Ünite 5: Uçak Elemanları- Hava Aracı Motorları

Pistonlu Motorlar

Termodinamikte ısı enerjisini mekanik enerjiye çeviren sistemler ısı motoru ana başlığı altında tanımlanırlar. Isı motorlarının temel çalışma prensipleri, belirli bir hacimde havanın yanma odası adı verilen bir motor bölümü içerisinde uygun miktarda yakıt ile yakılması sonucu, ısınan gazın genleşerek, içerisinde bulunduğu kapalı ortamın hacmini artırmak suretiyle mekanik is elde edilmesi seklinde açıklanabilir. Bu tip motorların en çok bilinen türleri ise pistonlu motorlar olarak ifade edilebilir.

Pistonlu Motorların Çalışma Prensibi

Önce yanma işlemi ile yakıtın kimyasal enerjisi ısı enerjisine dönüştürülür, ardından ısınan gazlar bir silindir piston düzeneğinde genleşerek mekanik enerji üretilir.

Yanma işlemi motorun içerisinde, diğer bir deyişle silindir içerisinde gerçekleştirildiğinden bu tür motorlar içten yanmalı motorlar olarak da tanımlanırlar. Yanma işleminin motorun dışında gerçekleştiği motor türleri ise dıştan yanmalı motorlar olarak adlandırılırlar. Dıştan yanmalı motorlarda yakıttan mekanik enerji elde edilmesi, içten yanmalı motorlarda olduğu kadar verimli değildirler. Ancak bu verimsizlik, dıştan yanmalı motorlarda daha düşük kalitede yakıtların kullanılmasının mümkün olması sebebiyle dengelenmekte, bu sebeple günümüzde hâlen bu tür motorlar kullanılmaktadır.

Pistonlu motorların çalışma prensipleri, yukarıda bahsedilen tüm motor tipleri için büyük oranda aynıdır. Buna göre bu motorlarda yakıtın uygun miktarda yanmasını sağlamak için öncelikle yakıtın ölçeklendirilmesi gerekmektedir. Bu işlem genellikle karbüratör veya yakıt manifoldu adı verilen komponentler tarafından gerçekleştirilir. Bu komponentlerin görevi sıvı hâlde bulunan yakıtın miktarını o anki şartlar için ayarlamak, ardından yakıtı buhar hâline dönüştürmektir. Sonraki adımda ise buhar hâline dönüşen yakıt, uygun miktarda hava ile karıştırılır. Böylece yanabilir bir karışım elde edilmiş olur. Bu karışım daha sonra bir silindir içerisinde sıkıştırılarak bir ateşleyici vasıtasıyla yakılır. Karışım yandığında yüksek miktarda ısı enerjisi ortaya çıkar. Bu reaksiyon esnasında havadaki nitrojen yanma işlemine girmeyerek reaksiyona girdiği gibi çıkar. Havadaki nitrojen oranının %78 civarında olduğu düşünülürse yanmış gazların içerisindeki nitrojenin de çok yüksek bir yoğunlukta olduğu ifade edilebilir. Yanmanın etkisiyle genleşen gazlar silindir içerisindeki pistona basınç uygulayarak, pistonun bağlı olduğu bir krank milini döndürecek kuvvet uygulanması sağlanır.

Pistonlu motorların çalışma prensipleri aşağıdaki gibi maddeler halinde yazılabilir:

1. Giriş zamanı: Piston silindir içerisinde aşağıya doğru hareket ederken, giriş valfi açılarak içeriye hava ve yakıt girişi sağlanır. Bu zaman giriş zamanı olarak adlandırılır. Bu esnada çıkış valfi kapalı olup silindirler içerisindeki basınç neredeyse sabittir.
2. Sıkıştırma zamanı: Pistonlar yukarı doğru hareket ederken silindir içerisindeki taze hava ve yakıt karışımı sıkıştırılır. Bu esnada hem giriş hem de çıkış valfleri kapalıdır. Pistonun bu hareketi ile hacim azalırken basınç artar.
3. Ateşleme zamanı: Piston sıkıştırma zamanının sonuna doğru yaklaşırken sıkıştırılan karışım bir kıvılcım ile ateşlenir. Bu esnada piston hemen hemen en üst noktada bulunur ve her iki valf kapalıdır.
4. Güç zamanı: Bu zamanda her iki valf hâlen kapalı olup silindir içerisindeki basınç en yüksek seviyesine ulaşmıştır. Yanan gazlar genleşerek pistonu aşağıya doğru hareket etmeye zorlar. Bu esnada silindir içindeki yanmış gazların sıcaklığı oldukça yüksek değerlerde olup, yanma işlemi pistonlar üzerinde 15 ton ağırlığında bir kuvvet oluşturabilir. Bu hareket vasıtasıyla pistonun bağlı olduğu krank mili döndürülmüş olur. Piston en alt noktaya yaklaşırken egzoz valfi açılmaya başlar.
5. Egzoz zamanı: Piston yukarı doğru hareket eder, bu esnada egzoz valfi açık olduğundan silindir içindeki yanmış gazlar dışarıya atılır. Piston tekrar en üst noktaya ulaştığında açılan hava valfi ile birlikte çevrim yeniden başlar.

