HAVACILIKTA GAZ TÜRBİN MOTOR TEKNOLOJİSİ — TURBOJET VE TURBOFAN MOTORLAR

Havacılık tarihinin en önemli dönüm noktalarından biri hiç kuşkusuz jet motorunun icadı olmuştur. 2. Dünya Savaşı sırasında Almanya’da Hans von Ohain ve Birleşik Krallık’ta Frank Whittle tarafından birbirinden habersiz olarak icat edilen turbojet motoru, bugün kullanılan hava taşıtlarının büyük kısmına güç sağlayan modern gaz türbin motoru teknolojisine öncü olmuştur. 2. Dünya Savaşı’nın karşı cephelerinde yer alan ve ülkelerinin savaşı kazanması için çabalayan bu iki mühendisin öncülüğünü yapmış oldukları bu teknoloji bugün sadece verimli bir itki kaynağı olmakla kalmayıp aynı zamanda firmalar için bir tasarruf yöntemi olarak benimsenmiş, bu durum da uçak üreticilerini bu teknolojiden daha fazla faydalanmaya teşvik etmiştir. Jet motorunun icadından onlarca yıl sonra ABD’li General Electric ile Fransız Safran ortaklığında kurulan CFM firmasının günümüzde üretmekte olduğu LEAP motorları bugün “dünyanın en çok tercih edilen ticari uçak motoru” unvanını kazanarak ciddi bir ticari başarı yakalamıştır. Şimdi, dilerseniz günümüzün havacılık teknolojilerini şekillendiren gaz türbin teknolojisinin en önemli parçalarından olan turbojet ve turbofan motorları detaylı bir şekilde incelemeye başlayalım.

CFM International tarafından üretilen ve Boeing 737 MAX, Airbus A320NEO ve A321NEO gibi günümüzün en modern yolcu uçaklarına güç veren LEAP gaz türbin motorları, yüksek verimlilik ve yakıt tasarrufu ile çevre dostu olma özellikleri sayesinde “dünyanın en çok tercih edilen ticari uçak motoru” unvanını kazanarak ciddi bir ticari başarı elde etmiştir (Kaynak: Safran Group).

Jet motorlarının çalışma prensiplerinin temelini oluşturan aerodinamik kavramlar hakkında bilgi sahibi olmak için dilerseniz “FLIGHT101 - UÇUŞUN TEMEL PRENSİPLERİ” isimli yazımı da inceleyebilirsiniz.

GAZ TÜRBİN TEKNOLOJİSİ

Gaz türbin motorları; sanayiden havacılığa, denizcilikten tank motorlarına kadar birçok alanda kullanım imkanı bulan gelişmiş teknolojilerdir. Geniş yelpazede kullanım alanı bulmasından dolayı da pek çok farklı sınıflandırmaları mevcuttur. Havacılıkta kullanılan gaz türbinleri şu şekilde sınıflandırılır:

1. Turbojet
2. Turbofan (“Bypass Turbojet”)
3. Turboprop
4. Turboşaft
5. Propfan
6. Ramjet
7. Pulsejet

Havacılıkta kullanılan bazı gaz türbin motor çeşitleri (Kaynak: Pinterest).

Uçakların uçması için sağlanması gereken aerodinamik prensiplerin tamamı, gaz türbin motorlarının çalışma prensipleri için de geçerlidir. Aerodinamik prensiplere ek olarak gaz türbin sistemlerinde ısıl süreçler de söz konusu olduğu için gaz türbin motorlarında termodinamik prensipler de geçerlidir.

Bu yazıda, havacılıkta kullanılan gaz türbin motoru çeşitlerinden turbojet ve turbofan motorlara dair genel kavramlara ve prensiplere değinilmiştir.

Turbojet ve turbofan motorlara geçmeden önce gaz türbin teknolojisinde kullanılan temel kavramları ve terimleri tanımak gerekir. Önce bu kavramları tanıyalım.

1. BYPASS RATIO (BYPASS ORANI)

Pratt & Whitney F119-PW100 Düşük-Bypass Turbofan Motoru. Mavi olarak gösterilen soğuk hava akımının bir kısmı, alttaki kırmızı okun gösterdiği yerden yanmanın olduğu çekirdek (core) kısmına girerek “Primary (Core) Airflow” (Birincil Hava Akımı) oluşturmaktadır. Birincil hava akımı yüksek sıcaklıklara ve hıza sahiptir. Çekirdek kısmına girmeden ve herhangi bir ısıl işleme tabi tutulmadan soğuk bir şekilde dışarı atılan hava akımı ise “Secondary (Bypass) Airflow” (İkincil Hava Akımı) olarak adlandırılmaktadır. İkincil hava akımı ise düşük sıcaklığa ve düşük hıza sahiptir. (Kaynak: Twitter/@sinan1sal).

