2. Gaz Türbinlerinin Gelişimi
Heron türbini –M.Ö. 130
Giovanni Branca türbini -1629
Newton jet tepkili arabası -1680
3. Gaz Türbinlerinin Gelişimi
Günümüzdenikiasırönce,1791yılındaİngilizJohnBarberorijinalbirgaztürbinbiçimigeliştirmişvepatentinialmıştır.Bumotorpatentliilkgaztürbiniolarakbilinir.
4. Gaz Türbinlerinin Gelişimi
Charles Parson ilk türbin -1884
Buhar genleşmesi için yapılan rotor çap arttırma çalışmaları
6. Gaz Türbinlerinin Gelişimi
1930yılında,çokkadamelieksenelbirkompresöriletekkademelisantrifüjkompresörüaynırotordakullanıphavayıturbojetkısmınasıkıştırarakgüçsağlamışveilktubojetinpatentinialmıştır.
1941yılındailkuçuşunuyapanWhittlejeti; santrifüjtipçiftgirişlikompresörlü,tekyanmaodalıvesusoğutmalıdır.Bumotor, moderngaztürbinlerininöncüsüolmuştur.
FrankWhittle,yaptığıbuçalışmadanötürü, ‘moderngaztürbinlerininbabası’olarakanılmaktadır.
7. Gaz Türbinlerinin Gelişimi
Alman HansVonOhain’inpatentindeki turbojet motoru, bir Heinkeluçağına monte edilerek 1939 yılında ilk turbojet uçuş gerçekleştirilmiştir.
Jet motorlarının öncülerinden olan İtalyan SecondoCampini,kompresörü çevirmek için yıldız tipi pistonlu bir içten yanmalı motor kullanmış ve bu motorla donatılmış bir uçak, Roma-Milan arasındaki 270 km’lik bir uçuşu gerçekleştirmiştir.
Whitte’ninçok kademeli kompresörlü turbojetleri, II.Dünyasavaşında, İngiliz ve U.S.A uçaklarında kullanılmıştır.
Gaz türbinleriyle güçlendirilen ilk taşıt ise, 1950 yılında İngiliz Roverfirması tarafından üretilmiştir.
8. Gaz Türbin Uygulamaları ve Çeşitleri
1.Sabit tesis gaz türbinleri
2.Endüstriyel gaz türbinleri
3.Jeneratör gaz türbinleri
4.Pompa gaz türbinleri
5.Taşıt gaz türbinleri
5.1. Otomotiv gaz türbinleri
5.2. Demiryolu (lokomotif) gaz türbinleri
5.3. Denizcilik gaz türbinleri
5.4. Havacılık gaz türbinleri : Ramjetler,Pulsejetler, Turbojetler, Turboşaftlar, Turbofanlar, Turboproplar
9. Havacılık Gaz Türbinleri
Kompresörsüz Jet Motorları
Ramjet çalışma prensibi;
Kesit etkisiyle basınç artırımı
Yakıt enjektesi
Yanma ve ısı artırımı
Kesit etkisiyle basınç düşümü, hız artırımı
Avantajı;
Düşün ağırlığı, ağırlığa göre yüksek etki kuvveti
Hareketli parçası olmaması
Yüksek Machsayılarına çıkabilmesi
Dezavantajı;
Ön hıza ihtiyaç duyar
Yanma için ses altı hıza düşme zorunluluğu
10. Havacılık Gaz Türbinleri
Kompresörsüz Jet Motorları
Pulsejet;
Özel valf mekanizması ile yanma odasıyladifüzörayrılmıştır.
Sıkıştırma Ramjettendaha iyidir
Güç üretiminde devamlılık yoktur.
II.Dünyasavaşı sırasında Alman Cruisefüzelerinde kullanılarak en meşhur dönemini yaşamıştır.
Güç üretimindeki kesintiler nedeniyle geniş uygulama alanı bulamamışlardır.
12. Havacılık Gaz Türbinleri
Turbofan
İtki kuvveti oluşturması Turbojetebenzer.
Havanın önemli bir bölümü fandan geçer.
Fandan geçen hava itki kuvveti oluşturur.
Daha fazla hava kütlesini Turbojeteoranladaha düşük çıkış hızında ivmelendirir.
