Yazibaslik Termodinamiğin Havacılıktaki Yeri — ***Termodinamik ve Havacılık***

GİRİŞ

Termodinamik, en genel tanımıyla ısı, sıcaklık, iş ve enerji arasındaki ilişkileri inceleyen bir bilim dalıdır.^[1] Enerjinin bir biçimden diğerine dönüşümü ve bu dönüşüm sırasında sistemlerin davranışı termodinamiğin temel konusudur. Mühendislikte çok önemli bir yeri vardır; öyle ki evdeki buzdolabı ve klimadan, nükleer santrallere ve uçaklara kadar sayısız sistem termodinamiğin çalışma alanına girer. Tarihsel olarak 19. yüzyılda buhar makinesinin geliştirilmesi gibi sanayi devrimini mümkün kılan teknolojiler de termodinamik ilkelerinin anlaşılması sayesinde ortaya çıkmıştır.^[2] Dolayısıyla termodinamik, makine, uçak, uzay, kimya gibi birçok mühendislik disiplininin temel taşlarından biridir.

HAVACILIKTA TERMODİNAMİK

Havacılık alanında termodinamik biliminin kritik öneme sahip olmasının başlıca nedeni, enerji dönüşüm süreçlerinin uçuşun kalbinde yer almasıdır. Bir uçağı uçurmak için yakıttaki kimyasal enerjinin itki kuvvetine (hareket enerjisine) dönüştürülmesi gerekir. Modern uçakların çoğunda bu işi gerçekleştiren gaz türbinli jet motorları, termodinamiğin prensiplerine uygun çalışan enerji dönüşüm makineleridir. Gaz türbinleri idealde Brayton çevrimi adı verilen termodinamik çevrime göre çalışır: havanın kompresörde izentropik (entropi arttırmadan) sıkıştırılması, yanma odasında sabit basınçta ısı (yakıt enerjisi) eklenmesi ve türbinde izentropik genişleme adımlarından oluşan bu çevrim, yakıtın ısı enerjisinin mekanik işe ve itkiye dönüşümünü tanımlar.³ Gerçekte tabii ki sıkıştırma ve genişleme işlemleri sürtünme ve türbülans gibi etkilerle tamamen izentropik olamaz; her gerçek işlemde entropi artışı ve kayıplar meydana gelerek verimi düşürür.⁴ Yine de Brayton çevrimi, bir jet motorunda gerçekleşen temel süreçleri modelleyerek uçak motorlarındaki enerji dönüşümünü anlamamızı sağlar.

Brayton_cycle Termodinamiğin Havacılıktaki Yeri

(İdeal bir Brayton çevriminin basınç-hacim (P-V) ve sıcaklık-entropi (T-S) diyagramları. 1-2: İzantropik sıkıştırma (kompresör), 2-3: İzobarik ısı ekleme (yanma), 3-4: İzantropik genişleme (türbin), 4-1: İzobarik ısı atımı (egzoz). Gerçek bir motor çevriminde sürtünme ve ısı kayıpları nedeniyle süreçler tamamen tersinir (izantropik) olamaz ve entropi artışı meydana gelir)³

Havacılıkta termodinamiğin bir diğer kritik rolü de uçuş prensiplerinin anlaşılması ve sistem tasarımıyla ilgilidir. Örneğin bir uçağın yüksek irtifadaki performansı, hava sıcaklığı ve basıncı gibi termodinamik büyüklüklerle yakından ilişkilidir. Jet motoru dışında, uçak üzerindeki hava akımlarının durumu (atmosferik termodinamik), kabin basınçlandırma ve iklimlendirme sistemleri, hatta roket motorları ve hipersonik uçuşta karşılaşılan ısınma problemleri gibi konular da termodinamiğin havacılıkta uygulandığı alanlardır. Özellikle jet motorlarında yakıtın kimyasal enerjisinin ısıya, oradan mekanik işe ve itkiye dönüşümü termodinamik kanunlara uygun şekilde gerçekleşir. Uçakların verimli ve güvenli çalışması için bu enerji dönüşümlerinin olabildiğince yüksek verimle ve kontrollü yapılması gerekir ki bu da termodinamik bilgi ve analiz gerektirir.

