Turboşaft motor, esas olarak şaft gücü üretmek amacıyla tasarlanmış bir gaz türbini motoru türüdür. Temel görevi, yüksek hızlı dönen bir şafttan mekanik güç üretmek ve bu gücü helikopter rotorları ya da bazı sabit jeneratör sistemleri gibi dış mekanik sistemlere aktarmaktır. Uçak jet motorlarında itme kuvveti ön plandayken, turboşaft motorlarda dönel güç (tork) ön plandadır.

Turboşaft Motor Çalışma Prensibi

Hava Girişi

Turboshaft motorun ilk aşaması, çevredeki atmosferik havanın motora düzgün ve kesintisiz bir şekilde yönlendirilmesini sağlayan hava girişidir. Bu giriş, uçağın veya helikopterin gövdesine entegre edilmiş aerodinamik yapıya sahiptir ve motorun farklı irtifa ve hız koşullarında stabil çalışabilmesi için optimize edilmiştir. Hava giriş tasarımında amaç, türbülanssız, düzgün (laminar) ve yeterli debide hava akışı sağlamaktır.

Görevleri

1. Atmosferik havayı düzenli şekilde motora yönlendirmek. Uçuş hızına ve irtifasına bağlı olarak değişen ortam havasını düzgün bir şekilde kompresöre iletmek.
2. Laminar ve türbülanssız hava akışı sağlamak. Kompresör girişine düzgün, türbülanstan arındırılmış bir akış sunarak verim kayıplarını ve kompresör stall riskini azaltmak.
3. Basınç kayıplarını minimize etmek. Hava giriş kanalında oluşabilecek sürtünme ve genişleme/daralma kaynaklı basınç düşüşlerini asgariye indirerek kompresöre mümkün olan en yüksek verimle hava iletmek.
4. Yabancı cisim girişine karşı koruma sağlamak. Taş parçaları, toz gibi yabancı maddelerin motora zarar vermesini önlemek amacıyla filtre, ızgara veya parça girişi önleyici sistemleri barındırmak.
5. Çeşitli uçuş koşullarında stabil hava akışı sağlamak. Özellikle helikopter gibi platformlarda, hava giriş sistemi farklı manevralarda dahi kompresörün ihtiyaç duyduğu düzgün hava akışını korumalıdır.
6. Sıcaklık ve nem değişimlerine karşı uygun hava koşulları sağlamak. Aşırı sıcak, soğuk veya nemli havalarda motor performansını koruyabilmek adına buzlanma önleyici sistemler gibi donanımlarla desteklenebilir.
7. Gürültü azaltıcı yapı ile ses performansını iyileştirmek. Hava giriş kısmında yer alan özel kaplamalar sayesinde motor gürültüsünün azaltılmasına katkı sağlamak, özellikle sivil havacılık uygulamalarında önemlidir.

Kompresör

Kompresör, turboşaft motorlarda motorun genel verimliliğini, güç üretimini ve yanma kalitesini doğrudan etkileyen en kritik alt sistemlerden biridir. Görevi, hava girişinden gelen atmosferik basınçtaki havayı mekanik olarak sıkıştırarak basıncını ve sıcaklığını yükseltmek ve bu şekilde hava yakıt karışımının daha verimli yanabileceği bir ortam oluşturmaktır.

Yüksek basınçlı hava, yanma odasında daha yüksek sıcaklıkta ve daha fazla enerji açığa çıkaracak şekilde yakıtla karıştırılır. Bu da türbine daha fazla enerji sağlar ve motorun toplam gücünü artırır. Bu nedenle kompresör, turboshaft motorun termodinamik döngüsünün verimli şekilde gerçekleşebilmesi için temel bir rol oynar. Kompresör, alınan havayı yüksek basınca çıkartarak yanma odasına hazırlamaktır. Turboşaft motorlarda genellikle eksensel veya santrifüj tip kompresörler kullanılır.