Turbojeteoranla daha yüksek tahrik verimi, yüksek kalkış ve tırmanma kuvveti ve düşükgürültü düzeyi oluşturur.
13. Havacılık Gaz Türbinleri
Turboprop
Tahrik kuvvetinin büyük bölümü pervanedeüretilir.
Egzozdan çıkan gazla bir miktar itki kuvvetioluşturur.
Düşük hızlarda yüksek verim sağlar.
Kargo uçaklarında tercih edilir.
14. Termodinamik Çevrim
BraytonÇevrimi
Braytonçevrimi sıkıştırma ve genişleme işlemlerinin eksenelkompresörler ve türbinlerde gerçekleştirdiği gaz türbinlerinde sınırlıdır.
Çevre koşullarındaki taze hava kompresör tarafından emilerek sıkıştırılır.
Sıkıştırılan havanın sıcaklık ve basıncı yükseltilir.
Yüksek basınçlı hava yakıtın sabit basınçta yakıldığı yanma odasına girer.
Yanma sonucu oluşan yüksek sıcaklıktaki gazlar türbinde çevre basıncına genişlerken güç üretir.
Türbinden çıkan egzoz gazları tekrar çevrime sokulmaz ve atmosfere atılır (açık çevrim).
15. Termodinamik Çevrim
BraytonÇevrimi
1-2 İzantropiksıkıştırma(kompresörde)
2-3 Sabit basınçta ısı girişi
3-4 İzantropikgenişleme
4-1 Sabit basınçta ısı çıkışı
20. Hava Girişi -Fan
Ortamda bulunan hava, fan üzerinden geçerken ivmelendirilerek motor içerisine girer.
21. Basınçlandırma
Basınçlandırmanın amacı, yakıt ile karışacak havanın basıncı ve sıcaklığını arttırarak yanma için daha uygun hale getirmektir.
LPC&HPC kademelerinden oluşur
22. Yanma
Yanmadaki amaç, motor içerisindeki havanın sahip olduğu enerjiye ısı arttırma yoluyla enerji transferi sağlamaktır.
Hava içerisine yakıt püskürtülür.
Buji ateşlenir.
Sıcaklık artışıyla enerji artar.
Enerjisi artan akışkan, yüksek basınç türbinine doğru itici kuvvet oluşturur.
Yanma odasındaki yanma hattının merkezindeki gazların sıcaklığı 1800-2000°Cdolayındadır.
24. Egzoz Kademesi
Egzoz lülesindeki amaç, hücreden gelen akışı motorun dışına doğru iterek, itki sağlamaktır.
İtki kuvveti sağlamadaki başarısını geometrisi veya şekli ile de sağlar.
Lüle motorun içindeki hava basıncını düzenleyerek diğer bileşenlerin düzenli ve verimli çalışmasına yardım eder.
25. Gaz Türbin Donanımları
Kompresörler
Giriş Havası Filtreleri
Türbin elemanlarını aşındırıp paslandırarak veya üzerinde artıklar oluşturarak verimlerini azaltan tozlardan ve diğer artıklardan korumak amacıyla kullanılır.
Kullanılacak filtre gaz türbininin gerektirdiği yüksek hava debisi için yeterli olmalıdır.
Santrifüj kompresörler
Küçük gaz türbini ve tahrik ünitelerinin çoğunda gaz türbin kompresörü olarak kullanılır.
Santrifüj kompresörlerin; çarklar, indükleyici, difizörgibi bileşenleri vardır.
26. Gaz Türbin Donanımları
Kompresörler
Eksenel Akış Kompresörleri
Eksenel kompresör; kademe adı verilen, birbirine karşı konumlu, hareketli ve sabit kanatçık dizilerinden oluşur.
Hareketli kanatçıklar havanın hızını arttırırken, sabit kanatçıklar arasındaki geçiş aralıkları havanın hızını azaltıp, sıcaklık ve basıncınıarttıran difizör gibi görev yapmak üzere tasarlanmıştır.
Kademe sayıları 4 ile 25 arasındadır.
Günümüzde Eksenel kompresörlerin verimleri %90’a basınç oranlarının 30:1’ e kadar yükselmiştir.