Bypass oranı, fandan geçen ikincil (Bypass) hava akımı debisinin çekirdekten (Core) geçen birincil hava akımının debisine oranıdır. Bypass oranı;

2:1'den düşükse bu tip motorlar Low Bypass (Düşük Bypass),

2:1 ile 4:1 arasındaysa Medium Bypass (Orta Bypass),

4:1'den büyük ise High Bypass (Yüksek Bypass),

9:1 ile 15:1 arasında ise Ultra-High Bypass (Ultra-Yüksek Bypass)

olarak sınıflandırılırlar. Propfan adı verilen motorlar ise yukarıda verilen bypass oranlarından çok daha yüksek bypass oranlarına sahiptir.

Motorun çekirdek (core) kısmından atılan hava çok yüksek hıza sahiptir ve bu nedenle çok fazla egzoz gürültüsüne sebep olur. Fan kısmından atılan ikincil hava akımının hızı ise düşüktür ve daha az gürültüye sebep olur. Turbofan motorlarda üretilen itkinin (thrust) büyük kısmını ikincil (bypass) hava akımı oluşturmaktadır. Yüksek bypass’lı bir motorda üretilen itkinin yaklaşık %80'i ikincil hava akımı tarafından sağlanmaktadır. Geriye kalan %20'lik itki kısmını da çekirdek (birincil) hava akımı sağlamaktadır. Bypass oranının artması özgül yakıt sarfiyatını (SFC) düşürüp egzoz gürültüsünü azaltarak gürültü kirliliğini önlediğinden dolayı modern ticari uçaklarda genellikle yüksek bypass’lı turbofan motorlar tercih edilir.

Günümüzün en modern ticari uçaklarından biri olan Boeing 777X uçaklarında kullanılan General Electric GE9X yüksek bypass turbofan motoru. GE9X’ler yaklaşık olarak 10:1'lik bypass oranına, 27:1 kompresör sıkıştırma oranına ve 110.000 lbf (490 kN) kalkış itkisine (Takeoff Thrust) sahiptir.

2. SPESİFİK (ÖZGÜL) YAKIT TÜKETİMİ (SPECIFIC FUEL CONSUMPTION — SFC)

Özgül yakıt tüketimi, birim zaman içinde motorun net itki üretebilmesi için gereken yakıt miktarının bir ölçüsüdür. Genellikle lb/(h*lbf) ya da g/(s*kN) olarak hesaplanır.

Bir motorun verimli olabilmesi için yüksek itki değerlerinde özgül yakıt tüketiminin düşük olması gerekir. İtki de bypass oranı ile doğrudan ilişkili olduğundan dolayı bypass oranı arttıkça itkide artış, özgül yakıt tüketiminde düşüş ve verimlilikte artış görülür.

Soldaki fotoğraf Mikoyan MiG-29 (NATO Rapor Adı: “Fulcrum”) savaş uçaklarında kullanılan Klimov RD-33 düşük bypass turbofan motoruna aittir (Kaynak: Pinterest). Sağdaki fotoğraf ise Boeing 777–200/300 ticari uçaklarında kullanılan General Electric GE90 yüksek bypass turbofan motoruna aittir (Kaynak: GE Aviation). İki motor çeşidi de halen aktif olarak hizmet vermektedir. Askeri uygulamalarda öncelik olarak performans kriterleri (hız, manevra kabiliyeti vs.) göz önüne alındığı için askeri amaçlı motorlar genellikle düşük bypass turbofan veya turbojet motorlardır ve bu motorların boyutları küçük ancak özgül yakıt tüketimleri yüksektir. Ticari amaçlı kullanılan motorlar ise genellikle yüksek bypass turbofan motorlardır ve boyutları devasa olmasına rağmen özgül yakıt tüketimleri düşüktür.

3. KOMPRESÖR SIKIŞTIRMA ORANI (COMPRESSOR PRESSURE RATIO)

Kompresörler, akışkanları sıkıştırmak için kullanılan sistemlerdir. Gaz türbinlerinde kompresörler havayı sıkıştırmak için kullanılır. Kompresör sıkıştırma oranı ise havanın kompresörden çıktıktan sonraki basıncının kompresöre girmeden önceki basıncına oranıdır.

Şimdi dilerseniz turbojet ve turbofan motorları daha detaylı olarak tanımaya başlayalım.

