Havacılığın Kalbi: Gaz Türbinli Motorlar

Gaz türbinli motorlarla ilgili olacak yazı serimize, gaz türbinli motorların çalışma prensibi, bölümleri ve yapılan işlemlerden bahsedeceğiz. Bu yazımda ve ileride yazacağım yazıları daha iyi kavramak adına temelden başlamamızda fayda olacağını düşünüyorum. Gaz türbinli motorların ne olduğunu ve nerelerde kullanıldığıyla başlayalım.

Havacılık tarihi boyunca çok önemli olan uçak motorlarından gaz türbinli motorların temelini 1930 yılında Frank Whittle patentini alarak attı. Ancak asıl gelişmeler 2. Dünya Savaşından sonra Almanların da dahil olmasından sonra başladı. Şekil 1.1’deki motor ile Şekil 1.2’deki motor arasında çalışma mantığı açısından farklı bir şey yoktur. Motorun genel çalışma prensibi; ısı enerjisini mekanik enerjiye çevirmektir. Gaz türbinli motorlarda kullanılan en önemli fizik kanunu Newton’un 3. Hareket Kanunu olan etki-tepki prensibidir. Brayton Çevrimine göre çalışan gaz türbinleri, havanın sıkıştırılıp yakıt ile yakılması ve ortaya çıkan çok yüksek enerjinin türbinler aracılığı ile mekanik güce dönüştürmesiyle çevrim son bulur. Gaz türbinli motorları amaçlarına göre 4 temel gruba ayırabiliriz; Turbojet, Turboprop, Turbofan ve Turboşaft.

1. Turbojet Motorlar

Turbojet motorları elde ettiği yüksek enerjili gazı geriye doğru çok kuvvetli bir şekilde püskürtür. Genellikle askeri alanda kullanılır. Çok gürültülüdür ve yüksek hızlarda verimlidir. Turbojet motora en güzel örnek ülkemizin KALE-ARGE firması tarafından üretilen KTJ-3200 ve TEI firması tarafından üretilen TJ-90 turbojet motorlarıdır.

2. Turboprop Motorlar

Turbojet motor dışındakiler turbojetin türevleridir. Turboprop motorların tek farkı basit bir şekilde pervane ve dişli kutusu içermesidir. Yani türbinden elde ettiği enerjiyi dişli kutusu ve mil yardımıyla pervaneye aktarır. Gerekli İtki oluşmuş olur. Görselde Hürkuş Temel Eğitim Uçağında kullanılan PT6A-68T Turboprop motoru görebilirsiniz.

3. Turbofan Motorlar

Genellikle yolcu uçaklarında kullanılan turbofan motorlarda da önde ek itki üretmesi amacıyla fan konulmuştur. Turbojet motorun önüne sadece fan koyarak turbofan yaptığımızı söyleyebiliriz. Turbofan motorlara aynı zamanda by-pass motorları da denir. Şekil 1.3’te F-35 savaş uçağının motoru olan F-135’i görebilirsiniz.

4. Turboşaft Motorlar

Temel olarak helikopter motoru olarak kullanılan turboşaft motorunun turbojetten farklı olarak rotor pallerini döndüren şanzıman benzeri güç aktarma sistemi vardır. Şanzıman vasıtasıyla türbinden aldığı mekanik enerjiyi  ile rotor pallerini döndürür. Pistonlu motorlara göre çok iyi itki/ağırlık oranı verir. TAI tarafından üretilen ve yakın zamanda TSK envanterine giren T129 ATAK Helikopterinde Honeywell ve Rolls Royce ortaklığında olan LHTEC firmasının CTS800 Turboşaft motoru kullanılmaktadır.

Gaz türbinli motorlar genel olarak beş bölümden oluşur. Hava alığı, Kompresör, Yanma Odası, Türbin ve Egzoz (Nozzle). Daha sonraki yazılarımda kompresör, yanma odası, türbin ve egzoz tasarımı gibi spesifik bölümlere gireceğim. O yüzden şimdilik konuyu anlamak açısından basit tanımlamalar yapalım.

Hava Alığı (Air intake):

Havanın motora girdiği kısımdır. Çok basit olmasına rağmen havanın henüz motorun başında boğulmaması ya da havanın yetersiz kalmaması adına tasarımı çok önemlidir.

Kompresör:

Kompresör hava alığından aldığı havayı önce düşük basınç kompresörü (LPC) sonra da yüksek basınç kompresörüne (HPC) göndererek sıkıştırır. Kompresörlerde rotor ve stator vardır. Rotor ve stator ikilisine kademe denir. Her kompresör kademesinde hava daha da sıkışır. Kompresör kanatları (blade) LPC’den HPC’ye doğru gittikçe küçülür.

