Uçak Motoru Nasıl Çalışır? İtki Kuvveti Nedir?
Uçakların Havada Yüksek Hızlarda Yol Kat Edebilmesi İçin Gerekli İtki Kuvvetini Sağlayan, Hava Soluyan Motorların Çalışma Prensiplerine ve Ana Parçalarına Yakından Bir Bakış...
Ilyushin Il-76 uçağında bulunan Soloviev D-30 Turbofan motorların çıplak görüntüsü
Uçak Mühendisi Gökçin Çınar
2. Editör Efe Yamaç Yarbaşı
Uçak motoru, atmosferdeki havayı soluyarak uçağın ileri yönde gitmesini sağlayan itki kuvvetini oluşturur. Birkaç kişilik genel havacılık uçaklarından daha büyük uçaklarda genellikle uçak motoru bir gaz türbinidir. Yolcu uçaklarının büyük bir kısmı yakıt verimliliği yüksek turboprop ve turbofan motorları kullanırken, ses hızının üstüne çıkılan ve yüksek manevra kabiliyeti olan askeri uçaklarda yakıt verimliliği düşük ama oluşturduğu itki kuvveti yüksek turbojet motorları kullanılır. Bu motorların çekirdeğini oluşturan bileşenler, havaalığı, kompresör, yanma odası, türbin ve nozüldür. Bu bileşenler atmosferden alınan havayı önce sıkıştırır, sonra ısıtır, en son da genleştirerek dışarı atar. Havanın motorun içinde geçirdiği bu işlemlerden dolayı bu motorlara "hava soluyan motor" adı verilir.
Gökçin Çınar Takip Et
Efe Yamaç Yarbaşı Takip Et
Odtü Makine'yi bitirdikden sonra Boğaziçi Makine'de tıbbi robotik üzerine masterını tamamladı. Şu anda Georgia Tech'te Havacılık Mühendisliği bölümünde doktora yapıyor
Uçaklar, “uçuşun dört kuvveti” dediğimiz taşıma, ağırlık, itki ve sürükleme kuvvetlerinin, birbirleri arasında uçuş boyu süren mücadelesi sayesinde uçar. Bu 4 kuvveti ve yönlerini, aşağıda görebilirsiniz:
Uçuşun dört kuvveti
FreeSVG ve Gökçin Çınar
Eğer taşıma kuvveti ve uçağın ağırlığı aynı doğrultuda, ters yönde ve aynı büyüklükte etki ediyorsa, uçak ne yükselir ne de alçalır; aynı irtifada uçuşa devam eder. Benzer şekilde, eğer itki kuvveti sürükleme kuvvetine aynı doğrultuda, ters yönde ve aynı büyüklükte etki ediyorsa, uçak ne hızlanır ne de yavaşlar; aynı hızda uçuşa devam eder. Bir yolcu uçağının uçuş görevinin genellikle büyük bir kısmı, bu dört kuvvetin bu şekilde dengede olmasıyla geçer. Bu yazıda bu dört kuvvetten biri olan itki kuvvetinin nasıl üretildiğini inceleyeceğiz.
İtki Kuvveti ve Uçak Motorları
Öncelikle, itki nedir? Maalesef TDK’da bu yazının yayınlandığı tarih itibariyle itki kelimesinin havacılık kapsamında (başka birçok terimde olduğu gibi) teknik bir tanımı yok. İngilizcesi olan “propulsion” kelimesine bakacak olursak, NASA şöyle bir etimolojiden bahsediyor: “propulsion” sözcüğü, “pro” ve “pellere” olarak iki Latince kelimeden türemiş. “pro”, ön ya da ileri anlamına geliyor, “pellere” ise sürmek. “Propulsion”, ya da Türkçe karşılığı olan “itki” kelimesi ise “bir nesneyi öne doğru ittirmek” ya da “bir nesneyi ileriye sürmek” anlamına geliyor. Bu tanımdan yola çıkarak, itki kuvvetini (İng. "thrust"), bir nesneyi ileri iten kuvvet olarak açıklayabiliriz.