Görevleri

1. Havanın Basıncını Artırmak. Kompresörün birincil görevi, atmosferik basınçta alınan havayı mekanik olarak sıkıştırarak basıncını artırmaktır. Bu, yanma odasında daha verimli bir yanma süreci için gereklidir.
2. Hava Sıcaklığını Yükseltmek. Sıkıştırma işlemi sırasında havanın sıcaklığı da artar. Bu, yanma verimini olumlu etkileyerek daha fazla enerji açığa çıkmasına olanak tanır. Ancak sıcaklık artışı sınırlandırılmalıdır; aksi takdirde malzeme dayanımı ve verimlilik olumsuz etkilenebilir.
3. Hava Akışını Yönlendirmek ve Hızlandırmak. Kompresördeki rotor ve stator kanatları, hava akışını istenen şekilde yönlendirir ve hızlandırır. Bu kontrollü yönlendirme, türbin ve yanma odası girişinde gerekli akış profiline ulaşmayı sağlar.
4. Yüksek Debide Hava Temini Sağlamak. Motorun gücü, yanma odasına giren hava miktarına doğrudan bağlıdır. Kompresör, gerekli debide sıkıştırılmış havayı sağlayarak motorun yüksek güç çıkışı üretmesine imkân tanır.
5. Yanma Odasına Homojen Hava Akışı Sağlamak. Kompresör çıkışındaki hava akışı türbülanssız ve üniform (homojen) olmalıdır. Bu durum, yakıtla düzgün karışarak kararlı ve verimli bir yanma sağlar.
6. Motorun Çalışma Aralığında Kararlılığı Sağlamak. Kompresör, stall veya surge gibi kararsızlıkları önleyecek şekilde tasarlanmalıdır. Bu olaylar hava akışının bozulmasına ve motorun aniden durmasına neden olabilir. Bu nedenle kararlılığı yüksek tasarımlar önemlidir.
7. Farklı Uçuş Koşullarına Uyum Sağlamak. Turboshaft motorlar irtifa, sıcaklık ve motor yüküne göre değişken koşullarda çalışır. Kompresör, bu değişen şartlarda istikrarlı hava sıkıştırması yaparak motorun güvenilirliğini ve performansını korur.

Yanma Odası

Yanma odası, motorun ürettiği itki ya da mil gücünün temel kaynağıdır. Kompresör tarafından sıkıştırılmış hava, bu odada yakıtla karıştırılarak tutuşturulur. Yakıt hava karışımının yanması sonucunda sıcaklık ve basıncı oldukça artmış gazlar elde edilir. Bu yüksek enerjili gazlar, türbin kanatlarına yönlendirilerek mekanik enerjiye dönüştürülür. Yanma odası, hem aerodinamik hem de termal açıdan optimize edilerek yanmanın kararlı ve verimli olmasını sağlar.

Görevleri

1. Yakıt-hava karışımını oluşturmak, kompresörden gelen sıkıştırılmış havanın, yanma odasında uygun şekilde püskürtülen yakıtla homojen bir şekilde karışmasını sağlayarak verimli ve kararlı bir yanma ortamı oluşturur.
2. Kararlı ve sürekli yanma sağlamak, değişken irtifa ve motor yükü koşullarında bile alevin sönmeden yanmaya devam etmesini garanti ederek motorun güvenilir çalışmasını destekler.
3. Yüksek sıcaklıkta gaz üretmek, kimyasal enerjiyi ısı enerjisine dönüştürerek türbinin dönebilmesi için gerekli kinetik ve termal enerjiyi sağlar.
4. Isıl gerilimlere dayanıklılık sağlamak, yanma odasının yüksek sıcaklıklara maruz kalmasına karşı yapısal bütünlüğünü koruyabilmesi için uygun malzeme seçimi ve soğutma sistemleriyle desteklenmesini içerir.
5. Gürültü ve emisyonları sınırlandırmak, çevresel etkiyi azaltmak amacıyla yanma sonucu oluşan ses seviyesini ve zararlı gaz çıkışlarını minimumda tutacak özel brülör ve düşük emisyonlu tasarımlar kullanmayı gerektirir.
6. Gaz akışını türbine yönlendirmek, yanma sonrası oluşan sıcak ve yüksek basınçlı gazların, türbine düzgün ve kontrollü bir şekilde iletilmesini sağlayarak enerji dönüşüm verimini artırır.
7. Yüksek enerji yoğunluğunda kompakt tasarım sunmak, sınırlı hacimde maksimum enerji üretimi yapabilen, ağırlık ve boyut açısından optimize edilmiş bir yapı sunarak motorun genel performansını artırır.

