Turbojet, turbofan, turboprop: aynı çekirdek, farklı görevler
Üç motor tipi de aynı termodinamik çekirdeği paylaşır: hava kompresörde sıkıştırılır, yanma odasında yakıtla karıştırılıp yakılır, oluşan yüksek enerjili gaz türbinde genişleyerek kompresörü döndürür. Fark, geriye kalan enerjinin nasıl itkiye çevrildiğindedir. Turbojet enerjinin tamamını yüksek hızlı bir egzoz jetine dönüştürür; yüksek hızlarda etkilidir ama düşük hızda verimsiz ve gürültülüdür. Turbofan enerjinin büyük bölümünü öne yerleştirilen bir fanı döndürmek için kullanır ve çekirdeğin çevresinden çok daha büyük bir hava kütlesini daha düşük hızda iter. Turboprop aynı mantığı bir pervaneyle daha da ileri götürür. Fizik aynıdır: aynı itkiyi daha büyük bir hava kütlesini daha az hızlandırarak üretmek her zaman daha verimlidir.
Verim artışı neden giderek zorlaşıyor?
Bir gaz türbininin termik verimi, büyük ölçüde türbin girişi sıcaklığı ve kompresör basınç oranı tarafından belirlenir. Her ikisini de artırmak verimi yükseltir; ama türbin girişi sıcaklığı malzemelerin dayanım sınırına, basınç oranı ise kompresör aerodinamiğinin ve motor ağırlığının sınırlarına dayanır. Türbin kanatlarının film soğutmayla korunması bu sınırı biraz ileri iter, fakat soğutma için ayrılan hava çevrimden çekildiği için kendi başına bir verim bedeli yaratır. Bugünkü motorlar bu dengelerin çoğunu zaten optimize etmiş durumdadır; bu yüzden kalan iyileştirme payı küçülmüş ve her yeni yüzde puanı daha pahalı hâle gelmiştir. Bu noktada nerede iyileştirme yapılacağını belirlemek için ekserji temelli değerlendirme yöntemleri devreye girer.
Tasarım noktası değil, görev profili
Motorlar tek bir tasarım noktasında sertifikalandırılır ama ömrü boyunca kalkış, tırmanış, seyir ve iniş gibi çok farklı rejimlerde çalışır. Gerçek performansı anlamak için değerlendirmenin görev profili boyunca yapılması gerekir. Prof. Dr. Yasin Şöhret’in çalışmaları arasında bir kargo uçağı motorunun uçuş boyunca termo-çevresel değerlendirmesi, insansız hava araçlarında kullanılan yeni nesil bir turbojet motorun termodinamik temelli analizi ve bir turboprop motorun çevresel ve enviroekonomik değerlendirmesi yer alır.
İnsansız hava araçları farklı bir tasarım problemi
İnsansız hava araçlarının itki sistemleri, yolcu uçaklarından farklı kısıtlarla tasarlanır: görev süresi, irtifa profili, ağırlık bütçesi ve maliyet dengesi bambaşkadır. Bu nedenle klasik ticari havacılık için geliştirilmiş performans ölçütleri doğrudan uygulanamaz. Şöhret’in bu alandaki çalışmaları arasında insansız hava araçlarının kapsamlı sınıflandırılması ve askeri kullanım için bir sınıflandırma önerisi ile İHA’larda kullanılan turbojet motorların termodinamik değerlendirmesi bulunmaktadır.
Yanma ve emisyon tahmini
Motor performansı ile emisyon oluşumu aynı sürecin iki yüzüdür: yanma odasındaki sıcaklık, basınç ve karışım koşulları hem üretilen gücü hem de azot oksit ve partikül oluşumunu belirler. Bu yüzden emisyonu ayrı bir sonradan-düzeltme problemi olarak ele almak yerine, yanma modelinin içinde birlikte hesaplamak gerekir. Şöhret’in çalışmaları arasında bir turboprop motorun yanma performansı ve emisyonlarının tahmini için model geliştirilmesi ve yapay sinir ağlarıyla emisyon karakteristiği tahmini yer alır.
