İleriye dönük kanatlı radyal fan tasarım yöntemlerinin HAD ile incelenmesi

Fanlar, motordan aldıkları enerjiyi içerisinden geçen havaya aktaran turbomakinalardır. Akışın çarka giriş ve çıkış yönüne göre eksenel ve radyal fanlar olarak iki ana başlık altında incelenirler. Eksenel fanlarda akış çarka eksenel olarak girer ve çarkı eksenel olarak terk eder. Radyal ya da diğer bir adıyla santrifüj fanlarda ise çarka eksenel olarak giren akış 90° dönerek çarkı radyal olarak terk eder. Radyal fanlar kendi aralarında geriye dönük kanatlı radyal fanlar, tam radyal fanlar ve ileriye dönük kanatlı radyal fanlar olmak üzere üçe ayrılır. Geriye dönük kanatlı radyal fanlar bu üç çeşit içerisinde en çok kullanılandır. Kanatları motorun dönme yönünün tersine yönlendirilmiştir. Deneysel ve teorik çalışmaların büyük bir çoğunluğu bu fanlar kullanılarak yapılmıştır. Teorik olarak oluşturulmuş tasarım yöntemleri de bu fanlar için oluşturulmuştur. Verimleri ileriye dönük kanatlılara kıyasla daha yüksek olmakla birlikte boyutları da aynı debi için kıyaslandığında ileriye dönük kanatlılardan daha büyüktür. Literatürde Sirocco fanları ya da sincap kafesli fanlar olarak da bilinen ileriye dönük kanatlı radyal fanlar 19. Yüzyıldan beri havalandırma sitemlerinde, otomobil endüstrisinde ve elektronik aletlerin soğutulmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Kanatları motorun dönme yönüne doğru yönlendirilmiştir. Diğer tip radyal fanlarla kıyaslandığında aynı debiyi daha küçük boyutlardaki çarklar ile basabilmektedirler ve daha sessiz çalışırlar. Daha sessiz çalışmalarının nedeni aynı debiyi daha düşük devir sayılarında basabilmeleridir. En önemli dezavantajları ise %50-60'ı geçmeyen verimleridir. Diğer fanlarla kıyaslanırsa kanat sayıları daha fazla ve kanat boyları daha kısadır. En önemli karakteristik özellikleri düşük debi bölgesinde görülen basma yüksekliğindeki düşüştür. Geniş bir kullanım alanına sahip olmalarına rağmen akış hacmi ve tasarım parametreleri üzerinde geriye dönük kanatlı radyal fanlara kıyasla daha az çalışma yapılmıştır. Bu tezdeki esas amaç ileriye dönük kanatlı radyal fan tasarımındaki etkin parametreleri belirlemek ve ilerde yapılacak tasarımlar için tasarım yöntemi önermektir. Literatürde bulunan tasarım yöntemleri ileriye dönük kanatlı radyal fanlar için yeterli uygunlukta olmadıkları gibi, o yöntemler kullanılarak yapılan tasarımlar büyük çoğunlukla tasarım noktası özelliklerini sağlayamamaktadır. İlk olarak literatürden bulunan deneysel verilerin ANSYS FLUENT ve ANSYS CFX yazılımları yardımıyla doğrulanması amaçlanmıştır. Analiz sonuçlarıyla deneysel verilerin kıyaslanması sonucu CFX çözücüsünün genel olarak daha yüksek doğrulukta sonuçlar verdiği görülmüştür. Her iki çözücüde de üç farklı türbülans modeli denenmiş ve en doğru sonucun k-ω SST ile elde edildiği görülmüştür. Çözücü olarak seçilen CFX yazılımında kullanılan türbülans modeli gibi bir çok çözüm parametreleri belirlenmiş ve ileride yapılacak HAD analizlerinde bu çözücü ve çözüm parametreleri kullanılmıştır. 5 farklı tasarım yöntemi kullanılarak tasarımlar gerçekleştirilmiştir. İlk tasarım tek boyutlu tasarım yöntemi olan Euler turbomakina denklemleri kullanılarak yapılmıştır. Tez kapsamında klasik yöntem olarak geçen bu yöntem geriye dönük kanatlarda yüksek doğrulukta sonuçlar vermesine karşın ileriye dönük kanatlar için tasarım noktası özellikleri bu yöntem ile sağlanamamıştır. Bu yöntem ileriye dönük kanatlı fanlar için beklenenden daha az kanat sayısı ve düşük kanat giriş açısı vermektedir. Bu yöntemin gerekli düzeltmeler yapılmadan ileriye dönük kanatlı radyal fan tasarımı için kullanılması önerilmemektedir. İkinci tasarım ise Peng tarafından kendi kitabında önerilen parametreler kullanılarak yapılmıştır. Teorik hesaplamalar sonucunda kanat giriş açısının 37° olması gerektiğini öneren yöntemde kanat genişliği ise diğer yöntemlere göre daha küçüktür. HAD analizleri sonucunda bu yöntemle tasarlanan fanın tasarım noktasını sağlamadığı görülmüştür. Üçüncü tasarım ise klasik yöntem ile literatürde bulunan ve çok sayıda ileriye dönük kanatlı radyal fanda kullanılan parametrelerin kombinasyonuyla oluşturulmuştur. Kanat giriş ve çıkış açıları ile kanat sayısının literatürdeki fanlara yakın olarak belirlenmesiyle elde edilen değerlerle bu tasarımın tasarım noktasını sağladığı görülmüştür. Dördüncü tasarımda ise üçüncü tasarımda kullanılan ve tasarım noktasını sağlayan parametreler Peng yöntemine uygulanmıştır. Kanat giriş açısı 90° olarak belirlenmiş ve kanat giriş açısından etkilenmeyen diğer parametreler aynen korunmuştur. Sonuçlar incelendiğinde sadece kanat giriş açısının değiştirilmesi Peng yöntemi kullanılarak yapılan tasarımda tasarım noktasını sağlayamamıştır. Beşinci tasarımda da tekrar üçüncü tasarımda kullanılan bir parametre olan çark genişliği 22mm'den 40mm'ye çıkarılmış ancak bu değişiklik fan karakteristiğini iyileştirmiş olsa da tasarım noktasını sağlayamamıştır. Yapılan beş ayrı tasarım sonucunda Peng tarafından öne sürülen teorik çıkarımların ileriye dönük kanatlı radyal fan tasarımı için pek uygun değerler vermediği ve tasarım noktası değerlerini sağlamadığı görülmüştür. Geriye dönük kanatlı radyal fanlarda kullanılan yöntemin ise çeşitli parametreler düzeltilmeden ileriye dönük kanatlılar için kullanılmasının sakıncalı olduğu sonucuna varılmıştır. Kanat giriş açısının tek başına değiştirilmesi fan performansında önemli bir etki yapmadığı ve fan tasarımı yapılırken kanat genişliğinin çok önemli bir parametre olmasına rağmen performansı sağlanması için tek başına yeterli olmadığı görülmüştür.