UÇAK ELEMANLARI-HAVA ARACI MOTORLARI

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 iş elde edilmesi şeklinde açıklanabilir.

Pistonlu motorların esas amacı, yakıtın içerisinde bulunan kimyasal enerjiyi açığa çıkararak bu enerjiyi başka bir türe, yani mekanik enerjiye dönüştürmektir. Başka bir deyişle bu motorlar, enerjinin bir türden başka bir türe dönüşümünü sağlayan sistemlerdir.

Piston motorlar yanmanın silindir içinde gerçekleştiği içten yanmalı motorlardır. Buhar motorları ise yanmanın dışarıda gerçekleştiği dıştan yanmalı motorlardır. Dıştan yanmalı motorlarda yakıttan mekanik enerji üretimi, içten yanmalı motorlarda olduğu kadar verimli değildir. Ancak bu verimsizlik, dıştan yanmalı motorlarda daha düşük kalitede yakıtların kullanılmasının mümkün olması sebebiyle dengelenmekte, bu sebeple günümüzde halen bu tür motorlar kullanılmaktadır.

Yakıtın uygun miktarda yanması için karbüratör veya yakıt manifoldu ile yakıt ölçeklendirilir. Burada sıvı haldeki yakıt buhar haline dönüştürülür. Buhar haline gelen yakıt uygun miktarda hava ile karıştırılır. Bu karışım yanıcıdır. Bu karışım daha sonra bir silindir içerisinde sıkıştırılarak bir ateşleyici ile yakılır. Burada yüksek miktarda ısı enerjisi açığa çıkar. Yanmanın etkisiyle genleşen gazlar silindir içerisindeki pistona basınç uygulayarak, pistonun bağlı olduğu bir krank milini döndürecek kuvvet uygulanması sağlanır.

Bu motorlarda hem su hem de hava soğutma sistemi kullanılabilir ve ayrıca silindirler krank milinin üzerinde olabileceği gibi altında da olabilirler. Silindirleri krank milinin altında bulunan motorlarda bu durum, pervanenin yerden daha yüksekte bulunması dolayısıyla bir avantaj olarak görülebilir.

Sıralı motorların en önemli avantajlarından biri ön kesit alanının düşük olmasıdır. Bu sayede uçağın motordan kaynaklanan sürüklemesi daha düşük meydana gelir. Bu motorların önemli bir dezavantajı ise öndeki silindirler nedeniyle özellikle en son sıralardaki silindirlerin soğutulması için yeterince soğuk havaya sahip olmamasıdır. Bu yüzden sıralı motorlarda silindir sayısı dört ile altı arasında olabilmektedir. Bu motorların bir diğer dezavantajı ise güç/ağırlık oranlarının radyal motorlara göre daha düşük olmasıdır. Bu dezavantajlarından dolayı sıralı motorlar daha çok orta büyüklükte, motor gücünün çok fazla gerekmediği hafif uçaklarda kullanılmaktadır.

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.

Her iki motor türü de gaz türbinli motor ailesine girmektedir. Turbojet motorlar, gaz türbinli motorların en eski ve en temel üyesidir. Turboprop motorların turbojet motorlardan en önemli iki farkı motorun önünde bir pervanenin bulunması ve motor itkisinin egzozdan çıkan hızlı gaz akışı yerine bu pervaneden elde edilmesidir. Türbinlerden elde edilen mekanik enerjinin bir kısmı kompresörleri döndürmek için kullanılırken, esas kısmı pervaneyi döndürmek amacıyla kullanılır. Aerodinamik etkenlerden dolayı pervanenin dönüş hızı türbinlerin dönüş hızına kıyasla daha düşük olduğundan pervane ile motor şaftı arasında devir düşürücü dişli sistem vardır. Turboprop hava araçları turbojetlere göre daha yavaş (400-650 km/saat) hızlarda seyreder. Turboprop motorlar, turbojet motorlara göre çok daha az yakıt tüketir.

Herhangi bir kompresör ünitesine sahip olmadıkları için bu motorların çalışabilmesi için çok yüksek hızlarda hareket ediyor olmaları gerekmektedir. Ancak bu sayede motorun içerisine giren hava, yüksek hız ve motor yapısının yardımıyla yanma için yeterli miktarda sıkıştırılabilmektedir. Bu motorlar tek baslarına bir uçağın yerden kalkış yapmasında kullanılamazlar. Ancak örneğin, bir uçağın silah sistemlerindeki roketlerde veya yardımcı başka bir motor ile birlikte kullanılabilmektedirler.

Aynı güçte bir piston motora göre ağırlıkları 5-8 kat daha düşük olabilmektedir. Buna karşın yakıt tüketimleri aynı seviyede olmaktadır. Örneğin, Chinook helikopterlerinde kullanan T55 turboşaft motorları 832 lb (377 kg) ağırlığında olup 4.800 şaft beygir gücü üretebilmektedir. Buna göre bu motorun güç/ağırlık oranı oldukça yüksek bir oran olup birçok turboprop motorda bile bu oranda bir güç/ağırlık değeri elde edilmesi zordur

Bu sorunun cevabı motordan elde edilmek istenilen itki ile ilişkilidir. Newton’un üçüncü kanunu hatırlanacak olursa, motor içerisinde hızlandırılan hava miktarı ne kadar fazla olursa bu hızlandırma etkisi neticesinde elde edilecek tepki kuvveti de o kadar fazla olacaktır. Dolayısıyla motora giren hava akısı miktarının itki ile doğrudan ilişkisi bulunmaktadır. Ancak çeşitli aerodinamik ve yapısal sınırlar nedeniyle motor boyutları istenildiği kadar arttırılamamaktadır. Bu durumda motora giren hava miktarını arttırmanın tek yolu havayı sıkıştırmak, diğer bir deyişle birim hacim içerisinde çok daha fazla hava molekülü sığdırabilmektir. İşte kompresörlerin esas görevi, havayı sıkıştırarak yani molekülleri birbirine yakınlaştırarak birim hacim içerisinde daha fazla hava molekülü yerleştirebilmektir.

