Turbofan uçak motorlarının çalışma prensiplerini incelemeden önce, tarihçesini, neden bu tarz bir motora ihtiyaç duyulduğunu, benzinli ve dizel pervaneli motorlara göre üstünlüğünü inceleyeceğiz. Tarihçesine bakarken turbojet motordan itibaren başlamak jet motorlarını anlamak için daha verimli olacaktır. Yazımızda daha çok jetlerde kullanılan motorları ve çalışma prensibini inceleyeceğiz.
Motorun termodinamik çevrim patenti 19. yüzyılda Brayton tarafından alınmış olmasına rağmen, İngiltere’de F. Whittle, 1928’de tasarladı. Cambridge’den mezun olan Whittle’ın 1937’de yaptığı ilk jet motoru, güçsüz olduğu için ilgi görmedi. Gücü artırmak için motor büyütülürse, kendi ağırlığı nedeniyle uçağı uçuramayacağı düşünülüyordu. Yanma odasındaki yüksek sıcaklığın, uçak gövdesini yakabileceğinden de korkuluyordu. Almanya’da H. von Ohain,1935’te bir jet motoru geliştirdi. Uçak üreticisi E. Heinkel, jet motorunun uçağı uçuracak hale getirilmesini istedi. Ohain; 1937’de jet motorunu geliştirip testlerini tamamlayınca, Heinkel He-178 adlı dünyanın ilk jet uçağı 1939’da uçuruldu. Almanlar, Messerschmitt Me-262 jet savaş uçağının seri üretimini 1944’te başlattı. ABD’li savaş pilotları, Almanların bu efsanevi uçağının hızı ve gökyüzüne diklemesine tırmanışı karşısında şaşkınlık yaşamıştı. İngiltere’de Whittle’ın jet motorunu Rolls-Royce firması geliştirince, 1944’te ilk İngiliz jeti Gloster Meteor üretilebildi. ABD’de ise jetler için bütçe ayıran yoktu. ABD’li General H. H. Arnold, İngiliz Whittle’ın jet motorunun planlarını alıp General Electric firmasına motorun benzerini ürettirdi. ABD’nin ilk jet uçağı P-59, 1942’de ilk uçuşunu o motorla yaptı. Jet motorlu olduğu anlaşılmasın diye hangarda iken uçağa ahşap pervane maketi takılırdı.
ABD’de Lockheed firmasının tasarımcısı Kelly Johnson’un tasarladığı jet motorlu P-80, ilk uçuşunu 1944’te yaptı. Kore Savaşı’nda ABD’nin F-86 jetleri, Rus yapımı Mig-15’lerle baş edemeyince, Kelly 1951’de F-104’ü tasarladı. Kelly, 1960’larda U-2 casus uçağını ve ardından da saatte 3.540 kilometre hızla uçan dünyanın en hızlı uçağı SR-71 Blackbird’ü tasarlandı. Sektör hala gelişmekte ve firmalar motorların verimlerini arttırmak için uğraşmakta.
Jet motorunun icat edilmesini tetikleyen temel unsura baktığımızda, 2. dünya savaşında diğer uçaklardan daha hızlı gidebilecek ve daha fazla yükle havalanabilecek kapasitede bir uçağa sahip olmaktı. Bu uçağa sahip olmak savaşı kazanabilecek stratejik bir konuma ulaşmak demekti. Jet motorları nasıl oluyor da bilinen benzinli ve dizel motorlardan daha güçlü oluyor dediğimizde ; pervaneli motorlarda asıl problem çoğu zaman pervanenin kendisidir. Motor çok hızlandığında pervanenin uçları ses hızına ulaşır. Ses hızına ulaşınca bir şok dalgası üretmeye başlar. Buda türbülans oluşturur bunu istemeyeceğimiz için belli motor hızını geçemeyiz. Jet motorlarında ise pervane olmaması bu problemi ortadan kaldırıyor. Birde ihtiyaç duyulan hava miktarı ile karşılaşıyoruz. Bildiğimiz üzere bir yanma olayının oluşabilmesi için oksijene ihtiyacımız var. Deniz seviyesinden yukarılara çıktıkça havanın sıcaklığının ve neminin değişmesinin yanı sıra oksijen miktarında da önemli değişiklikler olur. Yükseklere çıktıkça atmosferin basıncı azalır, içindeki oksijen molekülleri seyrekleşir. Aynı hacim havadaki oksijen miktarı azalır. Radyal tip motorların belli irtifayı aşamamalarının sebeplerinden biri gücün yanı sıra hava yoğunluğudur. Jet motorlarında içeri alınan hava ısıtılır ve dışarı atılır bu esnada ihtiyaç olan güç üretilmiş olur.
