calculations were conducted to determine the temperature distribution along the geometry. Following repeated one-dimensional calculations for different thicknesses, two-dimensional heat transfer was applied using a two-dimensional analysis solver program with boundary conditions such as entered temperature, fluid velocity, heat shield diameter, etc., revealing temperature values obtained with different thickness insulation applications. Another point observed in the analysis was the formation of a thermal bridge, due to the insulation material's significantly lower thermal conductivity compared to the covering material.
The manufactured heat shields were subjected to a testing process, and surface temperatures were obtained. The obtained temperatures were compared with the analysis results, and inferences were attempted. It was demonstrated that the heat shield application reduces the external surface temperature of the applied region, depending on the selected insulation thickness, with the chosen insulation material to around 300-400K. The effect of this temperature drop on other components interacting with the local area of application should be examined. Although embossing on the heat shield was theoretically determined to impact insulation and fin efficiency, it was observed to have no significant effect on the insulation in practice. Throughout the conducted tests, the ambient temperature remained at a constant room temperature of 288K. To observe the temperature distribution in different environmental conditions, tests could be conducted at different ambient temperatures and for different test durations, recording the heat shield's more comprehensive thermal behaviors. Additionally, local temperature measurements were made using thermocouples. Thermal cameras could also be used to gain an overview of the system's overall thermal behavior.
One inference that can be made is that the primary reason for using embossing is to reduce weight by choosing thin sheet material, preventing tearing during shaping due to the thin structure of the used material. The choice of insulation material thickness in the heat shield is critical for achieving target temperatures. Excessive thickness increases the system's weight and material consumption, product cost, and the occupied volume in terms of placement and positioning, hence selecting the minimum necessary thickness is important.
Finally, the findings obtained within the scope of the thesis were evaluated, and future work plans for the designed and analyzed heat shield were discussed.