Uçaklarda
kullanlan motorların iki ana görevi vardır.
Bunlardan biri, kalkış yapan bir uçağın yer sürüklemesinin
yenilerek uçağın ivmelendirilmesi, diğeri de uçağın
öngörülen hızlarda uçuşu esnasında meydana
gelen sürükleme kuvvetine eşit bir çekme kuvveti
(veya tepki) sağlanmasıdır.
Bu
görevleri yapacak bir uçak motorunda şu özellikle
aranır:
-
hafiflik:
Bu terimin birimi, pervaneli güç gruplarında
beygir gücü başına kuru motor ağırlığı
(kg/HP veya kN/kW), jet motorlarında da statik
tepki kuvveti başına kuru motor ağırlığı
(kg/kg, lb/lb, kN/kN) şeklindedir.
Buna
göre çeşitli tiplerdeki motorların hafiflik değerleri
şu şekildedir:
|
|
Pistonlu
motorlar - 0,50 ~ 0,80 kg/HP
Turboprop
motorlar - 0,15 ~ 0,25 kg/HP
Turbojet
motorlar - 0,25 ~ 0,35 kg/kg
Turbofan
motorlar - 0,17 ~ 0,25 kg/kg
|
Eğer
motorların belirtilen ağırlık özelliklerine dayanılarak
bir karşılaştırma yapılmaya çalışılırsa
hafiflik yönünden avantajları veya dezavantajları
tam olarak ortaya çıkmayacaktır. Yukaryda verilen
değerlere göre yapılan karşılaştırmada pistonlu
motorlu uçakların diğerlerine nazaran dezavantajlı
oldukları, öte yandan turbojet ile turbofan arasında
çok büyük bir fark bulunmadığı gözlenebilir.
Güvenilirlik:
Uçağı havada tutabilmesi için gerekli hızı
sağlayan motorum güvenir olması, yani revizyonlar
arası kullanım sırasında arıza yapmadan çalışması
gerekir.
Ekonomi:
Özgül yakıt sarfiyatının, ilk alış
fiyatının ve uçuş saati başına yapılan bakım
ve revizyon masraflarının minimum seviyede olması
istenen bir niteliktir.
Özgül
yakıt sarfiyatı: Yakıt
sarfiyatları seyahat uçuşu esnasında, sürüklemeye
eşit olan çekme kuvvetlerinin kullanıldığı
hallere karşılık gelmektedir. Bu özgül yakıt
sarfiyatına, jet motorlarında Tepki Özgül Yakıt
Sarfiyatı (Thrust Specific Fuel Consumption- TSFC,CT)
denir. Bunun pervaneli uçaklardaki karşılığı CpV/gprop
; Cp, şaft beygir gücüyle (SHP) alakalı
özgül yakıt sarfiyatı; V, uçağın hızı; ve gprop,
pervanenin verimidir. M(mach)=0,4 ~ 0,5 hız bölgesine
kadar pistonlu motorların en düşük yakıt
sarfiyatlı motorlar olduğu görülmektedir.
Turboprop motorlar pistonlu motorlardan daha fazla yakıt
sarf etmelerine rağmen, benzinden daha ucuz olan
kerozen yakıtını kullanırlar. şekilden de görüldüğü
gibi turbojet motorlar en yüksek yakıt sarfiyatlı
motorlardır. Turbofan motorlar ise M=0,4 ~0,5 in üzerindeki
hızlarda en düşük yakıt sarfiyatlı motorlar
olup, bypass oranı (l) arttıkça yakıt sarfiyatı
daha da azalmaktadır.
Özgül
yakıt birimi:
Pistonlu
motorlarda - kg/HP, lb/HP, N/kW
Turboprop
motorlarda - kg/SHP, lb/SHP, N/kW
Turbojet
ve turbofan motorlarda - kg/kgf/saat, lb/lbf/saat,
N/kW
Motorun
alınış maliyeti:
Beygir gücü başına 25-50 $ lık fiyatla
pistonlu motor ilk maliyet bakımından en ucuz
motordur. Turboprop motorların fiyatları şaft
beygir gücü başına 60-100 $ mertebesindedir.
Turboprop motorların fiyatları, motorun boyutlarına
bağlı olarak kalkıştaki kg. tepki kuvveti başına
44-88 $ civarındadır.
