Günümüzde rekabetçi olarak adlandırabileceğimiz F-119-PW-100, F-135-PW-100/-400-600, F414-GE-400, F414-GE-EDE (Enhanced Durability Engine), EJ200, T901 vb. olarak farklı platformlar için optimize edilmiş motorların bir kısmında kullanılan ve ileride 6. nesil motorların geliştirilmesinde de vazgeçilmez olacak teknolojik alanları sıralayarak başlayacağız.
Bu teknolojik alanların bir kısmı ile ilgili ülkemizde devam eden çalışmalara da örnekler vererek ülkemiz mühendisleri tarafından yapılan değerli çalışmaları da göz önüne getirmeyi hedefliyoruz. (Bkz: TÜRKİYE’NİN TURBOJET MOTOR ÇALIŞMALARI)
Contents
MALZEME VE KAPLAMA TEKNOLOJİLERİ:
Bu bölümü özellikle ileri düzey soğutma teknolojileri ile bir bütün olarak değerlendirmek daha anlamlı olacaktır. Daha düşük özgül yakıt tüketimi ve aynı zamanda güç artışı taleplerinin sağlanabilmesi için türbin giriş sıcaklıklarının artması gerekmiştir ve bunun bir sonucu olarak daha dayanıklı süper alaşımlar, seramik kaplamalar/malzemeler ve ileri düzey soğutma teknolojileri konularında araştırma ve geliştirme çalışmaları hız kazanmıştır.
Günümüzde kullanılan rekabetçi motorlarda tek kristal ve seramik matris kompozit (CMC) malzeme kullanımı hızla artmaktadır. Tek kristal malzemede iç tane sınırları bulunmadığından dolayı yüksek sıcaklık yorulma ve sünme (creep) gibi üstün mekanik özelliklere sahiptir. Gaz türbinlerinde dönen ve statik kanatçıklar gibi yüksek sıcaklığa maruz kalan bölgelerde geniş kullanım alanı bulmaktadır.
Seramik matris kompozit (CMC) malzeme kullanımı, türbin giriş sıcaklıklarının artmasına olanak sağlarken aynı zamanda parçaların hem daha hafif (~%66 daha hafif) hem daha az soğutma ihtiyacı ile çalışabilmesine olanak sağlamaktadır.
Sivil havacılık amacıyla geliştirilen motorlarda kullanım alanı daha geniş olsa da askeri motorlarda da kullanılmaktadır. F35 müşterek taarruz uçağına güç veren Pratt&Whitney tasarımı F135 motorunun egzoz nozulunda (özellikle dış kısımlarında) CMC kullanılmaktadır.
GE T901 ve ADVENT gibi askeri motorlarda CMC kullanılacağını paylaştı. Önceleri statik parçalarda kullanılan CMC malzemenin dönen parçalarda da kullanılması düşünülmektedir. GE F414 turbofan motorunun düşük basınç türbin (LPT) kanatçıklarını test amacıyla CMC olarak üretip dünyanın ilk statik olmayan seramik matris kompozit (CMC) parçalarını başarıyla test etti.
Metalürji/malzeme alanındaki teknolojiler çok hızlı ilerlemekte. Ülkemizde bu alanlarda Savunma Sanayii Başkanlığı tarafından desteklenen, TEI’nin devam eden ve sektör için çok önemli projeleri bulunmaktadır: DİLEK, YAKUT, İNCİ, DİNÇ, ATOM ve ELEKTRON.
Özellikle katmanlı imalat – 3 boyutlu yazıcılar – (additive) kullanılarak onlarca parçadan oluşan bir ürünü tek parça olarak üretebilme kabiliyeti neticesinde üretim süreleri kısalmakta ve motorlar daha hafif olmaktadır. Bu konu çok önemli ve ilerleyen günlerde jet motorlarında katmanlı imalatın önemini ve gelinen noktayı anlatan bir yazı yazacağım.
İLERİ DÜZEY SOĞUTMA TEKNOLOJİLERİ:
Motorların veriminin arttırılmasını sağlamanın yollarından biri, yanma için kullanılmayan ve ikincil akış olarak motorların ve platformların görevini yerine getirebilmesi için belirli oranlarda kullanılması gereken hava miktarının azaltılmasından geçer. Bu havanın daha iyi anlaşılabilir olması için örnekler ile açıklayalım. Kokpitin şartlandırılması ve pilotun ihtiyaç duyduğu oksijenin üretimi, platformda bulunan yakıt tanklarını basınçlandırmak amacıyla azot üretimi, sıcak parçaların soğutulması için gerekli olan hava, motor içi sızdırmazlığın sağlanması için kullanılan hava (özellikle yağın rulmanlardan motor içerisine sızmasını önlemek amaçlı kullanılmak zorundadır) gibi daha fazla örnek vermek mümkündür.