İtki kuvveti, uçaklarda motorlar tarafından üretiliyor. Wright kardeşlerin 1903 yılındaki ilk başarılı motorlu uçuşu yaptığı Wright Flyer uçağından günümüz uçaklarına kadar, uçaklarda genellikle içten yanmalı motorlar kullanılıyor. Bu içten yanmalı motorlar ailesinde uçaklarda en çok kullanılan dört motor tipi var ve bunları, genel kullanım alanlarına göre tanımlayacak olursak, şöyle bir liste yapabiliriz:
Pistonlu motorlar: Genellikle Genel Havacılık kategorisine giren 1-4 kişilik uçaklarda kullanılır.
Turboprop motorlar: Küçük ticari yolcu uçaklarında yüksek verimliliklerinden dolayı tercih edilir.
Turbofan motorlar: Orta ve büyük yolcu uçaklarında kullanılır.
Turbojet motorlar: Genellikle süpersonik hızların gerektiği askeri uçaklarda tercih edilir.
Turboprop, turbofan ve turbojet motorları gaz türbinleridir. Ayrıca turbofan ve turbojet motorları, “hava soluyan jet motorları” kategorisine girer. Tabii bu listede çok yüksek itki kuvveti sağlayabilen roket motorları, ramjet ve scramjet tarzı motorları dışarıda bıraktık. Ancak çalışma prensibi olarak bu motorların hepsi ortak bir yerden çıkıyor: Newton’un 3. yasası!
Etki-tepki yasası olarak da bilinen Newton’un 3. Hareket Yasası, bir cisme uygulanan her kuvvete (ki buna "etki" diyoruz) karşılık, eşit büyüklükte ve zıt yönde bir kuvvet (ki buna "tepki" diyoruz) oluşur. En basit açıklamasıyla, yukarıda saydığımız uçak motorlarının hepsi havayı motorun önünden içine alır, hızlandırır ve geriye doğru iterler ("etki"). Havanın bu şekilde hızlandırılarak arkaya atılmasına karşılık, zıt yönde bir kuvvet ("tepki") oluşur. İşte biz bu kuvvete, itki kuvveti diyoruz. İtki kuvvetini bu şekilde yaratan motorlara da “hava soluyan motor” adını veriyoruz.
Aşağıdaki görsel, bu etkileşimi bir jet motorunun üstünde anlatıyor. Tabii görselin basitleştirilmiş olduğunu, okların aslında aynı doğrultuda, eşit büyüklükte ve zıt yönde etkiyen kuvvetleri gösterdiğini unutmayalım.
Bir gaz türbini üzerinde etki ve tepki kuvvetleri
Wikimedia Commons ve Gökçin Çınar
Gaz Türbinlerinin Ana Bileşenleri
Günümüz uçaklarında en sık kullanılan motor tipi gaz türbinleridir. Aşağıdaki görselde bir turbojet motorunun ana bileşenlerini görebilirsiniz. Bu bileşenler sadece turbojetlerin değil, turbofan ve turbopropların da çekirdeğini oluşturur. Bu parçalara NASA’nın bu animasyonunda etkileşimli olarak göz atabilirsiniz.
Bir jet motorunun ana bileşenleri
Gelin uçağı “ittiren” motorun soluduğu havanın motorun içindeyken başından geçenleri kısaca özetleyelim.
Atmosferdeki hava, havaalığından geçerek motorun içine girer. Havaalığının görevi, içine aldığı havanın vektörel anlamda düzgün olmasını sağlamaktır. Aksi halde motordan yeterince verim alınamaz, motor içindeki güç kayıpları artar. Ayrıca süpersonik hızlarda giden uçaklarda havayı yavaşlatmakla da sorumludur. Motorun kompresöründen geçen hava ses hızının altında olmalıdır. Havaalığının tasarımı çok önemlidir: havaalığının içinde kullanılan birtakım rampa ve engeller ve bazen hareket eden parçalar sayesinde süpersonik havanın bir dizi şok dalgasından geçerek sesaltı hızlara yavaşlamasını sağlar.
