UCK 474 UÇAK MOTOR TASARIMI Yrd.Doç.Dr. Onur Tunçer İstanbul Teknik Üniversitesi

TERMODİNAMİK YASALAR

TERMODİNAMİĞİN SIFIRINCI YASASI Bir sistemin sıcaklığı mutlak sıfıra doğru giderken bütün süreçler durur ve sistemin entropisi en küçük değerine ulaşır. T(K)=T(°C)

TERMODİNAMİĞİN BİRİNCİ YASASI Enerji ne yaratılabilir ne de yok edilebilir, ancak ve ancak korunur.

İŞ: Çevredeki moleküllerin hareketinde Oluşan tekdüze (yeknesak) değişiklik. (W )‏ ISI: Çevredeki moleküllerin hareketinde düzensizliğin artışı. (Q)‏ İŞ %20 ISI %80

Kütle debisine bölersek,

Orijinal Çözelti Mürekkep Eklenir Mürekkep Çözülür Kapalı bir sistemin entropisi hiçbir zaman azalmaz, ve mümkün oldukça artar. Termo-dinamiğin ikinci yasası evrene yönünü verir. TERMODİNAMİĞİN İKİNCİ YASASI Entropi düzensizliğin ölçüsüdür.

Saf Maddelerin Özellikleri e: Birim kütle başına depolanan enerji Entalpinin tanımı Sabit hacimdeki ısı kapasitesi Sabit basınçtaki ısı kapasitesi Maddenin durumu ile ilgili üç değişkenden ikisi bilinirse diğer üçüncüsü hesaplanabilir. Özgül hacim Isı kapasitesi oranı

Mach sayısı Ses hızı Toplam sıcaklık Toplam basınç Kütle akım parametresi Dinamik basınç

Kütlenin Korunumu

Sürekli rejimdeki akışlar için,

Momentumun Korunumu Sürekli rejimde bir kontrol yüzeyine momentumun korunumu ilkesi uygulanacak olursa,

Akışkanın Yüksek Hızla Lüleden İtilmesinden Doğan İtki Kuvveti

Hero’nun Buhar Makinası

Leonardo da Vinci’nin Bir Çizimi

Frank Whittle

Messerschmidtt ME 262

BRAYTON ÇEVRİMİ

Ideal Brayton Çevriminin Isıl Verimi

Gaz Türbin Tipleri Santrifüj – Sıkıştırılmış hava motor çeperinin etrafında hareket eder. Eksenel – Sıkıştırılmış hava doğrudan motorun ekseni boyunca hareket eder. Santrifüj ve Eksenel Kombinasyonu Sıkıştırılmış hava iki yönde de (hangi kademeden geçtiğine bağlı olarak) hareket eder.

Eksenel Akışlı Türbin İçeri alınan hava akımı merkez şafta paralel bir eksende ilerler. Çok Kademeli Eksenel Kompresör Merkez şaft

Santrifüj Akı ş lı Türbin İçeri alınan hava akımı motorun etrafında dolaşır. Santrifüj Kompresör Hava akımı motor gövdesinin etrafından geçmeye zorlanır

Santrifüj ve Eksenel Kombinasyonu Türbin İçeri alınan hava akımı Eksenel kompresör Santrifüj kompresör İçeri alınan hava önce eksenel kademelerde sonra santrifüj kademe tarafından sıkıştırılıp yanma odasına gönderilir.

TURBOJET General Electric J79 Turbojet art yakıcı ile birlikte

TURBOPROP Allison T56 Turboşaft

TURBOFAN General Electric CF6 Turbofan

Yüksek By-Pass Oranlı Turbofan Motorlarda Fan Çapı Karakteristik Olarak Büyüktür (Pratt & Whitney JT-9D)

Turboprop Orta hızlar Orta boy uçaklar Yüksek verim Sınırlı uçuş hızı Dişli kutusu var Turbofan Dahili pervane Ses üstü hızlar Yüksek by-pass oranı Orta/yüksek verim Dişli kutusu yok Turbojet Yüksek hız Mach 4 Düşük hava debisi Düşük verim Yüksek çalışma sıcaklığı Turbo Motorların Karşılaştırması NOT: Havanın ram etkisiyle sıkışmasından dolayı en iyi kompresör basınç oranı Mach 4’te sıfıra doğru gider. En iyi kompresör basınç oranı 30:1 ses altı hızlar için En iyi kompresör basınç oranı Mach 2. Mach 4 ve daha yüksek hızlarda kompresöre ihtiyaç yoktur; Ramjet.

Motor Tipleri ve Uçuş Koşulları Arasındaki İlişki

Termal Verim * Motordan alınan net düzenli iş yapma hızının (şaft gücü yahut kinetik enerji) yakıt tarafından sağlanan ısıl enerji açığa çıkış hızına oranı

İtki Verimi Motor gücünün uçağı itmede ne kadar verimli kullanıldığıdır. Uçak gücünün (itki x uçak hızı) motordan alınan güce oranıdır.

Toplam Verim * Termal verimin ve itki veriminin bileşimidir. İtki sisteminin toplam verimini temsil eder.

Özgül İtki * Motorun ürettiği itkinin motordan geçen kütle akım debisine (ki bunun çoğunluğu havadır, yakıt debisi ihmal edilebilir) oranıdır.

İtki Özgül Yakıt Sarfiyatı * Birim itki için harcanan yakıtın miktarıdır. S ile gösterilir.

