1. ANASAYFA
  2. Yeni Nesil Dar Gövde Uçakların Motorları: PW1000G ve LEAP Teknolojileri ve Stratejileri
Yeni Nesil Dar Gövde Uçakların Motorları: PW1000G ve LEAP Teknolojileri ve Stratejileri

Yeni Nesil Dar Gövde Uçakların Motorları: PW1000G ve LEAP Teknolojileri ve Stratejileri

Tek koridorlu yolcu uçaklarını güçlendirecek yeni nesil turbofan motorları içinde bulunduğumuz On yılın (2010-2020) içinde hizmete girecekler. Zamanımıza kadar geleneksel mimari kullanarak rekabet eden sektörün aktörleri yeni nesil motorini farklı yöntemle tasarladılar. Pratt & Whitney PW1000G turbofan motorunda fan devir düşürücü (Geared turbofan (GTF)) mimariyi tercih ederken rakibi CFM İnternational, General Electric ve Safran topluluğun Snecma şirketi ortaklığı, LEAP’de geleneksel fan direk-güçlendirme mimarisini uyguluyor. Bu makalede iki rakip motor mimarisini, uygulanan ileri teknolojileri ve bakım masraflarına etkenliğini ayrıntılı olarak tartışacağız.

Her iki motor birden fazla uçak tipini güçlendiriyor: Bombardier Cseries (PW1500G), A320neo  (LEAP-1A ve PW1100G-JM), B737MAX (LEAP-1B), Mitsubishi Bölgesel Jet (PW1200G), COMAC C919 (LEAP-1C), Irkut MS-21 (PW1400G) ve Embraer E-Jet (PW1700G ve PW1900G).  LEAP motoru CFM56 ve PW1000G ise IAE V2500 nün yerini alacaklar. Her iki rakip OEÜ (Orijinal Ekipman Üretici), Pratt &Whitney (P&W) ve CFM firmaları, yeni nesil motorlarında günümüzde üretilen motorlara nispeten yakıt sarfiyatını iyileştireceklerini, emisyonda ve gürültüyü azaltacakların açıkladılar. CFM İnternational LEAP motorunun bakım maliyetini günümüz sektörün lideri CFM56 motoru (CFM56-5B ve CFM56-7B) ile aynı seviyede hedefliyor. P&W ise PW1000G bakım maliyetini V2500-A5 dan az hedefliyor (%20 seviyesine kadar). Dikkati çeken nokta her iki OEÜ yakıt sarfiyatında ve emisyonda benzer iyileşmeler ileri sürmeleri. Fakat bakım masrafları penceresinden bakıldığında manzaranın bulutlu olduğu görünüyor. Ama önce, konuya tam hâkim olmak için, motorların mimarisi ve ileri teknolojilerine kısa bir göz atalım.

 “Devir düşürücü” ve “doğru bağlama” turbofan mimarilerinin avantaj ve dezavantajlarını, yakıt sarfiyatını azaltmada motor üreticilerinin kullandıkları yöntemler ve yakıt sarfiyatı denklemi konuları Kaynak (1)da ayrıntılı olarak ele alınmıştır. Turbofan motorunun anahtar tasarım parametresi olan yakıt sarfiyatını etkileyen tasarım değişkenlerini ve yöntemlerini konumuza girmeden evvel kısaca tekrarlamakta fayda var. Yakıt sarfiyatı itki ve ısıl verimin fonksiyonudur.  İtki verimini tayin eden en önemli parametre bypass oranındır. Bypass oranındaki artış yakıt sarfiyatının azalması ve motor giriş hava debisini büyütmesi neticesinde güç artışını olumlu etkiler. Bypass oranı anahtar tasarım parametresi olması nedeni ile üreticilerin en büyük bütçe ayırttıkları AR-GE faaliyetlerinden biridir. CFM LEAP motorunda fan çapını, 2,0 metre, büyüterek 11:1 rakibi PW de 2,06 çapındaki fan palaları ile 12:1 bypass oranın gerçekleştirdiler.  Bypass oranı dolaylı olarak fan çapı ve devri motor giriş hava debisini belirler.  Merkezcil kuvvetlerin yarattığı yük pala çapı, devri ve kütledeki artışlarla büyür.   Diğer bir ifade ile fan çapındaki ve devrindeki artışı pala malzemesinin özgül mukavemeti ile kısıtlıdır.  Diğer bir sınırlama ise pala uç hızının ses hızından, gürültü sebebi ile yüksek olmamasıdır. Tasarımcıların merkezcil yükleri azaltacak yöntem arayışlarında hafif ağırlıklı, yüksek mukavemetli fiber takviyeli kompozit malzemeler ve alüminyum alaşımlar fan imalatında tercih edilen malzemeler olmuştur. Diğer bir yöntem ise fan devrini düşürmektir.  “Devir Düşürücü” sistem fanın alçak basınç sistemi (alçak basınç kompresör-türbin) devrinden düşük hızlarda çalışmasını mümkün kılarak merkezcil yüklerin azalmasına ve her iki birleşenin maksimum verim için gerekli hızlarda dönmesini mümkün kılar. Düşük fan devrinin diğer bir avantajı pala uç hızının ses altı hızda tutarak gürültüyü azalmasıdır. Bu noktada esas konumuza dönelim.

