Air cooling system design optimizations for reciprocating two turbocharger diesel engines of high altitude air vehicles

Abstract

Bu tez çalışması, insansız MALE (Orta İrtifa Uzun Dayanım) hava araçlarında kullanılan iki turboşarjlı piston motoru için hava soğutma sistemlerinin tasarım ve optimizasyon zorluklarını incelemektedir. Turboşarjlar, motorun giriş hava basıncını artırarak, sıkıştırma sırasında hava sıcaklığının yükselmesine neden olur. Motor giriş hava sıcaklığının optimal seviyede tutulması kritik öneme sahiptir; zira yüksek sıcaklıklar performans kaybına ve motor bileşenlerinde hasara yol açabilirken, aşırı soğutma ise düzensiz yanmaya ve yanma odasında istenmeyen kimyasalların oluşumuna sebep olabilir. Hava soğutma sistemi, termal yükleri etkin bir şekilde yönetmeli, tüm görev profilleri boyunca güvenilir performans sergilemeli ve ağırlık ile aerodinamik sürtünmeyi en aza indirmelidir. Verimli ve hafif hava soğutma sistemleri, motor giriş hava sıcaklığının hem aşırı ısınmasını hem de aşırı soğutulmasını önlemek için hayati öneme sahiptir. İki turboşarjlı ağır yakıt motoru kullanan hava araçlarında, her bir turboşarjdan gelen sıkıştırılmış havayı soğutmak için iki ayrı intercooler gereklidir. Bu intercoolerlar, en sıcak çevre koşullarında kalkış sırasında termal yükleri karşılayacak kapasitede olmalı, aynı zamanda yüksek irtifalarda aşırı soğutmayı önlemek için yeterince kompakt olmalıdır. Ayrıca, yüksek irtifalarda motor giriş hava sıcaklığının minimum gereksinimlerini karşılamak için bir intercooler baypas sistemi gereklidir. Bu çalışma, 30.000 fit irtifaya kadar yapılan uçuş testleri ile çift intercooler ve baypas sistemlerinin tasarım ve optimizasyonunu doğrulamayı amaçlamaktadır.This thesis study explores the design and optimization challenges of air cooling systems in two turbocharged piston engines for unmanned MALE (Medium Altitude Long Endurance) aircraft. Turbochargers increase the engine's inlet air pressure, consequently raising its temperature during compression. It is crucial to maintain the engine inlet air temperature at an optimal level, as elevated temperatures can lead to performance degradation and engine component damage, while excessive cooling can result in irregular combustion and the formation of undesirable chemicals in the combustion chamber. The air cooling system must effectively manage thermal loads, perform reliably across all mission profiles, and minimize weight and aerodynamic drag. Efficient and lightweight air cooling systems are essential to prevent both overheating and overcooling of the engine's inlet air. In aircraft utilizing a two turbocharger heavy fuel engine, two separate intercoolers are required to cool the compressed air from each turbocharger. These intercoolers must have sufficient capacity to handle the thermal loads during takeoff in the hottest ambient conditions, while also being compact enough to avoid overcooling at high altitudes. Additionally, an intercooler bypass system is necessary at higher altitudes to maintain the minimum required engine inlet air temperature. This study aims to validate the design and optimization of the dual intercooler and bypass systems through flight tests conducted at altitudes up to 30,000 feet.