GENEL HAVACILIK HAVA ARAÇLARININ MOTORLARI

Dünyada ve Türkiye’de genel havacılık faaliyetleri yaygın olarak uçak, helikopter, model uçak/döner kanat/insansız hava aracı, planör, paraşüt, yamaç paraşütü, yelkenkanat (deltakanat), microlight, paramotor, balon ve zeplin gibi hava araçları kullanılarak gerçekleştirilmektedir.

Bir enerji türünü mekanik enerjiye dönüştüren makineler genel olarak motor şeklinde adlandırılmaktadır. Kullanılan enerji kaynağına göre motorlar; ısı motorları, elektrik motorları, hidrolik motorlar, pinomatik motorlar gibi farklı şekillerde adlandırılmaktadır. Bu motorların tümünde bir enerji dönüşümü sonucunda iş elde etme amacıyla bir mekanik enerji üretilmektedir. Isı motorlarında, uygun bir yakıtın hava ile karıştırılarak yakılmasıyla elde edilen ısı enerjisi; elektrik motorlarında ise bir elektrik kaynağından sağlanan elektrik enerjisi kullanılarak mekanik enerji elde edilmektedir. Elde edilen mekanik enerji, çeşitli amaçlar doğrultusunda faydalı ii üretmek için kullanılmaktadır.

Genel havacılık hava araçlarında kullanılan motorlar, temel olarak ısı motorları ve elektrik motorları şeklinde sınıflandırılabilir.

Genel havacılık hava araçlarında elektrik motorlarından ziyade pistonlu motorlar ve gaz türbinli motorların oluşturduğu içten yanmalı ısı motorları daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Bunun en temel nedeni, içten yanmalı ısı motorlarından elde edilen mekanik enerjinin başka bir deyişle elde edilen gücün, elektrik motorlarından elde edilen güce göre daha büyük olması, dolayısıyla; hava aracının güç ihtiyacını karşılayabilmeleridir. Fakat gelişen teknolojiye bağlı olarak elektrik motorları da geliştirilmekte, kullanımları da zamanla artmaktadır.

Genel havacılık hava araçlarında iki tip elektrik motorları kullanılmaktadır. Bunlardan birincisi DC motorlardır. DC motorları kendi içinde fırçalı ve fırçasız motorlar olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. İkincisi AC motorlarıdır. AC motorları da kendi içinde senkron ve asenkron motorlar olmak üzere ikiye ayrılmaktadır.

Turbojet, turboprop, turbosai ve turbofan uçaklarıdır.

Motor sayısına göre uçaklar; tek motorlu uçaklar veya çok motorlu uçaklar şeklinde sınıflandırılabilir.

Tek motorlu bir uçakta pistonlu motor, uçak gövde yapısının ön tarafına, burun kısmına yerleştirilmiştir.

İki motorlu bir uçakta, iki adet turboprop motor uçağın kanatlarına simetrik olarak yerleştirilmiştir.

Uçaklardan farklı olarak, helikopter ve döner kanat model uçak gibi hava araçlarında, motorlar gövde yapısının üst kısmına yerleştirilmektedir.

Microlight, ultralight ve paramotor gibi hava araçlarında, motorlar pilotun arka kısmındaki bir yerde bulunmaktadır.

Motorların helikopterdeki temel işlevi, pervaneleri sabit hızda döndürmektir. Helikopterler uçaklardan farklı olarak, yere dik istikamette kalkış ve iniş hareketi, havada asılı kalma, hava içinde ileri, geri, sağa ve sola yönde ilerleme gibi hareketlerini, pervanelerin dönme hareketleri ve pervanelerdeki pal açılarının düzenlenmesi vasıtasıyla gerçekleştirmektedir. Pervanelerin dönme hareketleri ise motorlar ve çeşitli bağlantı elemanları ile sağlanmaktadır.

