Gaz Türbinli Uçak Motorları ve Malzeme Teknolojisi

Günümüzün hızla değişen şartlarında hem askeri hem de sivil kullanım amaçlı hava taşıtlarının sayısı giderek artmaktadır. Ayrıca geçen zaman ile birlikte artan ihtiyacın karşılanabilmesi için daha üstün özelliklere sahip olmaları gerekmektedir. Daha üstün özellikli hava araçlarına sahip olmak için ise malzeme teknolojisi alanında yenilikler büyük önem arz etmektedir. Örnek olarak hava taşıtları için çok önemli olan hafiflik ile birlikte yüksek mukavemete sahip malzeme geliştirme çabaları gösterilebilir. Bu tip malzemeler uçağın motorundan, yapısal parçalarına kadar birçok farklı yerde kullanılmaktadır. Özellikle türbin motorlarında üstün özellikli malzemelerin kullanımı çok önemlidir.

Türbin Motorları (Jet Motorları/Tepkili Motor)

Genel mantığı şu şekildedir: Motorun ön kısmından fanlar vasıtası ile emilen hava kompresörlerde kademeli olarak sıkıştırılır ve yanma odasında yakıtla karıştırılarak yüksek sıcaklık ve basınç değerlerine ulaştırılır. Ardından türbin vasıtasıyla nozülden dışarı verilerek uçağın hareketi için gerekli itki kuvveti oluşturulur.

1. Turboprop motorlar: Genel olarak kargo uçaklarında yüksek verimliliğe sahip olmalarından  dolayı tercih edilirler. Turboproplar diğer türbin motorlarına göre daha az yakıt tüketirler, çok daha sessizdirler ama saatte 800 km hızın üstüne çıkamazlar. 

Turboprob Motor [1]

2. Turbofan motorlar: Yolcu uçaklarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Güvenilir ve bakımı kolaydır. Aynı zamanda savaş uçaklarında da kullanılmaktadırlar. (Eurofighter Typhoon, F-16, F-35 Lightning II, Su-34).

Turbofan Motor [2]

Turbofan motorların havayı bölüştürme özelliği vardır. Motora giren hava bir kısmı yanma bölümüne, bunun 10 katı kadar da yan geçit kanallarına girer. Yan geçit kanallarına giren hava motorun soğumasını sağlar. Motorun ürettiği gücün %75’i yan geçit kanalları sayesinde oluşur. Çalışma şekli: Motorun ön bölümünde çapı 2 metreye ulaşan bir fan bulunur. Görevi havayı motorun içine çekmektir. Motorun içine giren  havanın bir kısmı motorun göbeğine girer. Bu hava motor içerisinde sıkıştırılır ve uçağa itki kuvveti sağlar.

3. Turbojet motorlar: Süpersonik hızların gerektiği askeri uçaklarda tercih edilir. Bu tip motorlar türbin motorlarının en basitidir. Yüksek basınç ve sıcaklığa sahip gazların motorun arkasından dışarıya verilmesiyle itki sağlanır. Turbojetler çok yüksek hız sağlamalarına karşın gürültülüdürler ve çok fazla yakıt tüketirler. Hızın ön planda olduğu yerlerde kullanılırlar.

Turbojet Motor [4]

Uçak Motoru Bileşenleri

Fan 

Turbofan motorlarda, motorun girişinde bulunmaktadır. Dışarıdaki havayı motorun içine almakla sorumludur. Fazladan itiş gücü sağlar. Fan kanatçıklarını oluşturacak malzemeden beklenen özellik hafiflik ve yüksek mukavemettir. Titanyum, alüminyum ve paslanmaz çelik kullanılabilmektedir.  Sıklıkla sahip olduğu:

• Yüksek mukavemet/ağırlık oranı,
• Korozyon direnci
• Sürünme direnci nedeniyle titanyum alaşımı kullanılmaktadır.

Genx (General Electiric Next-Generation) motorları fan kanatları Karbon Fiber Takviyeli  Plastik Kompozit ve ön kenarları Ti-6Al-4V alaşımından oluşmaktadır. PMK (Polimer Matrisli Kompozit) teknolojisinin en önemli örneklerinden biri olarak GE90 motorunun 1000 mm uzunluğundaki fan kanatçıkları gösterilebilir.

