YÜKSEK BYPASSLI TURBOFAN MOTORLARININ

Yüksek Bypassl Turbofan Motorlarn Tasarm Noktas Analizleri HAVACILIK VE UZAY TEKNOLOJLER DERG OCAK 8 CLT 3 SAYI 3 (1-8) YÜKSEK BYPASSLI TURBOFAN MOTORLARININ TASARIM NOKTASI ANALZLER Önder TURAN Anadolu Üniversitesi SHYO, Eskiehir onderturan@anadolu.edu.tr lkay ORHAN Anadolu Üniversitesi SHYO, Eskiehir iorhan@anadolu.edu.tr T.Hikmet KARAKOÇ Anadolu Üniversitesi SHYO, Eskiehir hkarakoc@anadolu.edu.tr ÖZET Bu çalmada, sivil yolcu uçaklarnda kullanlan yüksek bypassl, ayrk ak ve ardyanmasz turbofan motorlarn tasarm noktas performans incelenmi, tasarm dekenleri (kompresör srma oran, fan rma oran, türbin giri scakl, bypass oran, soutma havas oranlar, lülelerdeki basnç kayplar gibi) ve farkl uçu koullarn (uçu irtifas ve uçu Mach say gibi) motor performans üzerindeki etkileri aralmr. Analizlerin yaplmas için Visual Basic 6. programlama dilinde bir yazm gelitirilmitir. Özgül yakt sarfiyat ve özgül itki gibi performans parametrelerinin uçu ve tasarm koullarndaki deerleri gelitirilen bu yazm yardyla hesaplanm ve performans erileri elde edilmitir. Anahtar Kelimeler: Yüksek Bypassl Turbofan, Parametrik Analiz, Ön Tasarm, tki, Gaz Türbini ON-DESIGN ANALYSIS OF HIGH BYPASS TURBOFAN ENGINES ABSTRACT In this paper, on design analysis of high bypass turbofan engines with separate flow and no afterburning used in commercial aircraft was analysed and then effects of some design variables (e.g. compressor pressure ratio, fan pressure ratio,turbine inlet temperature, bypass ratio, cooling air ratio, nozzles pressure losses) and effects of different flight conditions (e.g. flight altitude and flight Mach number) on the engine performance were investigated. A new software program had been developed for this purpose in Visual Basic 6. programming language. Values of the engine performance parameters such as specific fuel consumption and specific thrust were calculated and then performance curves were obtained in this software program. Keywords: High Bypass Turbofan, Parametric Analysis, Preliminary Design, Propulsion, Gas Turbine 1.G Günümüzde orta ve uzun menzilli sivil yolcu ve kargo tamac gerek ülkemizde gerekse dünya üzerinde büyük bir ivme kazanmr. 6-5 yllar arasnda dünya üzerindeki ticari hava tamacnda kullanlan uçaklarn ve bu uçaklarda kullanlan motorlarn pazar ararmas motor yapmclar tarafndan yaplmaktadr. Rolls-Royce firmasn [1] yapt pazar ararmasna göre önümüzdeki yllk süreçte 13-18 koltuk kapasiteli yolcu uçaklarn pazara hakim olaca görülmektedir. Pazarda ikinci ray i jetleri almakta olup 4 ve üzeri koltuklu yolcu uçaklarn ise pazarda en düük paya sahip olduklar öngörülmütür. Önümüzdeki 5 yllk süreçte motor itki deeri,-45, lb (97.86-.17 kn) olan motor grubunun adet olarak liderlii ele ald görülürken, deer baznda pazarn liderliini 75, lb ve üstü (333.6 kn ve üstü) itki grubuna brakt ve ikinci raya geriledii görülmektedir. Turboprop motorlar ise her iki kategoride pazarda en az paya sahiptir. Önümüzdeki yllk süreçte say olarak i jetleri ve tek koridorlu uçaklar önemli bir yer tutarken, deer baznda ise çift koridorlu ve uzun menzilli uçaklarn pazarn hakimi olaca öngörülmektedir. 5 yna kadar olan süreçte da yaplacak uçak sayn toplam deeri.7 trilyon dolar bulacaktr. Bunun %5 si çift koridorlu, %3 si ise tek koridorlu uçaklar oluturmaktadr. Küçük bir sektör olmasna ramen çift koridorlu kargo uçaklarn deeri ise bu zaman dilimi içerisinde 17 milyar dolar bulaca tahmin edilmektedir [1]. Bu durum Çizelge 1 de özetlenmitir. 1