Motorun
bakımı: İki
ana bakım arasındaki (İki Zaman Arasındaki Zaman,
Time Between Overhaul-TBO) normal emişli pistonlu
motorlarda 1500~2000 saat, süper şarjlı pistonlu
motorlarda 1000~1500 saat civarındadır. İyi bir
turboprop motoru için, bu değer 4000 saat
mertebesindedir.
Minimum
aerodinamik sürükleme ve motor boyutları:
Motor, motor kaportası ve motoru uçak yapısına
bağlayan motor sehpasının parazit sürüklemesinin
minimum düzeyde olması istenir. Bu da motor boyutlarının
mümkün olduğu kadar küçük olması ile mümkündür.
Gürültü
ve titreşim: Özellikle
kalkış ve tırmanış sırasında maksimum güçle
çalışan uçak motorlarının hava alanları yakınındaki
yerleşme bölgelerinde rahatsız edici gürültü
yapmaması istenir. Pistonlu motorların en büyük
handikabı pistonların gidip gelme hareketinin doğurduğu
motor gürültüsü ve titreşimidir. Turboprop
motorlardaki mekanik gürültü seviyesi pervane gürültüsüne
nazaran daha azdır. Jet motoru uçağın içinde
oturanlar bakımından en sessiz motor tipidir, fakat
yerdeki bir gözlemciye göre, özellikle kalkış ve
yaklaşma safhalarında maksimum gürültü seviyesine
sahiptir. Motor gazlarının düşük egzoz hızı
nedeniyle turbofan motorlar turbojet motorlara nazaran
daha sessizdirler. Bu tür motorlardaki fan gürültüsünün
daha da azaltılması için çeşitli önlemler alınmaya
çalışılmaktadır. Pervaneli motorların dış gürültüsü
daha yavaş dönen pervane kullanımıyla da azaltılabilir.
Uçak
motor tipler:
Uçaklarda
kullanılan motor çeşitleri genel olarak şu şekilde
sıralayabiliriz:
-
pistonlu
motor ve pervane
-
gaz
türbini ve pervane (turboprop)
-
jet
motoru (turbojet, turbofan)
-
ramjet
ve pulsejet motorları
-
roket
motorları
Pistonlu
motor ve pervane:
Uçakçılığın
gelişmeye başladığı yirminci yüzyılın başlarından
beri uygulanmakta olan güç gruplarından pistonlu
motor ve pervane bileşimi günümüzde de hızı
500km/saat dan az olan bir çok uçak tipi için seçilmektedir.
Uçak
güç sistemleri için geliştirilen motor tipleri sıvı
soğutmalı ve hava soğutmalı olarak sınıflandırılabilirse
de, günümüzde yalnız hava soğutmalı motorlar
kullanılmaktadır.
Pistonlu
motorların beygir gücünü belirleyen faktörler,
ortalama efektif basınç, devir adedi ve piston hacmi
(strok x alan x piston adedi) olarak sınıflanabilir.
Ortalama efektif basınç ve devir adedi (dönme hızı)
gerek yanma verimi gerekse malzeme mukavemeti sebebi
ile limitlenince yapımcılar motor gücünü arttırmanın
çaresini silindir adedini arttırmada görmüşler.
Bu nedenle;
Sıra
ve karşılıklı silindirli motorlar: 2, 4, 6
Yıldız
motorlar: 3, 5, 7, 9
silindirli
olabilmektedir. Yıldız motorların güçlerini daha
da arttırmak amacıyla 7 ve 9 silindirli yapılar,
iki veya dört sıra şeklinde arka arkaya yerleştirilerek
14, 18, 28 ve 36 silindir şeklinde yıldız-sıra
motorlar da geliştirilmiştir.
Pistonlu
motorların verimi hava yoğunluğu ile azaldığından,
yükseklere çıkıldıkça güç azalacaktır. Ayrıca
pervanenin verimi de hava yoğunluğu ile düşecektir.
Uçuş
hızı arttıkça, pervanenin çekme kuvvetini oluşturan
hava akımının hızı da artacaktır. Bu bileşke hız,
pervanenin açısal hızının teğetsel bileşeni ile
uçak ileri hızının bileşeninden oluştuğu için,
uçak 0,6 mach' a yaklaştığında pervanenin uç
kesiti de ses hızına ulaşacak, bu nedenle verimi
azalmaya başlayacaktır.
