1. ANASAYFA
  2. Jet Motorunun 77 Yıllık Evrimi: Teknoloji ve Strateji. Bölüm IV
Jet Motorunun 77 Yıllık Evrimi: Teknoloji ve Strateji. Bölüm IV

Jet Motorunun 77 Yıllık Evrimi: Teknoloji ve Strateji. Bölüm IV

Yazı dizisinin son makalesi olan bölüm IV de günümüz aşkeri ve sivil uçakları güçlendiren motorlarının ve teknolojilerinin tanımı ile

1964 Nisan ayında ABD Hava Kuvvetlerinin ağır lojistik jet nakliye uçağı için gövde ve motor kavram geliştirme öneri teklif çağrısı havacılık tarihinde yeni bir sayfanın açılışın işaretini veriyordu. Ağır lojistik nakliye uçağın 45 ile 90 bin kilo arasında yük taşıyama, kıtalar arası seyahat ve tamamlanmamış pistlere iniş yapabilme kapasite de olması gerekesimler arasında idi. Uçağın maksimum kalkış ağırlığının 429 ton ve Mach 0.75 hızında uçması da planlanıyordu. Motor tasarımda ise yüksek yük taşıma kapasitesi için gerekli itki kuvveti ve yakıt ekonomisi en önemli gereksinimler idi. Motor kavram geliştirme projeyi kazanan P&W ve GE firmaları tasarımlarını Ağustos 1965 de tamamladıklarında, GE firmasının TF39 olarak adlandırdığı turbofan motoru Galaxy C-5 olarak adlandırılan ağır nakliye uçağı güçlendirmek için ABD Hava Kuvvetlerinin tercihi idi.  TF39 motoru ile GE firması bir kilometre taşını daha geride bırakıyordu:  ilk yüksek bypass oranlı turbofan motoru havacılık tarihine ismini yazdırıyordu. GE firması günümüz kadar bir devrim niteliğinde olan 8:1 bypass oranını, birinci kademe fan ikincinin  ½ boyutunda olan 2 kademeli fan birleşeni ile gerçekleştirdi. (GE bir-ve-yarım kademe fan olarak adlandırdı).  TF39 motoru bypass oranında yanında diğer ilklerede imza attı:  birleşik kompresör basınç oranı(15) 25:1 ve itki kuvveti 183kN idi. 

General Electric T39-1C turbofan motoru

(Kaynak: http://www.aircraftenginedesign.com/pictures/TF39.gif) 

 

GE TF39 Turbofan motorun mimarisi

General Electric TF39-1C turbofan motorunun güçlendirdiği Lockheed C-5 Galaxy 

9600 km mevzii ve maksimum kalkış ağırlığı 381 ton

(Kaynak: http://www.af.mil/AboutUs/FactSheets/Display/tabid/224/Article/104492/c-5-abc-galaxy-c-5m-super-galaxy.aspx)

 

Jumbo Jet Çağının Doğusu

Askeri havacılıktaki yüksek bypass oranlı turbofan motor deneyim başarısının 1970’ların başlarında sivil hava taşımacılığında  “Jumbo jet” dönemin başlamasında payı büyüktü. Orta-uzun menzilli, geniş-gövdeli, 250-850-koltuklu “Jumbo jet” uçakların kaderinin belirlenmesinde yüksek bypass motorları en önemli rolü üstlendiler. Motor sanayinin askeri uygulamadan sivil yolcu uçaklarını güçlendirme geçiş tartışmalarına geçmede önce hava yolları dinamiğine kısa bir göz atalım.

Boeing B707 ve Douglas DC-8 uçaklarının başlattığı Jet çağı uzun mesafe hava yolculuğuna talebine artışı getirdi.  Hava yollarının bu talep artışına cevap arayış içirişinde Pan Am hava yolları 22 Aralık 1965 günü Boeing firmasının geliştirmekte olduğu B747 için 25 için sipariş verdi.  Sivil hava taşımacılığında yeni bir sayfa açan 436-550-koltuk kapasiteli ve Mach 0.85 hızındaki B747 uçağı Pan Am hava yollarının gereksinimlerini karşılayacak özelliklere sahipti. Boeing, GE ve PW firmalarına motor için talepte bulundu. GE firması TF39 ‘sin sivil sürümü olan CTF39 B747’nin güç gerekesimin karşılamakta yeterli olmadığı için yarıştan çekildi.  ABD Hava kuvvetlerinin ağır nakliye Galaxy C-5 ihaleyi kaybeden P&W firması ise kavram geliştirme sürecinde geliştirdiği bypass oranı 5.5 olan PW9D-3A turbofan motoruna sivil havacılıkta uygulama buldu. JT9D motorun güçlendirdiği Boeing 747-100 uçağın Şubat 1970’de servise girişini, 5 Ağustos 1971 günü General Electric TF-39 motorunun sürümü olan CF6-6D’in güçlendirdiği McDonnell Douglas DC-10 ve 26 Nisan 1972 tarihinde Rolls-Royce RB211 motorunun güçlendirdiği Lockheed L-1011 uçağı takip ediyordu.

