TRIZ ile Yakıt Tasarruflu Kıvrık Kanat(Winglet) Tasarlama
Prof. Dr. Metin O. Kaya
Taşıma kuvvetinin azalmasında ve dolayısıyla yakıt tüketiminin artmasında en önemli etkenlerden birisi kanat ucu girdabıdır. Bu yazımızda TRIZ’in Teknik ve Fiziksel Çelişki yöntemleriyle kanat ucu girdabının nasıl azaltılacağını tartışacağız. Bunu yaparken de Prashant Yeshwant’den de alıntılar yapacağız.
Teori
Taşıma kuvveti oluşturan bir kanadın üst yüzeyindeki basınç genel olarak serbest akım basıncından düşük, alt yüzeyindeki basınç ise kısmen serbest akım basıncından düşük ve kısmen de büyük olmakla birlikte genel olarak üst yüzeydeki basınçtan büyüktür.
Bu nedenle bir kanat etrafından geçmekte olan akımda, basıncın daha büyük olduğu alt yüzeyden üst yüzeye doğru kanat açıklığı doğrultusunda ikincil bir akım oluşur.
Sonlu Kanat Etrafındaki Akımın Fiziksel Yapısı
Yanal doğrultudaki bu ikincil akım, kanat etrafından geçmekte olan akımın alt yüzeyde kanat uçlarına doğru, üst yüzeyde ise kanat köküne doğru sapmasına neden olur.
Kanat üstünden ve altından bu şekilde sapmış olarak geçen akışkan fileleri firar kenarında birleştiğinde, firar kenarı doğrultusundaki hız bileşenleri zıt yönde olduğu için meydana gelen kayma gerilmesinin etkisiyle girdap oluştururlar. Kanadın firar kenarının her noktasından oluşan bu girdaplara “kaçma girdapları“ adı verilmektedir.
Açıklık boyunca oluşan çok sayıda kaçma girdabı, kanadın gerisinde belli bir uzaklıktan sonra birleşerek, kanat uçları hizasında geriye doğru uzanan iki büyük girdap oluşturur. Bu girdaplara da “kanat ucu girdabı” adı verilir .
Kaçma girdapları kanat etrafından geçen akımın doğrultusunda genel olarak aşağı doğru sapma yaratır. Akımın aşağı sapması da aerodinamik taşıma kuvveti doğrultusunun sapmasına neden olur. Oluşan taşıma kuvvetinin bir bileşeni kanadın uçuş doğrultusunda ama zıt yönde olup, hareketi engelleyici yöndeki bu direnç kuvvetine “indüklenmiş sürükleme” adı verilir. Diğer bileşen ise taşıma kuvvetinin yararlı olan kısmıdır. Bu kuvvet de iki-boyutlu haldeki taşıma kuvvetinden daha küçüktür.
Kanat uçlarında alt ve üst yüzeyler arasındaki ikincil akım nedeniyle kanadın özellikle uç taraflarında taşımada önemli kayıplar oluşur. Kayıplar genellikle kanadın simetri düzlemi yakınlarında en alt seviyededir. Sonuç olarak üç-boyutlu bir kanadın açıklığı boyunca değişen bir yük (taşıma) dağılımı söz konusudur
TRIZ ile Çözüm
Problemi öncelikle Triz çelişki problemi haline çevirelim. Bu yazımızda hem Teknik hem de Fiziksel Çelişki yöntemi kullanılacaktır.
Teknik Çelişki
Kanat ucunda girdap kaçmasının az olması için kanat uzun olmalı ancak bu durumda da kanat köküne uygulanan kesme kuvveti ve moment çok artıyor.
Kesme kuvveti ve momentin etkisini şekil üzerinde anlatalım. Şekil a’da 600 kg’lık bir uçakta kökte bulunan civatalara toplam 3000 N (300) kg’lık bir kesme kuvveti gelmektedir. Kökteki moment değerinin 60000 Nm olduğuna dikkat edilmelidir. Kökte kanat kalınlığı 20 cm oldğundan civatalara eksenleri yönünde 30000 N (3000 kg) kuvvet uygulanmaktadır. Şekil b’de ise 120 tonluk uçakta moment etkisi nedeniyle civatalara 400000N (400 ton) eksen yönünde kuvvet gelmektedir.
TRIZ matrisindeki mühendislik parametrelerini kullanarak Teknik Çelişkiyi tekrar yazalım:
Kanat ucundaki girdap kuvvetinin (force) az olmasını istiyoruz ancak bu durumda da kanat kökünde dayanım (strength) azalıyor.
Fiziksel Çelişki : Kanat ucundaki girdap kuvvetinin az olması için kanadın uzun olmasını, ancak kanat köküne gelen kuvvetlerin az olması için de kanadın kısa olmasını istiyoruz. İlgili buluş prensiplerinin Uzayda ayrılık ile bulabiliriz.
Fiziksel çelişki ile teknik çelişkin kesiştiği buluş prensipleri aşağıda verilmiştir.
3 Local Quality Lokal (Kısmi) Kalite
7 İç-içe Yerleştirme-Matruşka (Nested Doll)
14 Curvature Küresellik, Eğrilik
17 Another Dimension Yeni Bir Boyuta Geçiş
Uç girdap etkisini azaltmak ve yakıt verimliliğini artırmak için ortaya konulan buluş prensiplerinin çeşitli kıvrık kanat (winglet) tasarımlarında kullanımını aşağıdaki şekillerde görebilirsiniz.
17 Another Dimension Yeni Bir Boyuta Geçiş. Kıvrık kanat, kanada göre düşey düzlemde yer almaktadır.
14 Curvature Küresellik, Eğrilik. Eğrilik, kanatçığın kökünde verilen bir yarıçaptır.
17 Another Dimension Yeni Bir Boyuta Geçiş. Kıvrık kanat, kanada göre düşey düzlemde yer almaktadır.
Kaynaklar
Prof. Dr. M. Adil Yükselen, Aerodinamik ders notları
TRIZ-Çelişki
TRIZ-Teknik Çelişki
TRIZ-Ayırma Prensipleri
Triz-40 Buluş Prensibi
Yeni Çelişki Matrisi
