Turbofan Motorlar – Trent 1000

Bu bölümde inceleyeceğimiz motor tipi Turbofandır. Şu anda 787’de kullanılan Trent 1000 tipi motorlar Rolls Royce firmasının ürünü olup turbofan motorlar arasında en gelişmiş olanlardan  biridir. Öncelikle turbofanın genel prensibini inceleyip daha sonra Trent 1000 ile devam edelim.

Bu tip motorlar enerji üretimi olarak diğerlerinden ayrılır. Normal bir türbin motorda motora giren tüm hava kompresör ile yanma odasına iletilip enerji üretimi ve soğuma için kullanılır. Turbofan motorda içi motorun etrafında kanallar bulunur.Giren havanın büyük bir kısmı bu kanallarla geriye itilir ve hiçbir yanma işlemine uğramaz. Yani öndeki büyük fan tarafından hızlandırılan havanın büyük çoğunluğu pervaneli uçaklarda olduğu gibi geri itilir. Havanın diğer kısmı ise fanı döndürmek için üretilmesi gereken gücü sağlamakta kullanılır. Motorun içine giren havanın , etrafından  dışarı akan havaya oranına by-pass oranı denir. Yani motorun yanma odasını by-pass eden hava oranı. Tasarımına göre yüksek ve alçak olarak ikiye ayrılır.

Bu fan sayesinde F=mxa formülündeki kütle ses altı hızlar için önemli artış gösterir. Aynı koşullar  için turbojetler oldukça yüksek yakıt tüketimi yaparken turbofan daha verimli çalışır.

Turbofan motorun çalışma prensibini anlatan bu video ile devam edelim:

Yüksek by-pass oranı ticari hava taşımacılığında maliyete göre verimliliğe büyük ölçüde katkı yaptığı için kullanılan en yaygın motordur. Düşük by-pass oranı ise daha çok askeri uçaklarda after-burner  sistemi ile kullanılarak ani yüksek güç artışı yapılır.

Turbofan motorlarda tasarımına göre kompresör için ikili yada üçlü bobin sistemi kullanılabilir. İkili bobin kullanıldığında kompresör yüksek ve düşük basınç kompresör olarak ikiye ayrılır ve fan düşük basınç türbinine bağlı olarak aynı hızda döner.

Üçlü bobin kompresör sistemi kullanılan motorlarda bir şaft daha eklenerek ara basınç türbini ile düşük basınç kompresörü, düşük basınç türbini ile fan ve yüksek basınç türbini ile yüksek basınç kompresörü döndürülür.

“Üçlü şaft geliştirildi” yazmak kolay ama geliştirme süreci tahmin edebileceğinizden daha zor oldu. 2003 yılı verilerine göre General Electrics  %56, Rolls Royce %20 ve Pratt-Whitney ‘nin  %12’lik pay sahibi olduğu motor sanayinde Rolls Royce en ağır darbeyi bu üçlü şaft sistemi yüzünden aldı. 1960’larda 27 yıllık köklü bir firma olan Rolls Royce üçlü şaft geliştirme sürecinde yaptığı yatırımlardan dolayı zor duruma düştü.Amacı daha verimli bir motor ve yüksek güç üretmekti. Fakat başarısız denemeler üst üste gelip firmayı iflasa sürükledi. Üçlü şaft sistemine sahip ilk motor  ilk çalışmasını firma iflas etmeden bir gün önce saat beşte yaptı. Ertesi gün firma iflas ettiğini açıkladı. Daha sonra devlet desteği ile yeniden çalışmaya başlayan fabrika günümüzde pazarda önemli bir paya sahip. İşte geliştirilen bu sistem ile kompresör ve fan birbirinden ayrıldı. Her bölüm kendisi için optimum hızda dönerek farklı türbinlerden güç aldı ve verim önemli ölçüde artış gösterdi. Diğer detaylarımıza 787 ‘ye can veren Trent 1000 üzerinden devam edelim .

Trent 1000 motoru üçlü şaft sistemi kullanan, yüksek by-pass oranlı, aksiyel akışlı, düşük-orta-yüksek basınç türbinlerine sahip kompresörlerin farklı türbinler tarafında koaksiyel(birbirinin tersine dönen) şartlarda çevrildiği bir turbofan motordur.

Genel Özellikleri:

Tip:3’lü Şaft Yüksek By-Pass Oranı -10.8-1

Uzunluk:4,738m

Fan :2,85m 20 bıçaklı(112″)

Kuru Ağırlık: 5,765 ton

Kalkış Gücü :53000-75000 lbf

Performans:

Maksimum İtiş: 53000-75000 lbf(240-330 km)

İtiş Ağırlık oranı:6,189-1

Kütle Akışı :2400-2670 lb/s

Şimdi kısaca parçalara göz atalım:

Fan Sistemi:

Fan bıçakları 100 cm uzunluğunda 40 cm genişliğinde ok tipi yapıdadır. Her fan bıçağı 10 kg ağırlıktadır. Düşük ağırlık ile fanı döndürmek için daha az kuvvet gerekir ve böylece yakıt tasarrufu sağlar. Fakat bir o kadar da sağlam olmalıdırlar. Bu yüzden boşluklu titanyum tasarım ile üretilerek hem  hafiflik ve hem dayanıklılık sağlanır.  Dayanıklılığı 1000 MP’a yani kalkışta maruz kaldığı kuvvet olarak ifade edelim.  Her fan bıçağı ucundan 9 adet Londra otobüsü asılmış kadar kuvvete maruz kalır. Ayrıca bu kıvrık kanatlar gürültü seviyesini de oldukça azaltır. Sonuç olarak yaptığı iş dehşete düşürücü:

Dakikada 3300 kez dönerek kanatçık uçları 1730 km/s hıza ulaşır ve saniyede 1 ton hava iterek motorun gücünün %85 ‘ini oluşturur.