Pervanenin
teğetsel hızını (devir adedini) azaltmak, aynı
zamanda motorun devir sayısını gerekli değerler de
tutmak için, pistonlu uçak motorlarına 300 hp.' nin
üzerindeki güçler için sisteme bir redüktör
ilave edilir. Bu redüktör genelde planet dişli şeklinde
yapılır.
Pistonlu
motorların yükseklikle verimlerinin azalmasını önlemek
için aşırı besleme (süpersarj) ile emme basıncını
arttırmak kabildir ve uçak motorlarında
uygulanmaktadır. Ayrıca, uçağın değişik hızlarında
pervane verimini maksimum değerde tutabilmek için değişken
hatveli (sabit hızlı) pervane sistemleri geliştirilmiştir.
Bütün
bu çabalara rağmen, pistonlu motor ve pervane ile
donatılmış uçakların uçuş hızları, tırmanma
hızları ve uçuş yükseklikleri sınırlı kalmıştır.
Turboprop
motorlar:
1940
yıllarında, ekzos türbinli kompresörler ile de
donatılan en gelişmiş pistonlu motorlar uçuş yüksekliğinin
arttırılmasına, ve dolayısı ile seyahat hızının
ve uçuş ekonomisinin arttırılmasına, yeterli
olamayınca; yükseklik ile verimi o kadar fazla
etkilenmeyen gaz türbinlerinin pervane ile birlikte
kullanılması yoluna gidilmiştir. Bu tür güç
sistemleri önceleri İkinci Dünya savaşında kullanılan
birkaç avcı uçağının uçuş yüksekliği ve hızını
arttırmada uygulamıştır. 1950 yıllarında
Rolls-Royce firmasının geliştirdiği Dart tipi
turboprop motorları Vickers fabrikalarının yaptığı
Viscount ve Vanguard uçaklarında başarı ile kullanılmıştır.
Sonraları, bu tip güç sistemleri bir çok yolcu ve
yük uçağı için uygulanmıştır. Bilindiği gibi
bu tür güç grupları helikopterlerde de
uygulanmaktadır. Bu uygulamada motor pervane yerine
helikopterin rotorunu çevirmektedir. Helikopterlerde
kullanılan bu tür motorlara turboşaft motor ismi
verilmektedir.
Türbin
motorunun pistonlu motora kıyasla daha güvenilir
olması az titreşim yapması, aynı güç için daha
küçük sürükleme kuvvetine neden olması (daha küçük
kesit alan) ve yakıtın daha ucuz elde edilmesi gibi
üstünlükleri vardır. Ancak, günümüze kadar geliştirilen
gaz türbinleri genellikle 400 şaft beygir gücünün
üstündeki güçlerde yapıldığından hafif uçaklar
çaresiz olarak pistonlu motorlarla donatılmaktadır.
Turboprop
güç sistemlerinin de pervane verimi ile sınırlı
olduklarını unutmamak gerekir. Yani, uçuş hızı
ve uçuş yüksekliği ile pervane verimi azalmakta,
bu nedenle uçuş ekonomisini arttırılması ve daha
hızlı ulaşım olanağı sınırlı olmaktadır.
Gaz
türbinlerinin her rejim için (yani tam devirle kalkışta,
ekonomik seyahat gücü devrinde ve düşük
devirlerde) belirli bir dönme hızı (d/dakika) olacağı
için, pervanenin sabit hızlı yani değişken
hatveli olması gerekir. Ayrıca, türbinlerin verimli
olabilmeleri için gerekli dönme hızları (devir sayısı)
yüksek olduğundan (10 000-35 000 d/ dakika) motorun
kompresör şaftı ile pervane şaftı arasına 1/8
ila 1/22 oranında planet dişli şeklinde redüktör
yerleştirilir.
Turboprop
tip motorlar radyal veya eksenel tip kompresörlü yapılmakta
ve güçleri de 450 ile 10 000 şaft beygir gücü
arasında değişmektedir. Pistonlu uçak motorları için
gerekli olan yüksek oktanlı (100/130) özel benzin
yerine, turboprop motorları için gazyağı özelliğinde
olan ve alevlenme sıcaklığı benzinden daha yüksek
olan emniyetli jet yakıtı (kerozen) kullanırlar.
