80 Kn Gücünde Bir Turbofan Motorun Yanma Veriminin Egzoz Emisyonları Yardımıyla Hesaplanması

Transkript

1 80 Kn Gücünde Bir Turbofan Motorun Yanma Veriminin Egzoz Emisyonları Yardımıyla Hesaplanması Combustion Efficiency Calculation Of A 80 Kn Power Turbofan Engine With The Aid Of Exhaust Emissions Yasin Şöhret 1, Ali Dinç 2, T. Hikmet Karakoç 3 ABSTRACT: Aviation industry in Turkey grows rapidly depending on conducted researches in the framework of TUBITAK 2023 Prospect Report. Thus, air transportation becomes widespread as well as national air vehicle projects are pursued. In this case, assessing environmental impact of aerial vehicles, especially passenger aircrafts, is a mandatory. In the present paper, exhaust emission characteristics of an aircraft gas turbine engine is revealed and a novel approach for combustion efficiency of the gas turbine engine with the aid of exhaust emission data is presented. In this way, emitted exhaust gas from an aircraft engine is proven to be a tool for evaluation of the combustion efficiency as a performance parameter in addition to environmental impact assessment. Key Words: Aircraft engine, Combustion efficiency, Emission, Turbofan. ÖZET: Ülkemizde, TÜBİTAK 2023 Vizyon Raporu doğrultusunda yürütülen çalışmaların neticesinde havacılık sektörü hızla büyümektedir. Dolayısıyla, hem milli uçak geliştirme projeleri yürütülürken diğer yandan da hava ulaşımının kullanımı da yaygınlaşmaktadır. Bu durum hava araçlarının, özellikle de yolcu uçaklarının çevresel etkilerinin irdelenmesini gerekli kılmaktadır. Bu çalışma, bir yolcu uçağında kullanılan bir gaz türbinli motorun egzoz emisyon değerlerini ortaya koymayı ve bu değerlerin yardımıyla yanma verimi hesabına yeni bir yaklaşım getirmeyi hedeflemektedir. Böylelikle, uçak motorundan salınan egzoz gazları, çevresel etki değerlendirmesinin yanı sıra bir performans ölçütü olan yanma verimini belirlemek için yeni bir araç olarak ortaya konulmuştur. Anahtar Kelime:Emisyon, Turbofan, Uçak motoru, Yanma verimi. 1. GİRİŞ: Günümüzde havacılık sektörünün hızlı büyümesine bağlı olarak, hava araçlarının çevresel etkileri sıkça tartışılmaktadır. Özellikle yolcu uçakları ve askeri uçaklarda kullanılan gaz türbinli motorların egzoz emisyonlarının takibi ve azaltılmasına yönelik pek çok çalışma yürütülmektedir. Bu kapsamda yetkili olan kuruluşların yapmış oldukları düzenlemeler ile emisyonlar kontrol altında tutulabilmektedir. Diğer yandan bilimsel açıdan da irdelemeler ve değerlendirmeler yapılmıştır (Mahashabde vd., 2011). 1 Doktora Öğrencisi, Anadolu Üniversitesi, ysohret@gmail.com. 2 Baş Mühendis, Tusaş Motor Sanayii,Ali.Dinc@tei.com.tr. 3 Prof. Dr., Anadolu Üniversitesi, hkarakoc@anadolu.edu.tr. 18