Yüksek Bypassl Turbofan Motorlarn Tasarm Noktas Analizleri Çizelge 1. Uçak adeti ve deeri [1] Uçak tipi Uçak Deer say jeti 4,7 344 Bölgesel jet 5,745 1 Tek uçak Çift uçak koridorlu koridorlu 14,965 857 6,87 1,195 Kargo 79 171 Toplam 51,814,687 (milyar $) Uçak motor pazarndaki bu durum, uçak pazarn dinamiini ve da da göstermektedir. Uçak motor pazar, uçak kalk itki deerine göre flandlmaktadr. Bu sflandrma, ayn zamanda uçak sflandrmas için de bir referans deer olabilmektedir. Örnein kalk itkisi 6 lb (6.69 kn) olan uçaklar küçük i jetleri, 6,-, lb (6.69-97.86 kn) arasnda olanlar bölgesel jetler ve güçlü i jetleri,,-45, lb (97.86 kn-.17 kn) aralnda olanlar tek koridorlu, 45, lb (.17 kn) deerinden daha yüksek olanlar ise çift koridorlu uçaklar olarak sflandlabilir. tki gruplar maksimum itki deerine göre sflandlarak say ve deer baznda motor da Çizelge de gösterilmitir. Çizelge 3 te ise sektöre ba olarak motor da adet ve deer olarak verilmektedir. Çizelge. Uçak motor da [1] Kategori Say Deer Turboprop,1 <3 lb (<13.34 kn) 1,466 14 3-6 lb (13.34-6.69 kn) 6-1lb (6.69-44.48 kn) 1- lb (44.48 kn-97.87 kn) -45 lb (97.87-.17 kn) 45-75 lb (.17-333.6 kn) 1,684 13 15,84 7 18,14 63 9,17 185 7,934 11 >75 lb (> 333.6 kn) 1,151 193 Toplam 114,718 618 (milyar $) Çizelge 3. Uçak motor da (sektör baznda) [1] Sektör Say Deer jetleri 51,1 7 Bölgesel uçaklar 1,639 33 Büyük yolcu tamac 48,57 475 Kargo,58 4 Toplam 114,718 618 (milyar $) Yukarda açklanan pazar ararmasna göre orta ve uzun menzilli yolcu ve kargo uçaklarn pazara hakim olaca görülmektedir. Bu uçaklarda kullanlan örnek bir motor tipi ekil 1 de görülen yüksek bypassl, ayrk ak ve ardyanmasz bir turbofan motorudur. ekil 1. Yüksek bypassl turbofan motoru [] Orta ve uzun menzilli yolcu ve kargo tamacnda yüksek bypassl turbofan motorlarn kullanlmasn sebebi özgül yakt sarfiyatn turbojet, kark ak turbofan gibi dier motorlara göre düük olmasr. Özgül yakt sarfiyat, tpk özgül itki gibi bir motor performans parametresi olup motor tipinin dier motorlarla karlalmasnda önemli bir kriterdir. Tasarmda bu deerin enküçüklenmesi istenmektedir. Özgül yakt sarfiyat, özgül itki, itki, l ve toplam verimler gibi parametreler motorun önemli tasarm parametreleri olup tasarm noktas analiz (on-design veya parametrik analiz) denklemleriyle hesaplanrlar. Bu çalmada önce tasarm noktas analiz denklemleri kullanlarak gelitirilen görsel arayüzlü bilgisayar yaz tanlm ve bu yazmdan elde edilen sonuçlar anlatlmaktadr.. YÜKSEK BYPASSLI TURBOFAN MOTORUNUN TASARIM NOKTASI ANAL Tasarm noktasnda çevrim analizleri, arac akkann termodinamik deimlerini inceler. Çevrim analizleri, parametrik çevrim analizi (tasarm noktas) ve