TURBOJET VE TURBOFAN MOTORLARIN GENEL ÖZELLİKLERİ VE ÇALIŞMA PRENSİPLERİ

1. TURBOJET MOTORLAR

Sovyet yapımı Klimov VK-1 turbojet motorları, Kore Savaşı sırasında Sovyet destekli Kuzey Kore Hava Kuvvetleri ile ABD Hava Kuvvetleri arasındaki yoğun hava çatışmalarında rakibi olan ABD yapımı North American F-86 “Sabre” avcı uçaklarına karşı yüksek hız ve manevra kabiliyetiyle ün kazanmış olan Sovyet yapımı Mikoyan MiG-15 (NATO Rapor Adı: “Fagot”) avcı uçaklarında kullanılmıştır. Günümüzde Rusya’daki ve eski Doğu Bloğu ülkelerindeki müzelerde ve şehir meydanlarındaki, parklardaki ve hava üslerinin girişlerindeki anıtlarda yerini alan MiG-15'ler, BM silah ambargosundan dolayı modern teknik ekipmanlara ulaşamayan Kore Demokratik Halk Cumhuriyeti (Kuzey Kore) Hava Kuvvetleri’nde halen aktif olarak kullanılmaktadır. Sağdaki fotoğrafta, Kuzey Kore‘nin Japon Denizi kıyısında bulunan Chongjin Hava Üssü’nün apronunda (park alanında) bekleyen aktif hizmetteki Kuzey Kore MiG-15'leri görülmektedir. Fotoğraf, 2012 yılında Kuzey Kore’yi ziyaret eden bir turist tarafından gizlice çekilmiştir. Uydu fotoğrafları, aynı üste an itibariyle en az 18–19 adet (muhtemelen uçabilir ve operasyonel durumda) MiG-15 bulunduğunu göstermektedir (Soldaki fotoğraf için kaynak: Wikipedia. Sağdaki fotoğraf için kaynak: Reddit).

Turbojet motorlar, havacılıkta kullanılan gaz türbin motorlarının erken döneminde ortaya çıkmıştır. İlk örnekleri 2. Dünya Savaşı sırasında üretilen İngiliz yapımı Gloster Meteor ve Alman yapımı Messerschmitt Me-262 “Schwalbe” avcı uçaklarında kullanılan turbojet motorları, havacılıkta “Jet Çağı” adı verilen yeni bir dönemin başlamasını sağlamıştır.

Soldaki fotoğraf: Gloster Meteor (Kaynak: Warbird News). Sağdaki fotoğraf: Messerschmitt Me-262 “Schwalbe” (Kaynak: Wikipedia).

Solda, dünyanın ilk operasyonel jet motoru kabul edilen Heinkel HeS-3 turbojet motoru, tasarımcısı Hans von Ohain ile birlikte (Kaynak: Twitter/@TTemelleri). Sağdaki fotoğrafta ise dünyanın ilk operasyonel jet uçağı kabul edilen Messerschmitt Me-262'nin ilk versiyonlarında kullanılan BMW-003 turbojet motoru (Kaynak: The Aviation History Online Museum).

Havacılıkla ve tarihle ilgilenen herkes “ilk” olduğu için Me-262'yi bilir ama belki de çok az kişi Japonların Nakajima Kikka’sını duymuştur. 2. Dünya Savaşı‘nın son yılında Japonya tarafından üretilen ve Japonya’nın savaşta aldığı ağır yenilgiler sonucunda zayıflayan sanayisinden dolayı savaşın sonuna kadar sadece 10 adet üretilmiş olan Nakajima Kikka, Japonya’nın ilk jet uçağıdır. Kikka’larda kullanılan Ishikawajima Ne-20 turbojet motoru da Japonya’nın ilk jet motoru olma özelliğine sahiptir. Kikka’ların tasarımında büyük ölçüde Me-262'nin tasarımı baz alınmıştır. Sağdaki resimde görülen Ne-20 turbojet motoru, günümüzde ABD’deki Smithsonian Ulusal Havacılık ve Uzay Müzesi’nin bir parçası olan ve Chantille, Virginia’da bulunan Steven F. Udvar-Hazy Merkezi’nde sergilenmektedir (Kaynak: Wikipedia).

2. Dünya Savaşı sona erdikten sonra Müttefik devletlerin eline geçen turbojet teknolojisi; ABD, Sovyetler Birliği, İngiltere ve Fransa’da yoğun olarak geliştirilmeye başlanmıştır. Jet teknolojisinin ortaya çıkışını detaylı olarak incelemek için “Uçuşun Bir Yüzyılı — Kısa Bir Havacılık Tarihi” adlı yazımı okuyabilirsiniz.

Turbojet motoru; havayı sıkıştırma, yakıtla buluşturup yakma, sıcak havayı türbinden geçirerek mekanik enerjiye çevirme ve daha sonra aynı havayı egzoz gazı olarak nozullardan yüksek hızla dışarı atma aşamalarını gerçekleştirir. Bu görevleri yerine getirebilmesi için bir turbojet motoru temelde 4 ana kısımdan oluşur. Bu kısımlar;

1. Kompresör
2. Yanma Odası
3. Türbin
4. Nozul (Nozzle — Egzoz Lülesi)

Bir turbojet motorun kısımları (Kaynak: Wikipedia).

Bu kısımların her biri ayrı bir makale konusu olmakla birlikte şimdilik bu kısımda motor çeşitleriyle ve bileşenleriyle ilgili yalnızca temel bilgiler verilecektir. Şimdi, bu motor bileşenlerini daha yakından tanıyalım.

KOMPRESÖR (COMPRESSOR)

Motor içine alınan havayı sıkıştırmaktan sorumludur. Gaz türbin motorlarda havanın yanma odalarına iletiminden önce sıkıştırılması gereklidir. Hava ne kadar iyi sıkıştırılabilirse o kadar yüksek itki verimi sağlar.

