Yakınsak-ıraksak nozulda geometrik optimizasyon ve performans analizi
Geometric optimization and performance analysis for convergent-divergent nozzle
Yazar: ENDER CAN YAKAR
Danışman: PROF. DR. HALİT KARABULUT
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Havacılık ve Uzay Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering ; Uçak Mühendisliği = Aeronautical Engineering
Dizin: ANSYS = ANSYS ; Nozul = Nozzle ; Süpersonik = Supersonic ; Yakınsaklık = Convergence ; Şok dalgaları = Shock waves

Özet:
Bir turbofan motor, güç üretim ve itki üretim üniteleri olmak üzere iki bölümden oluşmaktadır. Güç üretim ünitesi kompresör, yanma odası, türbin ve nozuldan meydana gelmektedir. Güç üretim ünitesi yalnızca güç değil, aynı zamanda itkinin bir kısmını da üretmektedir. İtki, motorun egzoz nozulunda üretilmektedir. En çok kullanılan turbofan motorlardan biri CFM56-7B'dir ve bu motorlarda kullanılan nozul, yakınsak bir nozuldur. Bu tezde, yakınsak-ıraksak nozulun CFM56-7B turbofan motorlarına uygulanabilirliği araştırılmıştır. Başlangıçta ANSYS Fluent kullanılarak CFM56-7B motorunun egzoz sisteminin iki boyutlu modelinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi yapılmıştır. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi ile elde edilen değerler, motorun referans değerleri ile karşılaştırıldığında nozul çıkış hızında %8,785, itki değerinde ise %19,919 fark olduğu gözlemlenmiştir. Böylece analiz metodunun, sağlıklı sonuçlar verebildiği tespit edilmiştir. Daha sonra sıkıştırılabilir akış bağıntıları kullanılarak Mach sayısının 1,3, 1,5, 2 ve 2,5 değerleri için tasarlanan dört farklı çan şekilli nozul üzerinde hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi yapılmıştır. Referans değerler ile karşılaştırmalar yapıldığında bu nozulların itki değerleri, referans değerlerden daha düşük çıkmıştır. 1,3 Mach ve 1,5 Mach için tasarlanan nozulların çıkış hızları, referans değerlere göre sırasıyla %32,909 ve %45,159 daha yüksek olmasına rağmen, bu durumun itkiyi iyileştirmeye yeterli olmadığı gözlemlenmiştir. Diğer iki nozulda ise nozul içinde şok dalgası oluşumları gözlenmiş ve bu nedenle nozul çıkışlarında büyük hız düşüşleri meydana geldiği görülmüştür. Bu hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizlerinin sonunda, çan şekilli nozulların CFM56-7B turbofan motorları için uygun olmadığı tespit edilmiştir. Daha sonra, motorun orijinal nozul tasarımına benzer olacak şekilde, izentropik akış formüllerinden nozul boyundaki her bir uzunluk değerine karşılık gelecek şekilde, akışkanın geçeceği alanların marching metodu ile hesaplanması ve bu hesaplara göre, iç çap ve dış çap değerlerinin belirlenmesi mantığı ile nozul tasarlanmıştır. Bu nozulların hesaplamalı akışkanlar dinamiği analiz sonuçlarına bakıldığında ise itki değerlerinin, orijinal CFM56-7B tasarımına göre yaklaşık olarak %29 daha iyi oldukları görülmektedir. Bu durumun nedeninin ise bu nozullarda, orijinal tasarıma göre daha iyi çıkış hızı elde edilmesi ve nozul çıkış alanının artması olduğu düşünülmektedir.

Abstract:
A turbofan engine consists of two sections such as a power generation unit and a thrust generation unit. The power generation unit involves a compressor, a combustion chamber, a turbine and a nozzle. The power generation unit generates not only power but also some of the thrust. The thrust is generated at the exit nozzle of engine. One of the most used turbofan engines is CFM56-7B. The nozzle used in these engines is a convergent nozzle. This study investigated the applicability of convergent-divergent (C-D) nozzle to CFM56-7B turbofan engines. Initially, computational fluid dynamics analysis of the two-dimensional modeling of the exhaust system of the CFM56-7B engine was performed using ANSYS Fluent. The accuracy of the analysis was assessed by comparing the calculated values with reference data of engine company. There was 8,785% difference in the nozzle outlet velocity and 19,919% difference in the thrust. The method used in this analysis was found to be robust. Subsequently, computational fluid dynamics analysis was performed on four different bell-shaped nozzles designed for 1,3, 1,5, 2 and 2,5 values of Mach number by using compressible flow relations. When comparisons are made with reference values, the thrust values of these nozzles were found to be lower than the reference values. Although the output velocities of the nozzles designed for Mach 1,3 and Mach 1,5 were 32,909% and 45,159% higher, respectively, than the reference values, it was observed that this was not sufficient to improve the thrust. In the other two nozzles, shock wave formations have been observed inside the nozzle and due to this reason some velocity drops occurred at the nozzle outlets. At the end of these computational fluid dynamics analyzes, the bell-shaped nozzles were found to be inappropriate for CFM56-7B turbofan engines. Then, another nozzle types were designed similar to the original nozzle design of the engine using isentropic flow formulas. Each of the nozzle areas that the fluid will pass through calculated using the marching method. The inner diameter and outer diameter values were calculated according to these area values. When the computational fluid dynamics analysis results of these nozzles are examined, it is seen that the thrust values are approximately 29% better than the original CFM56-7B design. It is thought that the reason for this situation is that these nozzles have better outlet velocity compared to the original design and the nozzle exit area is increased.