Bir Jet Motor Nasıl Çalışır

Gaz-Turbinleri-Gorsel1 Termodinamiğin Havacılıktaki Yeri — *Jet Motor Çalışma Şeması*

Bir jet motorunun temel bileşenleri ve çalışma prensibi: Hava girişinden giren hava, kompresör kademelerinde sıkıştırılır; yanma odasında yakıtla karışarak yanar ve ortaya çıkan yüksek sıcaklıklı gazlar türbinlerde genleşerek iş üretir ve nihayet egzozdan yüksek hızla atılarak itki oluşturur.^5–6

Bir jet motorunun (özellikle turbofan veya turbojet motorun) çalışması ardışık enerji dönüşümü adımları içerir:

Kompresör: Önden giren hava, döner kompresör fanları ve kademeleri tarafından sıkıştırılır.Havanın hızı kısmen düşürülüp basıncı belirli oranlarda artırılır; bunun sonucunda havayoğunlaşır, basıncı ve sıcaklığı ciddi ölçüde yükselir.⁷ Kompresörün yaptığı bu iş, türbin şaftıaracılığıyla türbinden gelen mekanik enerjiyle sağlanır

Yanma Odası (Combustor): Yüksek basınçlı hava kompresörden çıktıktan sonra yanma odasına girer. Burada hava ile yakıt (örn. jet yakıtı, kerosen) pulverize halde karıştırılır ve ateşlenir. Yanma sürekli bir şekilde gerçekleşir ve yanma sonucunda hava-yakıt karışımının iç enerjisi muazzam ölçüde artar. Sıcaklık tipik bir jet motoru çekirdeğinde 2000°C’ye yaklaşabilir ve basınç da hemen hemen sabit kalacak şekilde yanma ürünleri genleşir.⁸ Yanma odasından çıkan gazlar çok yüksek sıcaklıkta ve basınçtadır.

Türbin: Yanmış yüksek basınçlı gazlar, motorun arka kısmındaki türbin kademelerine doğru yönlendirilir. Türbin, kompresöre benzer biçimde pervane kanatlarına sahip olup tersine çalışır. Üzerine çarpan sıcak gazların enerjisini mekanik dönme işine çevirir. Gazlar türbin kanatlarına çarparak onları döndürür ve bu süreçte gazın basıncı ve sıcaklığı düşerken mekanik enerji üretilir.⁶ Elde edilen bu mekanik enerji bir şaft aracılığıyla öndeki kompresöre iletilir ve kompresörü çevirir. Yani türbinin yaptığı işin büyük kısmı, havayı sıkıştırmak için yeniden kompresörde kullanılmış olur.³ Buna rağmen, türbinden çıkan gaz akışı hala ortamdan daha yüksek basınçta ve sıcaklıktadır.

Egzoz ve İtki: Türbinden geçen ve basıncı bir miktar düşen gazlar, son kısımda egzoz nozulundan atmosfere atılır. Nozul, gazın basıncını uçağın arkasından çıkarken dış ortam basıncına düşürürken akışın hızını büyük ölçüde artıracak şekilde şekillendirilmiştir.^9,10 Newton’un hareket prensiplerine göre, geriye doğru yüksek hızla atılan bu gaz kütlesi uçağı ileri doğru iten tepki kuvvetini (itkiyi) oluşturur.¹¹ Sonuçta motor, yakıtın enerjisini itki kuvvetine dönüştürerek uçağın hareketini sağlar. Modern yolcu uçaklarındaki turbofan motorlarda ek olarak kompresörün önünde büyük bir fan bulunur ve havanın bir kısmını motor çekirdeğine hiç sokmadan dışarı hızlandırarak itkiyi artırır ve verimliliği yükseltir, ancak temel termodinamik işleyiş çekirdek kısmındaki yukarıda açıklanan Brayton çevrimiyle aynıdır.^12,13

Jet motorunun performansı ve verimi, kompresör basınç oranı, yanma sıcaklığı, türbin malzemelerinin dayanımı gibi termodinamik ve malzeme parametrelerine bağlıdır. Örneğin, kompresörde daha yüksek basınç oranlarına ulaşmak ve yanmada daha yüksek sıcaklık elde etmek teorik olarak daha fazla itki ve verim sağlar; ancak bu durumda türbinin bu zor koşullara dayanabilmesi gerekir. Bir sonraki bölümde, verim kısıtlarını belirleyen temel termodinamik kavramlar ele alınacaktır.