Pistonlu motorların çalışma prensibi gereği yukarıda adı geçen zamanlar her bir piston içerisinde eş zamanlı gerçekleşmez, bunun yerine sırayla birbirlerini takip ederler. Pistonlu motorlarda yanma işlemi sabit hacimde gerçekleşir. Bu prensipte çalışan pistonlu motorların iki farklı türü bulunmaktadır.

RPM: İngilizce ‘Revolutions per minute’ kelimelerinin bas harfleri olup Türkçede dakikadaki devir sayısı olarak kullanılır

Fin: Bir yüzeyin soğutulması için gerekli ısı transferi, yüzey alanı ile doğrudan ilişkilidir. Diğer şartlar sabitken, yüzey alanı ne kadar büyük olursa yüzeyin soğuması (veya ısınması) o kadar hızlı bir şekilde gerçekleşir. Örneğin evlerimizde bulunan kaloriferler, tek parça dikdörtgen yapılar seklinde değil, onun yerine çok sayıda dilimlerden imal edilirler. Burada amaç, oda havasının temas ettiği kalorifer yüzey alanını artırarak birim zamanda daha fazla ısı transferi sağlamaktır. Benzer bir durum silindir yüzeyleri için de geçerlidir. Silindirler içerisinde meydana gelen yanma işlemleri nedeniyle yüksek miktarda ısı enerjisi söz konusu olup, bu ısı silindir malzeme sıcaklığının çok yüksek değerlere ulaşmasına neden olur. Silindirler, etraflarından geçen soğuk hava ile silindirlerin yeterince soğutulması mümkün olmayacağından, bu bölgelerde yüzeyden dışarı doğru çıkıntılı, tıpkı kalorifer dilimleri gibi yapılar seklinde tasarlanır. Bu sayede ısı enerjisi çok daha geniş bir yüzey  alanına dağılarak çok daha hızlı bir soğuma yapılması sağlanır.

Pistonlu Motor Tipleri

Pistonlu motor tipleri genel olarak 2 kısma ayrılmaktadır. Bunlar;

1. Silindir dizilişine göre motorlar
2. Soğutma sistemine göre motorlar

Silindir dizilişine göre motorlar ise kendi içinde 4 gruba ayrılmaktadır. Bunlar;

1. Radyal
2. Sıralı
3. V-tip
4. Boksör

Soğutma sistemine göre motorlar ise kendi içinde 2 gruba ayrılmaktadır. Bunlar;

1. Hava soğutmalı
2. Sıvı soğutmalı

Şeklinde gösterilebilir.

Radyal motorlar, bir krank gövdesi etrafında dairesel olarak sıralanmış bir veya birden fazla kademe seklinde silindirlerden oluşur. Silindirlerin ürettiği mekanik enerji, bir krank vasıtasıyla bir pervaneye iletilir.

Sıralı motorlar, genellikle çift sayıdaki silindirlerin krank miline paralel olarak hizalandığı motor tipidir. Bu motorlarda hem su hem de hava soğutma sistemi kullanılabilir ve ayrıca silindirler krank milinin üzerinde olabileceği gibi altında da olabilirler.

V-tip motorlar , krank milinin iki yanında birbirinden 45°, 60° veya 90° açıyla yerleştirilmiş iki sıra silindirden oluşmaktadır. Sıralı motorlara göre fazladan bir sıra daha silindire sahip olduklarından ve ayrıca sadece tek bir krank gövdesi ve krank mili bulunduğundan güç/ağırlık oranları daha yüksektir.

Boksör motorlar, günümüzde hafif uçaklar için en çok tercih edilen pistonlu motor tipidir. 400 HP’ye kadar güç üretilebilen bu motorlarda çoğunlukla hava soğutma sistemi kullanılmaktadır. Bu motorlarda birbirinin karsısına gelecek şekilde her zaman çift sayıda silindir kullanılır.

