Cfd-based design and experimental assessment of a gerotor pump for aircraft applications
Havacılık uygulamaları için bir gerotor pompanın cfd tabanlı tasarımı ve deneysel değerlendirilmesi
- Tez No: 1001842
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SEHER EKEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Kaçak debisi, Sızma, Tasarım, Validasyon, Leakage flow, Leakage, Design, Validation
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bir pompa, mekanik enerjiyi hidrolik enerjiye dönüştürerek akışkanı düşük basınçlı bir bölgeden daha yüksek basınçlı bir bölgeye ileten temel bir enerji dönüşüm makinesidir. Bu dönüşüm süreci, mil üzerinden aktarılan tork ve açısal hızın oluşturduğu mekanik gücün akışkanın basınç enerjisine ve belirli ölçüde kinetik enerjisine dönüştürülmesine dayanmaktadır. Enerji dönüşümünün etkinliği; süreklilik, momentum ve enerji denklemleri çerçevesinde değerlendirilmekte olup pompanın hidrolik performansı çok sayıda parametrenin birleşik etkisi ile belirlenmektedir. Pompa geometrisi, rotor profili, eksantrisite miktarı, boşluk toleransları ve port geometrisi gibi yapısal parametrelerin yanı sıra; akışkanın yoğunluğu, dinamik viskozitesi, sıcaklığı, çalışma basıncı, dönme hızı ve sistem geri basıncı gibi operasyonel değişkenler de performans üzerinde doğrudan etkilidir. Havacılık uygulamalarında kullanılan pompalar için bu parametrelerin etkisi daha kritik hale gelmektedir. Geniş sıcaklık aralıkları, yüksek devir seviyeleri ve değişken basınç yükleri altında çalışmak zorunda olan bu sistemlerde güvenilirlik ve performans kararlılığı uçuş güvenliği açısından doğrudan önem taşımaktadır. Aynı zamanda havacılık sektöründe ağırlık ve hacim kısıtları nedeniyle yüksek güç yoğunluğu gereksinimi söz konusudur. Bu durum, pompa tasarımını yalnızca hidrolik performans açısından değil; yapısal dayanım, üretilebilirlik ve sistem entegrasyonu açısından da çok boyutlu bir mühendislik problemi haline getirmektedir. Pozitif deplasmanlı pompalar, hacimsel yer değiştirme prensibi ile çalışmaları ve çıkış basıncından büyük ölçüde bağımsız olarak belirli bir hacimsel debi üretmeleri nedeniyle havacılık yağlama ve güç aktarım sistemlerinde yaygın olarak tercih edilmektedir. Gerotor pompalar, bu pompa sınıfı içerisinde kompakt yapıları, nispeten düşük titreşimli çalışma karakteristikleri ve sürekli debi üretme kabiliyetleri sayesinde öne çıkmaktadır. Gerotor pompa; iç rotor ve dış rotor olmak üzere iki dişli elemandan oluşmaktadır. Dış rotorun diş sayısı genellikle iç rotordan bir fazladır ve rotorlar eksantrik olarak konumlandırılmıştır. Bu eksantrik yapı, rotorlar arasında hacmi periyodik olarak değişen kapalı çalışma odalarının oluşmasını sağlar. Rotorların dönmesi sırasında bu odaların hacmi artarken emme portu üzerinden akışkan içeri alınmakta; hacim azalırken basma portu üzerinden sistem hattına iletilmektedir. Bu hacimsel değişim prensibi, pompanın teorik deplasman karakterini tanımlamakta ve dönme hızı ile doğrusal ilişki göstermektedir. Teorik debi, bir rotor devrinde taşınan toplam hacmin devir sayısı ile çarpılması ile hesaplanmaktadır. Ancak gerçek çalışma koşullarında elde edilen net