İçten yanmalı motorlarda, yakıtın kimyasal enerjisinin yanma olayı sonucunda ısı enerjisine dönüştürülmesi motorun içinde meydana gelmektedir. Bu motorlarda mekanik enerji elde etmek için yanma olayı ile basıncı ve sıcaklığı arttırılmış olan yanma ürünleri kullanılmaktadır. Pistonlu ve gaz türbinli motorlar, uçaklarda kullanılan içten yanmalı motorlara örnek olarak verilebilir. İçten yanmalı motorlarda ısı enerjisinden mekanik enerji elde edilmesi çevrim şeklinde adlandırılan bir dizi olayın tekrarlı bir şekilde sürekli olarak meydana gelmesiyle sağlanmaktadır.

Çevrim, bir dizi olayın tekrarlı bir şekilde sürekli olarak meydana gelmesiyle oluşur. İçten yanmalı ısı motorlarında, motor çevrimini oluşturan safhalar veya olaylar; emme, sıkıştırma, ateşleme, yanma ve egzoz şeklindedir.

Motor çevrimindeki ilk olay olan emme safhasında, hava-yakıt karışımı motor içerisine alınmaktadır. Sıkıştırma safhasında, hava-yakıt karısımı sıkıştırılmakta ve basıncı arttırılmaktadır. Ateşleme safhasında, motor tipine bağlı olarak bir buji veya ortam basıncı vasıtasıyla gerçeklesen ateşleme ile yanma olayı başlatılmaktadır. Yanma safhasında, elde edilen ısı enerjisi ile yanmış gazların genleşmesi sağlanarak, basıncı arttırılmaktadır. Yanmış gazların genleşmesi pistonlu motorlarda pistonun hareket ettirilmesini, gaz türbinli motorlarda ise türbin adı verilen bir parçanın dönmesini sağlamaktadır. Egzoz safhasında ise; yanmış gazlar motor dışına, atmosfere atılmaktadır.

Genel havacılıktaki uçakların büyük bir çoğunluğunda pistonlu motorlar kullanılmaktadır. Kullanım, bakım kolaylığı, ucuzluğu ve güvenilir olma gibi avantajları bu motorların genel havacılıkta yaygın olarak kullanılmasının nedenlerindendir.

Pistonlu motorlarda ısı enerjisinden mekanik enerji elde edilmesinde kullanılan en temel parçalar; silindir, piston, piston kolu ve krank mili seklinde sıralanabilir.

Pistonlu motorlarda ısı enerjisinden mekanik enerji elde edilmesi; hava-yakıt karışımının bir silindir içinde yanması sonucunda genleşen gazların bu pistonu silindir içinde doğrusal olarak hareket ettirmesiyle sağlanmaktadır.

Genel havacılık hava araçlarında kullanılan pistonlu motorlar şu şekilde sınıflandırılabilir:

• Zamanlama sistemlerine göre (dört ve iki zamanlı motorlar),
• Ateşleme sistemlerine göre (kıvılcım (Buji) ateşlemeli ve sıkıştırma ateşlemeli),
• Hava-yakıt karışım sistemlerine göre (karbüratörlü ve yakıt püskürtmeli),
• Yakıt tiplerine göre (benzin, dizel ve diğer),
• Hava emme sistemlerine göre (doğal emişli ve turbo/süperşarj emişli) ,
• Silindir düzenlemelerine göre (tek silindirli, sıralı tip, V,W tipi, karşı silindirli ve radyal tip),
• Soğutma sistemlerine göre (hava ve su soğutmalı).

Gaz türbinli motorlar; büyük uçaklarda, yüksek irtifa ve uçuş hızlarında kullanılmaktadır.

Pistonlu motorlarda olduğu gibi gaz türbinli motorlarda da hava-yakıt karışımının yanmasıyla ısı enerjisi elde edilmektedir. Gaz türbinli motorlarda havayakıt karışımının yanmasıyla elde edilen ısı enerjisi, motor içine alınan havanın hızlandırılarak istenen hareket yönünün tersi yönünde dışarı atılması için kullanılmaktadır. Bu olay, jet itkisi veya tepkisi seklinde adlandırılmaktadır.