Yanma Odası:

Yanma odasına çok yüksek enerjiyle gelen hava yakıt ile birlikte yakılır. Yanan hava motor boyunca hareket eder ve türbinden geçer. Türbinden geçerken enerjisinin bir kısmını buraya bırakır. Turbojet motorlarında genellikle 1/40 hava kullanılır. Yani 1 birim yakıtı kullanmak için 40 birim havaya ihtiyaç vardır. Yakıt olarak da çoğunlukla Kerosen (JP-8) kullanılır.

Türbin:

Türbinin çalışma prensibi aslında kompresörün tersidir. Kompresör basıncı arttırmak için iş kullanırken türbin yüksek enerjili havayı işe yani mekanik enerjiye çevirir. Türbin tasarımı da kompresör tasarımına benzerdir ve üzerlerinde kanatlar (bıçak/blade) bulunur. Türbin aldığı mekanik enerjiyi ortadan şaft yardımıyla kompresörü döndürmek için kullanır.

Egzoz:

Yanmış ve enerjisi yüksek hava egzozdan dışarı çıkarken itki üretir. Konunun başında bahsettiğimiz Newton’un 3. Kanunu burada geçerlidir. Geriye doğru çok büyük bir kuvvetle çıkan hava tepki olarak uçağa itki sağlar.

Çalışma Prensipleri:

Gaz Türbinli Motorlar aslında itkiyi sağlamak için çalışma akışkanı olarak havayı kullanan bir ısı motorudur. Bu itkiyi sağlamak için de motordan geçen havanın hızlandırılması (ivmelenmesi) gerekir. Yani havanın hızının ya da kinetik enerjisinin arttırılması şarttır. Gaz türbinli motorların çalışma prensibi 4 zamanlı pistonlu motorlar ile benzerdir. Termodinamik yasalarına göre de değerlendirirsek; gaz türbinli motorlarda yanma sabit basınçta, pistonlu motorlarda ise sabit hacimde gerçekleşir. Gaz türbinli motorların termodinamik olarak çalışma prensibi şekil 2.2’deki (Brayton Çevrimine ait P-V Diyagramı) gibi gösterilmiştir.

Basınç-Hacim şemasındaki döngüye bakarsak A noktası atmosferi temsil eder. AB hattı boyunca sıkıştırılan havanın basıncı artar. Sabit basınçta havayı yakmak suretiyle havaya B-C arası ısı eklenir. Böylece havanın hacmi artmış olur. Yanma odasındaki yanmaya sabit basınç dememizdeki sebep ortamdaki şartları ideal kabul ettiğimiz içindir. Gerçek durumdaki sıcaklık, basınç ve hacimleri elde etmemiz için ideal şartlardaki değerleri bilmemiz gereklidir. Bundan dolayı anlatım kolaylılığı açısından şartları ideal kabul edip basınç kaybı olmadığını göz önüne almamız gerekir. Gerçek şartlarda mutlaka yanma sırasında bir miktar basınç kaybı olacaktır. Diyagrama geri dönersek, yanma sonucu oluşan gazlar C-D arasında türbinden başlayarak genişler. Bu sırada döngünün bir parçası olarak gazlardaki enerjinin bir kısmı türbin tarafından mekanik güce dönüştürülür. Geri kalan gazlar ise atmosfere itici güç sağlar. Gaz türbinli motorlar bir ısı motoru olduğu için yanma sıcaklığı ne kadar yüksekse gazların türbinde genişleyip güç üretmesi daha büyük olur. Ancak buradaki sınırlayıcı etken, yanma odasının ve türbin tasarımında kullanılan malzemeler ve sistemin mekanik özellikleridir. Yanma sıcaklığı bu belirtilen özellikleri aşmamalıdır.

Basınç-Sıcaklık-Hacim İlişkisi

Türbin Motorunun çalışması sırasında hava akımı veya çalışma akışkanı (hava) ısıyı alır ve verir. Bundan dolayı sıcaklık-hacim ve basınçta değişiklikler meydana gelir. Bu değişiklikler kimya derslerinden de çok yakından tanıdığımız Charles-Boyle kanunlarıyla yakından ilişkilidir. Motorun çalışma döngüsünde bu değişikliklerin meydana gelmesi için 3 ana koşul vardır;

1. Sıkıştırma; Kompresörler yardımıyla sıkıştırma işlemi bittiğinde havanın basıncı yükselmiş ve hacmi azalmıştır. Basıncın ve hacmin artıp azalmasının oranı sıcaklığının artma oranıyla eşdeğerdir.
2. Yanma; Havaya yakıt ekleyip yaktıktan sonra sıcaklık yükselir. Bu yükselme hacim artmasıyla eşdeğerdir. Bu sırada basıncın neredeyse sabit kaldığını unutmamamız lazım.
3. Genleşme; Genleşme sırasında türbin tarafından gaz akışının bir kısmında iş alındığından sıcaklıkta ve basınçta bir bir düşüş olacaktır. Bu düşüş hacimdeki artmayla eş değerdir.
   Bu prensipleri (basınç-hacim ve sıcaklık) diyagram üzerinden yorumlamamız için Brayton Çevriminin P-V , T-S diyagramlarına bakılabilir.