Motorlarda duyulan hava ihtiyacın karşılanamaması problemi sadece uçan araçlar için geçerli değildir. Karadaki araçlar içinde geçerli, dizel araçlardaki turbo, motorun ihtiyaç duyduğu havayı daha iyi karşılaması için kullanılan bir parçadır. Jet motorunda havanın içeri daha fazla alınmasını sağlayan parçaya kompresör adı verilir. Aslından Jet motorlarına baktığımızda da isimlerinde hep turbo görüyoruz. Turbojet, turbofan, turboprop, turboşarft burada turbo, Latince “yüksek hızda dönen” demektir. Jet ise Latincede “fırlatmak” anlamına gelir. Bu tip motorlar Newton‘ un 3. Yasası uyarınca, yüksek hızda gazları geriye iterken, kendisi ters yönde bir kuvvet oluşturur. Jet motorlarının tasarımı içeri daha fazla hava alabilecek kapasitede olduğu için yanma işlemi daha büyük olacaktır buda Radyal tip başta olmak üzere diğer benzinli ve dizel motorlara göre daha büyük bir itiş gücüne ulaşmamızı sağlayacaktır.
Turbofan motorlar temelde High-bypass turbofan ve Low-bypass turbofan olmak üzere iki ye ayrılmaktadır. Bypass oranlarına göre birçok kategoriye de ayrılabilmekte. High-bypass turbofan motorlar daha çok yolcuların taşındığı yüksek verimli lakin çok yüksek hızlara çıkmayan motorlardır. Low-bypass turbofan motorlar ise jetlerde kullanılan yüksek hızlara kolaylıkla çıkabilen turbojet motorlara göre daha sessiz ve daha verimli motorlardır.
Low-bypass turbofan motor. (F35, F22, F16, SU57, MİG35…)
High-bypass turbofan motor. (Boeing 777, Boeing 787,Airbus A320,Airbus A380…)
Jet motorlarının çalışma prensibi genel olarak 4 aşamadan oluşmaktadır; bunlar havayı içeri çekme (emme), sıkıştırma, yanma ve egzoz dur.
Havayı içeri çekme: Büyük fan havayı motorun içine çeker. Çekilen havanın bir kısmı ana kısma iletilir, diğer kısmı ise kompresöre gider. “Aslında çalışma prensibi Turbojet motorlarla aynı olan Turbofan motorların en büyük farkı, motorların girişinde bulunan ”Fan”isimli çapı en geniş olan pervanenin, hava akımının bir kısmını motorun içine daha doğrusu sıkıştırma, yanma ve enerji Boşalımı olan kısma yönlendirmesi, bir kısmını da bu bölmenin etrafından dolaştırarak doğrudan dışarı atmasıdır. Bu sayede motorun iç kısmının etrafından dolanarak doğrudan dışarı atılan hava akımı, motorun itme gücünün yaklaşık %60-80 gibi büyük bir bölümünü oluşturur. Turbofan motorların Turbojet motorlara kıyasla en büyük avantajları ise, hem aynı itme gücünde daha az yakıt tüketmeleridir hemde daha sessiz olmalarıdır.”
Sıkıştırma: Motorun içine alınan havayı basınçlandırarak buna bağlı olarak sıcaklığını da yükselterek yanma odasına girmeden önce gazın istenilen özelliklere ulaşmasını sağlar.
Yanma: Odadaki yapılarla birlikte yanma aşaması, hava-yakıt karışımını oluşturmaktan ve yakılmasından sorumludur. Yanma odası, yakıtın ateşlenerek yüksek sıcaklık ve basınçlı havada yakılmasını sağlayan yakıt enjektör sisteminden oluşur. Hava yakıt karışımı yanarken hızla genişleyerek (hacmi artar) arka taraftaki egzoz aşamasına geçmeye zorlanır. Genişleyen gazlar ile ortaya çıkan muazzam enerji, yanma türbinine bağlı koaksiyal şaft vasıtasıyla dönme enerjisine çevrilir.
Egzoz: Egzoz aşamasında meydana gelen itme gücü, açık bir şekilde Newton’un 3. Kanununa dayanmaktadır. ” Bir cisme etki eden kuvvete eşit ve ters yönde bir tepki oluşur. “Matematiksel ifadesi: F1 = -F2’dir. Egzoz gazları, motorun arka tarafından yüksek hızda çıkar, bu egzoz gazlarının reaksiyon kuvveti ise egzozun ters yönünde olup itki kuvveti olarak tanımlanır.
Rolls-Royce uçak motoru “High-bypass turbofan motor.”
F16 jet motoru testi “Low-bypass turbofan motor.”
