Türbin motorunun temelleri: jet itkisi nasıl üretilir

PPL eğitiminde tanıştığın pistonlu motoru hatırla: her silindir emme, sıkıştırma, yanma ve egzoz zamanlarını sırayla yaşar. Piston aşağı iner, hava dolar; piston yukarı çıkar, hava sıkışır; buji çakar, karışım patlar; piston tekrar yukarı çıkar, gazlar dışarı atılır. Aynı hacim, dört farklı işi dönüşümlü olarak yapar. Şimdi şunu hiç düşündün mü: bir yolcu uçağının motorunda bu dört iş nerede yapılıyor? Cevap, türbin motorunu anlamanın anahtarıdır. Gaz türbinli motorda (gas turbine engine) aynı dört olay yine vardır, ama artık sırayla değil, aynı anda ve motorun ayrı ayrı bölgelerinde, hiç durmadan gerçekleşir. Hava sürekli emilir, sürekli sıkıştırılır, alev sürekli yanar ve gaz sürekli dışarı akar.

Bu tek fark, jet çağını mümkün kılan farktır. Kesik kesik çalışan bir makine yerine sürekli akışlı bir makine kurduğunda, aynı ağırlıktan çok daha fazla güç alırsın, titreşim neredeyse kaybolur ve hareketli parça sayısı azalır. Bedeli ise şudur: motorun sıcak bölümü, pistonlu motorun kısa patlama anlarında gördüğü sıcaklıklara benzer sıcaklıklara sürekli maruz kalır. Bu yüzden türbin motoru pilotluğunun büyük kısmı, birazdan göreceğin gibi, sıcaklık ve devir limitlerine saygı göstermekten ibarettir.

Bu bölümde önce gaz türbininin çalışma ilkesini ve Brayton çevrimini, sonra itkinin fizikte tam olarak nereden geldiğini göreceğiz. Ardından turbojet, turbofan ve turboprop ailelerini ayırt edecek, modern yolcu uçaklarının neden yüksek bypass'lı turbofan kullandığını anlayacağız. Kokpit tarafında N1, N2 ve EGT göstergelerinin ne anlattığını, kompresör stall ve surge olaylarını, son olarak da ters itkiyi ele alacağız. Zemin olarak FAA'nın kamuya açık el kitaplarını kullanıyoruz; belirli bir uçak tipine ait limitler ve prosedürler her zaman o uçağın AFM veya POH belgesinden alınır, buradan değil.

Dört olay, tek sürekli akış: gaz türbini nasıl çalışır

FAA el kitabı turbojet motoru dört ana bölümle tanımlar: kompresör (compressor), yanma odası (combustion chamber), türbin (turbine) ve egzoz (exhaust). Havanın yolculuğunu baştan sona izleyelim. Hava, giriş ağzından (inlet) kompresöre girer. Kompresör, arka arkaya dizilmiş kademelerden oluşur ve her kademe havanın hem basıncını hem sıcaklığını biraz daha yükseltir. Eksenel akışlı (axial flow) kompresörde bu iş, motor eksenine paralel akan havayı döner ve sabit kanatçık sıralarından geçirerek yapılır; santrifüj (centrifugal flow) kompresörde ise hava, hızla dönen bir çarkla merkezden dışarı savrularak sıkıştırılır. Modern büyük motorlar ağırlıklı olarak eksenel, bazı küçük motorlar ve turboproplar ise santrifüj veya karma düzen kullanır.

Sıkıştırılmış ve ısınmış hava yanma odasına ulaşır. Buraya yakıt püskürtülür ve karışım tutuşturulur. Kritik nokta şu: ateşleme yalnızca ilk çalıştırmada gerekir; alev bir kez yandıktan sonra sürekli yanar, tıpkı bir pürmüz alevi gibi. Yanan gazlar şiddetle genişler ve motorun arkasına doğru hızlanır. Yolları üzerinde türbin vardır: genişleyen gazlar türbin çarklarını döndürür, türbin de bir şaft aracılığıyla öndeki kompresörü çevirir. Yani motor kendi kendini besleyen bir döngüdür: yanma türbini döndürür, türbin kompresörü döndürür, kompresör yanmaya hava sağlar. Türbinden geçtikten sonra gazlarda hâlâ önemli miktarda enerji kalır; bu enerji, daralan egzoz lülesinde (exhaust nozzle) hıza dönüşür ve gaz motoru yüksek hızla terk eder.

Bu sürecin termodinamik adı Brayton çevrimidir ve FAA sözlüğü onu kısaca sabit basınçlı çevrim (constant-pressure cycle) olarak tanımlar. Sabit basınç ifadesi ilk bakışta tuhaf gelebilir; motorun içinde basınç elbette yer yer çok yüksektir. Kastedilen şudur: pistonlu motorun Otto çevriminde yanma, kapalı bir hacimde basıncı aniden fırlatarak olur; Brayton çevriminde ise yanma, açık ve sürekli akan bir kanalda, yaklaşık sabit basınçta gerçekleşir ve enerji artışı kendini basınç patlaması olarak değil, gazın sıcaklığının ve hacminin büyümesi olarak gösterir. Genişleyen bu gazın gidebileceği tek yön arkadır ve motor tam da bunu ister.

Türbinin rolünü doğru kavramak önemli. Türbin bir enerji vergisi toplayıcısıdır: yanma gazlarının enerjisinin büyük bir kısmını alır ve bununla kompresörü, yakıt ve yağ pompalarını, jeneratörleri, kısacası motorun yaşaması için gereken her şeyi döndürür. Saf bir turbojet motorda vergiden artakalan enerji lülede hıza çevrilip itki olur. Birazdan göreceğin turbofan ve turboprop ise bu dengeyi bilinçli olarak değiştirir: türbin gazlardan daha da fazla enerji alır ve bunu bir fana ya da pervaneye aktarır. Hangi aileden olursa olsun her modern motorun kalbinde aynı üçlü vardır ve buna gaz jeneratörü (gas generator) ya da çekirdek (core) denir: kompresör, yanma odası, türbin.

Sürekli yanmanın pilot açısından iki yüzü vardır. İyi yüzü: türbin motoru son derece düzgün çalışır, karbüratör buzlanması gibi dertleri yoktur ve güvenilirliği yüksektir. Zorlu yüzü: motorun sıcak bölümü hiç nefes alamaz. FAA'nın jet geçiş el kitabındaki uyarı nettir: sıcaklık veya devir limitlerinin aşılması, birkaç saniyeliğine bile olsa, türbin kanatlarında ciddi hasarla sonuçlanabilir. Pistonlu motorda kısa süreli hor kullanım çoğu zaman affedilir; türbinde limit aşımı, süresi ne kadar kısa olursa olsun kayda geçer ve bakım gerektirir. Bu bakışı şimdiden edin: türbin pilotu, gösterge limitlerini pazarlık edilemez sınırlar olarak görür.