27. Gaz Türbin Donanımları
Yanma Odaları
Yanma odalarının; kompresör tarafından sağlananbol miktarda hava ile yakıt sprey borularından püskür- tülenyakıtı karıştırarak yakmak gibi zor bir görevi vardır.
Yanma odalarından istenilen özellikler:
1. Yüksek yanma verimi
2. Yanma sırasında karşılaşılan alev sönmesinin ardındanyapılabilecek güvenilir ve düzgün ateşleme.
3. Geniş kararlılık sınırları
4. Basınç kaybı az olmalıdır
5. Gaz emisyonları düşük olmalıdır.
6. Ucuz ve bakımları kolay, uzun ömürlü olmalıdır.
7. Değişik yakıtlar kullanılabilmelidir.
Giderek artan hava kirliliği, verimli yanmanın önemini de arttırmaktadır.
28. Gaz Türbin Donanımları
Türbinler
Radyal ve Eksenel akış türbinleri olarak iki çeşidi vardır.
Yüksek dönüş hızları ve maddenin yoğunluğu göz önüne alındığında türbin balansı önem kazanır.
Eksenel akışlı türbin Radyal akışlı türbine göre daha verimlidir.
Kanatçıkları soğutarak servis ömrünü arttırmak türbinden daha yüksek verim almak için önemlidir.
29. Gaz Türbin Donanımları
Türbinler
Kanatçık ucu ile stator kasası arasındaki boşluk kontrolü türbin verimini etkiler.
Bu kontrol kompresör kademesinden alınan daha düşük sıcaklıktaki hava ile gerçekleştirilir.
30. Gaz Türbin Donanımları
Egzoz
Egzoz kullanımı ile itki kuvveti verimi arttırılır.
Egzoz gürültü seviyesi düşürülür.
Geri itme kuvveti (thrust reverser) kullanılarak motor freni yapılır.
Egzoz sistemine giren gazların sıcaklığı550−850℃arasındadır.
Egzoz gaz çıkış sıcaklığı ile motor bakımı arasındailişki vardır.
31. Gaz Türbin Donanımları
Yardımcı Donanımlar ve Sistemler
Yardımcı dişli kutusu (AccesoryDrive Gearbox)
Yardımcı dişli kutusu, mekanik olarak çalıştırması gere- kendiğer yardımcı donanımlar (jeneratör, hidrolik pompa, ilk hareket verici) ile bağlantılıdır ve onlara gerekli tahrikgücü sağlar.
32. Gaz Türbin Donanımları
Yardımcı Donanımlar ve Sistemler
Yakıt Sistemleri
Motorda yanma için gerekli olan yakıt miktarını düzenler.
Yeni uçaklarda yakıt kontrolü tamamen elektronik (FADEC) bilgisayar donanımıyla yapılır.
Düşük sıcaklıkta bekleyen yakıt içerisinde buzlanma oluşumunu önlemek için yakıt ısıtıcıları bulunur.
Yağlama Sistemleri
Rotor sistemlerindeki önemli yatakların soğutulması için yağ gereksinimini karşılar.
Sıcaklığı artan yağ ile yakıt arasında ısı değişimi gerçekleşir.
33. Gaz Türbin Donanımları
Yardımcı Donanımlar ve Sistemler
Ateşleme Sistemi
Yakıt memelerinde atomize edilen yakıt spreyini ateşleyerek yanma işlemini başlatır.
Uçak kalkış anında ve kötü hava şartlarında bujiler sürekli ateşlenir.
Her motorda biri yedek olmak üzere iki ateşleyici kutu ve iki buji bulunur.
Hava Tahliye Sitemi
Bu sistem yanma verimini arttırmak için tasarlanmıştır.
Motorun donanım ve bileşenlerinin soğutulmasına da yardımcı olur.
34. Gaz Türbin Donanımları
Yardımcı Donanımlar ve Sistemler
Başlangıç Sistemi
Motor hareketsiz şekilde dururken, çalışmaya başlaması için dışarıdan bir enerji kaynağına ihtiyaç vardır. Durmakta olan motoru çalıştırabilmek için birden fazla seçenek vardır. Bunlar;
1.Çalışmakta olan motordan duran motora basınçlı hava temini ile
2.Yardımcı güç kaynağından (APU) basınçlı hava temini ile
3.Yer aracı yardımıyla
Buz Önleyici Sistem
Kompresör kademesinde bulunan sıcak hava ile olası buzlanma noktaları ısıtılır.