Turbojet motorlarda itki kuvveti yanmış egzoz gazlarının yüksek hızda dışarı atılmasıyla elde edilmektedir. Dolayısıyla yüksek irtifada ve yüksek hızda uçan uçaklarda kullanılmaktadır. Fakat turbojet motorların gürültü seviyesi çok yüksektir ve aynı zamanda yakıt tüketimi fazla olan motorlardır.

Turboprop ve turbofan motorlar; turbojet motorlarının yüksek hızlarda gürültülü çalışması ve ekonomik olmaması gibi özelliklerini iyileştirmek amacıyla geliştirilmiştir.

Turboprop isminin içinde bulunan “prop” kelimesi pervane anlamına gelmekte; bu motorlarda elde edilen güç bir pervaneye iletilmekte ve pervanenin dönmesi ile uçağın uçması için gerekli olan hava içindeki hareketi sağlamaktadır. Dolayısıyla; turboprop motorlarda amaç, yanmış egzoz gazlarının yüksek hızda dışarı atılmasından ziyade, motora takılan bir pervanenin döndürülmesini sağlamaktır. Turboprop motorlar çalışma prensibi açısından jet motorları ile aynıdır. Fakat; turboprop motorlu bir uçağın hava içerisindeki hareketi için üretilen itki/ tepki kuvvetinin elde edilişi turbojet motorlu bir uçaktan farklı olmaktadır. Turboprop isminin içinde bulunan “prop” kelimesi pervane anlamına gelmekte; bu motorlarda elde edilen güç bir pervaneye iletilmekte ve pervanenin dönmesi ile uçağın uçması için gerekli olan hava içindeki hareketi sağlamaktadır. Dolayısıyla; turboprop motorlarda amaç, yanmış egzoz gazlarının yüksek hızda dışarı atılmasından ziyade, motora takılan bir pervanenin döndürülmesini sağlamaktır. Turboprop motorlar çalışma prensibi açısından jet motorları ile aynıdır. Fakat; turboprop motorlu bir uçağın hava içerisindeki hareketi için üretilen itki/ tepki kuvvetinin elde edilişi turbojet motorlu bir uçaktan farklı olmaktadır. Turboprop motorlarda türbinden elde edilen gücün % 7580’i pervaneyi döndürmek için kullanılmakta, iş çevriminin sonunda tepki kuvvetinden ziyade tork kuvveti elde edilmektedir. Motor torku ya da diğer bir deyişle döndürme momenti pervaneye veya devir düşürücü dişlilere iletilen beygir gücü (horse power) veya şaft beygir gücü (shai horse power) ile orantılı olmaktadır.

Turboşaft motorlar, bir şaft vasıtasıyla bir sistemi tahrik etmek için güç üretilmesinde kullanılan gaz türbinli motorlardır.

Turboşaft motorlar genel havacılıkta hizmet veren modern helikopterlerin pek çoğunda yaygın olarak kullanılmaktadır. Turboşaft motorlar, turboprop motorlarla benzer tasarıma sahiptirler. Hatta bazı motorlarda turboprop motorlardaki güç kısmı bile aynı bileşenlerden oluşmaktadır. Turboşaft motorları, hava araçlarındaki farklı güç ihtiyaçlarını karşılamak açısından birden fazla sayıda olabilmekte, hava aracı üzerine farklı yerlere, farklı şekillerde yerleştirilebilmektedir. Yerleştirildikleri yerde çeşitli baglantı elemanları ve güç mekanizmaları bulunmaktadır.