Bu miktarın azaltılması ile motor performansında iyileşme sağlanabilir. Bu bölümde özellikle türbin kanatçıklarının (hareketli ve statik olanların her ikisi) soğutulmasında kullanılan hava miktarının azaltılabilmesi için gerekli olan ileri düzey soğutma teknolojilerine yer vereceğiz. Bu alana odaklanılmasının sebebi, bu fonksiyon için kullanılan hava miktarının büyük bir yüzdeyi oluşturmasıdır. Modern savaş uçağı motorlarında türbin kanatçıkları (hem hareketli hem statik) üretildikleri metalin erime sıcaklığının ~350 °C üzerinde çalışabilmektedir (RENE 90: 1641 °K, RENE N5: 1658 °K erime sıcaklığı).
Türbin giriş sıcaklığının artması ile daha verimli motor ve dolayısı ile daha az yakıt tüketimi ve daha yüksek itki elde edilebileceğinden zamanla bu sıcaklık teknolojik gelişmelerin de yardımı ile ciddi artışlar göstermiştir. Modern motorlardan bazı değerleri paylaşacak olursak:
- EJ200: >1800 °K (>1527 °C)
- M88: 1850 °K (1577 °C)
- F119-PW-100: Gizli
- F135-PW-100: Gizli (Bazı kaynaklarda 2000 °K (1727 °C) olarak belirtilmektedir)
F135-PW-100 motorunun 2000 °K giriş sıcaklığı ile rakiplerine göre teorik limitlere biraz daha yaklaştığını belirtebiliriz. 6. Nesil motorlarda seramik matris kompozit malzeme kullanılması ile birlikte teorik limitlere biraz daha yaklaşılabileceğini ve ileri düzey soğutma teknolojisinin öneminin artacağını kolaylıkla söyleyebiliriz. Türbin giriş sıcaklığının bu kadar yüksek olması neden önemli peki? Aynı sıkıştırma oranı için motorun termal veriminin artması ve dolayısıyla daha verimli motor anlamına gelmektedir. Bu değerin ne kadar yüksek olabileceğini ise malzeme, kaplama ve ileri düzey soğutma teknolojiniz birlikte belirlemektedir. Türbin giriş sıcaklığının artması ile birlikte mekanik zorlukların arttığını da belirtmek faydalı olacaktır.
5. nesil ve üzeri motor ve platformlardan supercruise özellikte olması beklenir. Supercruise süresinin artması, türbin kanatçıklarının soğutulması için gerekli soğutma miktarını arttırmaktadır. Bu sebepten dolayı da ileri soğutma teknolojisi yeni nesil platformlarda daha da önemli olmaktadır. İleri düzey soğutma konusunda yüzlerce patent bulunmaktadır. Bu teknolojik alanda ülkemizde çalışmalar yapılsa da eksikliklerimiz çok fazla. Soğutmalı türbin kanatçıklarının daha iyi anlaşılabilmesi için bazı örnekleri aşağıdaki görselde paylaşıyorum.
DÜŞÜK GÖRÜNÜRLÜK (STEALTH) TEKNOLOJİLERİ:
Rekabetçi, 5. nesil ve üzeri motor geliştirmek için gerekli olan en önemli teknolojik alandır. Düşük görünürlük genelde platformdan beklenen bir ister olsa da motor ile ilgili düşük görünürlüğe katkı sağlayacak önlemlerin motor tasarımı esnasında ele alınması gerekmektedir. Motor çıkışındaki termal emisyonların düşük görünürlüğe uygun olması gerekmektedir. Egzoz çıkışındaki sıcak gaz karışımı ve uçak ile motor ara yüzünden atmosfere atılan hava/yağ karışımı düşük görünürlük üzerinde etkili olabilmektedir. Bu sebepten dolayı egzozdan atmosfere atılan gazın sıcaklığı ve bileşimi/emisyon değeri düşük görünürlük açısından oldukça önemlidir. Egzoz gazının atmosfer havası ile karıştırılıp sonrasında atmosfere atılması bunu azaltmayı sağlayacak yöntemlerden sadece biridir.
Diğer bir konu ise sıcak parçaların görünürlüğünün düşürülmesidir. Bunu sağlamak amacıyla farklı yöntemler kullanılabilir. Bunlardan bazıları:
- Yakıtın yanma odasına gönderilmeden önce söz konusu sıcak parçaların (egzoz nozulu) yakıt ile soğutulması,
- Egzoz gazı akış kanalına hareketli bir kapak vasıtası ile erişim sağlanıp, gerektiğinde bu kapağın kapatılarak sıcak akış kanalı ve sıcak parçaların maskelenmesi,
- Sıcak motor parçalarının görünümünü azaltmak/engellemek için düşük yayma özelliğine sahip malzemeler ile kaplanmış uzun bir egzoz kanalı.
Bu teknolojik alanda sadece ülkemizin değil, birkaç ülke dışında diğer motor üreticilerinin ciddi eksiklikleri bulunmaktadır. Anahtar teknoloji olarak adlandırabileceğimiz düşük görünürlüğün kontrolünü ve sahip olunan teknolojinin hangi programlarda kullanılacağı şirketlerden ziyade devletlerin kontrolündedir.
