Gaz Türbinli Motor

Gaz Türbinli Motor

Gaz türbinli motor, bir türbini döndürmek için kullanılan çalışma sıvısı olarak gaz kullanan herhangi bir içten yanmalı motor türüdür. Gaz türbinli motor ayrıca geleneksel olarak en az bir kompresör, bir yanma odası ve bir türbinden oluşan tam bir içten yanmalı motoru tarif etmek için kullanılır.

Bir gaz türbinli motor, türbin egzoz akışını bir nozül den hızlandırarak itme sağlayarak sistemin hızlanmasını sağlamaktadır. Aynı çıkış için, pistonlu motordan çok daha küçük ve daha hafif olan bir motor tarafından büyük miktarda güç üretilebilir.

İçten yanmalı motor olan pistonlu motorlar, bir pistonun yukarı ve aşağı hareketine bağlıdır, bu daha sonra bir krank mili düzenlemesi ile döner harekete dönüştürülürken, bir gaz türbini doğrudan döner şaft gücü sağlar.

Gaz Türbinli Motor Gelişimi

Gaz türbinli motor 1903’ten bu yana uzun bir yol kat etti. Bu, bir gaz türbininin kendisini çalıştıracak kadar güç ürettiği ilk yıl oldu. Tasarım Norveçli mucit Aegidus Elling tarafından gerçekleştirildi ve o zamanlar büyük bir başarı olan 11 beygir gücü üretmeyi başarmıştır.

Egzoz gazlarının jet tepkisinden uçakların tahrikinde faydalanmayı tasarlayarak ilk olarak gerçekleştiren kişi İngiliz Krallık Hava kuvvetleri pilotlarından Frank Whittle‘dir. Whittle, 1930 yılında, bir gaz türbini ile bir difüzörü birleştirerek yaptığı gaz türbini motorunun patentini aldı.

 

Asıl büyük ilerlemeyi 2. Dünya Savaşından sonra olmuştur. Almanların bu yarışa katılması ile gazla çalışan türbin motoru ileri bir noktaya getirmişlerdir. Almanlar günümüzde kullanılan eksenel akışlı kompresörleri  başarıyla uygulamışlardır.

Gazla çalışan türbin motoru amaçlarına göre 4 temel gruba ayırabiliriz;

• Turbojet
• Turboprop
• Turbofan
• Turboşaft 

Çoğu gaz türbini, havanın atmosferden alındığı, santrifüjlü veya eksenel akışlı bir kompresörde sıkıştırıldığı ve daha sonra bir yanma odasına beslendiği açık bir döngüde çalışır.

Burada yakıt, havanın bir kısmı ile esasen sabit bir basınçta eklenir ve yakılır.

Yanma bölümünün etrafından atlanan ve daha sonra çok sıcak yanma gazları ile karıştırılan ilave basınçlı hava , türbinin sürekli çalışmasını sağlamak için yanma odası çıkışını (türbin girişi) sıcaklığın yeterince düşük tutması için gereklidir.

Ünite şaft gücü üretecekse, türbin içinde yanma ürünleri (çoğunlukla hava) atmosfer basıncına genişletilir.

Kompresörü çalıştırmak için türbin çıkışının çoğu gereklidir; sadece geri kalanı bir jeneratör, pompa veya başka bir cihaza şaft çalışması sağlamak için kullanılabilir.

Bir jet motorunda türbin, kompresörü ve yardımcı cihazları çalıştırmak için yeterli çıkış sağlayacak şekilde tasarlanmıştır .

Gaz akışı daha sonra türbini bir ara basınçta (lokal atmosferik basıncın üzerinde) bırakır ve itme üretmek için bir nozuldan beslenir.

Bu basitlikte kayıpsız çalışan ideal bir gaz türbini motoru ilk önce Brayton döngüsü düşünülür.

Örneğin, hava kompresöre 15 ° C‘de ve atmosfer basıncına girerse ve bir megapaskala sıkıştırılırsa, türbin içerisinden atmosfere geri dönmeden önce sıcaklık 1.100 ° C’ye ulaşana kadar sabit bir basınçta yakıttan ısıyı emer.

Bu idealize edilmiş birim, kompresörü tahrik etmek için emilen 0.68 kilowatt ile her bir kilovat yararlı güç için 1.68 kilowatt türbin çıkışı gerektirecektir. Ünitenin ısıl verimliliği (üretilen net işin yakıttan eklenen enerjiye bölünmesi ) yüzde 48 olacaktır.

Gaz Türbinli Motor Açık Çevrim Performansı

Aynı basınç ve sıcaklık sınırları arasında çalışan bir ünite için kompresör ve türbin sadece yüzde 80 verimliyse ( yani  ideal bir kompresörün çalışması gerçek işin 0.8 katına, gerçek türbin çıkışı ideal çıkışın 0.8 katına eşittir) diğer tüm bileşenler ideal kalsa bile durum büyük ölçüde değişir.

Üretilen her kilowatt net güç için, türbin şimdi 2.71 kilowatt üretirken, kompresör çalışması 1.71 kilowatt olur. Termal verimlilik yüzde 25.9′a düşüyor. Bu, yüksek verimli kompresörlerin ve türbinlerin önemini göstermektedir.