Kompresör, dönen palalar ve sabit statorlardan oluşur. Kompresörün görevi havayı sıkıştırmak, yani basıncını artırmaktır. Havanın basıncı artarken aynı zamanda sıcaklığı da artar. Kompresörler, genellikle alçak ve yüksek basınç kompresörü dediğimiz iki aşamadan oluşur. Hava, önce alçak basınç kompresöründen geçerek bir kademeye kadar sıkıştırılır. İkinci aşamada yüksek basınç kompresöründen geçirilerek daha da sıkıştırılarak hedef basınca ulaştırılır. Havanın aşamalar halinde sıkıştırılmasının sebebi, sıkıştırma sırasında tek aşamaya kıyasla daha az güç kaybı elde edilmesidir. Bazı kompresörlerde alçak, orta ve yüksek basınç şeklinde üç aşama da kullanılır. Kompresör, türbin tarafından döndürülür.
Yakıcı olarak da geçen yanma odasında yanan yakıt, içinden geçen havanın çok yüksek sıcaklıklara ulaşmasını sağlar. Yukarıdaki görselde, altta ve üstte olmak üzere iki adet yanma odası resmedilmiştir. Yanma odasında ısınan havanın görevi türbini döndürmektir.
Çok yüksek sıcaklıklara ulaşmış olan hava, palalardan oluşan türbini döndürür. Türbin, motorun şaftına bağlıdır. Havanın türbini döndürmesiyle, havadaki enerji şafta aktarılarak faydalı işe çevrilmiş olur. Dönen şaft, kompresörü döndürmekte kullanılır. Turboprop ve turbofan motorlarında şafttaki gücün bir kısmı kompresörü döndürmeye, kalanı ise fan ya da pervaneyi çevirmeye ayrılır. Türbin giriş sıcaklığı, motorun içinde karşılaşılan en yüksek sıcaklıktır ve 1400°C civarındadır. Dolayısıyla türbin pervanelerinde kullanılan materyaller bu sıcaklığa meydan okuyabilecek gelişmiş materyallerden seçilir. Aynı zamanda materyalin bu sıcaklığa dayanabilmesi için soğutma sistemlerinden de faydalanır.
Türkçe’de egzost olarak da geçen nozül, türbinden geçen havayı genleştirerek motordan dışarı, atmosfere geri atmakta kullanılır. Yine toplam basınç kayıplarının az olması ve istenilen itkinin yaratılabilmesi için nozülün atmosfere attığı havanın basıncı ve hızı çok önemlidir. Her motorun istenilen verim ve güç karakteristiğine göre dışarı attığı havanın hızı değişir. Dolayısıyla nozül tasarımı, motorun güç ve verimini belirleyen önemli bir faktördür.
Burada bahsettiğimiz motor kompartmanları, gaz türbinlerinin çekirdeğini oluşturur. Turbofanlarda bu çekirdeğe ek olarak bir fan yardımıyla, turboproplardaysa bir pervane vasıtasıyla hava motorun içine alınır. Bazı turbojet ve turbofan motorlarında art yakıcı bulunur. Bu, ikinci bir yanma odasıdır ve motordan çıkmadan önce hava ikinci kez art yakıcıda ısıtılarak daha fazla itki oluşturulur. Ancak bu işlem, itkiyi arttırırken yakıt verimini de oldukça azalttığından art yakıcılar sadece yüksek itki gerektiren uçuş bölümlerinde ya da manevralarında açılır.
Çeşitli gaz türbinlerinin bileşenleri
Uçak Motorlarında Verimlilik ve Kuvvet
Bir uçak motorun iki ana performans karakteristiği vardır: oluşturduğu kuvvet (ya da güç) ve bu kuvvet başına yakılması gereken yakıt miktarı. Maalesef burada şöyle genel bir ikilem vardır: Yakıt verimliliği arttıkça oluşturulabilecek azami kuvvet azalır; kuvvet arttıkça harcanan yakıt artar. İşte farklı tipte gaz türbinlerinin olması tam da bu sebeptendir. Turboprop, turbofan ve turbojet motorları arasında turboprop motorlar en verimli ama en güçsüz olanlardır. Turbojetler ise yakıt tüketimi en yüksek ancak en kuvvetli motorlardır. Turbofanlar ise hem yakıt verimliliği hem de kuvvet arasında bir denge tutturmaya çalışır.
