Bir helikopterin yer rezonansına karşı ileri-geri sönümleyici tasarımı
Design of lead-lag damper to avoid ground resonance of a helicopter
Yazar: FATİH ÖZBAKIŞ
Danışman: PROF. DR. KENAN YÜCE ŞANLITÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering
Dizin: Titreşim = Vibration

Özet:
Bu tez kapsamında helikopterlerde ortaya çıkan yer rezonansı kararsızlığı incelenmiştir. Yer rezonansı, mafsallı ve düzlem içi yumuşak rotorlu helikopterlerde görülebilen, helikopter palalarının düzlem içi hareketlerinin helikopter göbeğinin düzlem içindeki hareketi ile birbirlerine bağlanması sonucu ortaya çıkan bir dinamik kararsızlık türüdür. Helikopter palalarının düzlem içi modlarının bazılarında rotorun kütle merkezi rotorun dönme ekseninden kaçar ve bu kaçıklık helikopter gövdesini helikopter gövdesinin doğal frekansında tahrik eder. Bu durum ortaya çıktığında helikopter gövdesinin hareketi de rotoru tahrik ederek büyük genliklerin oluşmasına neden olur ve helikopter kısa sürede hasar görebilir.Bu tezde, literatür araştırmasının ardından helikopterlerde ortaya çıkan yer rezonansı kararsızlığını inceleyen dört serbestlik dereceli bir yer rezonansı modeli oluşturulmuştur. Oluşturulan modelde helikopter palaları rijit kabul edilmiştir. Dört serbestlik dereceli yer rezonansı modelinde iki serbestlik derecesi palaların düzlem içi hareketlerini, diğer iki serbestlik derecesi de gövdenin hareketlerini temsil etmektedir. Kurulan yer rezonansı modeli yardımıyla özdeğer analizleri yapılarak Coleman diyagramı elde edilmiştir. Devamında yer rezonansını ortadan kaldırmak için pala ve gövdeye eklenmesi gereken sönüm oranları hesaplanmıştır.Tez çalışmasının bir sonraki aşamasında helikopter palası esnek olarak modellenmiş ve altı serbestlik dereceli bir yer rezonansı modeli kurulmuştur. Kurulan modelde iki serbestlik derecesi palanın düzlem içi hareketlerini, iki serbestlik derecesi palanın düzlem dışı hareketlerini ve diğer iki serbestlik derecesi de gövdenin hareketlerini içermektedir. Ayrıca kurulan model, pala üzerine gelen aerodinamik kuvvetlerin etkilerini de içermektedir.Kurulan modeller kullanılarak İTÜ'de geliştirilmekte olan Hafif Ticari Helikopterin (İTÜ-HTH)- yer rezonansı analizleri gerçekleştirilmiştir. Yapılan analizlerde İTÜ-HTH'de yer rezonansı kararsızlığının ortaya çıktığı rotor devirleri ve eklenen sönümlerin yer rezonansına olan etkileri incelenmiştir.Son olarak, İTÜ-HTH palası için düzlem içi ileri-geri damper tasarımları önerilmiş ve önerilen tasarımların palaya sağladığı sönüm oranları deneysel olarak hesaplanıp sonuçlar tartışılmıştır.

Abstract:
In this thesis, the ground resonance instability of helicopters is analyzed. Helicopters with lead-lag hinges or soft in-plane rotors suffer from ground resonance which is a dynamic instability involving the coupling of the blade lead- lag motion with the in-plane motion of the rotor. Some in-plane modes of the can cause eccentricity of the center of gravity of the rotor from rotating axis. This eccentricity excites the helicopter fuselage at helicopter fuselage frequency. When this happens, the helicopter fuselage also excites the rotor and large displacements occur and this may lead to the failure of the helicopter in a short time.In this thesis, following the literature survey, a model with four degrees of freedom is built to analyze the ground resonance of a helicopter. Helicopter blades are assumed rigid in this model. Two degrees of freedom of this model represent the in-plane motions of the rotor and the other two degrees of freedom of the model represent the fuselage motion. By calculating eigen values of the model, Coleman diagram is obtained. Then, in order to avoid ground resonance related instability, the amount of damping that need to be added to both blades and the fuselage are estimated .In the next step of this thesis, helicopter blades are considered elastic and a model with six degrees of freedom is built. Two degrees of freedom of this model represent the in-plane motions of the rotor, other two degrees of freedom of the model represent the out-of-plane motions of the rotor and the last two degrees of freedom of the model represent the motion of the fuselage. The effects of the aerodynamic forces are also taken into account in this model.The models developed in this thesis are used to analyze the ground resonance characteristics of the helikopter developed in ITU (also referred to as ITU-HTH). The rotor speeds at which ground resonance may accour and the effects of the damping of the blades and fuselage are examined in the analysis.Finally some lead-lag damper designs are recommended for the ITU-HTH and damping levels provided by these different design options are determined experimentaly and results are discussed.