Modern turbofan bir motorun karmaşık işleyişlerine detaylı bir bakış. Ağzınız açık kalacak!
Jet motorları, tek bir işi olan son derece karmaşık ekipmanlar. Bu iş ise bir uçağa uçmak için gereken itiş gücünü sağlamak. Bir uçak pistte hızını artırırken ve göğe doğru yükselirken koltuklarında hafifçe geriye doğru itildiğini hisseden herkes, muhtemelen neler olduğunu sezebilir. Kanatların altındaki turbofan motorlar içlerine çektikleri havayı arka tarafta hızlandırarak itiş kuvveti üretirler.
General Electric, Rolls-Royce ve Pratt & Whitney gibi firmaların ürettiği ticari motorların içerisindeki detaylar değişebilse de, gerçekleşen işlemler temelde aynı.
Rolls-Royce’da alt sistem şefi olarak çalışan Emma Booth, “Modern bir turbofan motoru Newton’ın Üçüncü Kanun’una göre çalışır” diyor. “Her eylemin eşit ve zıt bir tepkimesi vardır.”
Bu yüksek seviye tanım kulağa basit gelebilse de, motorun içindeki süreç hem karmaşık hem de büyüleyicidir. İşte bir motorun iç işleyişleri ve havanın sıkıştırıldığı, yakıtın tutuşturulduğu ve sıcaklıkların son derece yükseldiği yerler hakkında bilmeniz gerekenler.
Motorun önündeki fanlar havayı içeri çekiyor
Bir motora dışarıdan baktığınızda, ön tarafta motorun gövdesine yerleştirilmiş pervane bıçaklarını fark edersiniz. Bu yapılar muazzam çapta olabilir. Örneğin General Electric’in GE9X modeli, 3,4 metreyi aşkın çapa sahip 16 bıçaklı bir pervanedir. Bu motorların her biri 47 tonluk itiş üretebilir. Fakat 2017’de çok daha fazlasını üretip rekor kırmıştı.
GE Aerospace firmasında çalışan baş mühendis Christopher Lorence, “Ön kısımda büyük bir pervane vardır ve itişin %90 kadarını sağlar” diyor.
Boeing 777 gibi uçakların kanatlarının altından sarkan bir GE90 motorunu düşünün. Şirket, uçak kalkış yaparken motorlardan birinin saniyede 1.600 litre hava çekeceğini söylüyor.
Pernave havayı hüp diye içine çeker ve hava motordan geçerken, oransal olarak daha ufak bir miktar hava da makinenin merkezine; çekirdeğine doğru yol alır. Ancak havanın çoğu çekirdeği es geçer ve doğrudan arka tarafa gider. İş uçağı itmeye geldiğinde işin büyük kısmını yapan, çekirdekten geçmeyen bu havadır.
Çekirdeği es geçen havanın hacmi ve çekirdeğin içinden geçen hava arasındaki bu fark, motorun bypass oranı şeklinde bilinir. Motor üreticileri, en yüksek verimlilik için bu oranın yüksek olmasını isterler. “Bunu yapmanın en verimli yolu bol miktarda hava almak ve basıncı biraz artırmaktır” diyor Lorence. “Eski motorlarda bypass oranı çok düşüktü; bu şekilde yaptıkları şey, havanın çoğu çekirdekten geçiyordu, sınırlı miktarda hava bypass’tan geçiyor ve oldukça yüksek bir hızda geçiyordu.” Ancak günümüzde turbofan motorlarının çok yüksek bypass oranları var.
Burada bir istisna da, ticari uçaklardaki motorların büyük bypass oranlarından yoksun olan savaş uçakları gibi askeri uçakların jet motorları. Bu uçaklarda, salt yakıt verimliliğinin ötesinde başka öncelikler var; yüksek manevra kabiliyeti, süpersonik hızlara ulaşma ve dikkat çekmemek gibi. Ayrıca uçağın gövdesiyle yakın biçimde bütünleştirilen motorları, art yakıcılardan da faydalanabiliyor.
Merkezde hava sıkıştırılıyor ve yakıt tutuşuyor
Ön kısımdaki pervane bıçaklarının dönmesi için kuvvet gerekiyor. Motorun çekirdeğinin devreye girdiği yer de burası. Çekirdekten geçen ufak hava yüzdesi (Rolls-Royce’da çalışan Booth bunun yüzde 10 olduğunu, diğer %90’ın çekirdeği es geçtiğini söylüyor), çok aşamalı bir süreçten geçiyor.