Yolcu ve kargo uçakları gibi uçaklarda yakıt verimliliği, yüksek manevra kabiliyerinden daha önemlidir. Dolayısıyla yolcuları gidecekleri yere belirli bir sürede götürebilecek motorlar tercih edilir. Hafif yüklerde (yani az yolcu kapasitesinde) ve kısa mesafelerde turboprop uçaklar bu kuvveti sağlayabilir. Ancak yük ve mesafe arttıkça, veya daha yüksek hızlarda uçmak istendikçe turbopropların gücü yetmemeye başlar ve turbofanlara ihtiyaç duyulur. Yolcu uçaklarında yaygın olarak turbofan kullanılmasının sebebi de hem gereken kuvveti sağlayabilmesi, hem de yakıt verimliliğinin turbojetlere göre daha yüksek olmasıdır.
Georgia Tech'te sergilenen Rolls Royce Olympus turbojet motoru
Turbojet motorları genellikle askeri uçaklarda kullanılan, turboprop ve turbofanlara kıyasla çok büyük ölçülerde itki kuvveti sağlayabilen, yüksek performanslı ve yakıt konusunda hiç de ekonomik olmayan bir motor türüdür. Yüksek itki kuvveti uçakların süpersonik, yani ses hızının üstünde hızlara ulaşmasını sağlar. Geçmişte operasyonel olan süpersonik yolcu uçakları Concorde’un Rolls Royce yapımı Olympus, ve Tupolev 144’ün D serisinde kullanılan Sovyet yapımı Kolesov RD-36-51 de turbojet motorlardır. Ancak süpersonik yolcu uçakları hem çok pahalı, hem çok konforsuz, hem de kabin içinde ve dışında çok gürültülü olmasından dolayı uzun yıllardır kullanılmıyor. Ama hemen ekleme yapalım, gelişen teknolojiyle birlikte süpersonik ticari uçuş yeniden gündemde!
Uçakların parçalarını, uçuş dinamiklerini, aerodinamik fenomenleri, çığır açan teknolojileri ve yeni tasarımları işleyeceğimiz yeni bir yazı dizisinin ilk makalesinde uçağın kalbi olarak görülen motorlara, bilhassa da gaz türbinlerine küçük bir giriş yaptık. Bundan sonraki yazılarımızda hem itki sistemlerine dair daha çok detay vereceğiz, hem de aerodinamik, kontrol, yapı, ve tasarım gibi konulara değineceğiz. Uçaklarla ilgili serimizin ilk yazısını, ilk başarılı motorlu uçuşu gerçekleştiren Wright kardeşlerden Wilbur Wright'ın sözleriyle bitirelim:
Motorlar olmadan da uçmak mümkündür, ancak bilgi ve beceri olmadan olmaz. Bunun talihli bir durum olduğunu düşünüyorum, çünkü insan, daha engin aklı sayesinde, kuşların bilgisine erişmeyi doğanın makinelerinin mükemmelliğine erişmekten daha mantıklı bir şekilde umabilir.
Turbofan ve turbojet motorları arasındaki yakıt verimliliği ve güç farkı neden kaynaklanır?
NASA. Gas Turbine Propulsion. (01 Ağustos 2019). Alındığı Tarih: 11 Temmuz 2020. Alındığı Yer: grc.nasa.gov | Arşiv Bağlantısı
J. D. Anderson. (2010). Aircraft Performance And Design. ISBN: 0-07-001971-1. Yayınevi: Mc Graw Hill Education.
F. C. Kelly. Miracle At Kitty Hawk: Unpublished Letters Of The Wright Brothers (Part I). (01 Mayıs 1950). Alındığı Tarih: 12 Temmuz 2020. Alındığı Yer: The Atlantic | Arşiv Bağlantısı
Çıktı Bilgisi: Bu sayfa, Evrim Ağacı yazdırma aracı kullanılarak 12/08/2020 21:38:00 tarihinde oluşturulmuştur. Evrim Ağacı'ndaki içeriklerin tamamı, birden fazla editör tarafından, durmaksızın elden geçirilmekte, güncellenmekte ve geliştirilmektedir. Dolayısıyla bu çıktının alındığı tarihten sonra yapılan güncellemeleri görmek ve bu içeriğin en güncel halini okumak için lütfen şu adrese gidiniz: https://evrimagaci.org/s/8982
Bilim Ağacı> Uygulamalı Bilimler> Mühendislik> Makina Mühendisliği> Uçak Mühendisliği