Turbofan motorlar, modern büyük uçakların çoğunda kullanılan gaz türbinli motor tipidir. Turbojet ve turboprop motorların dezavantajlı özelliklerini geliştirmek amacıyla tasarlanmışlardır. Turbojet motorların gürültülü çalışmaları ve ekonomik olmamaları gibi dezavantajlar turbofan motorlarda ortadan kalkmıştır. Turboprop motorların ise sahip olduğu yüksek hızlarda ve irtifalarda verimli olmaması turbofan motorların geliştirilmesiyle giderilmiştir. Turbofan motorlar yapısal olarak turboprop motorlara benzemektedir. Her iki motor tipinde de temel olarak turbojet motorunun temel kısımları bulunmakla beraber; turboprop motorlarda motorun ön tarafında bir pervane, turbofan motorlarda ise motorun ön tarafında fan şeklinde adlandırılan pervaneye benzer bir komponent bulunmaktadır. Turboprop motorlardaki pervanelerden farklı olarak turbofan motorlarda fan komponenti, motoru kaplayan gövde (kaporta) içinde yer alacak şekilde yerleştirilmiştir.

Genel havacılıkta kullanılan hava araçlarında elektrik motorlarının kullanımı şu an için genel anlamda sınırlı olmakla beraber, zamanla elektrik motorları ve özellikle batarya teknolojilerinin geliştirilmesiyle artış göstermesi beklenmektedir.

Elektrik motorlarının daha verimli, daha emniyetli ve güvenilirliklerinin daha yüksek olmaları, daha az gürültülü çalışmaları, çevre dostu olmaları, düşük bakım maliyetleri ve irtifaya bağlı olarak performanslarının değişmemesi gibi avantajları hava araçlarındaki kullanımları açısından bu motorlara olan ilgiyi arttırmaktadır. Fakat elektrik motorlarının sahip oldukları dezavantajlar hava araçlarındaki kullanımlarını sınırlandırmaktadır. Bunlar genellikle elektrik motorlarını besleyen güç kaynaklarından biri olan bataryalarla ilgilidir. Elektrik motor bataryalarının pahalı ve ağır olması, çabuk boşalmaları, tekrar şarj olmalarının uzun sürmesi, elde edilen güç değerlerinin düşük olması gibi dezavantajlar bulunmaktadır.

En yaygın olarak kullanılan elektrikli motor tipi elektro-manyetik motorlardır. Elektro-manyetik motorlarda mekanik enerji; rotor ve stator şeklinde adlandırılan parçaların elektrik akımıyla oluşturdukları manyetik alanların etkileşimi sonucunda üretilen kuvvetlerden elde edilmektedir. Elektro-manyetik motorların dışında yaygın olarak kullanılmayan ve farklı fiziksel prensiplere dayanarak çalışan elektro-statik motorlar ve piezo- elektrik motorlar seklinde motorlarda bulunmaktadır.
Elektrik motorları birçok şekilde sınıflandırılmaktadır. En yaygın olan sınıflandırma şekli elektrik motorlarında kullanılan elektrik kaynağına göre yapılan sınflandırmadır. Bu sınıflandırmaya göre elektrik motorları; doğru akım (DC) motorları ve alternatif akım (AC) motorları olarak ikiye ayrılmaktadır. Doğru akım motorlarında mekanik enerji üret iminde doğru akım elektrik enerjisini kullanılırken, alternatif akım motorlarında alternatif akım elektrik enerjisi kullanılmaktadır.

Doğru akım motorundaki temel parçalar; mıknatıslar, endüktör, endüvi, kolektör, fırça ve üreteç şeklinde sıralanabilir.

Fırçasız doğru akım motorları özellikle hobi amaçlı radyo kontrollü arabalarda, model uçak ve helikopterlerde kullanılmaktadır. Bu motorlar sessiz, bakımı kolay, uzun ömürlü, yüksek hız ve tork değerlerine sahip motorlardır. Dıştan dönen ve içten dönen olmak üzere iki tipte fırçasız motor bulunmaktadır.