Yüksek Bypassl Turbofan Motorlarn Tasarm Noktas Analizleri performans analizi (tasarm noktas d) olmak üzere iki bölüme ayrr. Parametrik analiz, farkl uçu koullar, farkl tasarm seçimleri (örnein kompresör rma oran) ve tasarm ktlar altnda (örnein yanma odas ç scakl) motor performans belirlemektedir. Performans analizi ise belirlenen özgül deerlere sahip motorun farkl uçu koullarnda ve güç seviyelerinde performansn hesaplanmas salar. Her iki durumda da motorun bileenleri, sahip olduklar özelliklerdeki deimlerle ifade edilirler. Örnein kompresör, toplam basnç oran ve verimindeki deimle karakterize edilir. Mutlak bir motor davran, onun geometrisiyle tespit edilir. Parametrik analizlerde motor geometrisi kullanlmamaktadr. Motorun davran, özgül itki deeri ve özgül yakt sarfiyatyla grafiksel olarak ifade edilebilmektedir. Grafikler üzerinde her bir nokta farkl bir motoru temsil eder ve bu noktalardaki motorun geometrisi de farklr. Uçak gaz türbinlerinin parametrik ve performans analiz denklemlerini çeitli kaynaklarda bulmak mümkündür [3-1]. ekil de yüksek bypassl bir turbofan motorunun istasyon numaralandlmas görülmektedir. ekil. Yüksek bypassl turbofan motorunun istasyon numaralandrmas [3] Her bir motor bileeninin koullar giri ve ç koullar istasyon numarasna göre belirtilir. Yüksek bypassl bir turbofan motorunun gerçek T-s diyagram ekil 3 te görülmektedir. Çizelge 4 te ise istasyon numaralarn açklamalar verilmektedir. Çevrim analizleri yaprken ; Yanma odas öncesinde, c alt indisi kompresörü ifade etmekte olup c (özgül lar oran), R c (gaz sabiti), C pc (sabit basnçta özgül ) deerleri sabittir ve akkan gaz mükemmel gazdr. Yanma odas sonrasnda, t alt indisi türbini ifade etmekte olup t (özgül lar oran), R t (gaz sabiti), C pt (sabit basnçta özgül ) deerleri sabittir ve akkan gaz mükemmel gazdr. 3 Kompresör, fan ve türbin verimleri tanmlanrken sabit politropik verim ifadeleri her bir bileen için ayr ayr verilmi olup bu deerler sabittir. ekil 3. Yüksek bypassl turbofan motorunun (kaypl haldeki) T-s diyagram [3] Çizelge 4. Termodinamik noktalarn açklamalar V hz, T scaklk, P basnç, bypass oran, f yakt/hava oran, a ses h, M Mach say, g c Newton sabiti ve m hava debisi olmak üzere özgül itki F / m ); ( F m stasyon no Açklama atmosfer (serbest akm) fan girii 13 bypass akm ç 17 bypass ak boaz girii 18 bypass lülesi boaz bölgesi 19 bypass ak ç 3 yanma odas girii 4 yanma odas ç 5 alçak basnç türbini ç 7 egzos lülesi boaz bölgesi girii 8 egzos lülesi boaz bölgesi 9 yanm gazlarn motordan ç V9 1 f M 1 f 1 a a 1 gc RtT9 / T 1 P / P9 RcV9 / a c V19 M a a 1 g c T / T P / P 19 1 19 V19 / a c (1)

