Design of an electric thrust system for high speed electric jet aircraft

Abstract

Dünya çapında pek çok sektörde görülen trende paralel olarak havacılık sektöründe de elektrikli tahrik sistemlerinin kullanımı her geçen gün artıyor. Havacılık sektöründe elektrikli tahrik sistemlerine olan talep, daha sürdürülebilir ve çevre dostu uçaklara olan ihtiyaçtan kaynaklanmaktadır. Elektrikli tahrik, emisyonları ve gürültü seviyelerini azaltmanın yanı sıra işletme maliyetlerini düşürme potansiyeli sunuyor. Sonuç olarak, uçak uygulamaları için verimli ve yüksek performanslı elektrikli tahrik sistemlerinin geliştirilmesine olan ilgi giderek artıyor. Bu çalışma, yüksek enerji yoğunluğuna sahip 15 kW gücünde yüzde 96 verimliliğe sahip BLDC elektrik motoruyla çalışan, maksi- mum 250 N itki gücüne sahip bir fan motorunun aerodinamik tasarımını sunmaktadır. Bu tasarım, yüksek hızlı eksenel fan tasarımı ve yüksek hızlı BLDC motor tasarımı ilkelerini dikkate alır. Fan motoru maksimum 250 N'lik bir itme gücü sağlayacak şek- ilde tasarlanmıştır ve bu da onu çeşitli havacılık uygulamalarına uygun hale getirir. Bu tasarımdaki kritik zorluk, havacılık sistemlerinin zorlayıcı boyut ve ağırlık gereksin- imlerini karşılarken yüksek güç yoğunluğu ve verimliliği elde etmektir. Bu zorluğun üstesinden gelmek için fan motorunun performansını optimize etmek üzere gelişmiş aerodinamik tasarım ilkeleri kullanılır. Tasarım süreci, fan kanatları boyunca hava akışını analiz etmek ve maksimum verimlilik için kanatların şeklini optimize etmek amacıyla hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) simülasyonlarını içeriyor. Buna par- alel olarak fana güç sağlamak için yüksek enerji yoğunluklu 15 kW BLDC elektrik motoru geliştirildi. Motor, enerji kayıplarını en aza indirmek ve genel sistem perfor- mansını en üst düzeye çıkarmak için yüzde 96'lık yüksek verimlilik düzeyine ulaşacak şekilde tasarlanmıştır. Bu, motorun elektromanyetik ve termal performansını optimize etmek için malzemelerin ve sargı konfigürasyonlarının dikkatli bir şekilde seçilmesini içeriyordu. Eksenel fan ile yüksek hızlı BLDC elektrik motorunun entegre edilmesi, aerodinamik ve motor tasarımı arasında yakın işbirliği gerektirdi. Ortaya çıkan sis- tem, itme gücü, verimlilik ve güç yoğunluğu açısından performans sergiliyor ve bu da onu zorlu havacılık uygulamaları için çok uygun hale getiriyor. Bu çalışma, daha sürdürülebilir ve verimli uçak tahrik sistemleri geliştirmeye yönelik devam eden ça- balara katkıda bulunarak elektrikli havacılığın geleceğinin yolunu açıyor.The use of electric propulsion systems in the aviation sector is increasing day by day, in line with the trend seen in many other industries worldwide. The demand for electric propulsion systems in the aviation sector is driven by the need for more sustainable and environmentally friendly aircraft. Electric propulsion offers the potential to re- duce emissions and noise levels, as well as lower operating costs. As a result, there is a growing interest in developing efficient and high-performance electric propulsion systems for aircraft applications. This study presents the aerodynamic design of a fan motor with a maximum thrust of 250 N, powered by a high-energy-density 15 kW BLDC electric motor with 96 percent efficiency. This design considers the principles of high-speed axial fan design and high-speed BLDC motor design. The fan motor is designed to provide a maximum thrust of 250 N, making it suitable for various avia- tion applications. The critical challenge in this design is to achieve high power density and efficiency while achieving the compelling size and weight requirements of avia- tion systems. To address this challenge, advanced aerodynamic design principles are employed to optimize the performance of the fan motor. The design process involved using computational fluid dynamics (CFD) simulations to analyze the airflow through the fan blades and optimize their shape for maximum efficiency. In parallel, a high- energy-density 15 kW BLDC electric motor is developed to power the fan. The motor is designed to achieve a high-efficiency level of 96 percent to minimize energy losses and maximize overall system performance. This involved carefully selecting materials and winding configurations to optimize the motor's electromagnetic and thermal perfor- mance. Integrating the axial fan and the high-speed BLDC electric motor required close collaboration between aerodynamics and motor design. The resulting system demon- strates performance in thrust, efficiency, and power density, making it well-suited for demanding aviation applications. This work contributes to the ongoing efforts to de- velop more sustainable and efficient aircraft propulsion systems, paving the way for the future of electric aviation.