Turbojet
motorları:
Sivil
ve askeri havacılığın maçlarından biride uçuş
hızını arttırmak, ve bu artışı en düşük özgül
yakıt sarfiyatı ile sağlamaktır.
1940
yıllarında ilk defa gaz türbinlerinin uçaklarda güç
sistemi olarak kullanılmaları araştırma konusu
olmuştur. Uçak hızlarının arttırılması için
gerekli olan iki ana şartı, yani uçuş yüksekliği
ve uçuş hızı ile verimin azalmamasını, en iyi
olarak yerine getiren bu güç grubu, çok kısa bir sürede
ileri düzeyde geliştirilmiş ve 1950 yıllarından
sonra orta ve uzun menzilli yolcu uçakları ile avcı
ve bombardıman uçaklarına uygulanmaya başlamıştır.
Günümüzde,
hafif uçaklarla özel amaçlı bazı uçakların dışında,
tüm sivil ve askeri uçaklarda turbojet veya turbofan
motorları kullanılmaktadır.
Jet
motoru giriş ağzından alınan havaya yakıtın karışıp
yanmasıyla enerji kazandırarak, meydana gelen gaz
karışımını geriye doğru hızlandırır. Bu hızlanma,
diğer bir deyişle momentum değişimi bir kuvvet doğurur.
Meydana gelen bu kuvvet kendisine eşit, fakat aksi yönlü
bir tepki oluşturur.
Buna
göre, jet motorunun oluşturduğu tepkinin, hızlandırılan
hava kütlesi ve yakıt kütlesi (hava+yakıt karışımı)
ile motor içindeki bu kütlelere kazandırılan
ivmenin fonksiyonu olduğu görülür. T, tepki (kg);
M, hızlandırılan gazların (hava+yakıt, Mh+Myk)
toplam kütlesel debisi (kg/sn); V1, uçağın
uçuş hızı veya gazların ilk hızı (m/sn); V2,
gazların ekzos hızı (m/sn) olmak üzere:
T=(V2-V1)M/g
(denklem 1) tepki denklemi elde
edilir.
Örnek
olarak; saniyede 250 kg. hava ve 5kg. yakıt kullanan
bir turbojet motorunun ekzos gazlarının hızı 750
m/sn ve uçağın hızı 280 m/sn dir, tepki;
T=(750-280)(250+5)/9.81=12
217 kg.
olur.
Turbojet veya turbofan motorlarındaki eşdeğer güç
ise;
Pe=TV1/75
(hp)
Formülüyle
hesaplanır. Buna göre, örnek motorun 280 m/sn lik uçuş
hızındaki eşdeğer gücü: Pe=12
217*280/75= 45 610 hp. Olur.
Tepkiyi
etkileyen faktörler ise, hava yoğunluğu, motor
boyutu ve dönme hızı, uçuş hızı ve motor içindeki
yanan yakıtın sağladığı yanma ısısı (ekzos hızı)
olarak özetlenebilir.
Yoğunluk:
Jet
motorunun tepki birim zamanda motordan geçen hava kütlesi
ile orantılı olduğuna göre, kütleyi etkileyen
hava yoğunluğuna da bağlı demektir. Hava yoğunluğu
ise; basıncın, yani uçuş yüksekliğinin, hava sıcaklığının
ve rutubet miktarının bir fonksiyonudur.
Şu
halde hava sıcaklığı arttıkça tepki azalacaktır.
Yani, aynı uçak motoru kalkışta kış aylarındaki
tepkiyi yaz aylarında sağlayamayacaktır. Uçuş yüksekliği
arttıkça, motorun tepkisi azalacaktır. Havadaki
rutubet arttıkça tepki azalacaktır.