Tarihsel olarak, gaz türbini motorunun gelişimini geciktiren verimli türbinlerden bile daha verimli kompresörler tasarlamanın zorluğuydu. Modern ünitelerde kompresörler verimlilik koşullarında yüzde 86-88, türbin verimi yüzde 88-90 arasında değişmektedir.

Verimlilik ve güç çıkışı, türbin giriş sıcaklığı yükseltilerek artırılabilir. Bununla birlikte, tüm malzemeler çok yüksek sıcaklıklarda mukavemet kaybeder ve türbin kanatları yüksek hızlarda hareket ettiğinden ve şiddetli merkezkaç gerilimlerine maruz kaldığından, 1.100 ° C’nin üzerindeki türbin giriş sıcaklıkları özel bıçak soğutması gerektirir.

Her maksimum türbin giriş sıcaklığı için optimum basınç oranının da olduğu gösterilebilir. Kanat soğutmalı modern uçak gaz türbinleri, 1.370 ° C’nin üzerindeki türbin giriş sıcaklıklarında ve yaklaşık 30: 1 basınç oranlarında çalışır.

Gaz Türbinli Motor Ana Bileşenleri

Hava Alığı (Air intake):

Havanın motora girdiği kısımdır. Çok basit olmasına rağmen havanın henüz motorun başında boğulmaması ya da havanın yetersiz kalmaması adına tasarımı çok önemlidir.

Kompresör:

Kompresör hava aldığından aldığı havayı önce düşük basınç kompresörü (LPC) sonra da yüksek basınç kompresörüne (HPC) göndererek sıkıştırır. Kompresörlerde rotor ve stator vardır. Rotor ve stator ikilisine kademe denir. Her kompresör kademesinde hava daha da sıkışır. Kompresör kanatları (blade) LPC’den HPC’ye doğru gittikçe küçülür.

Yanma Odası:

Yanma odasına çok yüksek enerjiyle gelen hava yakıt ile birlikte yakılır. Yanan hava motor boyunca hareket eder ve türbinden geçer. Türbinden geçerken enerjisinin bir kısmını buraya bırakır. Turbojet motorlarında genellikle 1/40 hava kullanılır. Yani 1 birim yakıtı kullanmak için 40 birim havaya ihtiyaç vardır.

Türbin:

Türbinin çalışma prensibi aslında kompresörün tersidir. Kompresör basıncı arttırmak için iş kullanırken türbin yüksek enerjili havayı işe yani mekanik enerjiye çevirir. Türbin tasarımı da kompresör tasarımına benzerdir ve üzerlerin de kanatlar (bıçak/blade) bulunur. Türbin aldığı mekanik enerjiyi ortadan şaft yardımıyla kompresörü döndürmek için kullanır.

Egzoz:

Yanmış ve enerjisi yüksek hava egzozdan dışarı çıkarken itki üretir. Konunun başında bahsettiğimiz Newton’un 3. Kanunu burada geçerlidir. Geriye doğru çok büyük bir kuvvetle çıkan hava tepki olarak uçağa itki sağlar.

Gaz Türbinli Motor Çalışma Prensibi

Gaz Türbinli Motor aslında itkiyi sağlamak için çalışma akışkanı olarak havayı kullanan bir ısı motorudur. Bu itkiyi sağlamak için de motordan geçen havanın hızlandırılması (ivmelenmesi) gerekir. Yani havanın hızının ya da kinetik enerjisinin arttırılması şarttır.

Gaz türbinli motorların çalışma prensibi 4 zamanlı pistonlu motorlar ile benzerdir. Termodinamik yasalarına göre de değerlendirirsek; gaz türbinli motorlarda yanma sabit basınçta, pistonlu motorlarda ise sabit hacimde gerçekleşir.

Basınç Hacim Şeması

Basınç-Hacim şemasındaki döngüye bakarsak A noktası atmosferi temsil eder. AB hattı boyunca sıkıştırılan havanın basıncı artar. Sabit basınçta havayı yakmak suretiyle havaya B-C arası ısı eklenir. Böylece havanın hacmi artmış olur. Gerçek durumdaki sıcaklık, basınç ve hacimleri elde etmemiz için ideal şartlardaki değerleri bilmemiz gereklidir. Bundan dolayı anlatım kolaylılığı açısından şartları ideal kabul edip basınç kaybı olmadığını göz önüne almamız gerekir.

Gerçek şartlarda mutlaka yanma sırasında bir miktar basınç kaybı olacaktır. Diyagrama geri dönersek, yanma sonucu oluşan gazlar C-D arasında türbinden başlayarak genişler. Bu sırada döngünün bir parçası olarak gazlardaki enerjinin bir kısmı türbin tarafından mekanik güce dönüştürülür. Geri kalan gazlar ise atmosfere itici güç sağlar.

Gaz türbinli motorlar bir ısı motoru olduğu için yanma sıcaklığı ne kadar yüksekse gazların türbinde genişleyip güç üretmesi daha büyük olur. Ancak buradaki sınırlayıcı etken, yanma odasının ve türbin tasarımında kullanılan malzemeler ve sistemin mekanik özellikleridir. Yanma sıcaklığı bu belirtilen özellikleri aşmamalıdır.