Jet Motorları

Jet motorları, Newton’un üçüncü yasasına göre çalışan motorlardır. Bu yasa özetle, her etkinin bir tepki kuvveti oluşturduğunu ifade etmektedir. Diğer bir deyişle bir cisme dışarıdan bir kuvvet uygulandığında, cisim de kuvveti uygulayan sisteme eşit şiddette ancak zıt yönlü bir kuvvet uygular. Bu prensibi jet motorlarında, atmosfer havasının motorun içerisine alınıp yüksek bir hızda egzozdan atılması şeklinde uygulamak mümkündür. Buna göre motor, içerisinde bulunan havaya kuvvet uygulayarak hızlanmasını sağlar. Hızlandırılmış bu hava motor içerisinde ilerlerken ve egzozdan atılırken tepki kuvveti uygular. Bu tepki kuvveti, motorun veya bağlı olduğu uçağın ileri doğru hareketlenmesini sağlar. İşte bu sebeple jet motorları veya jet itki prensibi Newton’un üçüncü yasasıyla bağlantılı olarak açıklanır.

Jet Motorların Tarihçesi

Günümüzdeki anlamıyla bir turbojete en yakın motor patenti, İngiltere’den Frank Whittle tarafından 1930 yılında alınmış olup, bu motor, bu tarihten on bir yıl sonra gerçek bir uçak üzerinde kullanılma imkanı bulmuştur. Günümüzde başta büyük yolcu uçakları ile askeri alanda kullanılan savaş uçakları olmak üzere kargo, bölgesel taşımacılık, genel havacılık gibi birçok alanda jet motorlarının kullanıldığı görülmektedir. Bu motorlar sayesinde ses hızının 2-3 katı gibi hızlar veya 600 tonluk kalkış ağırlıkları elde edilebilmektedir.

Jet İtkisi

Jet itkisi tanımı, hızlandırılmış hava, gaz veya sıvı akısının bir lüleden dışarı atılması ile ortaya çıkan tepki kuvvetine verilen genel isimdir. Günümüzde kullanılan dört temel jet motor türü mevcuttur. Bunlar; roket, ram jet, pulsejet ve türbin jet motorları olarak sınırlandırılırlar.

Gaz Türbinli Motorlar

Günümüzde hava araçlarının büyük bir kısmında kullanılan motor tipi gaz türbinli motorlardır. Gerek sivil uçaklarda gerekse de askerî uçaklarda bu motorlar ihtiyaç duyulan performans parametrelerini sağlayabilecek kapasitede güç üretebilirler. Gaz türbinli motorların temelde dört farklı türü mevcuttur. Bunlar:

1. Turbojet
2. Turbofan
3. Turboprop
4. Turboşarj seklinde listelenebilir.

Turbojet motorların çalışma prensibi aşağıdaki gibi özetlenebilir:

Turbojet motora hava, öncelikle hava girişi adı verilen bir geometrik yapı vasıtasıyla girer. Buradan itibaren motora giren havanın karşılaşacağı ilk motor bölümü kompresördür. Hava, bu bölümde sıkıştırıldıktan sonra yakıtla karıştırılarak, yanma işleminin gerçekleşeceği yanma odası bölümüne geçer. Sıcaklık ve basıncı en yüksek değerlere ulaşan yanmış gazlar, ısı enerjisinin de yardımıyla bir türbin bölümüne yönlendirilirler. Egzoz gazları, türbini çevirerek mekanik enerji üretilmesini sağlarken, türbinden çıktıktan sonra bir egzoz bölümü vasıtasıyla yüksek hızlarda atmosfere atılırlar. Uçağın hareket etmesini sağlayan ve motor itkisi olarak adlandırılan kuvvet, motordan çıkan ve motora giren hava/gaz akışının hız farkından oluşur. Türbinden elde edilen mekanik enerji ise kompresörlerin ve diğer aksesuarların (pompa, jeneratör vb.) çalıştırılması için kullanılır.

Turboprop motorlar esasen bir çeşit gaz türbinli motor olup turbojet motorlardan en önemli iki farkı, motorun önünde bir pervanenin bulunması ve motor itkisinin  egzozdan çıkan yüksek hızlı gaz akışı yerine bu pervaneden elde edilmesidir.

Pervane haricinde başka bir ünite için bir şarj vasıtasıyla güç üreten motorlara turboşarj motor denir. Gaz üretici ve güç türbin bölümü olmak üzere iki ana bölümden oluşmaktadır.

Turbofan motorlar, turbojet ve turboprop motorlar arasındaki boşluğu doldurmak ve bu iki motor türünün avantajlarını bir araya getirmek amacıyla geliştirilmişlerdir.