PW JT9D Turbofan motoru seri numarası 001 olan B747 kanatlarında

(The Museum of Flight, Seattle, Washington, ABD)

 

GE firması yüksek bypass oranlı turbofan kavramına öncülük eden TF-39’nin sivil sürümü olan CF6 turbofan motorunda fan birleşimi tasarımda değişiklik yaptı:  tek kadem fan ve bir kademe alçak basınç kompresörün (Booster) 1 ½ fan birleşeni yerini aldı. Nüve motoru da ise 16 kademeli yüksek basınç kompresörünü iki kademeli yüksek basınç türbini çalıştırmakta ve kompresör basınç oranı 16.6:1 idi.

GE CF6 turbofan motorunun mimarisi

RR firması geniş-gövde uçak pazarına GE ve P&W’den farklı bir motor kavramı ile giriyordu. RR firmasın RB211 olarak adlandırdığı turbofan motor mimarisinde kompresör alçak ve yüksek basınç olarak iki ayrı şaftta monte edilmiş ve fan ise üçüncü şaftla güç türbine bağlanmıştı.

Rolls-Royce üç şaftlı turbofan mimarisi

Yüksek yolcu kapasiteli geniş-gövde uçakların servise girmesini mümkün yapan en önemli katkı herhalde üç motor devinin eş zamanlarda geliştirdiği yüksek by-pass oranlı turbofan motorlardı. Jet motor tarihi sayfalarının en önemli köşe taşını olan turbofan kavramı gövde tasarımında ve yolcu taşımacılığında yeni bir devrin başlamasında öncü oluyordu

1980 yıllarında yüksek bypass motor tasarımında yeni gelişmelere şahit oluyoruz. Her ne kadar bu gelişmeler zamanının havacılık dinamiğine bir etkisi olmamış ise de 2020 yıllarındaki yüksek bypass oranı gelişmeleri arayışına zemin hazırlaması açısından tartışmakta fayda buluyoruz. 1988 Farnborough Havacılık Fuarında GE firması GE36 olarak adlandırdığı motoru görücüye çıkardı.  Jet motorlarının propfan türü olan ve GE’nin UnDucted Fan (UDF) olarak adlandırdığı G36 motoru hikâyesinin başlangıcı 1973 yıllarındaki OPEC petrol ambargosu ile es zamanlı idi.  Ambargo neticesinde yakıt fiyatlarındaki anı artış hava yollarının gelirlerinde büyük kayıplara sebep oldu. 1972 yılının öncelerinde direk işletme masrafları %25’si yakıt masrafları iken ambargodan sonra ise %50 oranına erişti (Günümüzde hemen hemen %35 civarındadır).  Daha önceki bölümlerde yakıt ekonomisini etkileyen motor tasarım parametresi özgür yakıt sarfiyatı, itki ve ısıl verimlerinin detaylı olarak tartışmıştık. Bu tartışmayı tekrarlarsak: İtki ve ısıl verimimdeki atış ÖYS ni düşürmektedir ve İtki veriminin yükselmenin yolu bypass onarını artırmaktır. Turboprop motorları, unducted (kanalsız fan) turbofan olarak düşünülürse, bypass oranı sonsuz olarak erişilebilecek ne yüksek değere sahiptir. Düşük Mach sayılı  (M < 0,6) uçuşlarda pervane-motor itki sisteminin yakıt ekonomisindeki avantajı bilinmektedir. Aero motor üreticileri “açık rotor pervane” (open rotor properler) ve diğer adlandırmaları ile unduct fan veya profan (motor üreticileri farkı terminolojiler kullanmaktadır) motor kavramı yakıt ekonomisine çözüm olarak geliştirdiler. Rakip iki üretici,  Allison-P&W ortaklığı ve GE, propfan motor kavramı için iki farklı mimari yöntem geliştirdiklerini izliyoruz. Motor firmaların geçmişteki tecrübeleri geliştirilen mimariyi belirleyici unsurdu.