Sıcaklığın
hava yoğunluğunu, dolayısı ile tepkiyi, ters yönde
etkilemesi; özellikle kalkışta gerekli olan
maksimum tepkiyi etkilemesi, düzeltilmesi gereken bir
durum yaratmaktadır. Çoğu jet motoru yapımcıları,
motorun kompresör veya yanma odası içine su veya
su/metanol karışımı püskürtülmesi ile bu
eksikliği gidermeyi başarmışlardır. Tabi bu çözüm
uçak yapımcısının da ek bir sistem geliştirmesini
ve uçağa yerleştirmesini gerektirir. Bazı
hallerde, örneğin yüksek meydanlardan çok sıcak
havalarda kalkışta su püskürtme yolu da yeterli
olmayabilir. Çok az karşılaşılacak bu özel
hallerde uçağın kalkış ağırlığını (yani yükünü)
azaltmak tek çözüm olur.
Uçuş
yüksekliği ile yoğunluğun azalması, motorun
tepkisinin azalmasına neden olur. Ancak, uçuş yüksekliği
artıkça uçağın sürükleme kuvveti azalacak, ve
aynı hızda uçabilmek için daha az tepkiye
gereksinim olacaktır. Bu nedenle, jet motorlarının
yükseklikle azalan tepkisi (büyük bir ölçüde)
azalan sürükleme ile karşılanmış olur. Ayrıca
genellikle sıcaklığın yükseklik ile azalması, az
da olsa, yoğunluğun ve tepkinin artmasına yardım
edecektir.
Motor
boyutu ve dönme hızı:
Tepki,
motor içinde ivmelendirilen hava kütlesinin de
fonksiyonu olduğundan, motor çapını artırarak
daha fazla hava girmesi sağlanabilir. Ancak motor çapı
artıkça ağırlığı ve aerodinamik parazit sürükleme
kuvveti de artar. Motorun hava akımı sağlayan
kompresörün dönme hızını artırmakta hava
debisinin (kütlesini) artırıcı yönde etki yapar.
Bu çözüm de hem kompresörün verimi, hem de artan
dönme hızlarının karesi ile orantılı olarak
artan ivmeler (atalet kuvvetleri) nedeni ile mekanik
yapının dayanıklılığı bakımından sınırlıdır.
Uçuş
hızı:
Denklem
1' den de görüldüğü gibi, uçuş hızı (V1)
arttıkça, jet motorunun tepkisi azalacaktır. Uçuş
hızının artması ise motor girişindeki dinamik basıncın
artmasına ve bu nedenle motora daha fazla hava
girmesine yol açacaktır. Dinamik basıncın bu
etkisi, kaybolan tepkiyi fazlasıyla karşılayacaktır.
Uçuş
hızını transonik (ses hızı yakınında) veya süpersonik
(ses hızının üstünde) olması her ne kadar
dinamik basıncın artmasını sağlarsa da, günümüzde
uçaklara uygulanmakta olan jet motorlarının kompresörleri
henüz süpersonik akımlar da verimli olarak çalışacak
gibi geliştirilmediğinden, bu tip uçakların
motorlarında bu etkiden tam olarak yararlanılamamaktadır.
Transonik
veya süpersonik hızlarda uçan uçaklarda, jet
motorunun hava giriş kısmında akım hızı yavaşlatılmakta
ve kompresöre giren havanın Mach sayısı 0.3-0.5
mertebesine düşürülmekte.
Ekzos
gazlarının hızı:
Ekzos
gazlarının hızını (V2) arttırmak, yani motor içinde
ivmelenmeyi artırmak, tepkiyi arttırmak için en iyi
çözümdür. Ancak bu çözüm de diğer faktörler
gibi sınırlı olduğu unutulmamalıdır.
Yanma
odasında hava akımı içine püskürtülerek yanan
yakıt kütlesi ne kadar artarsa, yanma için yanma sıcaklığı
ve bu nedenle oluşan gazların enerjisi de o kadar
artmış olur. Artan ısı enerjisi gazların genişletilmesi,
yani türbin ve ekzos lülesinden geçirilmesi, ile
kinetik enerjinin arttırılmasına neden olur.
Bu
usulle ekzos hızını ve jet motorunun tepkisini (ve
verimini) artırmada karşılaşılan ilk sınır türbin
pallerinin malzemesinin yük altında dayanabileceği
maksimum sıcaklıktır. Günümüzde türbin palleri
malzemesi ile yapım şekli ve soğutma usullerinin
geliştirilmesi sayesinde, türbin giriş sıcaklığı
sınırı 1300 ºC değerine ulaşabilmektedir. İkinci
sınır, ekzos gazlarının hızının artması jet
motorunun gürültüsünün çok fazlalaşmasından doğmaktadır.