Uygulamada çok farklı kompresör tasarımları mümkün olmakla birlikte temelde iki kompresör çeşidi bulunur:

1. Santrifüj Kompresör
2. Aksiyal Kompresör

SANTRİFÜJ KOMPRESÖR

Soldaki fotoğrafta görülen İngiliz yapımı Rolls-Royce RB.37 Derwent turbojet motoru, santrifüj kompresöre sahiptir (Kaynak: Wikiwand). Sağdaki fotoğrafta görülen ve 1949 yılında üretimine başlanan Sovyet yapımı Lavochkin La-15 (NATO Rapor Adı: “Fantail”) uçağının prototipi olan “174” numaralı uçakta kullanılan Derwent motoru, santrifüj kompresörün meydana getirdiği titreşim frekansının arka gövde ve kuyruğun doğal (yapısal) frekansı ile rezonansa girmesi sebebiyle uçağın havada parçalanarak düşmesine sebep olmuştur (Kaynak: Wikipedia).

Santrifüj kompresörlerin yapısı (Soldaki resim için kaynak: Wikiwand. Sağdaki resim için kaynak: GrabCAD).

Santrifüj kompresörler, düşük özgül yakıt tüketiminin gerekli olduğu gaz türbinlerinde kullanılmamakla birlikte yine de birçok avantaja sahiptir. Boyları, eşdeğer bir aksiyal kompresöre oranla çok daha kısadır. Üretimleri aksiyal kompresörlere göre daha kolay ve ucuz maliyetlidir. Kirli ortamlarda performans kaybına fazla uğramadan rahatlıkla çalışabilir. Santrifüj türbinler genellikle küçük debi yüksek basınç gerektiren durumlarda tercih edilir. Tek kademeli santrifüj bir kompresörle ve bilinen malzemeler kullanılarak 4:1 basınç oranının hemen üzerine kadar sıkıştırılabilmektedir. Bütün bu avantajlarının yanı sıra santrifüj kompresörler ağırlığı artırıcı bir dezavantaja da sahiptir.

Ülkemizde TUSAŞ Motor Sanayi (TUSAŞ Engine Industries — TEI) tarafından üretilen TEI TJ90 turbojet motoru (Kaynak: Millisavunma.com). TEI TJ90 turbojet motorları, santrifüj kompresörlerin kullanıldığı motorlara güzel bir örnektir.

AKSİYAL KOMPRESÖR

Aksiyal kompresör örneği (Kaynak: NASA).

Havacılık ve endüstriyel gaz türbini uygulamalarında daha yüksek sıkıştırma oranları ile daha yüksek verim alınabilmesi için gaz türbin motorlarında genellikle aksiyal kompresörler kullanılır. Aksiyal kompresörler bir disk etrafına yerleştirilmiş kompresör kanatçıklarından oluşur. Kompresör kanatçıklarının tasarımında ve çalışma prensibinde ise aerodinamik kurallar geçerlidir.

Aksiyal kompresörlerin pratikteki uygulamalarında çok kademeli kompresör tasarımları tercih edilir. Bu tasarımlarda birden fazla aksiyal kompresör diski art arda yerleştirilerek daha yüksek sıkıştırma oranlarına ulaşılması sağlanır.

Aksiyal kompresörler genellikle yüksek debi düşük basınç istenen durumlarda tercih edilir. Daha dar çalışma menziline sahiptir (çevresel koşullardan daha fazla etkilenirler) ve mekanik açıdan karmaşık olduğundan dolayı üretimi santrifüj kompresörlere göre daha zor ve yüksek maliyetlidir. Buna rağmen santrifüj kompresörlere göre daha hafiftir ve ağırlıktan önemli ölçüde tasarruf edilmesini sağlar.

Aksiyal ve Santrifüj kompresörlerden daha sonra hazırlayacağım “Kompresörler ve Kompresör Tasarımı” adlı yazımda detaylı olarak bahsedeceğim.

YANMA ODASI (COMBUSTION CHAMBER)

Motora alınan ve kompresörlerde sıkıştırılan havanın yakıt ile buluşturularak yakıldığı yerdir. Kompresörden gelen sıkıştırılmış hava yanma odasında yakıt püskürtülerek yakılır ve sıkıştırılmış olan bu havaya yüksek ısı transfer edilir. Daha sonra bu yüksek ısılı hava türbin kanatçıklarına doğru gönderilir ve burada ısı enerjisi ile genleşen havanın sahip olduğu kinetik enerji mekanik enerjiye transfer edilir ve türbin ile türbin şaftına bağlı olan kompresörün dönerek motora tekrar hava çekilmesi sağlanır. Aynı zamanda itki de üretilmiş olur.

Tipik bir gaz türbininde türbin, türbin şaftı ve kompresörün konumu (Kaynak: HowStuffWorks).