GE geliştirdiği tasarım CJ805-21 olarak adlandırdığı motor bypass turbojet çalışma prensipleri temel alıyordu.  GE36 motorunun mimarisi nüve motor ve itici birleşenlerinde oluşmuştu.  Nüve motor yüksek kompresör türbin, alçak kompresör türbin gurupları ve yanma odasını içeriyordu. İtici birleşeni ise birbirine ters dönüşlü iki fan-güç türbin alt sistemi oluşturuyordu.  Fan- güç türbin sistemin her biri 6 kademeyi içeriyordu. Ağ görüşümde olan mimaride tek sayılı kademelerin meydana getirttiği birinci fan-güç türbin sistemi birinci fanı güçlendiriyor. Çifti sayılılar ise ikinci fan-güç türbini sistemi kademeleri ise ikinci fanı döndürüyordu. Ters dönüşlü türbin aero tasarımı yönteminde itici birleşeninde türbinin dönüş hızını iki kat olması ve sabit kanatlar(stator) kullanmaması sebebi ile mekanik tasarım basitti. Mekanik tasarım yönünden arka fan’ı güçlendiren türbin şaftı makaralı ve bilyalı rulmanlara sabit destek yapısal şafta yataklanmıştır. Birinci fan’e güçlendiren türbin ise bilyalı rulmanla arka türbin şaftına ve türbin kasasıda makaralı çember rulmanla nacelle yataklanmıştır. 20 Ağustos 1986 günü UDF motoru ilk uçuşunu Boeing 727 test uçağının (testbed) da ekte motor olarak yaptı. Fan çapların büyüklüğü ve kabinlerden gürültü kaynağını uzaklaştırmak için uygulanmada motorlar uçağın kuyruk kısmına yakın yerleştirilmişti.

GE36 Propfan motor konfigürasyonu

© 2014 Defense Media Network.

Kaynak: http://www.defensemedianetwork.com/stories/might-have-beens-mcdonnell-douglas-unique-mpa-contender/

 

GE yönteminden farkı olarak, Rakip Allison-P&W ortaklığı geleneksel motor mimarisini temel alan çözüm sundu.  Allison-PW ortaklığının 578-DX olarak adlandırılan motor nüve motor, alçak basınç türbine ve redüksiyon dişli kutunun ve profan’ı içeriyordu. Ortaklık Allison firmasını redüksiyon dişli kutu tasarım tecrübesini dayanarak güç aktarımında 13:1 oranlı dişli kutusu uygulamasında bir problem görmedi (ABD Hava kuvvetlerinin Lockheed C-130 uçağını güçlendiren Allison T56 turboprop motorunun dişli kutusun oranı 12,5:1 idi). GE ise ağır ve bakımının masraflarını yüksek olduğu düşüncesi ile dişli kutusu tasarımını çözüm olarak getirmediler.

 

Allison-P&W propfan motor konfigürasyonu.

 

7.700 şaft beygir gücünde, 350 cm fan çapında Allison-P&W 578-DX propfan motorun testleri McDonnell Douglas MD-80 uygulaması ile 1989 yılının Nisan ayında başladı.

(kaynak:https://www.metabunk.org/threads/2-contrails-from-1-engine.3510/)

 

1989 yılında yakıt fiyatlarının düşmesine ilaveden profan motorlarını turbofan motoruna nispeten gürültülü çalışmasından dolayı hava yolları yeni bir motor denemsi için kumarı göze alamadılar ve geliştirme çalışmaları durduruldu. Bu profan motor mimarisi günümüzde üreticilerin odaklandıkları bir yöntem ve diğer bir makalenin konusu olacak.

GTF Kavramının Büyük Motorlara Uygulanması

2008 Farnborough Havacılık Fuarından evvel Kanada’nın Bombardier bölgesel uçak üreticisi %20 yakıt sarfiyatımda iyileşme vaat eden P&W Geared Turbofan (GTF) motorun güçlendirdiği Cseries olarak adlandırdığı yolcu uçağının tanıtımını yaptı.  %20 yakıt ekonomisinde GTF motorun katkısı büyüktü.