CFM İnternational LEAP (Leading Edge Aviation Propulsion) motoru

CMF ortaklığı Boeing 737NG ve Airbus A320 ailesini güçlendiren CFM56 motorun yerini alacak olan LEAP motorunu 2016 yılında hizmete sunmayı planlıyor. Ortaklık LEAP’nin günümüzde üretimdeki CFM56 motoruna nispetle yakıt sarfiyatında ve C02 emisyonunda %15 azalma, gürültü seviyesinin Stage IV standardından 15 ve 20 dB arasında daha üstün ve NOx emisyonunda CAEP/6 standardına  %50 emniyet payı sağlamayı hedefliyor. CFM ortaklığı iddialı olduğu hedeflerini gerçekleştirmek için tasarıma boş sayfadan başladı. Tasarım, General Electric (GE) firmasının GE90 ve GEnx motorlarında test ettiği birçok İleri teknolojileri temel alıyor. Yakıt sarfiyatındaki iyileşmeler termodinamik eniyileme, 3 boyutlu analiz metotlarının tasarıma uygulanmasında kazanılan tecrübe, Kompozit (Organik, Seramik Matris Kompozit)  ve titanyum alüminyum malzemelerinin geniş ölçüde parça imalatında kullanılması ile gerçekleşiyor.

Performans hedeflerine erişmekte fan pala ve kasa imalatında kullanılan ileri kompozit malzeme uygulan teknolojilerin içinde en önemli olanı. LEAP’in 11:1 bypass oranı 3-boyutlu örme fiber Resin Transfer Molding (RTM) teknolojisi İle imalat edilen kompozit palalarla gerçekleşiyor. LEAP’nin 18 karbon fiber-takviyeli polimer palasının toplam ağırlığı 76 kg. CFM56 motorunun 36 titanyum fan palasının toplam ağırlığı ise 150 kg bulunmakta.  Hafif ağırlıklı olması nedeni ile merkezcil yük azaltarak palanın büyük çaplı tasarımı mümkün oluyor. Diğer önemi ise “pala içerme sistemi” (fan containment  - palanın uçuş esnasında kırılma durumunda “blade-out”  motor içinde tutabilmek). Fan kasası etrafında çember olarak tasarlanan pala içerme sisteminin işlevi kırıldıktan sonra yüksek hızla uçan palanın kinetik enerjisini emerek motor dışına çıkmasını önlemek. Hafif ağırlıklı pala daha az bir kinetik enerji sahip olması sebebi ile kinetik enerjinin emilmesi için gereken sistemin daha hafif olması motor ağırlığını azaltarak performansı iyileştirir. Geleneksel metal pala kullanan motorların içerme sistemleri metal çember veya kevlar kumaş takviyeli metal çemberle tasarlamış kompozit içerme sistemden ağırdır. GE firmasının GE90 motorunda kazandığı kompozit teknolojisi tecrübesinin LEAP motorunda uygulamasında çok önemli rolü bulunuyor. GE kompozit malzemeyi ilk olarak 1995 yılında GE90-115B motorunda kullanmıştır ve LEAP palası 4. Nesil teknolojisidir.

LEAP’in 10-kademeli Yüksek Basınç Kompresörünün (YBK) basınç oranı 22:1 olup ilk 5-kademe Kanatçık-Disk Entegrasyon Rotor (KDER) (IBR) ile donatılmıştır. Kompresör birleşik basınç oranı tırmanma top noktasında 50:1 olup deniz seviyesi 45:1’dur. TAP II yanma odası son teknolojileri kullanarak yakıt sarfiyatını minimum yaparken emisyonunda azaltmadadır.