Pratikte çok farklı yanma odası tasarımları olmakla birlikte temelde üç farklı yanma odası çeşidi vardır:

1. Can tipi yanma odası
2. Can Annular (Cannular) tipi yanma odası
3. Annular tipi yanma odası

(Soldan sağa) 1. Resim — Can tipi yanma odası (Kaynak: Purdue University). 2. Resim — Cannular tipi yanma odası (Kaynak: ScienceDirect). 3. Resim — Annular tipi yanma odası (Kaynak: ScienceDirect).

1. Fotoğraf — İngiliz yapımı Rolls-Royce Nene turbojet motoruna air “Cannular” tipi yanma odasının arakesiti (Kaynak: Wikipedia). 2. Fotoğraf — ABD yapımı Pratt & Whitney JT9D turbofan motora ait yanma odasının yakıt püskürtme enjektörü (Kaynak: Wikipedia). JT9D, Pratt & Whitney şirketinin ürettiği ilk yüksek bypass turbofan motordur.

Yanma odası, çalıştığı süre boyunca çok yüksek sıcaklıklara ulaşabilir. Yanma odasında özellikle yakıtın püskürtüldüğü ve yanmanın gerçekleştiği ön kısımda sıcaklık 2500–2700 K ve üzerine (2227–2427 Celsius ve üzeri) çıkabilir. Bu nedenle yanma odası tasarımında yüksek sıcaklığa dayanıklı malzemeler kullanılır. Ayrıca yanma odasındaki yüksek sıcaklığın dengede tutulması için motor tasarımında dikkate alınan soğutma uygulamaları da yanma odasının fiziksel dayanımını olumlu etkileyen önemli bir unsurdur.

Günümüzde kullanılan modern gaz türbin motorlarında; performans, hafiflik ve verimlilik açısından “Can” ve “Cannular” yanma odalarına kıyasla avantajlı olduğu için çoğunlukla “Annular” tipi yanma odası tasarımları kullanılır. Ancak Annular tipi yanma odalarının üretim maliyeti daha yüksektir ve parça boyutları, sayısı, hassasiyeti ve tasarım özelliklerinden dolayı fiziksel etkilere karşı dayanımı daha düşük, dolayısıyla bakım sıklığı ve maliyeti daha fazladır. Ayrıca tasarımı ve imalatı daha zor ve karmaşıktır ve test süreci daha uzundur.

Gaz türbinleri için daha yüksek ısı ve daha az termal kayıp, daha fazla performans demektir. Ancak gaz türbinlerinde tasarım kısıtlarından dolayı ulaşabileceğimiz maksimum ısının da bir sınırı vardır. Bu sınır genellikle fiziksel tasarım özellikleriyle, çoğunlukla ise yanma odasında ve yüksek ısı transfer edilmiş havanın diğer geçiş yollarında kullanılan malzemenin çeşidi ve yapısıyla ilgilidir. Dolayısıyla “gaz türbin motorların performansını ağırlıklı olarak motorda kullanılan malzemenin özellikleri belirler” diyebiliriz.

Bir yanma odası iki ana bölgeden oluşur:

1. Birincil Yanma Alanı,
2. İkincil Seyreltme (dilution) Alanı.

Birincil yanma alanında yakıt, sıkıştırılmış havanın içine püskürtülerek yakılır. Bu nedenle birincil yanma alanında havanın sıcaklığı maksimum seviyeye ulaşır. Yanma sırasında gerçekleşen ısı transferinden dolayı maksimum sıcaklık seviyesine çıkan sıcak havanın türbinlere doğrudan aktarılması durumunda türbin kanatçıkları zarar görebileceği için bu sıcak havanın soğuk hava ile seyreltilerek sıcaklığının türbin tasarımında belirlenen kritik seviyelerin altına düşürülmesi gerekir. Bu işlem ise ikincil alanda, yani seyreltme (dilution) alanında yapılır.

Bir yanma odası tasarımının teknik açıdan geçerli olabilmesi için; yanma kolay başlatılabilmeli, zor sönmeli (uçağın ve motorun tasarımlarında belirlenen performans kriterleri dahilinde “flameout” olmamalı), havada flameout olsa bile yanma süreci ateşleme (ignition) ile güvenli bir şekilde tekrar başlatılabilmeli ve yanma odası maksimum ısı transferi sağlamak üzere yakıtı en verimli şekilde yakmalıdır.

Yanma odaları çok yüksek sıcaklık limitlerinde çalıştıkları için sıcaklığın motor verimini düşürmeden sürekli kontrol altında tutulması gereklidir. Bu nedenle yanma odalarının tasarım aşamasında sıcaklık optimizasyonun çok iyi yapılmış olması (“hot spot” adı verilen aşırı sıcak parçaların olmaması), özellikle ticari motorlarda karbon emisyonunun önceden belirlenmiş ulusal ve uluslararası standartlara uygun seviyede olması, bakım aralıklarının uzun olması, ağırlığın fazla olmaması ve kayıpların minimum seviyede olması gereklidir.