Batarya, pillerin bir araya getirilerek oluşturulan pil grubudur. Pil ise kimyasal enerjinin depolanabildiği ve bu kimyasal enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesinde kullanılan bir aygıttır. Piller genel olarak, şarj edilebilen ve edilemeyen piller olarak ikiye ayrılmaktadır.

Elektrik motorlarının kullanıldığı hava araçlarında yaygın olarak şarj edilebilen piller kullanılmaktadır.

Piller içinde bulunan çeşitli kimyasal maddelerin elektrokimyasal reaksiyonları ile elektrik enerjisi üretilmektedir. Bir pilde pozitif (+) ve negatif (–) olmak üzere iki uç bulunmaktadır. Bu iki uç arasına bir iletken bağlandığında elektronlar negatif uçtan pozitif uca doğru akarak elektrik enerjisini meydana getirecektir.

Lityum iyon (Li-ion), lityum polimer (Li-Po), nikel metal hibrid (Ni-Mh) ve nikel kadmiyum (Ni-Cd) piller yaygın olarak kullanılan pillerdir.

Pillerde elektrik enerjisi kimyasal maddelerin elektrokimyasal dönüşümü ile elde edildiğinden, pillerin kapasitelerine bağlı olarak belirli süreler sonunda elektrik enerjisi bitmekte ve pillerin sarj edilmesi gerekmektedir.
Pillerin çabuk boşalmaları ve tekrar şarj edilme gereklilikleri uçuş süresini sınırlaması hava araçlarında elektrikli motorların yaygın olarak kullanılmasını etkileyen faktörlerdendir. Diğer bir faktör; artan güç ihtiyaçları için pil sayısının da artması gerektiğinden hava aracının toplam ağırlığının arttırmasıdır. Hava aracı ağırlığını arttırmalarının yanısıra pahalı olmaları, tekrar şarj olmalarının uzun sürmesi, elde edilen güç değerlerinin düşük olması gibi faktörler bataryalı elektrik motorlarının hava araçlarında yaygın olarak kullanılmasını etkileyen diğer faktörlerdir.

Hava araçlarında motorların verimli bir şekilde kullanılabilmeleri açısından motorlarda aranan veya istenilen bazı özellikler bulunmaktadır. Bu özellikler en genel anlamda hafiflik, güvenirlik, ekonomi, boyut, gürültü ve titreşim şeklinde sıralanabilir.

Hava araçlarının genellikle hafif olması istenmektedir, çünkü bir hava aracının gövdesi ve motoru ne kadar hafif olursa, aynı miktarda yakıt için daha fazla yük ve yolcu şeklinde faydalı yük taşınabilir. Yük tasıma amaçlanmıyor ise; hava aracının gövdesi ve motoru ne kadar hafif olursa, daha fazla miktarda yakıt taşınabilir ve böylelikle daha fazla mesafe katledilebilir, uçuş menzili arttırılabilir. Bu sebeple motor parçaları mümkün olduğunca hafif malzemelerden üretilmektedir. Motorlarda hafiflik özelliği genellikle motor tipine bağlı olarak üretilen güç, tepki kuvveti ve ağırlık parametreleri ile bağlantılı olarak kullanılmaktadır. Pistonlu ve turboprop motorlarda hafiflik, üretilen beygir gücü başına düsen motor ağırlığıdır. Gaz türbinli jet motorlarında ise üretilen tepki kuvveti başına düşen motor ağırlık değerleri hafiflik özelliği olarak değerlendirilmektedir. Bu değerlerin olabildiği kadar küçük olması istenmektedir.

