Pervane analizi
Analysis of Propellers
Yazar: LÜTFİ ÖNER
Danışman: PROF. DR. M. ADİL YÜKSELEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu çalışmada pervane analizi üzerine bir inceleme sunulmuştur. Akustik konuları kapsam dışında tutulmuş ve analiz yöntemleri olarak klasik pala elemanı-momentum teorisi ve CFD simülasyonları ele alınmıştır.Literatürde klasik teorinin iki kısımda incelendiği görülmektedir. Bunlar pala elemanı-basitleştirilmiş momentum ve pala elemanı-genel momentum teorileridir. (Gur, 2008) Bu teorilerin karşılaştırılması Gur (2008) tarafından yapılmıştır. Bu karşılaştırma sonucunda daha karmaşık olmasına rağmen pala elemanı-genel momentum teorisinin pala elemanı-basitleştirilmiş momentum teorisi ile benzer sonuçlar verdiği görülmüş ve bu bağlamda basitleştirilmiş teorinin analiz problemlerinde tercih edilmesinin daha mantıklı olacağı yargısına varmıştır. Fakat unutulmamalıdır ki bu yargı ok açısı bulunmayan ya da düşük ok açılı palalara sahip pervaneler için geçerlidir.Gur'un çalışmasının verdiği bilgiler bir bütün olarak ele alınırsa klasik teorinin geldiği noktayı işaret etmektedir. Bu noktanın pervane analizinde nasıl bir yer edindiğini görmek için bir analiz aracı bilgisayar ortamında elde edilmiştir. Bu araç elde edilirken Larrabee (1979) ve Adkins (1994) tarafından önerilen denklemler esas alınmıştır. Bu hesaplama aracı tasarım noktalarında performans değerleri teorik olarak bilinen yedi adet pervanenin analizi ile test edilmiştir. Test sonucunda klasik teorinin (tasarım noktasında) itki, güç ve verim hesaplamalarında başarılı olduğu gözlenmiştir. Söz konusu pervane bilgileri Adkins (1994), Larrabee (1979) ve Bauer (1997)'den alınmıştır.Klasik teorinin tasarım noktası dışındaki hesaplama başarısını görmek için deney verilerine ihtiyaç duyulmuştur. Bu bağlamda Yaggy (1960) tasarım noktası ve dışında performans değerleri verilen bir pervane için çeşitli ilerleme oranları ve oturma açılarında klasik teori ile analiz yapılmıştır. Bu pervane NACA 0009 kesitinden imal edilmiştir. Klasik teoride ihtiyaç duyulan kesit karakteristikleri çeşitli Reynolds sayısı ve hücum açısı aralıklarında Abbott (1945) ve Sheldahl (1981)'den alınmıştır. Sonuç olarak tasarım noktasından uzaklaşıldıkça hata payının arttığı tespit edilmiştir. Ayrıca düşük ilerleme oranları için itki eğrisinin eğilimi deney verileri ile uyum sağlamamıştır.Klasik teorinin yanı sıra pervane analizinde kullanılan bir diğer yöntem de hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) simülasyonlarıdır. Yaggy (1960)'da sunulan ve klasik teori ile analiz edilen pervane üç oturma açısı ve çeşitli ilerleme oranlarında toplam on dört CFD simülasyonu ile analiz edilmiştir. Simülasyonlar sonucunda tasarım noktasında yalnızca itki düşük hata payı ile hesaplanabilmiştir. Güç ve dolayısıyla verim hesabının hatası yüksek çıkmıştır. Bu durumun simülasyonların optimize edilmesi ile giderilebileceği ifade edilmiştir. Ayrıca tasarım noktasından uzaklaşıldıkça hatanın yükseldiği ve düşük ilerleme oranları için itki eğiliminin klasik teoriye nazaran deney verilerine uyduğu görülmüştür.

Abstract:
This study presents a review of propeller aerodynamics. Analysis methods are summarized excluding acoustics phenomenoa. These methods are classical blade element-momentum theory and computational fluid dynamics (CFD) simulations.In general opinion, blade element-momentum theory is separated into two point of views; blade element-general momentum and blade element-simplified momentum theory. (Gur, 2008) Gur (2008) also evaluates the comparison of these theories. As a result of this evaluation, Gur states that general momentum theory is based on very complicated equations though its results are almost same with the results of the simplified theory. Consequently, simplified momentum theory can be very practical on propeller analysis. He also states that this choice is significant only for straight-blades that have zero or small sweep angles.Gur?s study points out the status of the classical blade element-momentum theory. In order to see the value of this status on the analysis problems of the propellers, a calculation software is written. The software is generated based on the equations presented by Larrabee (1979) and Adkins (1994). Seven analysis calculations are done on the design points thus the validation of this calculation software is done. The main result of this validation is that the calculation of thrust, power and efficiency is very satisfactory at the design point of the propellers. Related propeller data is taken from Adkins (1994), Larrabee (1979) and Bauer (1997).In order to test the classical theory around the design point of propellers experimental data is required. In this respect, the study of Yaggy (1960) which presents the performance data of a few propellers tested in wind tunnel is considered. One of these propellers has NACA 0009 airfoil sections. The classical theory needs section characteristics in several Reynolds number and angle of attack ranges and this data is taken from Abbott (1945) and Sheldahl (1981). As a result of this test, it is seen that the error percentage increases while leaving the design points. Additionally, the trend of the thrust constant curve disagrees with the experimental one for low advance ratios.Besides the classical theory, CFD method is also used on the analysis problems. In this study CFD simulations are applied to the propeller analyzed with the classical theory. The configurations of these simulations are set at three blade-pitch angles and several advance ratios. Fourteen simulations are executed. Consequently, only thrust coefficient could be calculated with minor error. It is stated that this problem can be overcame by optimizing CFD simulations. Also, the trend of the thrust constant curve agrees with the experimental one for low advance ratios.