uçak motoru

• 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. 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: iki ana bakım arasındaki (iki zaman arasındaki zaman, time between overhaul-tbo) normal emişli pistonlu motorlarda 1500~2000 saat, süper şarjlı pistonlu motorlarda 1000~1500 saat civarındadır. iyi 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 motoru tipleri: 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 ikinci 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 motorlarlan 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: uçuş hızı 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 düşürülmektedir.
  
  ekzost gazlarının hızı: ekzost gazlarının hızını 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 ekzost 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 santigrad derece değerine ulaşabilmektedir. ikinci sınır, ekzost 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.
  
  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.
  
  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 olurken ramjet 250 ye düşmektedir.
  
  kaynak: http://www.dicle.edu.tr/~duhak/