Türbinli motorlarda verim de çok önemlidir. Belirli bir iş kullanılması ile kompresör basıncının yükselmesi ve bunun tam tersi olan türbinde belirli bir iş üretimi için basıncın düşürülmesi çok önemlidir. Her makinada minimum güç kullanarak maksimum güç üretmeye çalışırız. Türbinli motorlarda da aynı şekilde çalışır. Eğer hava sıkıştığında ve genişlediğinde %100 verim alıyorsak, bu prosese adyabatik süreç denir. Adyabatik süreçte sürtünme, taşınım, türbülans vs gibi kayıplar oluşturacak olayları göz ardı ederek enerji kayıplarının olmadığı durum olarak göz önüne alırız. Tabi ki böyle bir sürecin gerçekte olmadığı bilinmektedir. Ancak kompresör, yanma odası ve türbinden maksimum seviyede verim almamız için ideal durumu göz önüne almamız şarttır. Uçak motoru üreten mühendislik firmalarında %90 ve üzeri verim başarılı kabul edilir.

Hız ve Basınç Dağılımı

Motor boyunca hava akışının hızı ve basıncı, aerodinamik ve enerji ihtiyaçlarına göre değişir. Örneğin; kompresördeki sıkıştırma işlemi sırasında basınç artarken hız artımına ihtiyaç olmaz. Havanın ısıtılıp iç enerjisinin yanma tarafından arttırıldıktan sonra gazın türbinin döndürmek için kuvvete ihtiyaç olduğundan dolayı hıza ihtiyacı vardır. Çıkış egzozunda ise yüksek çıkış hızına ihtiyacımız vardır.

Havadaki itkiyi sağlayan momentum değişimidir. Bazı bölgelerde de havanın hızının çok azalmasını isteriz.  Buna en güzel örnek, yanma odasında alevin yanmasıdır. Birinci bölge (Primary Zone) diye adlandırdığımız yer  bizim düşük hız istediğimiz bir bölgedir. Bu detayı yanma odası ve yanma işleminde daha detaylı olarak işleyeceğiz.

Bu hız değişimlerini elde etmek için havanın motor içinde geçtiği kanalların büyüklüğü ve şekline dikkat edilir. Kinetik Enerjiyi basınca dönüştürecek ise; ıraksak yanma gazlarında depolanan enerjiyi kinetik enerjiye çevirmek istiyorsak yakınsak kanal kullanırız. Bu geçişlerin ve lülerin (nozul) tasarımı çok önemlidir. Çünkü enerji verimliliği açısından çok önemlidir.

Hava Akışı

Motordaki hava akışından bahsetmeden önce by-pass tanımını yapmak istiyorum. İleriki yazılarımızda sıkça bahsedeceğiz. By-pass tanımını yapmak için aşağıda F119-PW100 motorunun kesitini görüyorsunuz. By-pass motorlarda hava fan çıkışından 2 yola ayrılır. Bir kısmı kompresör, yanma odası, türbin ve egzoz (çekirdek ya da core engine de denilebilir) şeklinde devam ederken bir kısmı ise kompresör gövdesi ile muhafaza arasında devam eder. Dış kısmından geçen havanın miktarının çekirdek motorundan (core engine) geçen havanın miktarına oranına by-pass oranı denir. Dry thrust ve wet thrust diye de adlandırabiliriz. By-pass oranı 0.2-1 arasında ise düşük by-pass oranlı motor, 5 ve üzerinde ise yüksek by-pass oranlı motor diyebiliriz.

Oğuz Kılıç

Kaynak: The Jet Engine | Rolls Royce

İlginizi çekebilir:

Turbojet Motorların Geliştirilmesi Projesi

Fatih Mehmet

Defence Turk Genel Yayın Yönetmeni. Kocaeli Üniversitesi Bilgisayar Programcılığı mezunu ve amatör fotoğrafçı. Teknoloji, otomotiv ve uluslararası ilişkiler meraklısı. Savunma sanayii araştırmacısı.