Yanma odaları, kullanılan malzemeler, beklenen minimum tasarım parametreleri ve mevcut yanma odası tasarımlarına daha sonra yazacağım “Gaz Türbin Motorlarda Yanma Odası Tasarımı” adlı yazımda detaylı olarak değineceğim.

TÜRBİN (TURBINE)

Yanma odasında yüksek ısı ile genleşen hava, yanma odasının bitiminde bulunan türbin kısmındaki türbin kanatçıklarına yönlendirilir. Türbin kanatçıklarına çarpan havanın sahip olduğu kinetik enerji, türbinde mekanik enerjiye dönüştürülür ve bu şekilde türbin kanatçıklarının bağlı olduğu türbin şaftı döndürülmüş olur. Dönen türbin şaftı aynı zamanda türbin şaftına bağlı olan kompresör disklerini de döndürür. Bu sayede dönen kompresörler aracılığıyla motora yeni hava çekilmiş olur. Türbin kanatçıklarına çarpan hava aynı zamanda motordan beklenen itkiyi de sağlar.

Uçaklarda kullanılan türbin ve tipik bir türbin kanatçık yapısı (Soldaki fotoğraf için kaynak: NASA. Sağdaki fotoğraf için kaynak: Pinterest).

Kompresörlerin santrifüj ve aksiyal tiplerine benzer yapıda olmak üzere, türbinlerin de iki esas tipi bulunmaktadır. Bunlar; radyal akış türbinleri ve aksiyal akış türbinleridir.

1. Fotoğraf — Radyal akış türbini (Kaynak: Wikiwand). 2. Fotoğraf — Aksiyal akış türbini (Kaynak: SpringerLink).

Türbin seçimi için belirli bir kural yoktur. Bir gaz türbin motoru için uygun olan türbin parametreleri, tasarlanan gaz türbin motorunun kullanım amacına, tasarım özelliklerine ve çalışma koşullarına göre değişiklik gösterir. Ancak genellikle küçük debiler için radyal türbinler daha verimlidir. Radyal türbin, bir kademe için aksiyal türbine oranla daha yüksek basınç oranı sağlar. Ancak aksiyal türbinlerde çok kademe düzenlemesi daha kolaydır ve bu sayede çok kademe tasarımlar ile daha yüksek basınç oranları elde edilebilir. Günümüzde havacılıkta kullanılan modern gaz türbinlerinde genellikle aksiyal akış türbini kullanılır.

Türbin kanatçıkları, doğrudan yanma odasından gelen sıcak hava ile temas halindedir. Türbin kanatçıklarının zarar görmemesi için yüksek sıcaklığa sahip hava yanma odasının ikincil alanında soğuk hava ile seyreltilerek sıcaklığı bir miktar düşürülse de bu işlem bile yanma odasının çıkışındaki havanın sıcaklığının türbin kanatçıkları için güvenli limitlerin altına inmesi için yeterli olmayabilir. Bu durumda türbin kanatçıklarının tasarımı geliştirilerek bu sorunun üstesinden gelinebilir.

Türbin kanatçıklarının soğutulabilmesi için ısı alışverişinden faydalanılır. Türbin kanatçıklarının üzerinde bulunan delikler ve içinde bulunan hava kanalları sıcak havanın sahip olduğu ısıl değer ile kanatçık içindeki soğuk havanın ısıl değeri arasında ısı alışverişini sağlar. Ayrıca türbin bıçakları üzerinde bulunan film kaplama ile yapılan film soğutma (film cooling) ise türbin bıçaklarının yüksek sıcaklıkta zarar görmesini önler (1. Fotoğraf için kaynak: Aviation Stack Exchange. 2. Fotoğraf için kaynak: MDPI).

Türbin kanatçıklarının soğutulması için geliştirilmiş çeşitli soğutma yöntemleri vardır. Bu soğutma yöntemlerine, ileride yazacağım “Gaz Türbin Motorlarda Türbin Tasarımı” adlı yazımda detaylı olarak değineceğim.

Bütün türbin ve kompresör kanatçıkları, tıpkı uçak kanadı gibi kanat profillerinden meydana gelir. Bu nedenle; kanat profilleri için geçerli olan bütün kurallar ve kavramlar, türbin ve kompresör kanatçıkları için de geçerlidir. Bu kurallara ve kavramlara “FLIGHT101 — UÇUŞUN TEMEL PRENSİPLERİ” isimli yazımdan ulaşabilirsiniz.