Gaz Türbini

Gaz türbini, yanma odasında üretilen yüksek sıcaklık ve basınçtaki gazların enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren kritik bir bileşendir. Türbin kanatları, bu sıcak gazların kinetik enerjisiyle döndürülerek hem kompresörü tahrik eder hem de güç aktarım sistemine enerji sağlar. Genellikle çok kademeli yapıda olup, her kademede gaz enerjisinden azalan oranlarda güç elde edilir. Türbin malzemeleri, aşırı sıcaklık ve termal şoklara karşı özel alaşımlardan üretilir. Türbin verimliliği, motorun genel yakıt ekonomisi ve performansını doğrudan etkiler. Bu nedenle aerodinamik tasarımı, soğutma sistemleri ve malzeme seçimi büyük önem taşır.

Görevleri

1. Kompresörü tahrik etmek, türbinin döner hareketini mekanik olarak şaft aracılığıyla kompresöre ileterek sürekli hava emiş ve sıkıştırma döngüsünü sağlar.
2. Güç üretmek, yanma gazlarının sahip olduğu ısı ve basınç enerjisini mekanik dönme enerjisine dönüştürerek uçak veya helikopter sistemlerinde kullanılabilecek enerji oluşturur.
3. Gaz akışını yönlendirmek, türbin kanat geometrisi ile yüksek hızlı gazların yönünü optimize ederek enerji dönüşümünü en verimli şekilde gerçekleştirir.
4. Isıl yükleri tolere etmek, yüksek sıcaklıklara karşı dayanıklı malzeme ve soğutma teknolojileriyle türbin bileşenlerinin zarar görmesini önler.
5. Basınç düşüşünü kontrollü sağlamak, yanma odasındaki yüksek basınçlı gazın türbinden geçerken düzgün şekilde genişlemesini sağlayarak enerji kaybını azaltır.
6. Dönme hızını dengelemek, türbinin rotor hızını hem kompresör hem de güç aktarım sisteminin ihtiyaçlarına uygun bir şekilde sabit tutar.
7. Tüm sistemle senkronize çalışmak, kompresör, yanma odası ve güç çıkış yapılarıyla koordineli çalışarak motorun genel verimliliğini artırır.

Güç Aktarımı

Güç aktarımı, türbinin döner enerjisini mekanik sistemlere ileten bölümdür. Genellikle bir ana şaft ve çeşitli dişli sistemlerinden oluşur. Helikopterlerde bu sistem, pervaneleri döndüren ana redüksiyon kutusuna enerji iletir. Sabit kanatlı uçaklarda ise jeneratörler, pompalar veya itki sistemleri bu bölümle beslenir. Verimli bir güç aktarımı sistemi, enerji kayıplarını en aza indirerek motor verimini artırır. Bu bölüm aynı zamanda titreşim ve yük dengesizliklerini sönümleyerek motorun güvenli çalışmasını sağlar.

Görevleri

1. Türbinden gelen mekanik enerjiyi iletmek, döner şaft aracılığıyla güç üretimini diğer sistemlere taşır.
2. Redüksiyon oranını ayarlamak, yüksek hızlı türbin dönüşünü uygun tork ve devirde uçuş sistemlerine aktarmak için dişli sistemleri kullanır.
3. Helikopter rotorunu sürmek, helikopterlerde pervane sistemine uygun tork ve hızı sağlayarak uçuş kontrolünü mümkün kılar.
4. Jeneratör ve yardımcı ekipmanları çalıştırmak, uçaktaki elektrik sistemleri, hidrolik pompalar ve diğer ikincil sistemlere enerji sağlar.
5. Titreşimleri azaltmak, şaft dengesizlikleri ve ani yük değişimlerinden kaynaklı salınımları sönümleyerek sistem ömrünü artırır.
6. Aşırı yükleri absorbe etmek, ani tork artışlarına karşı mekanik güvenlik sağlamak için kavrama veya tork sınırlayıcı mekanizmalar içerir.
7. Termal genleşmeye tolerans göstermek, yüksek sıcaklıklarda bile bileşenlerin uygun hizalamada kalmasını sağlayacak kompanzasyonlara sahiptir.