LEAP Kompresörü: Kaynak: CMF İnternational

LEAP Yüksek Basınç Türbini (YBT) iki kademeli olup tasarımında ileri teknolojiler ve malzemeler kullanılmış.  İleri teknoloji kaplam malzeme ile yüksek türbin giriş sıcaklığına karşı korunan sabit ve döner kanatçıklar ileri 3-boyutlu aerodinamik metotla tasarlanarak yüksek motor performansın iyileşmesinde anahtar parçalar arasında. GE firması LEAP motorunun birinci kadem türbin kanatçık uç çemberini (turbine blade tip shroud veya blade outer air seal) Seramik Matris Kompozit (SMK) malzemeden imalat ediyor.  SMK çemberin soğutmak gerekmediğinden SMK malzeme kullanımı motor performansını iyileştiriyor (Çember soğutma havası basıncını yükseltilmiş, diğer bir ifade ile güç harcanmış, fakat birinci kademe güç üretiminde kullanılmamış hava olduğu için motor performansını düşürücü etkisi bulunmaktadır. Motor çevrim hesaplarında “kayıp hava” olarak değerlendirilir).

 

 

 

Pratt & Whitney PUREPOWER® PW1000G motoru

P&W firmasının motor performans hedefleri rakibi CMF ye benzer: Yakıt sarfiyatında %15 azalma, emisyonda CAEP/6 gereksinime %50 ve CAEP/8 için  %40 ve Stage IV gürültü gereksinim için de 15 dB emniyet payı. P&W A320neo uçağını güçlendiren PW1100G motorunu yakıt sarfiyatını %3 daha iyileştirecek bir üst modelin 2019 yılında servise girmesini planlıyor(3).

 

P&W gelecek nesil dar gövde yolcu uçaklarını güçlendirme yarışında 1970 yıllarının küçük turbofan motorlarda uygulanan “devir düşürücü” mimariyi (GTF) büyük motorlara uygulamayı tercih ediyor(1). Devir düşürücü sisteme is planet dişli sistemi ve redüksiyon oranı 3:1.  Devir düşürücü sistem fanın düşük uç hızlarında çalıştırarak 12:1 bypass oranı elde etmesi ve gürültü gereksinimi karşımasını mümkün kılıyor. Düşük hızda çalışan fan itki veriminin ve dolayısı ile yakıt ekonomisinin iyileşmesinde anahtar birleşen.  Sistemin diğer avantajı ise alçak basınç türbininin (ABT) verimin en iyi olduğu devirde tasarlanarak kademe sayısını azaltmasıdır. Az kademli ABT motoru hafiflemesi neticesinde performans iyileşmesi ve bakım maliyet azaltması sağlanması nedeni ile tercih edilmektedir. Hafif ağırlıklı bi-metalik malzeme ve aerodinamik eniyileme metot ileri teknolojileri fan palasının hafiflemesini ve düşük hızlarda çalışmasını mümkün kılmıştır.

Yüksek verimli ve fakir-yanma yöntemi ile tasarlanmış olan 3. nesil Talon X odası NOx emisyonunun CAEP/6 standartlarında %50 aşağısında olmasını mümkün kılıyor. 2-kademeli YBT’ in İleri aerodinamik metotlara tasarlanmış olan kanatçıklar sürünme dayanıklı ileri malzemeden imal edilmiş.  Kanatçıklarının soğutma kanal tasarımı yüksek soğutma verimli olup yüzeyleri ömür gereksinimi karşılayan sıcaklıkta tutmaktadır.

PW1000G’in 8-kademli YBK ve 2-kademeli YBT birleşenleri “şaft-sıkma bağlantı” (Shaft-tied) yöntemi ile tasarlanmış. P&W küçük motorların nüvesini yapılaştıran “şaft-sıkma bağlantı” sistemini büyük motor tasarımında uyguluyor. Sistem bakımda motor “dağıtımı-toplanması” faaliyetinde kolay sağlaması P&W’in iddia ettiği avantajlar arasında. 

Bakım masrafları penceresinden LEAP ve PUREPOWERTM motorları

CFM İnternational LEAP’in bakım maliyetini CFM56 (CFM-5B ve CFM56-7B) seviyesinde, P&W ise V2500-A5 motorundan %20 az olarak hedefliyor.

Motorlarının bakım maliyetinin değerlendirilmesi ve mukayesesi için motorun önden arka doğru birleşenlerini tek tek inceleyelim. Motorların mimarisini mukayese eden görsele kısa bir göz attığımızda PW1000G’in daha aza parça kullandığının görürüz.

Maliyet tablosunda YBT birleşeni %45 ile en yüksek katkıda bulunmakta.  Birleşenin ileri teknoloji ve malzeme kullanılarak tasarlandığını göz önemde tutarsak YBT parçaların bakım maliyeti denkleminin en etkin değişkeni olacaktır.

