Bir İHA için tasarlanmış kanal içi pervanenin performansının deneysel incelenmesi
Experimental investigation of ducted propeller designed for UAV
Yazar: SEYİT TÜRKMEN KOÇ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. DUYGU ERDEM ; PROF. DR. MEHMET ŞERİF KAVSAOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı / Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering
Dizin: Deneyler = Experiments ; Rüzgar tüneli = Wind tunnel

Özet:
İHA'ların arazi şartlarından etkilenmeksizin kolayca dikey iniş kalkış yapabilmesi İHA'ların kullanım alanları açısından da yeni açılımlar sağlamaktadır. Bu sebeple bu çalışmanın da konusu olan dikey iniş kalkış yapabilen sabit kanatlı insansız hava araçları günümüzde oldukça çalışılan bir uygulama olmuştur.Kanal içi pervane sistemlerine karşı artan bu aşırı ilgi sebebiyle bu konu teknik olarak da birçok çalışmaya konu olmuştur. Nitekim sabit kanatlı bir insansız hava aracında ekseni değiştirilebilen kanal içi pervane sisteminin eksenel akış halinin araştırılması ve oluşturduğu performansın belirlenip geliştirilmesi bu çalışmanın asıl amacını oluşturmaktadır. Bu sebeple bu çalışmada kanal içi pervane performansını etkileyen parametreler literatürle birlikte ayrıntılı olarak işlendi. Daha sonra buradan edinilen bilgiler doğrultusunda üç farklı kanal ve üç farklı pervane ile kanal içi pervane sisteminin performansı deneysel olarak incelendi.Daha önce tasarımı yapılan DİK-İHA teknik özelliklerinden yola çıkılarak üç farklı kanat profilinde (NACA0018, NACA0012, NACA 4312) üç farklı kanal üretildi. İlk önce bir yalın kanal içerisinde dışarısında sıcak tel ile hız verisi alınarak yalın kanalın serbest akımı nasıl etkilediği araştırıldı. Daha sonra kuvvet/moment duyargası yardımıyla yalın kanalların ayrı ayrı sürükleme kuvvetleri ölçüldü.İkinci aşamada yalın pervanenin iz bölgesinde sıcak tel sistemi ile hız taraması yapıldı ve yine kuvvet/moment duyargası yardımıyla yalın pervanenin statik ve serbest akım hızı altında performansı incelendi. Daha sonra dönüş hızı/tork duyargası ile yalın pervanenin çeşitli güçlere karşılık oluşturduğu tork ve dönüş hızı belirlendi.Üçüncü aşamada kanal içi pervane sistemi içerisinde ve dışarısında hız taramaları gerçekleştirildi ve yalın pervanenin indüklediği akış alanının kanal ilavesi ile nasıl değiştiği belirlendi. Ayrıca kanal içerisinde ve dışarısında yedi delikli basınç probu yardımıyla basınç ve hız verileri elde edilerek kanal profillerinin iki boyutlu akış altında oluşturduğu basınç katsayısı verileri ile karşılaştırıldı. Kanal altına ve motor kovanı altına ayrı ayrı yerleştirilen kuvvet/moment duyargası ile sistemin akışa maruz hali ve statik hali için kanal içi pervane sisteminde kanalın ve pervanenin oluşturduğu eksenel kuvvetler ayrı ayrı ölçüldü. Elde edilen veriler yalın pervane performansı ile karşılaştırılarak kanalın pervane performansına etkisi belirlendi. Farklı kanallar içerisinde dönüş hızı/tork duyargası yardımıyla pervanenin dönüş hızı ve oluşturduğu tork belirlendi. Pervanenin yeri kanal içerisinde üç farklı istasyonda sabitlenerek üçüncü aşamada belirtilen deneyler tekrarlandı. Bu şekilde pervane yerinin performansa etkisi belirlendi.

Abstract:
Nowadays, vertical take-off landing properties of VTOL-UAVs make them very popular. Because of this reason, especially VTOL ducted propeller UAVs are being widely investigated in recent technical papers. Some fixed wing VTOL UAVs utilizing tiltable ducted propellers. Within the scope of this thesis, experimental investigations of ducted propellers are performed. A detailed literature survey is given. Three different propellers and three different ducts and various combinations of these ducts and propellers are considered. Experiments are realized in a subsonic wind tunnel.Ducts are manufactured using a CNC machine and each duct has a different aerodynamic cross section. These are NACA 0018, NACA 0012 and NACA 4312 cross sections. After manufacturing, firstly, the bare duct with NACA 4312 cross section is experimentally investigated by hot wire anemometry system to understand the effect of duct on free stream. Then, each ducts? drag is measured by using a force/moment transducer.At second step, wake of bared propeller is surveyed by hot wire probe at several stations. The bare propeller?s performance is searched in the static state and 20 m/s free stream velocity by using the force/moment transducer. Lastly, rotational speed and torque data are measured by torque transducer.At third step, the velocity profile of the ducted propeller in the wake region is determined by using the hot wire anemometry system and the difference between the velocity profiles of bare propeller and ducted propeller systems are tried to be understood. Then, the pressure and velocity profiles are measured by using a seven-hole pressure probe inside and outside of the ducted propeller. The non-dimensional pressure data is compared with two dimensional pressure data of those aerodynamic profiles at the same Reynolds number. The axial forces of the duct and propeller in the ducted propeller system are measured separately by mounting a force/moment transducer under the duct and at motor housing. These measurements are performed for the static state and for 20 m/s free stream velocity. Obtained data are compared with the bare propeller data and the effect of shroud is tried to be identified. Rotational speed and torque data are measured by using a torque transducer and all experiments are repeated by changing the location of the propeller in duct. Thus, the effect of propeller location on performance of a ducted propeller is determined.