Turbofan motorlar ile ilgili bilinmesi gerekli üç tanım söz konusudur. Bunlardan ilki itki oranı olup fandan geçen havadan elde edilen itkinin türbinden gelen gazların oluşturduğu itkiye oranı şeklinde tanımlanır. By-pass oranı adı verilen ikinci tanım ise fandan geçen hava akışının motorun içinden geçen hava akışına oranıdır. Bypass oranına göre turbofan motorlar genellikle aşağıdaki gibi sınıflandırılmaktadırlar:

• Düşük by-pass oranlı motorlar (< = 1:1)
• Orta by-pass oranlı motorlar (> 1:1 ve < 4:1)
• Yüksek by-pass oranlı motorlar (> = 4:1)

İçerisinde herhangi bir hareketli parçası bulunmayan jet motorlar ramjet olarak adlandırılırlar. Hava giriş, yanma odası ve egzoz olmak üzere üç ana bölümden oluşurlar. Herhangi bir kompresör ünitisine sahip olmadıkları için bu motorların çalışabilmesi için çok yüksek hızlarda hareket ediyor olmaları gerekmektedir.

Pulsejet motorlar, ramjet motorlara benzerler. Bu motorlarda da herhangi bir kompresör veya türbin bulunmaz. Bununla birlikte ramjetlerden temel farklılığı bu motorlarda fotoğraf makinalarındaki açılır kapanır diyaframa benzeyen valflerin kullanılmasıdır.

Gaz Türbinli Motorların Bölümleri

Temel seviyede bir gaz türbinli motor; hava girişi, kompresör, yanma odası, türbin ve egzoz olmak üzere beş ana bölümden oluşmaktadır. Her bölüm birbirinin arkasına yerleştirilmiş olup termodinamik işlemler, motorun bu beş bölümünde es zamanlı olarak gerçekleşmektedir.

Hava Girişi

Hava girişi bölümü havanın motorla ilk karşılaştığı bölüm olup, hareketli parçası bulunmayan bas it bir geometrik yapıdır. Genellikle bu yapının giriş kesit alanı çıkış kesit alanından daha küçük olup, içinden geçen havanın hızı düşürülürken basıncın arttırılması sağlanır.

Kompresör

Kompresörlerin bir türbinli motorda görevi, motora giren havanın basıncını artırarak önce bir difüzör bölümüne, ardından da yanma odasına, doğru basınç, sıcaklık ve hızda yönlendirmektir.

Günümüzde birçok hava aracında kompresörden geçen nispeten sıcak havanın bir kısmı uygun bağlantılar yardımıyla yolcu kabini veya kokpitin ısıtılmasında, buzlanmanın önlenmesinde, motorda bazı bölümlerde sızdırmazlık sağlanmasında ve hatta türbin gibi çok daha yüksek sıcaklıklı bölgelerde soğutma yapılmasında kullanılmaktadır. Bu amaçlarla kullanılan hava akışına bleed havası adı verilmektedir.

Günümüzde türbinli motorlarda iki temel kompresör tipi kullanılmaktadır. Bunlardan ilki santrifüj akışlı kompresörler olarak tanımlanmaktadır. Bu kompresörler en eski kompresör tipi olup günümüzde turboşaft motorlar, APU ve birçok küçük motorda kullanılmaktadır. Diğer bir kompresör tipi olan eksenel akışlı kompresörler, hava akışının ilerleme doğrultusu ve sıkıştırmanın da bu doğrultuda meydana geliyor olmasından dolayı bu isimle anılmaktadır. Eksenel akışlı kompresörler art arda sıralanan pek çok sayıda kompresör kademesinden oluşurlar.

Yanma Odası

Yanma odasının temel görevi, temel görevi, hava akışı içerisine belirli bir oranda yakıt püskürtmek, ardından bu karışımı bir kıvılcım vasıtasıyla yakmaktır.

Türbin

Türbin, yanma odasında üretilen ısı enerjisinin mekanik enerjiye dönüştürüldüğü ünitedir.

Egzoz

Egzoz bölümünün temel görevi, türbinden gelen gazların mümkün olduğunca yüksek hızlarda atmosfere atılmasını ve dolayısıyla yüksek itki kuvveti elde edilmesini sağlamaktır.

Türbinli ve Pistonlu Motorların Karşılaştırılması

Günümüzde kullanılan pistonlu motorlar, türbinli motorlara göre daha hafif olup, daha düşük performanslara sahiptirler.

Pistonlu motorlarda termodinamik çevriminin tüm adımları aynı alanda yani silindir içerisinde ardışık bir şekilde gerçekleşir. Ancak türbinli motorlarda tüm çevirim adımları birbirini takip eden ve farklı bölümler içerisinde ve aynı zamanda gerçekleşmektedir.

Yüksek irtifalar söz konusu olduğunda gaz türbinli motorların pistonlu motorla göre daha üstündür.

Türbinli motorların yüksek uçuş hızlarında pistonlu motorlara göre çok daha verimli oldukları ve pistonlu motorların kullanılamayacağı yüksek hızlarda dahi türbinli motorların gayet verimli bir şekilde kullanılabildikleri de ifade edilebilir.