Her iki motorun pala sayısı (18) üretimdeki motorları ile mukayese edildiğinde sayıda azalama var.  Palalar ileri malzemeden imalat edilmiş olduğunda maliyeti geleneksel malzeme kullanan palalardan yüksek olacak.  LEAP kompozit palasının PW1000G’in bi-metalik palasında daha pahalı fakat daha hafif ve dayanıklı olacağı düşünülebilir. LEAP ve PW1000G kompozit fan kasası ile donatılmış.

PW1000G devir düşürücü mimarisi alçak basınç türbinin tasarımında az sayıda kademe kullanılmasını mümkün kılmıştır. P&W devir düşürücü sisteminin (redüksiyon dişli kutusu) sonsuz ömürlü parçaları içerdiğini ve güvenilirliğinin (reliability) standartları uygunluğu ileri sürüyor. Bu iddiayı kabullenirsek dişli kutusu toplam bakım maliyet tablosu içinde önemsiz veya küçük olduğunu düşünebiliriz. 7 dönen parçayı içeren dişli kutusunun güvenilirliğine yağlama sisteminin pürüzsüz çalışması en büyük katkıyı sağlayacak. P&W dişli kutusu ve yağlama sistemi için 1 Bilyon dolar AR-GE yatırıma ilave olarak 2008 yılında yüzlerce milyon dolar harcayarak prototip GTF motorunun Airbus A340 testbed de uçuş testlerini yaptı.

LEAP ve PW1000G motorlarının ABK’leri 3- kademli. PW1000G ABK daha yüksek devirde çalışıyor ve dolayısı ile daha sayıda kanatçık kullanıyor.

Her iki motorun YBK Kanatçık-Disk Entegrasyon (KDE) (Integrally Bladed Rotor (IBR)) konfigürasyonun uyguluyor. KDE teknolojisi CF34, PW6000 ve GEnx motorlarında denenmiş bir teknoloji.

Yanma odası LEAP ve PW1000G motorların ileri teknoloji ile tasarlanmış. Dayanıklılık ve tamir kolaylığı konularında soru işareti var.

GE ve P&W 2-kademe YBT tasarımında ileri kanatçık yüzey kaplama ve soğutma teknolojilerini kullanıyorlar.   Kaynak (1) de ayrıntılı olarak tartıştığım yakıt sarfiyatı itki ve ısıl verimin birleşik fonksiyonudur ve katkıları yaklaşık olarak yaklaşık olarak %50. PW1000G yavaş dönen fani itki verimde avantajlı olmaktadır. Her iki firmada eş değeli yakıt ekonomisi azaltma hedeflediklerini göz önünde tutarsak LEAP’in ısıl verimin yüksek olması gerekir. Isıl verimi iyileştirmenin yolu nüve motorun yüksek sıcaklıklara çalışmasıdır (yüksek basınç oranı ve basınç oranının arttırdığımız zaman türbin giriş sıcaklığınındı artması gerekli) (Tartışmada V2500 ve CFM56 motorlarının yakıt sarfiyatlarının aynı olduğu var sayılmıştır).  YBT’nin yüksek sıcaklarda çalışması parça ömrünü kısaltacaktır.

PW1000G devir düşürücü mimarisi ABT tasarımında az sayıda kademe kullanılmasını mümkün kılmıştır. P&W’in 3-kademe ABT lEAP’in 7-kademesine göre avantajlı olduğu düşünülebilir.

Her iki motorunun teknolojilerini ve stratejilerini tartışmasını önemli bir soruyu yanıtlamaya çalışarak sonlandıralım. P&W ve CMF iddia ettikleri hedefleri gerçekleştirecekler mi?   Yakıt ekonomisinin ve bakım maliyetinin hava yollarının motor seçiminde en önemli faktörler olduğunu ve her iki motorunda hava yolları servis deneyimi olmayan ileri teknolojiler ile donatılmış göz önemde tutarsak.  Yüksek basınç oranında ve türbin giriş sıcaklığında çalışan nüve motorun YBT parçaları bakım maliyetini tayin edecektir.   Bu çerçeveden baktığımızda bakım maliyeti günümüz uçan motorlarına göre, V2500 ve CFM56, %20 az olması veya eş değer olma iddiası her halde hava yollarının seçim yaparken düşündüren en önemli konu. Geleneksel olarak her iki firmada motor performans hedeflerini gerçekleştirmişler.

Kaynaklar:

(1)    Sait Aksoy, “Jet Motorunun 77 Yıllık Evrimi: Teknoloji ve Strateji”, www.havacilikdunyasi.net

(2)    Bill Brown, “CFM Technology….realizing the promise”, Haziran 2010.

(3)    “Pratt Plans Performance Upgrade for A320neo Engine”, 18 Şubat 2014, www.flightglobal.com


Yorumlar

Hiç yorum yapılmamış

Yorumunu Paylaşın