Yanma odası olarak tabir edilen ünite, bir dış gövde yapısı içerisinde yanmanın meydana geldiği bir hazne, yakıt enjeksiyon sistemi ve yakıt hava karışımının yakılmasını sağlamak üzere bir ateşleme sisteminden oluşur. Bu bölümün temel görevi, hava akışı içerisine belirli bir oranda yakıt püskürtmek, ardından bu karışımı bir kıvılcım vasıtasıyla yakmaktır. Bu sayede yakıtın içerisinde bulunan kimyasal enerji ısı enerjisine dönüştürülür.

Tıpkı kompresörlerde olduğu gibi türbinler de bir dönen, bir de dönmeyen üniteden oluşurlar. Dönen ünite rotor olarak adlandırılırken dönmeyen üniteye nozzle adı verilir. Türbinlerde nozzle’ın görevi hızı arttırıp, basıncı azaltarak arkasından gelen türbin rotoru için egzoz akış yönünü en uygun şekilde ayarlamaktır. Nozzle’dan yüksek hızlarda çıkan gaz, türbin rotorunu oluşturan kanatçıklara çarparak türbinin dönmesini ve mekanik enerji üretmesini sağlar.

Pulsejet motorlar ramjet motorlara benzer ve bir kompresör veya türbin bölümü bulundurmazlar. Bu motorlarda açılır kapanır diyaframa benzeyen valfler bulunmaktadır. Bu valfler yay yüklü olup normal pozisyonda açık şekilde durmaktadırlar. Valflerden giren yeterli miktarda havayla yanma meydana gelir. Yanmanın etkisiyle yanma odasındaki basınç artarak valflerin kapanmasına neden olur. Böylece motora daha fazla hava girişi engellenirken yüksek basınçlı yanmış gazlar büyük bir hızla egzoz bölümünden atmosfere atılırlar. Bu esnada motoru ileriye doğru hareket ettirecek itki kuvveti üretilmiş olur. Bu işlem sonunda yanma odası içindeki basınç düşeceği için yay yüklü valfler açılarak motora taze hava girişine imkân verirler. Valflerin açılıp kapandığı süre boyunca kesintili bir itki kuvveti üretilmiş olur.

Can tip yanma odasında motor şaftının etrafını kovan şeklinde saran birden fazla yanma odası bulunur. Genellikle bu kovanlardan yalnızca ikisinde ateşleme sistemi olup, bu kovanlarda oluşan alev, bağlantı sistemi sayesinde diğer kovanlara da ulaşabilmektedir.

Hava girişi, gaz türbinli motorlarda havanın motorla ilk karşılaştığı bölümdür. Hareketli parçası yoktur ve basit bir geometrik yapıdır. Genellikle bu yapının giriş kesit alanı çıkış kesit alanından daha küçük olup, içinden geçen havanın hızı düşürülürken basıncın arttırılması sağlanır. Bu sayede, hava daha henüz kompresör bölümüne ulaşmadan önce bir miktar basınç artışı sağlanarak kompresör çıkışında çok daha yüksek bir basınç seviyesi elde edilir.

Annular tip yanma odaları ısıl verim ve ağırlık bakımından en verimli yanma odaları olarak bilinirler. Yüzey alanının diğer tiplere göre minimum olması gerekli soğutma havasını da düşürmektedir. Bu yüzden en modern yanma odası tipidir.

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

İki farklı motor türü veya farklı büyüklüklerdeki motorlar arasında bir karşılaştırma yapılmak istendiğinde, bu karşılaştırma genellikle yakıt tüketimi cinsinden yapılmaktadır. Ancak eğer dikkatli olunmazsa bu karşılaştırmalarda hatalar yapılabilmektedir. Örneğin büyük türbinli motorların pistonlulara göre çok daha yüksek yakıt sarfiyatı yaptığı bir gerçektir. Ancak iki farklı motor türünü böyle doğrudan karşılaştırmak türbinli motorlara haksızlık anlamına gelecektir. Çünkü bu tür karşılaştırmalarda bir birim yakıt ile taşınan yolcu sayısı veya yük miktarı gibi karşılaştırma ölçütleri daha doğru sonuç verecektir. Özetle motorları karşılaştırırken kullandıkları uçak tipi ve motorların gücü ayrı ayrı ele alınıp yukarıda belirtilen ortak özellikler kullanılmalıdır.

Günümüzde kullanılan pistonlu motorlar, türbinli motorlara göre daha hafif olup, daha düşük performanslara sahiptirler. Bunun nedeni pistonlu motorlu uçakların hafif olması, az yolcu taşıması ve yüksek performansa ihtiyaç bulunmamasıdır. Dolayısıyla bu tür alanlarda pistonlu motor kullanımı akıllıca olacaktır. Daha ağır, yüksek kapasiteli ve uzun menzilli, performans gerektiren uçaklarda ise türbinli motor kullanılması daha akıllıcadır.

Şekiller incelendiğinde, gaz türbinli motorların pistonlu motorlara göre avantajlı olduğu noktalar görülmektedir. İlk şekilde anlaşıldığı üzere yüksek irtifalar söz konusu olduğunda gaz türbinli motorların pistonlu motorla göre daha üstün oldukları açıktır. Bu da özellikle düşük sürüklemeden dolayı yüksek irtifalarda uçan büyük yolcu uçaklarının neden türbinli motorları tercih ettiklerini ortaya koymaktadır. Bunun yanında 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.