Kompresör 

Bu kısımda hava, kademeli olarak sıkıştırılır. İlk kısımlarda alçak basınç hakimken, ilerleyen kısımlarda havanın sıkışması ile birlikte basınç artar. Bu nedenle malzemeler yüksek basınç değelerinde kendilerinden beklenen özellikleri yerine getirebilmelidir. Genel olarak:

• Yüksek mukavemete sahip olmalıdır.
• Yorgunluğa, çatlamaya ve oksidasyona dayanmalıdır.

Kullanılan malzemelere örnek olarak düşük basıncın hakim olduğu kompresör kısımlarındaki kanatçıklar ve birkaç yüksek basınç bölgesindeki kanatçıklar için Ti64 (Ti-6Al-4V), Ti811(Ti-8Al-1Mo-1V) alaşımları kullanılabilmektedir. Diğer yüksek basıncın hakim olduğu kompresör kısımlarındaki kanatçıklar için de Nikel esaslı süper alaşımlar kullanılabilmektedir (Hastelloy X). Çünkü yüksek basıncın hakim olduğu bölgelerde sıcaklık değerleri de daha yüksektir. 

Yanma Odası

Kompresörden gelen havanın yakıt ile birlikte yakıldığı ve çok yüksek sıcaklık değerlerinin ulaşıldığı kısımdır. Bu sayede uçak için gerekli itme gücü elde edilir. Uçak motorundaki en sıcak kısımdır. Bu sebeple bu kısımda kullanılacak olan malzemeden beklenmesi gereken en önemli özellik ısıl dayanımdır.  Bu kısımda da  yine Nikel bazlı süper alaşımlar kullanılmaktadır. 

-Hastelloy X (Nikel bazlı süper alaşım)

-Nimonic 263 (Nikel bazlı süper alaşım)

-HA 188 (Kobalt Bazlı Süper Alaşım)

Türbin

Yanma odasında yüksek sıcaklık ve basınç değerlerine ulaşmış hava türbini döndürerek diğer ana bileşenlerin (fan, kompresör) çalışmasını sağlar. Yanma odasında olduğu gibi bu kısımda da yüksek sıcaklık ve basınç hakimdir. Bu nedenle bu kısımda kullanılacak malzemelerin yüksek sıcaklık ortamlarında;

• Sürünme dayanımı
• Yorulma dayanımı
• Korozyon dayanımına sahip olmaları gerekmektedir.

Türbin kanatları grubu, nikel bazlı süper alaşım veya seramikten yapılabilmektedir. Örnek olarak IN 713, IN 100, RENE 100 verilebilir.

Nozül (Egzoz)

Motorun çeşitli kısımlarından geçerek yüksek sıcaklık ve basınç değerlerine ulaşmış olan hava nozül vasıtası ile dışarı verilerek uçak için gerekli itki kuvveti sağlanır. Sabit ve hareketli olmak üzere 2 çeşittir.

Savaş uçaklarında hareketli nozül bulunmaktadır. Hareketli nozül daralıp genişleyebilir; böylece uçağın hareketi için gerekli itki kuvveti ayarlanabilir. Ayrıca uçağın dikey iniş-kalkış yapmasını sağlayabilir. Nozül kısmında kullanılacak malzemede;

• Yüksek sıcaklık oksidasyon direnci
• Korozyon direnci gibi özelliklere sahip olmalıdır.

Yine bu kısımda kobalt, nikel ya da demir esaslı süper alaşımlar alaşımlar kullanılmaktadır.

-X40 (Co-25Cr10Ni8W1Fe0.5C0.01B) 

-GTD-222 (Ni-22.5Cr19Co2.0W2.3Mo1.2Ti0.8Al0.10V 0.008C1.0B)

-N155 (Fe-21Cr20Ni20Co2.5W3Mo0.20C) 

Kaynakça

[1] Turboprop operation.png, CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7611409

[2] Aainsqatsi , CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4005530

[3] Richard Wheeler (Zephyris) , CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=13308825

[4] By Jeff Dahl, Turkish translation by TurkDragon, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12868844

[5] https://www.wikiwand.com/en/General_Electric_GE90#/google_vignette