2 Uçak egzoz emisyonlarının atmosfer üzerinde ciddi etkileri vardır. Özellikle troposfer katmanının üstünde daha etkili olan uçak egzoz emisyonları, ozon katmanının delinmesinden de sorumlu olarak gösterilmektedir (Beck vd., 1992; Wulff ve Hourmouziadis, 1997; Kesgin, 2006). Beck vd. (1992), iki boyutlu model yardımıyla uçak egzoz emisyonlarının atmosferin troposfer katmanına etkilerini incelemişlerdir. Araştırmacılar, ozon oluşumunu özellikle göz önünde bulundurmuş ve küresel ısınmaya etkilerinin ciddi boyutlarda olduğunu vurgulamışlardır. Yapılan bir diğer çalışmada (Filippone, 2008), uçak motorlarının tasarım parametreleri ve uçuş bilgileri ile karbondioksit emisyonlar arasındaki ilişki parametrik olarak incelenmiştir. Bu çalışmada kullanılan özgün bir yazılım ile uçuş menzili, yolcu sayısı, paralı yük ve uçuş türü (doğrudan veya durarak) gibi etkenler irdelenmiştir. Kore'de yapılan bir araştırmada (Hu vd.,2009), yolcu uçaklarından salınan sera gazları ve bunun sonucunda oluşan hava kirliliği ele alınmıştır. Bu çerçevede havaalanı çevresinde gerçek zamanlı ölçümler gerçekleştirilerek havayolu trafiğinin bölgesel hava kirliliğine etkisi ortaya konulmuştur. Santoni vd. (2011), yaptıkları çalışmada alternatif yakıt ve geleneksel havacılık yakıtı kullanan bir gaz türbinli uçak motorunun egzoz emisyon değerlerini kıyaslamışlardır. Bu çalışmada azot oksit ve yanmamış hidrokarbon emisyonlarının üzerinde durulurken, yüksek itki koşullarında egzozdan atılan yanmamış hidrokarbon miktarının ortamda bulunandan daha az miktarda olduğu belirlenmiştir. Yılmaz ve İlbaş (2012) tarafından yapılan çalışmada, farklı uçak motorlarının emisyon karakteristikleri ortaya koyulmuş ve çalışma sonucunda alternatif yakıt kullanımı ile emisyon değerlerinin azaltılabileceği belirtilmiştir. Bir diğer çalışmada (Starik vd., 2013), çalıştırma koşullarının emisyon oluşumuna etkileri nümerik yöntemlerle incelenmiştir. Çalışmada kullanılan model, denkleşmemiş yanma sürecine ve yanma gazlarının dağılımına dayalı olarak kurulmuştur. Model ile elde edilen sonuçlar ölçülen emisyonlar ile örtüşmüş ve model doğrulanmıştır. Ekici vd. (2013), Türkiye'deki en yoğun havalimanlarına iniş kalkış yapan yolcu uçaklarını belirlemişlerdir. Devamında belirledikleri bu uçaklardan kaynaklanan ve çevresel kirliliğe neden olan egzoz emisyonlarını irdelemişlerdir. Bir diğer çalışmada (Naugle ve Fox, 2014), uçak egzoz emisyonlarının çevresel kirliliğe olan katkısı irdelenmiştir. Ayrıca bu çalışmada, uçak egzoz emisyonlarının neden olduğu sağlık sorunları üzerinde de durulmuştur. Altuntaş (2014), bir turbojet motorun geleneksel havacılık yakıtı ve sıvı hidrojen kullanması durumlarındaki çevresel etkilerini metre irtifa ve Mach sayısı koşulları için ele almıştır. Çalışma sonucunda, yüksek irtifa ve düşük Mach sayısının olduğu durumlarda çevresel etkilerinin iyileştiği belirtilmiştir. Yakın zamanda yapılan bir çalışma kapsamında (Pitari vd., 2015), uçaklardan kaynaklanan azot oksitler ve aerosolların birleşiminin ozon tabakası üzerindeki etkisi ortaya koyulmuştur. Araştırmacılar üç etkenli kimyasal taşınım modelinden yararlanmıştır. Böylece, karbon dioksit ve aerosol miktar değişimine bağlı zorla ışınımsal etkilerin değişimini ortaya koymuşlardır. Moore vd. (2015) kullanılan yakıtın bileşimine bağlı olarak bir turbofan motordan salınan kirleticilerin değişimini gözlemlemiştir. Bu kapsamda farklı bileşenlere sahip on beş farklı yakıt denenmiştir. Sonuç olarak yakıtın aromatik bileşenleri ile sülfür içeriğinin, emisyon ve aerosol oluşumunda en önemli unsurlar olduğu bulunmuştur. Wasiuk vd. (2015) ise, ticari uçaklardan kaynaklanan emisyon ve motorun özgül yakıt tüketimini tahminlemek için bir performans modeli geliştirmiştir. Bu model, halen kullanılmakta olan emisyon veri tabanının güncellenmesi için geliştirilmiştir. Modelden elde edilen sonuçlar, Amerika Havacılık Otoritesi (FAA)'nden alınan veriler ile doğrulanmıştır. Yukarıda erişilebilir literatürden verilen örneklere bakıldığında, uçak motorlarından salınan kirleticiler genellikle çevresel etkileri bakımından irdelenmiştir. Ancak, egzoz emisyonları aynı zamanda da gaz türbinli motor içerisinde gerçekleşen yanma tepkimesi hakkında da bilgi vermektedir. Bu çalışmada, uçak motoru egzoz emisyonlarının yanma niteliğini anlamak için kullanım yöntemi tanıtılmış ve bir uygulama ile örneklenmiştir. 2. YÖNTEM: Gaz türbinli motorlar içerisinde gerçekleşen yanma tepkimesi için genel olarak aşağıdaki ifade yazılabilir (Şöhret, 2013): 19