Uçak kanatlarında olduğu gibi türbin veya kompresör kanatlarında da tutunma kaybı, yani “Stall” gerçekleşebilir. Stall durumu türbin ve kompresör kanatçıkları için istenmeyen bir durumdur. Eğer tedbiri alınmazsa türbin veya kompresör kanatçıklarında gerçekleşen bir Stall durumu, Surge adı verilen daha ciddi bir duruma sebep olabilir. Stall’ın daha ileri bir durumu olan Surge’in gerçekleşmesi durumunda motor bileşenleri fiziksel hasar görür ve motor tamiri imkansız bir şekilde tahrip olarak kullanılamaz hale gelebilir. Özellikle kompresör kanatçıklarında gerçekleşebilecek olası bir Surge eğer uçuş sırasında yaşanırsa, motor kaybına bağlı olarak ciddi bir uçak kazasına sebebiyet verebilir. Stall ve Surge durumunu önlemek için motor tasarım parametreleri bu durumları önleyecek şekilde belirlenir ve motor bileşenlerinin tasarımları bu parametrelere göre yapılır.

Türbin kanatçıklarının üretiminde çeşitli yöntemler kullanılabilir. Ancak günümüzde kullanılan modern gaz türbinlerinin türbin kanatçıklarının üretiminde genellikle “Tek Kristal Döküm” (Single-Crystal Casting) yöntemi kullanılır.

1. Fotoğraf — Tek Kristal Döküm yöntemiyle üretilmiş türbin kanatçıkları (Kaynak: Foundry Management & Technology). 2. Fotoğraf — Tek Kristal Döküm (Single-Crystal Casting) yöntemi (Kaynak: Machine Design).

NOZUL (NOZZLE — EGZOZ LÜLESİ)

Türbin kanatçıklarından geçen ve yanma odasında yakıtla buluşturulup yakılan havadan oluşan egzoz gazının dışarı atılmasını sağlar.

1. Fotoğraf — Boeing 737 NG serisi ticari uçaklarda kullanılan CFM56–7B turbofan motorlarının egzoz nozulu (Kaynak: Airliners.net). 2. Fotoğraf — General Dynamics F-16 “Viper” savaş uçaklarında kullanılan General Electric F110 artyakıcılı turbofan motorunun egzoz nozulu (Kaynak: SavunmaSanayiST).

Sovyet yapımı Mikoyan MiG-21Bis (NATO Rapor Adı: “Fishbed”) avcı-hava önleme (fighter-interceptor) uçaklarında kullanılan Tumanskiy R-25–300 turbojet motorunun egzoz nozulu (Kaynak: Wikipedia).

Nozul (egzoz lülesi), yanma odasında yanan yakıttan meydana gelen yanma artıklarının ve yan ürünlerin (motor yağı artıkları, kurum ve parçacıklar gibi) sıcak hava ile dışarı atılmasını sağlar. Ticari uçaklarda motor yağı artıkları, nozul kademesinin en içinde bulunan uzun ince daralan koniden dışarı atılır.

Lise fizik derslerinden de hatırlayacağımız üzere akışkanların kesit alanı daraldıkça hızları artar, basınçları azalır. Hızı artan akışkan, hareket doğrultusunun zıt yönünde bir tepki kuvveti oluşturur. Hız ile doğru orantılı olan bu tepki kuvveti uçak için gerekli olan itkinin bir kısmını sağlar ancak tamamını sağlamaz. İtki, motorun içinde gerçekleşen süreçlerle ilgili bir fenomendir. Yani, uçak için gerekli olan itki yalnızca dışarı atılan egzoz gazları ile sağlanmaz; itki, motorun içine alınan hava debisinin bütün motor bileşenleri üzerinde meydana getirdiği tepki kuvvetlerinin vektörel toplamıdır.

2. TURBOFAN MOTORLAR

Boeing 737 ve Airbus A318, A319, A320, A321 ve A340 serisi uçaklarda kullanılan CFM56 yüksek bypass turbofan motoru (Kaynak: TEI).

Turbofan motorlar temelde turbojet motorlarının kompresör kademesinin önüne büyük bir fan konulmuş ve motor içine giren havanın doğrudan yanma odasına gönderilmesi yerine büyük bir kısmının hiç çekirdeğe girmeden sadece fandan geçerek soğuk halde dışarı atılacak şekilde tasarlanmış halidir. Bu nedenle turbofan motorlar; “Bypass Turbojet” olarak da isimlendirilirler. Buradan da anlaşılacağı üzere, yazımızda turbojet motorlar için yazdığımız hemen hemen her şey turbofan motor için de geçerlidir.

Turbofan motorda, turbojet motorda bulunan

1. Kompresör
2. Yanma Odası
3. Türbin
4. Nozul (Nozzle — Egzoz Lülesi)

kısımlarının yanında, ilave olarak 5. kısım olan “Fan” kısmı bulunur. 5. kısım demem sizi yanıltmasın, fan kısmı motor bileşenlerinin yerleşimi bakımından kompresör kısmından önce gelmektedir.

Turbojet ve turbofan motorların şematik karşılaştırması (Kaynak: Aviation Stack Exchange).

Öyleyse; kompresör, yanma odası, türbin ve nozul kısımlarını tekrar tanımlamaya gerek duymadan doğrudan “Fan” kısmını tanımlamakta fayda vardır.

FAN KISMI:

Turbofan motorlarda fan kısmının temel amacı, boyutu ve aerodinamik yapısı sayesinde daha fazla miktarda havanın motor içine çekilmesini sağlamaktır.