Buzlanmanın başlayabileceği kritik noktalar için bazı pratik çözümler geliştirilmiştir (V2500)
35. Motor Malzemeleri
Modern uçak motorlarından beklenenler: yüksek güvenilirlik, minimum ağırlık, maksimum performans, ekonomiklik ve dayanıklılıktır.
Uçak motor malzemeleri olabildiğince hafif, ısı dayanımı yüksek ve yüksek oksitlenme direncine sahip olmalıdır.
Gelişmiş uçak motorlarında Nikelalaşımlar (süper alaşım) %20 -%40 çelik alaşımı ile birlikte yaklaşık %30 Titanyum alaşımları bulunmaktadır.
Sağlanan sıcaklık artışı ile motor verimliliği artar ve yakıt sarfiyatı düşer.
Uçaktaki her bir kg ağırlığın azalması ile, motorun ömrü boyunca yaklaşık 150.000$’lık yakıt tasarrufu sağlar.
36. Motor Bakım Süresi ve Optimal Performans
Ticari uçak motorlarının ekonomik ömrü süresince tamir/revizyon zamanları arasında en uygun söküm aralığının belirlenmesi maliyet üzerinde etkilidir.
Uygulanan bakım felsefesi, motorun uçuş emniyeti sağlandığı sürece uçak üzerine tutulması şeklinde ifade edilebilir.Bunun sağlanabilmesi için meyana gelebilecek hasarların önceden tespit edilmesi amacıyla motorda sürekli kontroller gerçekleştirilir.
En uygun motor uçuş ömrünün belirlenmesinde; erken motor sökümü ve motorun gereğinden uzun süre uçak üzerinde tutulmasından kaçınılmalıdır.
Yorulma ömrü uçak motorları için en önemli emniyet limiti motor üzerindeki dönen kritik parçaların yorulma ömür limitleridir. Bu limitler havacılık otoritelerinin onayına tabiidir.
37. Uçak Yakıtı ve Emisyon Gazları
Tepkili motorlar, jet yakıtı adı verilen ve gaz yağına benzeyen (kerosen) kullanırlar.
Yolcu başına kat edilen yol uzunluğu baz alındığında uçak motorlarının yakıt tüketimi otomobil motorlarının yakıt tüketiminden daha düşüktür.
Dünya yakıt tüketiminin %5-6’sı yolcu uçakları tarafından gerçekleştirilmektedir.
Yeni yolcu uçaklarında 100km mesafede yolcu başına ortalama 3-3.5lt yakıt harcanmaktadır.(Eski uçaklarda 12lt’ye kadar yükselmektedir.
1 kg JET A1 yakıtının tam olarak yanması ile yaklaşık 3.16 kg karbondioksit ve 1.25 kg su buharı emisyonu meydana gelmektedir.
38. Uçak Yakıtı ve Emisyon Gazları
Uçaklardan atmosfere yayılan ana kirleticiler;
•Karbondioksit 퐶푂2,
•Azot oksitler (푁푂푥),
•Su buharı, metan olmayan olmayanuçucu organik bileşikler,
•Karbon monoksit (퐶푂),
•Kükürt oksitler 푆푂푥,
•Kurum ve diğer partikül maddelerdir.
Bu kirletici emisyonların çevresel etkileri, bunların bırakıldığı yüksekliğe oldukça bağlıdır.
Hava kirliliğinin etkileri;
•Yeryüzünün tümünü etkileyen sera etkisi (GreenHouseEffect)
•Ozon tabakasının incelmesi
•Asit yağmurları
•Hava kirliliği
39. Karşılaştırma
Gaz türbinlerinin, pistonlu içten yanmalı motorlara oranla avantajları:
1.Parça sayıları aynı güçteki pistonlu içten yanmalı motorlara oranla 1/3-1/6 kadar az olması nedeniyle imalatları basit ve hızlıdır.
2.Her ünitesi birbirinden ayrı olarak görev yaptığından ayrı ayrı değiştirilebilir ve geliştirilebilirler.
3.Özellikle kapalı sistem gaz türbinleri başta olmak üzere, yakıt türüne karşı daha az bağımlıdırlar ve hava fazlalığı nedeniyle yanma neredeyse kusursuzdur.