3 Bu yanma tepkimesinde; m n p q r A B : yakıtın kimyasal yapısındaki karbonun mol sayısı : yakıtın kimyasal yapısındaki hidrojenin mol sayısı : yakıtın kimyasal yapısındaki oksijenin mol sayısı : yakıtın kimyasal yapısındaki azotun mol sayısı : yakıtın kimyasal yapısındaki kükürdün mol sayısı : hava ve bileşenlerinin mol sayısı : tepkime ürünlerinin mol sayısı kavramlarını göstermektedir. Bu ifadeden de görüleceği üzere, yanma sonucu açığa çıkan yanma ürünleri yukarıda sözü edilen egzoz emisyonlarıdır. Bu durumda çalıştırılan bir gaz türbinli motordan ölçümlerle elde edilecek emisyon verileri ile tepkimenin denkleştirilmesi mümkündür. Bu denkleştirme neticesinde, yakıtın hava ile tepkimeye girme oranı belirlenebilir. Yakıt ile havanın ne oranda kimyasal tepkimeye girebildiği ve bu tepkimenin mükemmelliği yanma verimi ile ifade edilir. Yanma verimi, genel olarak aşağıdaki şekilde yazılabilir (Şöhret, 2013): Bu ifadede, yakıtın alt ısıl değerini ve emisyon indeksini göstermekte olup, karbonmonoksit ve yanmamış hidrokarbonlar için emisyon indeksi sırasıyla şu şekilde hesaplanır (Şöhret, 2013): Bu çalışmada incelenen gaz türbinli uçak motoru 80 kn gücünde bir tubofan tipidir. Havayolları tarafından kullanılan COMAC ARJ21 ailesi uçakların güç ünitesi olan motorun by-pass oranı 5:1 ve basınç oranı 29:1 dir (General Electric, 2015). Çalışma çerçevesinde, söz konusu motorun ICAO kalkış-iniş döngüsü yönergelerine uygun olarak ölçülen emisyon verileri kullanılmıştır. Şekil 1 de şematik olarak gösterilen ICAO kalkış-iniş 20

4 döngüsü yönergeleri doğrultusunda motor sırasıyla 0.7, 2.2 ve 4.0 dakika boyunca %100, %85 ve %30 oransal çıkış güçlerinde kalkış, tırmanma ve yaklaşma uçuş evreleri için ölçülmüştür (ICAO, 199) lşekil-1: ICAO İniş Kakış Döngüsü Kaynak: ICAO, SONUÇ: Çalışma kapsamında ele alınan turbofan tipi gaz türbinli motorun kalkış-iniş döngüsü için ölçülen emisyon verileri Tablo 1 de verilmiştir. Şekil 2 den de görüldüğü üzere, azot oksit emisyonları azalırken karbon monoksit emisyonu artış göstermektedir. Tablo 1: İncelenen Turbofan Motorun Emisyon Karakteristiği Uçuş Evresi EI(CO) (g/kg) EI(C x H y )(g/kg) EI(NOx) (g/kg) Kalkış Tırmanma Yaklaşma Kaynak: ICAO,

5 Şekil-2: Turbofan Motorun Emisyon Verilerinin Uçuş Evreleri ile Değişimi Şekil-3: Turbofan Motorun Yanma Veriminin Uçuş Evreleri ile Değişimi Motora ait emisyon verileri kullanılarak yapılan hesaplamalar sonucunda, incelenen gaz türbinli motorun yanma verimi sırasıyla kalkış, tırmanma ve yaklaşma uçuş evreleri için sırasıyla % , % ve % olarak bulunmuştur. Bu değişim Şekil 3 den açıkça görülmektedir. 22