KONTROL TEKNOLOJİLERİ (MOTOR KONTROL ÜNİTESİ: FADEC):
Motor alt sistemleri içerisinde çok önemli bir yere sahip olan Elektronik Motor Kontrol Sistemi (FADEC) konusunu özel olarak ele almak gerekmektedir. Tüm motorun beyni olarak adlandırabileceğimiz bu ünite; motor güç yönetimi, yakıt kontrolü, yağ sıcaklığı, motor dönüş hızı (hızlanma ve yavaşlama zamanlamaları), egzoz gaz sıcaklığı gibi motorun istenilen şekilde çalışıp/çalışmadığının anlaşılmasını sağlayan birçok parametreye göre motoru adapte eden ve uçağın diğer alt sistemleriyle birlikte çalışarak gerekli aksiyonları alan ünitedir.
Bu alanda ülkemizde önemli çalışmalar yapılmakta olup, en son örneğini TEI’nin geçtiğimiz günlerde ateşlediği çekirdek motor oluşturmaktadır. TEI TS1400 turboşaft motor kontrol ünitesini (FADEC) de kendisi geliştirmektedir ve PD170 IHA motoru da özgün motor kontrol yazılımına sahiptir. Benzer şekilde Kale Arge A.Ş. tarafından geliştirilen ve geçtiğimiz günlerde güzel bir videosu paylaşılan KTJ3200 turbojet motoru için de Elektronik Kontrol ünitesinin tasarım ve geliştirilmesi yerli imkânlarla geliştirilmektedir. (Bkz: TÜRKİYE’NİN ÖZGÜN TURBOFAN PROGRAMI)
3-BOYUTLU AERODİNAMİK TASARIM:
Günümüz motorlarında aerodinamik verimin arttırılması amacıyla artık 3-boyutlu aerodinamik tasarım sıklıkla kullanılmaktadır. Kanatçıkların 3-boyutlu akışa uygun olarak tasarlanması olarak belirtebiliriz. Yarı 2-boyutlu akışa uygun olarak tasarım yapmak daha kolay bir yöntem olduğundan uzunca bir süre tercih edilmiştir fakat artık tasarımın 3-boyutlu aerodinamiğe uygun olarak yapılması tercih edilmektedir. 2-boyutlu tasarıma kıyasla kayıplar azaldığından daha fazla dinamik basıncı statik basınca çevirmeye olanak sağladığından kademe başına sıkıştırma oranı artmaktadır. 3-boyutlu akışa uygun olarak tasarım yapıldığında, aynı kompresör ile havayı daha fazla sıkıştırabilir ya da aynı sıkıştırma oranı ile kompresörün ihtiyaç duyduğu iş azaltılabilir.
Yazımızda detaylı olarak yer vermediğimiz fakat önemli alanlardan olan tasarım ve analiz amaçlı yazılım geliştirilmesi, yanma teknolojileri, ileri düzey sızdırmazlık elemanı geliştirilmesi ve test kabiliyetlerinin arttırılması gibi alanları da göz ardı etmemek gerekmektedir.
Bu teknolojik alanlarda araştırmalar yapmak ve mühendis yetiştirmek kaçınılmaz olacaktır. Motor geliştirilmesi konusunda özellikle eksik kaldığımız TRL 4-6 (entegre/yarı entegre sistemin laboratuvar testleri ve prototiplerin ilgili ortamda doğrulanması) aralığına odaklanarak, temel/uygulamalı araştırmalar ile ticari tasarımın oluşturulması/doğrulanması arasındaki boşluğu doldurmalıyız.
Kaynak: Kokpit.aero
Yazar: Sinan Şal
KAYNAKLAR
- https://www.safran-aircraft-engines.com/military-engines/training-and-combat-aircraft/m88
- http://www.virginia.edu/ms/research/wadley/high-temp.html
- https://www.tei.com.tr/detay/inci-havacilikta-kullanilan-titanyum-dokum-teknolojisi-gelistirilmesi-projesi
- https://www.tei.com.tr/detay/yakut-havacilikta-kullanilan-nikel-alasim-katmanli-imalat-teknolojisi-gelistirilmesi-projesi
- https://www.tei.com.tr/detay/dilek-titanyum-alasimlari-icin-superplastik-sekillendirme-prosesinin-gelistirilmesi-projesi
- Yin F, & Gangoli Rao A, “Performance analysis of an aero engine with inter-stage turbine burner”, Aeronautical Journal, 121:1605-1626, 2017
- Rolls-Royce plc (United Kingdom), The Jet Engine, 1986
- Battezzati L, Baldissin D, “The ThermoLab Project: Thermophysical properties of superalloys”, High Temperature Materials and Processes, 27(6):423–428, 2008
- https://www.tei.com.tr/detay/dinc
- https://www.tei.com.tr/detay/atom
- https://www.tei.com.tr/detay/elektron
- US4753575A, “Airfoil with nested cooling channels”, 1987
- US20170248025A1, “Turbine airfoil having near-wall cooling insert”, 2016
- https://www.geaviation.com/press-release/military-engines/ge-successfully-tests-world%E2%80%99s-first-rotating-ceramic-matrix-composite
- http://www.kalearge.com.tr/kabiliyetlerimiz/motor-kontrol-ve-aksesuarlari