4.Güç üretimi aralıklı değil süreklidir.
5.Montaj ve demontaj işlemi oldukça kolaydır.
40. Karşılaştırma
Gaz türbinlerinin, pistonlu içten yanmalı motorlara oranla avantajları:
6.Soğutma iç hava akışıyla sağlandığından ayrı bir soğutma sistemine gerek duyulmaz.
7.Salınım yapan parçaları olmaması nedeniyle titreşimler ve mekanik gürültüler tam olarak giderilmiştir, bu sayede yüksek devirlerde çalışabilir. Böylelikle güç/hacim ve güç/ağırlık oranları yükselmektedir.
8.İlk hareketten sonraki ısınma periyodu oldukça kısadır. 2-3 dakikada tam güce ulaşabilmektedirler.
9.Çevre basınç ve sıcaklığına karşı daha az duyarlıdır. Yükseklerde ve düşük sıcaklıklarda da etkin bir biçimde çalışabilirler.
41. Dezavantajları
1.Basit sistemlerde, ısıl verim düşük ve özgül yakıt tüketimi yüksektir. Rejeneratöreklenmesi durumunda ise ağırlık ve maliyetler yükselir.
2.Rolantiyakıt ekonomileri, pistonlu içten yanmalı motorlara oranla daha kötüdür.
3.Yüksek dönme hızları nedeniyle, parçaların dinamik olarak çok iyi dengelenmeleri gerekir.
4.Egzoz gazlarının oldukça büyük hacimli olmaları sebebiyle, daha büyük kapasiteli susturucu ve egzoz boruları gerekmektedir. Ayrıca egzoz gürültüsü de daha fazladır.
5.Ani hızlanma ivmeleri düşüktür.
6.Gaz türbinlerinin çalıştırılabilmesi için, şaftının dakikada birkaç bin devirde döndürülmesi gerekmektedir.
42. Sonuçlar ve Öneriler
Havacılık sektörünün her geçen gün önem kazanması uçaklara itme gücünü sağlayan gaz türbinlerinin gelişim sürecini hızlandırmakta ve önemini arttırmaktadır.
Denklemiburayayazın.Motorlardaki en büyük gelişme, türbin giriş sıcaklığının arttırılması ve kompresör veriminin yükseltilmesi olmuştur.
Yeni soğutma teknikleriyle yanma odası çıkışındaki gaz sıcaklıkları 1500℃’un üzerlerine kadar yükseltilmiş, böylece ısıl verimde önemli artışlar sağlanmıştır.
Genel bir kural olarak pervaneli motorlar Jet motorlardan daha verimlidir. Fakat yüksek hızlarda ve seviyelerde verimleri düştüğünden, düşük hız ve seviyelerle sınırlıdırlar.
43. Sonuçlar ve Öneriler
Savaş uçaklarının motorlarında yapılan güncel bir düzenleme, türbin ile lüle arasında bir art yakıcı bölümünün eklenmesidir. Kısa mesafede kalkış veya savaş koşullarında olduğu gibi fazladan tepki gereksinimi duyulduğunda, türbinden çıkan oksijence zengin yanma gazlarına yakıt püskürtülmesi yapılır. Fazladan sağlanan bu enerji sonucu egzoz gazları motoru daha yüksek bir hızda terk eder ve böylece daha büyük bir tepki sağlanır.
Ramjet motoru, içinde kompresör veya türbin bulunmayan uygun biçimli bir kanal olup, yüksek hızlı uçaklarda ve füzelerde kullanılır. Motordaki basınç artışı, motora çok yüksek hızla giren havanın bir engele çarpması ve yavaşlaması (ram etkisi) ile sağlanır. Bu nedenle Ramjet motorunun çalışabilmesi için önce dış bir kaynak yardımıyla yüksek bir hıza getirilmesi gerekir.
Günümüzde yeni nesil akıllı uçak motorları dediğimiz yani uçak henüz havadayken, uçuş sırasındaki tüm motor değerlerini kesintisiz olarak üretici firmaya gönderir. Böylece merkezdeki teknik ekipler bir motorda meyana gelebilecek problemleri önceden tespit edip söz konusu uçak henüz havadayken duruma müdahale edebilir.