6 Çalışma sonucunda bulunan yanma verim değeri günümüzde kullanılan pek çok gaz türbinli motorun gelmiş olduğu teknolojik düzeyi ortaya koymaktadır. Bu derecede yüksek olan yanma verimi, yakıtın ideal koşullara çok yakın düzeyde yandığını göstermektedir. KAYNAKÇA: A. Wulff, J. Hourmouziadis (1997), Technology Review of Aeroengine Pollutant Emissions, Aerospace Science and Technology, Vol. 8, pp A.M. Starik, A.B. Lebedev, A.M. Savel ev, N.S. Titova, P. Leyland (2013), Impact of Operating Regime on Aviation Engine Emissions: Modeling Study, Journal of Propulsion and Power, Vol. 29, pp Antonio Filippone (2008), Analysis of Carbon-Dioxide Emissions from Transport Aircraft, Journal of Aircraft, Vol. 45, pp Anuja Mahashabde, Philip Wolfe, Akshay Ashok, Christopher Dorbian, Qinxian He, Alice Fan, Stephen Lukachko, Aleksandra Mozdzanowska, Christoph Wollersheim, Steven R.H. Barrett, Maryalice Locke, Ian A. Waitz (2011), Assessing the environmental impacts of aircraft noise and emissions, Progress in Aerospace Sciences, Vol. 47, No. 1, pp D. Naugle, D. Fox, (2014), Aircraft and Air Pollution, Environmental Science and Technology, Vol. 15, pp D.K. Wasiuk, M.H. Lowenberg, D.E. Shallcross (2015), An aircraft performance model implementation for the estimation of global and regional commercial aviation fuel burn and emissions, Transportation Research Part D, Vol. 35, pp G. Pitari, D. Iachetti, G. Di Genova, N. De Luca, O.A. Sovde, O. Hodnebrog, D.S. Lee, L.L. Lim, (2015), Impact of Coupled NOx/Aerosol Aircraft Emissions on Ozone Photochemistry and Radiative Forcing, Atmosphere, Vol. 6, pp G. Santoni, B. Lee, E. Wood, S. Herndon, R. Miake-Lye, S. Wofsy, J. McManus, D. Nelson, M. Zahniser (2011), Aircraft Emissions of Methane and Nitrous Oxide during the Alternative Aviation Fuel Experiment, Environmental Science & Technology, Vol. 45, pp General Electric (2015), CF34-10A Datasheet, [ tarihinde erişilmiştir.] ICAO (2015), ICAO Aircraft Engine Emissions Databank, [ tarihinde erişilmiştir.] İ. Yilmaz, M. İlbaş (2012), Investigation of Pollutant Emissions in Aircraft Gas Turbine Engines, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, Vol. 27, pp Jeannette P. Beck, Claire E. Reeves, Frank A.A.M. de Leeuw, Stuart A. Penkett (1992), The effect of aircraft emissions on tropospheric ozone in the Northern Hemisphere, Atmospheric Environment, Vol. 26, pp Önder Altuntaş (2014), Designation of Environmental Impacts and Damages of Turbojet Engine: A Case Study with GE-J85, Atmosphere, Vol. 5, pp R.H. Moore, M. Shook, A. Beyesdorf, C. Corr, S. Herndon, W.B. Knighton, R. Miake-Lye, K.L. Thornhill, E.L. Winstead, Z. Yu, I.D. Ziemba, B.E. Anderson (2015), Influence of Jet Fuel Composition on Aircraft Engine 23

7 Emissions: A Synthesis of Aerosol Emissions Data from the NASA APEX, AAFEX, and ACCESS Missions, Energy &Fuels, Vol. 29, pp Selçuk Ekici, Görkem Yalın, Önder Altuntas, T. Hikmet Karakoc, (2013), Calculation of HC, CO and NOx from civil aviation in Turkey in 2012, International Journal of Environment and Pollution, Vol. 53, pp Shishan Hu, Scott Fruin, Kathleen Kozawa, Steve Mara, Arthur M. Winer, Suzanne E. Paulson (2009), Aircraft Emission Impacts In A Neighborhood Adjacent To A General Aviation Airport In Southern California, Environmental Science & Technology, Vol. 43, pp Uğur Kesgin (2006), Aircraft emissions at Turkish airports, Energy, Vol. 31, pp Yasin Şöhret (2013), Deneysel Bir Turbojet Motorunun Yanma Veriminin Motor Emisyonlarıyla Belirlenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Anadolu Universitesi. 24