Verim, Entropi ve Gerçek Sistemler

Termodinamiğin ikinci yasası, hiçbir enerji dönüşüm sürecinin tamamıyla verimli olamayacağını söyler. Başka bir ifadeyle, hiçbir ısı makinesi %100 verimle çalışamaz. Bunun sebebi tüm gerçek süreçlerde tersinmezliklerin (irreversibilities) bulunmasıdır. Teorik olarak bir makinenin %100 ısıl verimde çalışabilmesi için tüm süreçlerin tamamen tersinir olması, yani sistemde sürtünme, ısı kaybı, türbülans, viskozite gibi entropi üreten hiçbir etki olmaması gerekir. Ancak doğadaki tüm süreçler az ya da çok tersinmezdir; örneğin sürtünme her zaman biraz vardır, akışkanlar karışırken veya ısı geçişleri olurken mutlaka ufak da olsa kayıplar ortaya çıkar. Bu yüzden pratikte sisteme verdiğimiz enerjinin tamamını işe dönüştürmek mümkün olmaz^[14]. Bir otomobil motorunda veya jet motorunda yakılan yakıtın enerjisinin ancak belli bir yüzdesi itki veya işe dönüşür; geri kalanı atık ısı olarak egzozdan atılır veya motor parçalarını ısıtır, sürtünme ile kaybolur. Örneğin, sıcak bir kahve fincanı oda sıcaklığında kendi kendine asla ısınmaz, tersine soğur – bu, sürecin tersinmez oluşunun ve çevreye ısı kaybının bir sonucudur^[15]. Tersinmezlik, sistemde enerji dönüşümü sırasında enerjinin bir kısmının kullanılamaz hale gelmesi demektir; bu da verimi düşüren temel etkendir.^[16]

Bir makinenin verimini artırmak için tersinmez kayıpları azaltmaya çalışırız, ancak bunları tamamen ortadan kaldırmak imkânsızdır. Bu durum, termodinamiğin ikinci yasasının getirdiği entropi kavramı ile açıklanır. Entropi, kabaca bir sistemdeki düzensizliğin veya enerjinin kullanım açısından kalitesinin ölçüsüdür. İkinci yasa der ki kapalı bir sistemde (ya da tüm evrende) entropi kendiliğinden azalmaz, aksine ya artar ya da en iyi ihtimalle sabit kalır. Her gerçek işlemde sistemin ve/veya çevrenin toplam entropisi artar, bu da o süreçte bir miktar enerji kalitesinin düşürüldüğünü gösterir^[17]. Örneğin bir jet motorunda yakıtın yanmasıyla elde edilen enerjinin bir kısmı itki işi yaparken, bir kısmı atık ısı olarak ortama karışır; bu atık enerji entropiyi artırır ve artık işe dönüştürülemez hale gelir. Tüm mühendislik sistemleri için benzer şekilde, enerjinin bir kısmı kullanılabilir formdan kullanılmaz forma geçer. Bu nedenle ideal koşullar altında dahi ulaşılabilecek üst sınır verim Carnot verimi ile sınırlıdır ve mutlak sıfır sıcaklıkta bir ısı çekicisi olmadıkça %100 verim hayalidir. Kısacası, %100 verimin imkânsızlığı ve entropinin sürekli artışı, doğanın temel termodinamik yasalarının bir sonucudur^[18][19]. Mühendisler bu gerçeği göz önünde bulundurarak sistemleri tasarlar ve kayıpları en aza indirerek verimi maksimize etmeye çalışırlar.

Havacılık Malzemeleri ile Bağlantı

Rolls-Royce RB199 turbojet motorundan çıkarılmış kullanılmış bir türbin kanadı (nikel bazlı süper alaşım malzemeden). Üzerinde yüksek sıcaklık nedeniyle oluşmuş oksidasyon izleri görülmekte ve soğutma amaçlı iç kanallara ait küçük delikler dikkat çekmektedir. Jet motoru türbinleri son derece yüksek sıcaklıklarda çalıştığından, bu kısımlarda kullanılan malzemeler üstün ısıl dayanıma sahip süper alaşımlardır.^{[20] [21]}