P&W’nin GTF motorunun mimarisi

P&W’ nin PW1000 ailesi olarak adlandırdığı motor 20 sene önce geliştirilmiş GTF konseptinin 2008 yılında büyük motor mimarisine uygulaması idi.  9 Aralık 2008 günü PW GTF motorunu Airbus A340 testbed uçağının motorlarından birini geliştirdiği GTF motoru ile değiştirerek seyir irtifasında başarı ile test etti. Bu deneyimi gerçekleştirmeden önceki beş sene içinde bir milyar ABD doları, belki daha fazlasını, planet dişli kutusu AR-GE çalışmalarında harcayan PW bir köse taşını daha geri bırakıyordu. 130-230 kişilik yolcu kapasitesine sahip Irkut MC-21 uçağı güçlendirmek için tasarlanmakta olan GTF ailesinin PW1400G motoru 12.2:1 bypass oranı ilk aşırı-yüksek bypass oranlı turbofan olarak ismini havacılık tarihine yazdıracak.

20 yüzyılın son 30 senelik sürecinde jet motorları 77 senelik evriminde itki kuvvetinde büyük artışalar yaşadı. Dr. Hans von Ohain’nin 1.15 kN itki kuvvetindeki HeS-3 jet motorun güçlendirdiği He-178’nin uçuşundan, atmış beş sene sonra 10 Mayıs 2004 günü Boeing 777-300ER servise girişi ile kalkışta 513 kN itki kuvvetinde dünyanın en güçlü GE90-115B turbofan motoru sivil havacılığın hizmetine girmiş bulunuyordu.

Boeing 777-300ER güçlendiren GE90-115B Turbofan motoru – bypass oranı: 9, Birleşik sıkıştırma oranı: 42, Fan çapı: 343 cm

(Boeing Future of Flight Aviation Center, Seattle, Washington, ABD)

Havacılığın yaşadığı her bir devrimsel gelişiminde, şüphesiz jet itki kuvveti en önemli paya sahipti ve Frank Whittle, Dr. Hans von Ohain ve Dr. Franz’nin gerçekleştirdikleri ilklerin birleşimi günümüzün jet motoru tasarımın ana zeminini oluşturan ilk adımlardı.

Dipnot:

(15)  Birleşik kompresör basınç oranı fan ile yüksek basınç kompresörünün basınç oranlarının çarpımı olarak tanımlanır.

 

 

Kaynaklar:

Rıchard A. Leyes, William A. Fleming, “ The History of North American Small Gas Turbines Aircraft Engines”,  Smithsonian Institution, 1999

Dr. Anselm Franz,  “From Jets to Tanks”, Avco Lycoming Stratford, Connecticut, ABD

William A. Schoneberger and Robert R. H. Scholl,  “Garrett’s First 50 Years”, The Garrett Corporation, Los Angeles, Cal, ABD, 1985

Jack Connors, “The Engines of Pratt & Whitney: A Technical History”, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc. Reston, VA, ABD,   2010

Roberto Bettiolo,  Giancarlo Marcozzi, “ CAMPINI CAPRONI, The History and Technical Development of The First Italian Jet Aircraft” IBN Istituto Bibliografico, Roma, İtalya, 2008

General  Electric Co., “Seven Decades of Progress”, Fallbrook, Cal, ABD, Aero Publishers, Inc., 1979

Mike Phipp, The Brabazon Comittee and British Airlines 1945-1960,Tempus Publishing, Chalford, İngiltere

Roy Heathcote, The Rolls-Royce Dart – Pionering Turboprop, Rolls-Royce Heritage Trust, Derby, İngiltere

Magaret Conner, Hans von Ohain – Elegance in Flight, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1801 Alexander Bell Drive, Reston, VA, ABD

Lutz Warsıtz, The First Jet Pilot, The Story of German Test Pilot ERICH WARSITZ, Pen and

Walter J. Boyne ve Donald S. Lopez, The Jet Age, Forty Years of Jet Aviation,Smithsonian Institution Press,  Washington, ABD.

Rene J. Francillon, Boeing 707 Pioneer Jetliner, MBI Publishing Company, 729 Porspect Ave, WI. ABD

 

 


Yorumlar

Hiç yorum yapılmamış

Yorumunu Paylaşın