Kompresör Kısmı:

Kompresör Kısmı iki ayrı bölümden oluşur: Düşük Basınç Kompresörü-Yüksek Basınç Kompresörü

Her ikisi de aksiyel akışla çalışır. Santrifüj kompresör bulunmaz. Kompresörün önünde hava 150oC iken yüksek basınçlı kompresör sonunda 700oC ‘ye ulaşır. Yaklaşık 10000 RPM de sıkıştırma yapılır.

a)Düşük Basınç Kompresörü: Ara türbinden güç alır ve diğerleri gibi bağımsız dönen 8 set döner ve sabit kanatçık bulunur. Sabit kanatçıklar değişken açıdan olup 44 noktadan de-ice sistemi kullanılır. En önemli özelliklerinden biri de ara kompresöre bağlı çift jeneratör/starter sayesinde elektrikle çalışabilir ve aynı zamanda motor çalışıtğında 0.5 MV elektrik enerjisi sağalayabilir. Tersine dönen yüksek basınç kompresör sayesinde de daha etkili çalışır.

b)Yüksek Basınç Komporesörü: 6 aksiyelden oluşan sistem gücünü yanma odasına en yakın türbinden alır. Son iki set özel nikel toz ile kaplanmış ve sıcaklığa dayanıklılığı arttırılmıştır.

Yanma Odası:

Yanma Odası şeklinden de anlaşılacağı gibi temin edilen hava önce yanma sonraki bölümlerde ise  soğutma için kullanılır. Yanma odasındaki sıcaklık nikel karışımın erime sıcaklığının üstünde olduğu için termal bariyer ve hava ile soğutma sağlanır. Sıcaklık yaklaşık 2100oC ve bariyer kalınlığı 2500 mm’dir. Burdaki materyal 2700-2850oC’ye kadar dayanıklıdır. Bölümde 18 yakıt nozzle’ı vardır. Ayrıca ısıya dayanıklı seramik kaplama ile NO2 emisyonu azaltılır.

Türbin Bölümü:

10000 RPM ve 1600oC sıcaklıkta çalışan türbin bıçaklarının hepsi 560 KW enerji üreten kristal ve nikel alaşımdan olan kanatçıklar 5 milyon mil ömre sahiptir.

Yüksek Basınç Türbini : Kanatçık ucu boşluğu aktif olarak kontrol edilip minimum kayıp verilir. Azaltılmış kanatçıkların sayısı 66 olup 12000 devirde dönerler. Ara türbin aksi yönüne dönerek verimlilik arttırılır. Çıkan gazın sıcaklığı türbin materyalinin 350oC üzerinde olduğu için kanatçıkların içinde bulunan kanallar sayesinde kompresörden alınan hava ile soğutulmaya çalışılır.

Düşük Basınç Türbini: 6 bölümden oluşan türbinin görevi ana işlevi yapan fanı döndürmektir. Bunun için hafif ve dayanıklı olarak tasarlanmıştır.

Motorun Diğer Özellikleri:

Motorun arka kısmındaki testere dişine benzeyen çıkıntılar sayesinde hava motor dışına tam çıkmadan dış hava ile karışmaya başlayarak gürültü azaltılır.

Değişken Frekanslı Starter Jeneratör:

Bu jeneratör tipi  motor hızına göre yani direk şafttan güç alır ve 360-800 Mhz’de güç üretebilecek şekilde tasarlanmıştır. Her motorda ikişer ve APU’da iki adet olmak üzere toplam 6 adettir. 235 V AC ve 250 kiloamper kapasiteli ana jeneratör ile 250 V AC 225 kiloamper üretebilen APU jeneratörü uçağı 1.45 MV güç sağlar. Bu jeneratörlerin asıl devrim yaratan özelliği Boeing 787’nin tasarım felsefesinde yatar. “More Electric” (Daha Fazla Elektrik). Bu motorda bleed air istemi yoktur. Bunun yerine jeneratörler  dişli kutusu ile hemen hemen bütün işi kendileri yapar. Yani jeneratörler kabin hava kompresörü, ana yakıt tankı pompaları, ışıklandırmayı,frenleri,aviyonik sistemleri, kanat anti ice, kargo ısıtması, yatay stabilize, ön cam ısıtmasını, motor ateşleme sistemini ayrıca fly-by-wire kontrol sistemi için yedeklemeyi de yapar. Asıl devrim ise turbofan motor çalıştırması için gerekli hava basıncını sağlayan ve gereksiz ağırlık yapan starter kompresör de ortadan kaldırılarak sadece elektrik gücü ile motorların çalıştırılabilmesini sağlar. Peki hepsi iyi de elektriğe bu kadar bağlı uçak tek motorda yeterli elektrik  gücü sağlayabilir mi? Cevap elbette bunun mühendisler de düşünmüş. 5.5 saatlik tek motor çalışma testi sonucunda elektrik sisteminin halen yeterince kuvvetli çalıştığı test edilmiştir.

Üretilen elektrik gücünü kafanızda canlandırmak için şöyle diyelim 400 evin enerjisini sağlar. İşte bu teknolojiler ile 180000 motor parçası ve 3 aile arabası ağırlığı ile %20 tasarruf ve daha az ağırlık ve daha düşük emisyon değerleri sağlanmış ve gürültü konusunda ses 3 Db  azaltılmıştır.

İşte bu harika motorun nasıl üretildiğini anlatan en güzel belgesel :

Bir daha 787 gördüğünüzde tekrar bakın….