Özgül Darbe (Isp) Motor Etkin Eksoz Hızı (m/s, kg·m/s/kg) Özgül Darbe (s) Kg Eksoz Başına Enerji (MJ/kg) Turbofan Motoru (Gerçek V is ~300) 29,0003,000~0.05 Katı Yakıtlı Roket2, Sıvı Yakıtlı Roket4, İyon İtki Motoru 29,0003, * Birim itici madde kütlesi başına momentumda oluşan değişikliktir. Birimi saniyedir. Değişik Teknolojilerin Özgül Darbelerinin Karşılaştırılması

Motorun Kanat Altına Takılması Halinde Akış Karakteristiği

Arka Gövdeye ve Yanına Takılmış 3 Turbofan Motoru (McDonnell Douglas DC-10-30)

Motorların Kanat Üzerine Montajı (VFW-Fokker 614)

Motorun Gövde İçerisine Montajı (SAAB Viggen)

Uçağın Yanına Takılan Hava Alıkları (SAAB Viggen)

Motor Tasarımı Parametrik Çevrim Analizi (Tasarım Noktası) Performans Analizi (Bütün Çalışma Koşullarında)

1.Tasarım süreci belirli bir gereksinim tarafından başlatılır ve bu yine bunun tarafından kısıtlanır. 2.Motor yahut uçak tasarımı gibi konularda birçok yapılabilir (erişilebilir) çözüm mevcuttur ve bunlardan herhangi birisi tek yahut en iyi olarak adlandırılamaz. Son seçim daima tasarım ekibinin yargısını içerir. 3.Tasarım süreci çoğu kez iterasyon (özyineleme) yolu ile olur ve bir önceki adımda yapılan kabullerin doğru olmadığı bulunur ve tasarım süreci bu aşamadan itibaren istenilen koşullara yakınsama sağlanana dek tekrar edilir. 4.Çok disiplinli bir süreçtir. Sözgelimi gaz türbin motoru tasarımı en azından termo-dinamik, aero-dinamik, ısı transferi, yanma, yapı, malzeme, imal usülleri, enstrümantasyon ve kontrol gibi disiplenleri içerir. 5.Hepsinden önemlisi, karmaşık bir sistemin tasarımı tasarım ekibindeki herkesin aktif katılımını gerektirir. Çünkü bir sistemin tasarımı diğer sistemlerin tasarımı üzerinde etkilidir. TASARIM SÜRECİ

Motor SpesifikasyonlarıPazar AraştırmasıMüşteri Gereksinimleri Ön çalışmalar, çevrim seçimi, turbo-makine tipinin belirlenmesi Termodinamik Tasarım Noktasının Belirlenmesi Bileşenlerin aero- dinamiği Mekanik Tasarım (Mukavemet, titreşim v.b.) Test ve Geliştirme İmalatSaha Hizmeti Tasarım Değişikleri Ayrıntılı Tasarım ve İmalat Tasarım Değişikleri Kontrol Sistemi Test Düzenekleri (Kompresör, yanma odası, v.b.) Aerodinamik Modifikasyonlar Tasarım Noktası Harici Performans Yeni Motor Versiyonları

Gaz Türbin Motorları İçin İstasyon Numaralaması (ARP 755A’ya göre)

#Konum# 0Serbest akım4.5Soğutma akımı mikser 2 çıkışı 1Hava alığı girişiDüşük basınçlı türbin girişi 2Hava alığı çıkışı, fan girişi5Düşük basınçlı türbin çıkışı 13Fan çıkışı6Çekkirdek akışın miksere girişi 2.5Düşük basınçlı kompresör çıkışı16Fan by-pass akımının miksere girişi Yüksek basınçlı kompresör girişi6AMikser çıkışı 3Yüksek basınçlı kompresör çıkışıArt yakıcı girişi 3.1Yanma odası girişi7Art yakıcı çıkışı 4Yanma odası çıkışıEksoz lülesi girişi Lüle vanaları girişi8Eksoz lülesi boynu Soğutma akımı 1 girişi9Eksoz lülesi çıkışı Yüksek basınçlı türbin girişi 4.1Lüle vanaları çıkışı Soğutma akımı 1 çıkışı Yüksek basınçlı türbin girişi 4.4Yüksek basınçlı türbin çıkışı Soğutma akımı mikser girişi

Güç Dağıtımı ile Tahliye ve Türbin Soğutma Akımları Şeması

İşaretKomponentİstasyon ABArt yakıcı6A→7 bYanma odası3.1→4 CKompresör2→3 cHYüksek basınçlı kompresör2.5→3 cLDüşük basınçlı kompresör2→2.5 dDifüzör (hava alığı)0→2 fFan2→13 -Fan borusu13→16 m1Soğutma sıvısı mikseri 14→4.1 m2Soğutma sıvısı mikseri 24.4→4.5 MMikser6→6A nEksoz lülesi7→9 tTürbin4→5 tHYüksek basınçlı türbin4→4.5 tLDüşük basınçlı türbin4.5→5 Kompresör toplam basınç ve sıcaklık oranları

Kütle Akım Şeması Kütle akım debilerini boyutsuz şekilde ifade etmek analizi kolaylaştırır.

İndisTanımİstasyon bTahliye (bleed) akımı3-3.1 CMotor boyunca çekirdek akış2.5,3 c1Yüksek basınç türbini yönlendirme vanası için soğutma akımı3-3.1, c2Yüksek basınç türbininin geri kalanı için soğutma akımı3-3.1, FBy-pass borusundan geçen fan akımı13-16 fAna yakıcı yakıt debisi3.1-4 fABArt yakıcı yakıt debisi6A-7 0-9Numaralı istasyondaki akış debisi