Yüksek Bypassl Turbofan Motorlarn Tasarm Noktas Analizleri denklemiyle ifade edilir. Bu denklem kullanlarak özgül yakt sarfiyat (SFC) adaki () nolu denklemle ifade edilir: f SFC () 1 F / m 7 6 5 (1) ve () nolu denklemlerde belirtilen parametreler, motorun önemli iki parametresidir. Bundan baka verim ifadelerini de tanmlamakta yarar vardr. tki verimi ( P ) adaki (3) nolu denklemle bulunur: P M1 f V 9 / a V19/ a 1 M 1 f V9 / a V19/ a 1 M Bir motorun l verimi ( TH ) ise; 1 f (V / a ) V / a 1 (3) a 9 19 M TH (4) gc fhpr olarak ifade edilir. (4) numaral denklemde h PR terimi yakn alt l deerini göstermektedir. Bir motorun toplam verimi ( o ) ise itki verimiyle l verimin çarpna eittir ve adaki (5) nolu denklemle gösterilir: )( ) (5) o ( P TH 3. GELLEN YAZILIM YARDIMIYLA YÜKSEK BYPASSLI TURBOFAN MOTORUNUN TASARIM NOKTASI GRAFKLER Yüksek bypassl turbofan motorunun gerek tasarm noktas (parametrik analiz) gerekse tasarm noktas (performans analizi) hesaplamalar yapan Visual Basic 6. programlama dilinde Turan [1] tarafndan gelitirilen yazm 4. bölümde açklanacak olup, bu bölümde bu yazmdan elde edilen parametrik sonuçlar ve farkl tasarm dekenlerine ba grafikler anlatlmaktadr. Ayrca ekil 4 ten ekil 9 a kadar olan grafiklerde günümüzde skça kullanlan, V5 ve GE9-9B motorlarn tasarm noktas deerleri grafikler üzerinde gösterilmitir. ekil 4 te farkl bypass oranlarnda kompresör rma oranyla özgül itkinin ve gerçek çalma koullarndaki deimi görülmektedir. ekil 4 e göre kompresör srma orann belirli bir deerine kadar özgül itkinin artt, belirli bir deerden sonra sabit kald görülmektedir. Kompresör srma oran sabit olmak üzere bypass orann artmas özgül itkiyi azaltmaktadr. ekil 5 te ise kompresör srma oranyla özgül yakt sarfiyatn farkl bypass oranlarndaki deimi görülmektedir. Ö zgül itki, F/m (N.s/kg) Ö zgül yakt sarfiyat, S FC [g/(kn.s)] 4 3 1 5 1 15 5 3 35 ekil 4. Kompresör srma oranyla özgül itkinin deimi [11] 18 17 16 15 14 13 V5 Kompresör srma oran, V5 GE9-9B 1 5 1 15 5 3 35 Kompresör srma oran, ekil 5. Kompresör srma oranyla özgül yakt sarfiyatn deimi [11] Özgül yakt sarfiyat, ekil 5 de görüldüü gibi kompresör srma oranyla azalmaktadr. Bypass oran arttkça özgül yakt sarfiyatndaki bu azal daha fazladr. Uçu Mach sayn özgül itki ve özgül yakt sarfiyat üzerindeki etkisi ekil 6 ve ekil 7 de gösterilmektedir. ekil 6 da görüldüü gibi uçu Mach say ve bypass orann artmas özgül itki deerini azaltmaktadr. x=.5 x=1 x= GE9-9B x=.5 x=1 x= 4

Yüksek Bypassl Turbofan Motorlarn Tasarm Noktas Analizleri 9 8 7 x=.5 x=1 x= 35 3 GE9-9B V5 6 5 Ö z gü l itk i, F/m [N.s /k g)] 5 4 3 GE9-9B V5 Ö z g ül itk i, F /m [N /kg /s )] 15 x=3 x=7 x=1 1 1.5 1 1.5.5 3 3.5 Uçu Mach say, M 5 Ö zg ül y ak t s arfiya t, S F C [g /(kn.s )] 4 35 3 5 15 ekil 6. Uçu Mach sayyla özgül itkinin deimi [11] V5 GE9-9B x=.5 x=1 x= 1.5 1 1.5.5 3 Uçu Mach say, M ekil 7. Uçu Mach sayyla özgül yakt sarfiyatn deimi [11] ekil 7 de uçu Mach sayn artmasyla özgül yakt sarfiyat artmakta olduu, daha düük bypass oranlarnda daha yüksek özgül yakt sarfiyat elde edilmektedir. ekil 8 ve ekil 9 da ise, fan srma orann özgül itki ve özgül yakt sarfiyat üzerindeki etkisi görülmektedir. 1 1.5.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 Fan srma oran, ekil 8. Fan srma oranyla özgül itkinin deimi [11] ekil 8 de fan srma orann belirli bir deer artna kadar özgül itki maksimum deerine ularken, ekil 9 da da özgül yakt sarfiyatn belirli bir fan srma orannda minimum deerine ula görülmektedir. Ö zg ü l y a kt sa rfiya t, S F C [m g /(N.s)] 9 7 5 3 1 19 17 V5 GE9-9B 15 1 1.5.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 Fan srma oran, ekil 9. Fan srma oranyla özgül yakt sarfiyatn deimi [11] Bu çalmann 4. bölümünde analizlerin yaplmas için gelitirilen yazn ekran görüntüleri ve yazn yap anlatlmaktadr. x=3 x=1 x=7 5