Motorların belirli kullanım ömürleri bulunmaktadır. Motorların bu kullanım ömürleri boyunca fonksiyonlarını yerine getirmeleri güvenirlik olarak tanımlanmaktadır. Motorların güvenirliklerinin yüksek olması istenir. Motor güvenirliklerini sağlamak için bakım işlemleri uygulanmaktadır. Bakım işlemlerinde motor parçaları belirli aralıklarda çeşitli yöntemler kullanılarak kontrol edilmektedir. Kontrol işlemlerinde uygun olmayan parçalar veya ömürlerini tamamlayan parçalar onarılmakta veya yenisi ile değiştirilmektedir. Böylelikle motorların kullanım ömürleri boyunca fonksiyonlarını yerine getirmeleri sağlanmakta, güvenirlikleri istenen seviyelerde tutulmaktadır. Bakım ve kontrol işlemleri, bu konuda yetkili personeller tarafından, uygun teçhizatlar kullanılarak özel tesislerde gerçekleştirilmektedir.

Motorların ekonomi özelliği açısından değerlendirilen özellikleri maliyetleri ile ilgilidir. Maliyetler ile ilgili ilk parametre satın alma maliyetleridir. Genellikle ilk satın alma maliyeti düşük olan motorlar tercih nedenidir. Motorların satın alma maliyetleri dışında, kullanımları ile ilgili maliyetleri bulunmaktadır. Yakıt tüketim değerleri, yedek parça ve bakım maliyetleri bunlar arasındadır. Motorlar mekanik enerji üreten ısı makineleri olduklarından, çeşitli yakıtları kullanmaktadırlar. Yakıt maliyetleri ile ilgili parametre olan özgül yakıt tüketimi, belirli bir süre tüketilen yakıt debisinin, motordan elde edilen güç veya tepkiye oranı şeklinde tanımlanmıştır. Motorlarda özgül yakıt tüketimi değerlerinin düşük olması tercih edilir. Bir diğer maliyet parametresi yedek parça ve bakım maliyetleridir. Motorlara bakım işlemlerinin zorunlu ve gerekli olmasından dolayı düşük bakım maliyetleri olması, bakım işlemlerinde değiştirilecek olan motor yedek parçalarının çabuk temin edilebilmesi ve uygun maliyetlere sahip olması istenir.

Motorlarda aranan özelliklerden biri boyutlarının uygun değerlerde olmasıdır. Motor boyutları motor ağırlığını ve uçuş sırasında motorların yarattığı sürükleme kuvvetini etkilemektedir. Boyut açısından daha küçük bir motor daha hafif olacak ve daha az sürükleme kuvveti yaratacaktır. Bu da yakıt sarfiyatını azaltacaktır. Daha fazla faydalı yük taşınmasına imkân tanıyacaktır. Fakat motor istenilen performansı sağlamalıdır. Boyut özelliği açısından önemli bir konu motora ve motor parçalarına ulaşılabilirliktir. Bakım işlemleri sırasında motor parçalarına kolay ulaşılabilme ve değiştirilebilme özelliği oldukça önemlidir.

Motorlarda aranan özelliklerden bir diğeri minimum düzeyde gürültü ve titreşim oluşturmasıdır. Özellikle içten yanmalı ısı motorları olan pistonlu ve gaz türbinli motorlarda dönen ve hareket eden parçalar, pervane ve sıcak egzoz gazlarının soğuk atmosfer havası ile karışımı gibi sebepler gürültü oluşturmaktadır. Bu gürültü uçuş ekibinin konforunu etkilemektedir. Gürültü uçuş ekibinin yanı sıra çevrede yasayan insanları da olumsuz yönde etkileyen bir unsurdur. Ulusal ve uluslararası havacılık otoritelerinin gürültü konusunda kuralları ve yaptırımları bulunmaktadır. Motorlarda gürültüye neden olan bir diğer sebep motor parçalarının çalışmaları sırasında oluşan titreşimlerdir. Bu titreşim hareketleri gürültünün yanı sıra motor parçalarının kullanım ömürlerini azaltmakta bazı parçalara zarar verebilmektedir. Bu yüzden limit değerleri üzerindeki titreşimlere karsı önlemler alınmalıdır.