Egzoz

Egzoz bölümü, türbinden çıkan sıcak gazların atmosfere güvenli ve verimli bir şekilde tahliye edilmesini sağlayan kısımdır. Aynı zamanda bu gaz akışını yönlendirerek artık enerjinin bir kısmını itki oluşturmak için kullanabilir. Jet motorlarında, egzoz gazları doğrudan itki üretimine katkı sağlarken; turboshaft motorlarda bu etki minimumdur. Egzoz yapısı aerodinamik kayıpları en aza indirecek şekilde tasarlanır. Malzemeleri, hem yüksek sıcaklığa hem de korozyona dayanıklıdır. Ayrıca egzoz sistemi, motorun ses seviyesini de azaltmaya yardımcı olur.

Görevleri

1. Sıcak gazları güvenli şekilde tahliye etmek, türbinden çıkan yüksek sıcaklıktaki gazları kontrollü bir şekilde dış ortama yönlendirerek motor bütünlüğünü korur.
2. Geri basıncı minimize etmek, egzoz sisteminin tasarımı sayesinde türbin çıkışındaki basınç kayıplarını en aza indirerek motor verimliliğini artırır.
3. Gürültü kontrolü sağlamak, egzoz yapısına entegre susturucu veya difüzör sistemleriyle ses şiddetini azaltarak çevresel etkiyi düşürür.
4. Yönlendirilmiş gaz akışı oluşturmak, gazların belirli bir açı ve hızda dışarı çıkmasını sağlayarak uçağın aerodinamiğine uyumlu bir akış üretir.
5. Yüksek sıcaklığa dayanım sağlamak, sürekli sıcak gaz akışına maruz kalan egzoz yüzeylerinin oksidasyon ve deformasyona karşı dirençli olması gerekir.
6. Motor verimliliğini desteklemek, egzoz tasarımı sayesinde geri tepki ve enerji kaybını azaltarak tüm motorun performansını olumlu etkiler.

^{General Electric XT700-GE-700 Turboşaft Motor (airandspace.si.edu)}

Turboşaft Motorların Kullanım Alanları ve Teknik Gerekçeleri

Helikopterler

Turboşaft motorlar, rotor sistemini tahrik etmek için gerekli yüksek torku düşük ağırlıkla sundukları için helikopterlerde yaygın olarak tercih edilir.

Teknik Gerekçe

1. Yüksek güç/ağırlık oranı, helikopterin dikey kalkış ve iniş yapabilmesi için kritik önemdedir.
2. Düşük hacimli ve hafif yapı, gövde içine entegre edilmeyi kolaylaştırır.
3. Redüksiyon dişlisiyle uyumlu çıkış mili, rotor sistemine doğrudan tork aktarımı sağlar.
4. İyi yük geçiş karakteristiği, ani manevralarda ve değişken yük durumlarında kararlı performans sunar.
5. Geniş irtifa aralığında kararlı performans, askeri ve dağlık bölgelerde operasyonel avantaj sağlar.

^{Gökbey (AA)}

Gemi Tahrik Sistemleri

Sınırlı alan ve yüksek güç ihtiyacı olan deniz platformlarında turboşaft motorlar ideal çözümler sunar.

Teknik Gerekçe

1. Kompakt ve modüler tasarım, gemi makineleri odasına kolay entegrasyon sağlar.
2. Yüksek devirli çıkış, dişli kutusu ile birlikte pervane sistemlerine kolayca bağlanabilir.
3. Yüksek dayanım, tuzlu su ve zorlu çevre koşullarına karşı uzun ömürlü çalışma imkânı sunar.
4. Düşük titreşim ve gürültü, akustik iz azaltımı sağlar.

^{LCAC-17 (ueidaq.com)}

Hafif Zırhlı Kara Araçları ve Tanklar

Turboşaft motorlar, bazı modern tanklarda ve zırhlı araçlarda pistonlu motorlara alternatif olarak kullanılmaktadır.

Teknik Gerekçe

1. Yüksek ivmelenme kabiliyeti, tankın ani hızlanmasını mümkün kılar.
2. Geniş yakıt uyumluluğu, jet yakıtı, dizel ve kerosen gibi farklı yakıt türleriyle çalışabilmeyi mümkün kılar.
3. Düşük bakım süresi, harp sahasında lojistik avantaj sağlar.

^{M1 Abrams (aerospace.honeywell.com)}