Yüksek Bypassl Turbofan Motorlarn Tasarm Noktas Analizleri 4. YÜKSEK BYPASSLI TURBOFAN MOTORU N GELLEN YAZILIM Literatürde uçak gaz türbinli motorlarn çevrim performans hesaplayan birkaç yazm mevcuttur. Mattingly [13] ve Kurzke [14] tarafndan bu konuda gelitirilen yazmlar mevcuttur. Ancak bu çalmalardan bir ksmn ücretli olmas, bir ksmn da yazn gelitirilmesine uygun olmamas sebebiyle yeni bir yazm gelitirilme ihtiyac duyulmutur. 3 bölümde bu yazmdan elde edilen grafikler anlatlmr. Bu bölümde ise görsel kullan ara yüzüne sahip yazn ekran görüntüleri sunulmaktadr. ekil 1 ve ekil 11 de gelitirilen yazma ait giri menüleri verilmektedir. Kullan uçu irtifas, uçu Mach say, bileenlerin mekanik verimleri, yakn l deeri, soutma hava oranlar gibi tasarmcn belirledii deerlere göre motor performans deerlerinin hesaplanabilmektedir. Yazm hem SI birim sisteminde hem de ngiliz birim sisteminde hesaplama yaplabilmektedir. ekil 1. Yüksek bypassl turbofan motorunun parametrik giri menüsü [11] ekil 11. Yüksek bypassl turbofan motorunun parametrik hesaplama menüsü [11] 6

Yüksek Bypassl Turbofan Motorlarn Tasarm Noktas Analizleri 5. SONUÇ VE ÖNERLER Bu çalmada, yüksek bypassl turbofan motorlarn parametrik ve performans analizlerini gerçekletirmek için gelitirilen bir yazm ve bu yazmdan elde edilen parametrik analiz sonuçlar açklanmr. Böylelikle bir motor tasarlanrken, özgül yakt sarfiyatn enküçüklenmesi, özgül itkinin enbüyüklenmesi, verim deerlerinin enbüyüklenmesi gibi amaç fonksiyonlar dorultusunda, kompresör rma oran, fan srma oran, bypass oran, uçu Mach say, yakn l deeri, havann nemi, lülelerdeki basnç kayplar, türbin giri scakl gibi dekenlerin performans deerleri üzerine etkileri görülebilmektedir. Gelitirilen yazmdan elde edilen parametrik analizlerde kompresör srma oran, bypass oran ve fan srma oran gibi çeitli serbest dekenler seçilerek çok amaç fonksiyonlu (multiobjective) problem yap oluturulup bir eniyileme (optimizasyon) çözümlemesi yaplabilir. Bu çalmada gelitirilen yazma eniyileme problemlerini çözebilen yazm kodlar eklenebilir. Gelitirilen bu yazma motor performansna etkileyen deneysel çalmalarla bulunmu yeni parametreler ilave edilebilir. Dolayyla motor tasarm parametrelerinin bir fonksiyonu olan motor rl, emisyon ve gürültü seviyesi gibi ilave performans özelliklerinin yazma eklenmesi motorlarn performans özelliklerinin daha etkin deerlendirilmesini salayacaktr. Sonuç olarak hem uçak gaz türbinleri alannda eitim gören örencilere hem de bu konuda yaplacak AR-GE çalmalarnda kullanlmak amacyla gelitirilen bu yazn ve yazmdan elde edilen sonuçlarn faydal olaca düünülmektedir. KAYNAKLAR [1] http://www.rollsroyce.com/civil_aerospace [] http://www.investis.com/il/images/rrmedia [3] Mattingly, D., J., Elements of Gas Turbine Propulsion, McGraw-Hill, International Editions, Singapore, 1996. [4] Mattingly, D., J., Heiser, H.,W. ve Pratt, T.,D., Aircraft Engine Design, Second Edition, AIAA Education Series, A.B.D.,. [5] Mattingly, D., J., Heiser, H.,W. ve Pratt, T.,D., Aircraft Engine Design, Third Printing, AIAA Education Series, A.B.D., 1987. [6] Hill, P. ve Peterson, C., Mechanics and Thermodynamics of Propulsion, Second Edition, Addison Wesley Publishing Company, A.B.D., 199. [7] Oates, C.,G., Aerothermodynamics of Gas Turbine and Rocket Propulsion, Fourth Printing, AIAA Education Series, A.B.D., 1988. 7 [8] Cohen, H., Rogers, G., F. ve Saravanamuttoo, H.,I., Gas Turbine Theory, 4th Edition, Longman Group Limited, England, 1996. [9] Bathie, W.,W., Fundamentals of Gas Turbines, Second Edition, John Wiley&Sons, A.B.D., 1996. [1] Turan, Ö, Gaz Türbinli Motorlarda Performans Analiz ve Deerlendirme Programlar, Yüksek Lisans Tezi, Anadolu Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskiehir,. [11] Turan, Ö., Turbofan Motorlarn Elitizmli Genetik Algoritma Yöntemiyle Optimizasyonu, Doktora Tezi, Anadolu Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskiehir, 7 [1] Mattingly, J., ONX ve OFFX programlar [13] Kurzke, J., GASTURB user manuals ÖZGEÇMLER Dr. Önder TURAN Anadolu Üniversitesi Sivil Havack Yüksekokulu Uçak Motor Bakm Bölümünden 1998 ynda mezun oldu. 1998- yllarnda ayn üniversitenin Fen Bilimleri Enstitüsünden yüksek lisans, -7 llarnda da doktora eitimini tamamlad. Akkanlar mekanii, termodinamik, gaz türbinleri, eniyileme ve genetik algoritma konular ile ilgilenmektedir. Halen Anadolu Üniversitesi Sivil Havack Yüksekokulunda çalmaktadr. Dr. lkay ORHAN Anadolu Üniversitesi Sivil Havack Yüksekokulu Uçak Motor Bakm Bölümünden ynda mezun oldu. - yllarnda ayn üniversitenin Fen Bilimleri Enstitüsünden yüksek lisans, -7 llarnda da doktora eitimini tamamlad. Termodinamik, kojenerasyon, gaz türbinleri ve eniyileme konular ile ilgilenmektedir. Halen Anadolu Üniversitesi Sivil Havack Yüksekokulunda çalmaktadr. Prof. Dr. T. Hikmet KARAKOÇ 198 de Anadolu Üniversitesi Makina Mühendislii Bölümünü bitirdi. 198 de Yldz Teknik Üniversitesi nden Yüksek Lisans Derecesini ald. 1987 de Doktor, 1988 de Yardmc Doçent, 1991 de Doçent, 1997 de Profesör oldu. Ararma konular Tesisat, Gaz Türbinleri, Havack, Yaktlar ve Yanma, Doalgaz ve Enerji Ekonomisidir. Ulusal ve uluslararas 6 makale ve bildirisi, ayrca 1 kitab yaynlanmr. TTMD ve TMDER dergilerinin Genel Yayn Yönetmenliini -Editörlüünü sürdürmektedir. MMO Eskiehir ubesi, TIBTD, Eskiehir Öretim Elemanlar Dernei ve TTMD de Yönetim Kurulu

Yüksek Bypassl Turbofan Motorlarn Tasarm Noktas Analizleri üyesi olarak çal olup, Atatürkçü Düünce Dernei ubesi ve Eskiehir Arama Kurtarma Dernei (ESKUT) Bakanl görevlerini yürütmütür. TOSAN, ESÇM, 1.Hv. k. Bk., ODE, zocam, Geliim Teknik ve Demirdöküm için çeitli proje çalmalar, kitap çalmalar ve danmanlk yapmr. Halen Anadolu Üniversitesi nde öretim üyesidir. Evli ve bir çocuk babasr. 8