Çekirdeğin ilk kısmı, sıkıştırma aşaması. Burada (doğru tahmin) hava sıkıştırılıyor. Hava daha yoğun olunca ısınıyor. “Dönen sıkıştırıcı bıçaklarından, statik sıkıştırıcı kanatlarından oluşan çok sayıda aşama var ve bu sıkıştırıcı bıçakları gittikçe ufaldıkça hava devamlı olarak sıkıştırılıyor” diyor Booth.
Hava elbette sıkıştırılmak istemiyor; bunu gerçekleştirmek için çalışma gerekiyor. “Temel olarak suyu yokuş yukarı itmeye benziyor” diyor Booth.
Ardından, sıkıştırma bölümünden sonra yanma odası geliyor. Jet yakıtı tutuşuyor ve bu havayı çok daha fazla ısıtıyor. GE’de çalışan Lorence, sıkıştırıcının en ucunda havanın sıcaklığının 650 ila 700 derece Celsius’a ulaştığını ve tutuşturma odasından geçtikten sonra 1650 derece Celsius kadar ısınabildiğini söylüyor. Karşılaştırma yapmak gerekirse Hawaii’deki bir yanardağdan çıkan lav, 1200 derece civarı olma eğilimi gösteriyor.
Tutuşma odasından ayrılan kavurucu hava, Lorence’ın söylediğine göre “kendisini takip eden türbin bıçaklarının erime noktasından daha yüksek”. “Aslında havayı bu bıçaklardan pompalayarak erimelerini önlememiz gerekiyor” diyor. Nispeten daha soğuk olan bu hava, sıkıştırma bölgesinden geliyor. Rolls-Royce, türbinindeki bıçakların erimesini önlemek için de benzer bir şey yapıyor.
Motor üreticileri büyük bir bypass oranı istedikleri gibi, motorun da iç kısımda çok sıcak olmasını istiyorlar. “Bu sıcaklığı ne kadar yükseltirseniz, çekirdek o kadar verimli çalışır” diyor Lorence.
Çekirdekteki türbinler enerji topluyor
Hava süper derecede ısındıktan sonra, mesaisi bitip rahatlamadan önce yapması gereken önemli bir işi daha oluyor: O da birtakım türbinleri döndürmek. Bir General Electric motorunda, biri yüksek basınçlı ve diğeri düşük basınçlı olmak üzere iki türbin bulunuyor. “İçerisinde yüksek miktarda enerji bulunan bir sürü havanız var” diyor Lorence. “Tüm bunları yapmanızın sebebi, enerjinin bu türbin aşamalarından serbest kalabilmesi.”
Bu iki türbinin her birinin özel bir görevi var. Birincisi, yüksek basınçlı türbin “bu enerjiyi alıp temelde çekirdeği çalıştıran sıkıştırıcıyı döndürüyor” diyor Lorence. “Ardından düşük basınçlı türbinde bu enerji alınıp mil çevriliyor ve bu da pervaneyi döndürüyor [motorun önündeki].”
Rolls-Royce’un (Airbus A350s’tekiler gibi) Trent motorlarında, yüksek ve düşük basınçlı türbinlerin arasında orta basınçlı bir türbin daha var. Bu durumda, sıkıştırıcıyı o ilk iki türbin çalıştırıyor ve sonuncu türbin öndeki büyük fan bıçaklarına güç sağlıyor.
Kısacası: Çekirdeğe giren hava sıkıştırılıyor ve yanan yakıt ile ısıtılıyor. Ardından türbinleri çalıştırıyor ve bu türbinlerden biri motorun önündeki pervane bıçaklarına güç sağlıyor. Unutmayın, motora itiş gücünün büyük bölümünü veren şey, çekirdekten çıkan egzostan ziyade motoru es geçen hava.
Çekirdeğe girmeyen hava, “Motorun çekirdeğinden geçen havadan daha düşük bir hızda hareket ediyor fakat bu hava çok yüksek kütleli olduğundan, fazla miktarda itiş sağlayabiliyor” diyor Booth. Bu itiş sayesinde uçak göğe yükselebiliyor.
Yazar: Rob Verger/Popular Science. Çeviren: Ozan Zaloğlu.