çıkış debisi teorik değerin altında kalmaktadır. Bunun temel nedeni, yüksek basınç bölgesinden düşük basınç bölgesine doğru gerçekleşen iç kaçaklardır. İç kaçaklar, pompa içerisinde kaçınılmaz olarak bulunan dar boşluklar üzerinden gerçekleşen ters akışlardır. Bu boşluklar tip boşluğu, eksenel boşluk, radyal boşluk ve burç arayüzleri olarak xxvi sınıflandırılmaktadır. Gerçek volumetrik debi, teorik debiden toplam iç kaçak debisinin çıkarılması ile elde edildiğinden volumetrik verim doğrudan bu kaçak mekanizmalarının büyüklüğüne bağlıdır. Bu nedenle gerotor pompa tasarımında kaçakların doğru modellenmesi ve toleransların performans temelli belirlenmesi kritik öneme sahiptir. Bu çalışma kapsamında havacılık uygulamaları için tasarlanan çok kademeli bir gerotor pompanın tasarım süreci; analitik boyutlandırma, sayısal akış analizleri ve deneysel doğrulama adımlarını içeren bütünleşik bir metodoloji ile yürütülmüştür. Çalışmanın temel amacı, pompanın farklı devir, basınç ve sıcaklık koşullarındaki hidrolik performansını ayrıntılı biçimde incelemek; iç kaçak mekanizmalarının göreceli katkılarını belirlemek; çalışma parametrelerinin birleşik etkilerini ortaya koymak ve geliştirilen CFD modelinin deneysel verilerle doğruluğunu değerlendirmektir. Tasarım sürecinde ilk olarak sistem gereksinimleri tanımlanmıştır. Gerekli debi aralığı, maksimum çıkış basıncı, minimum ve maksimum çalışma sıcaklıkları, nominal ve maksimum devir seviyeleri ile geometrik kısıtlar belirlenmiştir. Havacılık uygulamalarında kullanılan yağın sıcaklığa bağlı viskozite değişimi dikkate alınarak analizlerde akışkan özellikleri sıcaklık bağımlı olarak modele dahil edilmiştir. Düşük sıcaklıklarda artan viskozite sürtünme kayıplarını artırmakta; yüksek sıcaklıklarda azalan viskozite ise iç kaçak miktarını artırmaktadır. Bu nedenle tasarım sürecinde optimum çalışma aralığının belirlenmesi amaçlanmıştır. Gerotor geometrisi parametrik olarak modellenmiş ve trokoidal profil denklemleri kullanılarak rotor dişleri oluşturulmuştur. Rotor eksantrisitesi, diş sayısı farkı ve eksenel kalınlık parametreleri teorik deplasman ve doluluk oranı göz önünde bulundurularak optimize edilmiştir. Yüksek devir koşullarında çalışma odalarının tam dolamaması volumetrik kayıplara yol açabileceğinden, emme portu alanı ve zamanlaması rotor açısal konumu ile uyumlu hale getirilmiştir. Ayrıca giriş bölgesindeki basınç değeleri hesaplanarak kavitasyon riski değerlendirilmiş ve kavitasyona girmemesi için profil tekrardan düzenlenmiştir.. İç kaçak mekanizmaları detaylı biçimde analiz edilmiştir. Tip kaçağı, rotor diş kavrama hattı boyunca oluşan dar boşlukta gerçekleşen ters akıştır ve tüm çalışma koşullarında en baskın kaçak türü olarak belirlenmiştir. Bu bölgedeki basınç farkı doğrudan ters akışa neden olduğundan tip kaçağı basınca en duyarlı mekanizma olarak değerlendirilmiştir. Eksenel kaçak, rotor yüzeyleri ile port plakası arasındaki boşluklardan kaynaklanmaktadır ve eksenel toleranslara bağlıdır. Radyal kaçak, dış rotor ile yataklama elemanının iç çapı arasındaki boşlukta gerçekleşmekte olup hidrodinamik film davranışı ile ilişkilidir. Burç kaçağı ise mil–burç arayüzünde oluşan