1. Fotoğraf — General Electric GE9X yüksek bypass turbofan motorunun fan ön kısmı (Kaynak: Reddit). 2. Fotoğraf — GE90 yüksek bypass turbofan motorlarının kompozit fan kanatçıklarından biri ve bir insanın yanında boyut kıyaslaması (Kaynak: Aviation Pros).

Turbofan motorların turbojet motorlardan en önemli farkı, turbofan motorların motor içine çektiği havanın büyük bir kısmını çekirdek içinde yakmadan çekirdeğin dış kısmından direkt egzoz kısmına göndermesi ve soğuk bir şekilde dışarı atmasıdır. Dışarı atılan bu havaya ikincil hava akımı (bypass airflow) denirken çekirdek içine giren birincil hava akımı (core airflow) ise yanma odasında yakıtla yakılıp türbin kısmına aktarılarak türbin şaftını döndürmek amacıyla kullanılır. Türbin şaftı döndükçe kompresörler de dönerek motor içine alınan temiz (soğuk) havayı sıkıştırmaya devam eder. Bunun yanı sıra türbin şaftına bağlı olan fan kanatçıkları da dönerek daha fazla havayı birincil ve ikincil hava akımı olarak kullanmak üzere motorun içine çeker.

Turbofan motorlarda asıl itkiyi sağlayan hava akımı ikincil hava akımıdır. Hız bakımından yavaş ancak hava miktarı fazla olan ikincil hava akımı, uçağın itkisinin büyük bir kısmını oluşturur.

Günümüzde her ne kadar yüksek bypass turbofan motor deyince ilk olarak ABD ve İngiltere gibi ülkeler akla gelse de, bugün havacılık endüstrisinde Batı ülkelerine güçlü bir alternatif ve ticari bir rakip olan Rusya Federasyonu, gaz türbin motor teknolojisi üzerine Sovyetler Birliği’nden kendisine miras kalan bilgi birikimini zenginleştirerek devam ettirmektedir. Yukarıdaki fotoğraflarda Aviadvigatel/UEC Perm Engines PS-90A ve PS-90A2 yüksek bypass turbofan motorları görülmektedir. Her bir motor 35.300 lbf (157 kN) itki (thrust) üretmekte ve kısa-orta menzil ticari uçaklardan uzun menzil ticari uçaklara ve hatta askeri nakliye uçaklarına kadar geniş bir yelpazede aktif olarak kullanılmaktadır (Kaynak: UEC Perm Engines).

Hizmete girdiği 1996 yılından beri halen yolcu, kargo ve VIP taşımacılığı amacıyla aktif kullanımda olan Rus yapımı Tupolev Tu-204–100/300 serisi uçaklar PS-90 turbofan motorlarını kullanmaktadır (Soldaki fotoğraf için kaynak: YouTube. Sağdaki fotoğraf için kaynak: Planespotters.net).

PS-90 serisi turbofan motorların en büyük müşterilerinden biri de Rusya merkezli Ilyushin şirketidir. Ilyushin tarafından üretilen ve Sovyetler Birliği’nin son yıllarında hizmete girdiği için “Sovyetler’in Jumbojeti” olarak adlandırılan IL-96 serisi yolcu uçaklarında PS-90A versiyonu motorlar kullanılmaktadır. Sağdaki resimde görülen ve IL-96–300 serisi uçakların VIP versiyonu olan IL-96–300PU uçağı, “Rusya Federasyonu Başkanlık Uçağı” olarak kullanılmaktadır (1. Fotoğraf için kaynak: TravelUpdate. 2. Fotoğraf için kaynak: Simple Flying).

Ilyushin IL-76MD-90A askeri nakliye uçakları, PS-90A turbofan motorlarının askeri nakliye uçaklarına uygulanması konusunda başarılı örneklerden biri olmuş ve Rusya Federasyonu Silahlı Kuvvetleri başta olmak üzere Bağımsız Devletler Topluluğu üyesi ülkelerin ve BDT’ye üye olmayan diğer ülkelerin silahlı kuvvetlerinin uzun menzil askeri nakliye ihtiyaçlarını karşılayabilecek bir platform olduğuna dair kendini kanıtlamıştır (1. Fotoğraf için kaynak: GoodFon. 2. Fotoğraf için kaynak: TopWar.ru. 3. Fotoğraf için kaynak: YouTube).

PS-90A yüksek bypass turbofan motoru, geleceğin yolcularından biri ile birlikte (Kaynak: UEC Perm Engines).

FAYDALANILAN KAYNAKLAR

ÇETİNKAYA, S. (2013). Gaz Türbinleri (3. b.). Ankara: Nobel Yayınları. Mayıs 13, 2021 tarihinde alındı.

ANDERSON, J. D. (2016). Uçuşa Başlangıç. (A. YÜKSELEN, Çev.) Ankara: Nobel Yayınları. Mayıs 14, 2021 tarihinde alındı.