Bir jet motorunun termodinamik verimini artırmanın yollarından biri, yanma sonucu elde edilen gazın sıcaklığını yani türbin giriş sıcaklığını arttırmaktır. Brayton çevrimine göre daha yüksek yanma sıcaklıkları, aynı basınç oranlarında daha fazla iş elde etme ve dolayısıyla daha yüksek motor itki verimi anlamına gelir. Nitekim modern askeri ve sivil jet motorlarında türbin giriş sıcaklıkları, gelişmiş motorlarda 1500°C–2000°C aralığına yaklaşmıştır. Ancak böylesine yüksek sıcaklıklarda çalışmak, malzeme açısından son derece zorlu bir ortam demektir. Havacılık malzemeleri içinde belki de en kritik olanları, motorun türbin ve yanma odası gibi “sıcak kısım” komponentlerinde kullanılan malzemelerdir. Bu parçalar, hem yüksek sıcaklığa erimemeden dayanabilmeli, hem yüksek sıcaklıkta uzun süre mekanik mukavemetini (özellikle creep dayanımını) koruyabilmeli, hem de sıcak gazların yol açtığı oksidasyon ve korozyona direnç gösterebilmelidir^[21]. Bu zorlu gereksinimleri karşılamak için geliştirilen özel malzeme gruplarına süper alaşımlar (superalloys) adı verilir. Özellikle nikel bazlı süper alaşımlar, modern uçak motorlarının türbin kanatlarında ve disklerinde tercih edilen temel malzemelerdir^[20]. Nikel bazlı süper alaşımlar, erime noktalarının çok yüksek bir yüzdesine kadar dayanımını koruyabilen alaşımlardır; örneğin içerdiği alüminyum ve titanyum ile oluşturduğu gama prime çökelti fazı sayesinde 700–1000°C sıcaklıklarda dahi mukavemetlerini büyük ölçüde muhafaza ederler^[21][22]. Ayrıca kobalt, krom, rhenyum gibi alaşım elementleri eklenerek yüksek sıcaklıkta creep adı verilen sünme deformasyonuna dirençleri artırılır ve oksidasyona karşı koruyucu yüzey oksit tabakası oluşturma kabiliyetleri geliştirilir.

diyagram Termodinamiğin Havacılıktaki Yeri

Jet motoru türbin bıçakları günümüzde genellikle tek kristal (single crystal) döküm teknolojisiyle üretilir. Bu sayede malzemenin içinde tane sınırları ortadan kaldırılır ve yüksek sıcaklıkta tane sınırı kaymasıyla oluşan zafiyetler engellenir^[23]. Ayrıca türbin kanatçıkları içlerinden soğuk hava geçirerek soğutma yapacak biçimde tasarlanmıştır (fotoğraftaki küçük kanalcık delikleri bu işe yarar). Böylece alev sıcaklığı 1500°C üzerinde olsa bile, soğutma ile kanadın malzeme sıcaklığı daha düşük tutulabilir. Yüksek sıcaklık malzemelerinde bir diğer yenilik de termal bariyer kaplamalardır. Seramik esaslı bu kaplamalar, metal yüzeyini kaplayarak sıcak gaz ile malzeme arasında yalıtıcı bir bariyer oluşturur ve malzeme sıcaklığını ~100-200°C daha düşük tutmaya yarar^[24]. Tüm bu malzeme ve soğutma teknolojileri sayesinde, günümüzde jet motorlarının termodinamik verimleri eski tasarımlara kıyasla önemli ölçüde artmıştır. Örneğin 1950’lerde çelik malzemeden yapılmış bir turbojet türbini ~800°C sıcaklığa dayanabilirken^[22], modern nikel süper alaşımlı ve kaplamalı bir türbin kanadı soğutma ile birlikte 1500°C üzerindeki gaz sıcaklıklarında çalışabilmektedir

Termodinamik perspektiften bakıldığında, daha yüksek çalışma sıcaklıklarına izin veren her malzeme yeniliği, çevrimin verimini artırma potansiyeli taşır. Ancak malzeme mühendisliği açısından her iyileştirmenin bir sınırı vardır. Örneğin nikel bazlı süper alaşımların da bir ömrü ve sıcaklık sınırı bulunur ve bu sınıra türbin disklerinde creep ömrü ulaşır noktadadır^[25]. NASA Glenn Araştırma Merkezi’ndeki yeni çalışmalar, süper alaşımların bileşimini geliştirerek creep dayanımlarını artırmaya ve türbin disklerinin işletme sıcaklığını biraz daha yükseltmeye odaklanmıştır^[26]. Gelecekte belki daha da yüksek sıcaklıklara dayanacak seramik kompozit malzemeler veya yeni nesil süper alaşımlar ile jet motorlarında verimin sınırları daha da zorlanabilecektir. Ancak hangi malzeme kullanılırsa kullanılsın, termodinamiğin yasaları değişmez: Daha yüksek verim için daha yüksek sıcaklık hedeflendiğinde, malzeme ve tasarım açısından onu mümkün kılacak yenilikler ve entropi artışını yönetmeye yönelik mühendislik çözümleri gerekecektir. Bu da havacılıkta termodinamiğin, malzeme bilimi ve mühendislik tasarımıyla iç içe geçtiği noktayı temsil eder.