yağ filmi üzerinden meydana gelmektedir. Kaçak miktarını üretim toleranslarından kaynaklı boşluklar ile orantılı olması, tolerans değişimlerinin volumetrik verim üzerindeki hassasiyetini ortaya koymaktadır. CFD analizleri üç boyutlu, zamana bağlı ve basınç temelli çözüm yaklaşımı ile gerçekleştirilmiştir. Süreklilik ve Navier–Stokes momentum denklemleri çözülmüş; rotor hareketi dinamik arayüz yöntemi ile modellenmiştir. Geçici akış karakterinin doğru yakalanabilmesi için zaman adımı rotor açısal ilerlemesine bağlı olarak belirlenmiş ve birden fazla rotor devri boyunca çözüm alınarak periyodik kararlı durum elde edilmiştir. Dar boşluk bölgelerinde yerel mesh sıklaştırması yapılmış ve mesh bağımsızlık çalışmaları ile çözüm doğrulanmıştır. Türbülans modeli seçimi akış xxvii rejimi dikkate alınarak gerçekleştirilmiş ve çözüm yakınsaması artık değerler ile debi kararlılığı üzerinden kontrol edilmiştir. CFD sonuçları pompa içerisindeki basınç ve hız alanlarını ayrıntılı biçimde ortaya koymuştur. Tip boşluğu boyunca yüksek hız gradyanları ve belirgin ters akış bölgeleri gözlemlenmiştir. Basınç artışı ile tip ve eksenel kaçak debilerinin belirgin şekilde arttığı; sıcaklık artışı ile viskozitenin azalmasının ise tüm kaçak mekanizmalarını güçlendirdiği tespit edilmiştir. Yüksek sıcaklık ve yüksek basınç koşullarının birlikte gerçekleştiği durumlarda volumetrik verimde belirgin düşüş meydana gelmiştir. Ayrıca devir artışı teorik debiyi artırmakla birlikte, yüksek devir koşullarında doluluk oranının azalması performans üzerinde sınırlayıcı etki oluşturmuştur. Deneysel doğrulama çalışmaları kapsamında pompa özel bir test düzeneğinde incelenmiş; giriş ve çıkış basınçları, sıcaklık, debi ve tork ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Farklı çalışma noktalarında elde edilen deneysel veriler ile CFD sonuçları karşılaştırılmış ve performans eğilimlerinin yüksek oranda uyumlu olduğu belirlenmiştir. Sapmalar kabul edilebilir mühendislik sınırları içerisinde kalmış ve geliştirilen sayısal modelin güvenilirliği doğrulanmıştır. Sonuç olarak bu çalışma, gerotor pompalarda iç kaçak mekanizmalarının ayrıntılı analizinin volumetrik verim tahmini açısından kritik öneme sahip olduğunu göstermiştir. Tip boşluğunun optimizasyonu performans iyileştirmesinde anahtar rol oynamaktadır. Basınç ve sıcaklık parametrelerinin birleşik etkileri ortaya konmuş; özellikle yüksek sıcaklık ve yüksek basınç koşullarında performans kaybının belirginleştiği belirlenmiştir. Geliştirilen CFD tabanlı yaklaşım, imalat öncesinde güvenilir performans tahmini sağlayarak tasarım sürecini hızlandırmakta ve maliyet riskini azaltmaktadır. Bu sayede üretim öncesinde tasarımda yapılan hatalar görülebilecek prototip sayısı azaltılacaktır. Bu durum maliyet ve takvim anlamında sürece katkı sağlayacaktır. Sayısal ve deneysel doğrulamanın birlikte ele alınması, gerotor pompa tasarımını sistematik, optimize edilmiş ve mühendislik temelli bir sürece dönüştürmektedir. Çalışma sonunda geliştirilen CFD tabanlı yaklaşımın, gerotor pompaların performansının öngörülmesi ve tasarım optimizasyonunun desteklenmesi açısından güvenilir ve etkin bir araç sunduğu ortaya konmuştur.