Özellikler kalkış ve ilk tırmanış sırasında
maksimum tepki gereksinimi, gürültünün de çok
artmasına ve kabul edilen limitlerin üstüne çıkmasına
neden olabilir.
|
çift
makaralı, eksenel akışlı, art yanmalı
turbojet motoru
|
Askeri
uçaklarda manevra üstünlüğü sağlamak için
gerekli olan ek bir tepki kuvveti elde etmek, veya uçakların
süpersonik hıza geçebilmesi için (artan sürüklemeyi
yenmek için) gerekli ek tepkiyi elde etmenin bir başka
yolu türbinden sonra, ekzos lülesinin içine, yakıt
püskürterek tepki artışı sağlamaktır. Art yanma
(After Burner- A/B) denilen bu çözümde, ekzos içine
püskürtülen ek yakıtın yanmasıyla ekzos gazlarının
hızı daha da arttırılarak ek tepki sağlanmaktadır.
Tabii olarak, art yanma uygulandığı zaman hem
motorun özgül yakıt sarfiyatı çok artar hem de gürültü
seviyesi üst limitleri geçer. Aşağıdaki tabloda
Atar 9K-50 ve J85-GE-21 motorlarının, art yanmasız
ve art yanmalı özgül yakıt sarfiyatları (Ö.Y.S.)
gösterilmiştir.
|
|
Art
yanmalı
|
Art
yanmasız
|
|
|
Tepki
(kg)
|
Ö.Y.S
|
Tepki
(kg)
|
Ö.Y.S
|
|
Atar
9K-50
|
5000
|
0,98
|
7200
|
1,99
|
|
J85-GE-21
|
1588
|
1,00
|
2268
|
2,13
|
Turbofan
ve by-pass tipi jet motorları:
Jet
motorlarının geliştirilmesi sırasında,
verimliliklerinin arttırılması, özellikle deniz
seviyesine yakın yüksekliklerde ve düşük hızlarda
(örneğin kalkış ve tırmanış sırasında ) tepki
arttırılırken yakıt sarfiyatının azaltılması için
hava akımının arttırılması yönüne gidilmiştir.
Motorun içinden geçen hava kütlesini arttırmak için,
kapalı bir çember içinde çalışan pervaneyi andıran
ve fan denilen kısımlar jet motoruna eklenmiştir.
|
ön
fanlı turbofan motoru
|
|
Arka
fanlı turbofan motoru
|
|
Art
yanmalı turbofan motoru
|
By-pass
tipi jet motorlarında da, motorda yanma ve yanma
odalarının soğutulması için kullanılan hava akımına
ek olarak kompresörden alınan havanın bir kısmı
motor dışındaki bir kılıftan geçirilerek ekzosla
karıştırılır.
|
Bypass
motoru
|
Prensip
olarak fan motorlarında olduğu gibi hava akımının
arttırılması amaçlanmıştır. Ancak, turbofan
motorların tamamı by-pass motorlar olarak anılmaktadır.
Ramjet
ve pulse-jet motorları:
Uçaklarda
çok az uygulanan, ancak pilotsuz uzaktan kumandalı uçan
bombalar ile, deneysel amaçlarla kullanılan bu tip
motorların jet motorlarından farkı, dönen bir
kompresör ve türbin kısmının bulunmayışıdır.
Ramjet
motorunda hava giriş kısmına çarpan havanın oluşturduğu
basınç artışından yararlanılır, ve ısı
enerjisi eklenerek, oluşan gazlar yüksek hızla,
ekzos borusunda atılarak tepki sağlanır. Pulse-jet
motorunda da yanma odasındaki basınç, geçici
olarak ekzostan çıkan havanın emmesi ile düşürülerek
önden yeniden hava girişi sağlanır.
Ramjet
motorları uçak hızı artıkça daha verimli
olmaktadır. Örneğin aynı uçak için Mach=1 hızında
jet motoru özgül yakıt sarfiyatı 100 ise ramjet
motoru için 700; ancak Mach=3 için jet motoru 350