Özet (Çeviri)
A pump is a device that transfers fluid from a low-pressure region to a higher-pressure region by converting mechanical energy into hydraulic energy. Its main functions are to transport fluids, increase pressure, and ensure circulation. Pumps are typically used in liquid systems and are driven by power sources such as electric motors, hydraulic systems, or internal combustion engines. The gerotor pump, classified under gear pumps, is a positive displacement type consisting of two intermeshing gears. The inner gear has fewer teeth than the outer gear, and their eccentric rotation generates the volumetric variations required for suction, compression, and discharge. Fluid enters the cavities of the gerotor through the suction port, becomes pressurized due to the chamber volume change during eccentric rotation, and is subsequently delivered to the system via the discharge port. Gerotor pumps are widely employed in aerospace (power transmission, propulsion system lubrication, and cooling) and automotive industries (fuel and lubrication systems). The design of a gerotor pump must be tailored to the specific requirements of the target system. Key parameters such as flow rate, pressure, temperature, and operating speed are initially defined. Based on these requirements, two-dimensional profiles are developed, ensuring cavitation and filling ratio criteria are satisfied under operational conditions. The inlet and outlet port geometries are then defined in direct correlation with the gerotor profiles. Following this stage, three-dimensional CAD models are generated, and manufacturing is carried out. Experimental testing of the manufactured pump is essential to assess performance and compliance with design requirements. Design deficiencies at this stage may result in financial loss and time delays. Performing Computational Fluid Dynamics (CFD) analyses prior to manufacturing enables prediction of hydraulic performance under operating conditions. CFD provides insight into pump efficiency at specified operating speeds, pressures, and temperatures, thereby minimizing risks of cost and schedule overruns. In CFD studies, three primary leakage mechanisms must be investigated: tip leakage, axial leakage, ,radial leakage and bushing leakage. Each leakage type should be analysed independently for all operating conditions. To validate the numerical models, experimental testing under identical conditions is required. Within the scope of this study, a comprehensive analysis matrix was established to evaluate the hydraulic performance of the gerotor pump under various operating conditions. Both CFD analyses and experimental tests were carried out by systematically varying rotational speed, outlet pressure, and fluid temperature. This approach enabled a detailed investigation of the combined effects of operating parameters on pump performance and internal leakage characteristics. xxiv The results indicate that fluid temperature and outlet pressure are among the most influential parameters affecting pump performance. An increase in operating temperature led to a reduction in fluid viscosity, which significantly increased internal leakage rates and resulted in a noticeable decrease in volumetric efficiency. Similarly, an increase in outlet pressure intensified reverse flow from the high-pressure region to the low-pressure region, further reducing the delivered flow rate. Among the investigated leakage mechanisms, tip leakage was identified as the dominant and most pressure-sensitive leakage type, while axial, radial, and bushing leakages exhibited secondary but non-negligible contributions depending on operating conditions. The numerical results obtained from the CFD analyses showed good agreement with the experimental measurements across the defined analysis matrix. The deviations between numerical and experimental flow rate results remained within acceptable limits, confirming the validity of the developed CFD model. Overall, the findings demonstrate that the proposed CFD-based methodology provides a reliable and efficient tool for predicting gerotor pump performance, supporting design optimization and reducing the need for extensive experimental testing in aerospace pump applications.
Benzer Tezler
- Modifications of wakes from bluff bodies: inviscid and viscous discrete vortex methods
Başlık çevirisi yok
ALPAY YILMAZ
- Transonik dış akımın sonlu hacimler yöntemiyle çözülmesi
Transonic external flow calculations using a finite volume method
FIRAT OĞUZ EDİS
- Discrete vortex method simulation of Karman vortex street-edge interaction
Karman Girdap caddesi-cisim etkileşiminin ayrık girdap yöntemiyle incelenmesi
METİN O. KAYA
Doktora
İngilizce
1992
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. C. RUHİ KAYKAYOĞLU
- Numerical simulation of 2-D laminar flow heat generation and forced convection from rectangular blocks in a narrow channel
Dar bir kanal içinde dikdörtgen bloklar etrafında laminer akış, ısı üretimi ve zorlanmış taşımanın 2 boyutlu benzeşimi
İBRAHİM ÖZKOL
- Passive control of wake from a circular cylinder with a splitter plate: viscous VIC simulation
Dairesel silindirden iz akışının ayırıcı levha ile pasif kontrolu: viskoz VIC benzeşimi
AYDIN MISIRLIOĞLU
