1-Niyazi SERTÇELİK, 2-Ersin KARAASLAN, 3-Musa KARAMAN
Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Otomotiv Öğretmenliği Anabilim Dalı, Ankara
(Danışman; Prof. Dr. M. Sahir SALMAN)
ÖZET
Bu çalışmada silo tipi yanma odalı bir türbo jet motoru prototipinin yanma odası tasarımı, basınçlı yağlama sistemi, elektronik ateşleme sistemi ve yakıt sisteminin kurulması gerçekleştirilmiştir. Motorun kompresör ve türbin kısmı FIAT Doblo marka araçlarda kullanılan bir türbo şarj sistemiyle sağlanmıştır. Türbo şarj sisteminin kompresör çıkışı ile türbin girişi arasına tasarlamış olduğumuz silo tipi yanma odası monte edilmiştir. Türbo şarj sistemi için gerekli olan yağlama sistemi bir elektrik motorundan hareket alan dişli tip bir yağ pompası ile sağlanmıştır. Hava yakıt karışımını ateşlemek için sürekli dwell açılı bir elektronik ateşleme sistemi ve bu sistemi tetikleyen 555 entegreli bir pals üretici devre kullanılmıştır. Türbo jet motorun enerji kaynağı olarak LPG kullanılmıştır. Basınçlı hava ile ilk harekete geçirilerek sistem çalıştırılmıştır.
1. GİRİŞ
Güç kaynağı olarak tepki prensibinin kullanım fikri M.Ö. 130’lu yıllarda Heron’la başlamıştır. Sir Isaac Newton, 1680 yılında ortaya koyduğu III. Hareket yasası ile jet tepkisinin olabilirliğini belirtmiş ve aynı dönemde bir de atsız araba projesi yapmıştır, Şekil-1.[1]
 
Şekil-1 Buhar tepkili araba[1]. Şekil-2 Ram jet motoru[1]
Newton’un bu projesi dışarıdan ısıtılan bir buhar kazanında üretilen basınçlı buhar gücüyle sağlanıyordu. Bu proje daha sonra, yakıtların hava ile yanması sonucunda elde edilen gazlarla çalışan gaz türbinlerine esin kaynağı olmuştur.1913 yılında Fransız Lorin, bir ram jet motoru patenti almış, ancak o günkü teknoloji ile yapılması mümkün olmamıştır, Şekil-2.[1]
Alman Schmidt, 1928 yılında ilk pulsejet’i tasarlamış ve Almanlar bu motorları 1942’de V-1 uçan bombalara uygulamışlardır, Şekil-3. İsmi geçen Lorin, Schmidt ve diğer bir çok bilim adamının uygulamalarıyla devam eden çalışmalar büyük bir ivme kazanmıştır. Modern gaz türbinlerinin babası olarak anılan Frank Whittle 1941 yılında Whittle jeti ile ilk uçuşunu gerçekleştirmiş ve modern gaz türbinlerinin temelini atmıştır, Şekil-4. O günden bu güne büyük gelişmeler gösteren gaz türbinleri günümüzde enerji santrallerinde ve çeşitli ulaşım araçlarında güç kaynağı olarak kullanılmaktadır.[1]
 
Şekil-3 Pulse jeti [1] Şekil-4 Whittle jeti [1]
Kompresör, yanma odası ve türbinden oluşan gaz türbinleri, depodan yanma odasına gelen yakıt ile kompresör tarafından sıkıştırılmış havanın karıştırılıp yakılması ve yanmış gazların genleşerek türbin kanatçıklarında iş yaptıktan sonra dışarıya atılması prensibine göre çalışır.
2. GERÇEKLEŞTİRİLEN SİSTEM
Gerçekleştirilen sistemin prototipi aşağıdaki bileşenlerden oluşmaktadır. Bunlar;
- Taşıyıcı tezgah
- Türbo şarj
- Yanma odası tasarımı
- Yağlama sistemi
- Ateşleme ve Yakıt sistemi
2.1. Taşıyıcı Tezgah
Motor, yağlama sistemi, ateşleme sistemi ve diğer sistemleri üzerinde taşıyabilecek yeterli büyüklükte bir tezgah yapılmış ve dört adet tekerlek takılarak hareket etmesi sağlanmıştır. Tezgahın yapımında köşebent demiri ve ahşap kullanılmıştır.
2.2. Türbo Şarj
Türbo şarj genelde dizel araçlarda kullanılan performans artırıcı bir sistemdir. Yapısı itibarı ile bir türbo jet motoruna benzer olarak bir santrüfuj kompresör ve bir türbinden oluşmaktadır. Türbin kısmı motorun egzoz çıkışına bağlanır ve egzoz gazlarından hareket alarak kompresörü çevirir. Kompresör’de sıkıştırılan hava emme manifolduna verilir. Böylece normal motorlara oranla silindirlere daha fazla hava girmesi sağlanır. Resim 1’de dizel motorlu bir araçta kullanılan türbo şarj sistemi görünmektedir.
 
Resim-1 Türboşarj sisteminin iç yapısı ve resmi
Bu benzerlikten yararlanılarak yapmış olduğumuz motorun kompresör ve türbin kısmını oluşturmak için Fiat Doblo marka araçlarda kullanılan standart bir türbo şarj kullanılmıştır. Motora hava girişi ve türbinden gaz çıkışını düzenlemek için torna ve freze tezgahları kullanılarak nozul ve lüle yapılmış ve bu türbo şarj’a uygun flanşlarla monte edilmiştir, resim-2. Türbo jet motorun performansını farklı tahrik tepkilerinde ölçebilmek için nozul çıkış kesiti, vidalı olarak sökülebilir şekilde tasarlanmıştır.
 
Resim-2 Türbo şarja eklenen lüle ve nozul
2.3. Yanma Odası Tasarımı
Gaz türbinlerinin yanma odaları, kompresör tarafından sağlanan bol miktarda hava ile püskürtülen yakıtı karıştırarak yakmak gibi zor bir görevi başarmaktadır. Yanma odaları yanma sırasında açığa çıkan yüksek sıcaklıklara dayanabilir şekilde tasarlanmalıdır. Ayrıca kompresörden gelen hava, yanma odasına yüksek hızlarda girdiğinden bu hız yanmanın oluşabilmesi ve devamı için uygun değildir. Bu nedenle kompresörden gelen hava hızı yavaşlatılmalıdır. Yakıtın verimli olarak yanması yaklaşık olarak 15:1 hava yakıt oranında olmaktadır. Yanma hattının merkezindeki gazların sıcaklığı 1800-2000ºC arasındadır. Yüksek verim için yanma odasını terk eden gazların sıcaklığı mümkün olduğu kadar yüksek olmalıdır. Ancak çok yüksek sıcaklıklara türbin malzemesi dayanmadığından 1500ºC’ yi geçmemesi önerilmektedir. Sıcaklığı düşürmek için kompresörden gelen havanın tamamı yanmaya karıştırılmayıp bir kısmı sonradan yanmış gazlarla karıştırılarak gazların türbine giriş sıcaklığının düşürülmesi gereklidir. Bu nedenle, havanın sadece % 20 kadarlık bir kısmı ile karışım oluşturulur. Geriye kalan hava yanmaya katılmaz. Havanın bu şekilde ayrılması için de yanma odası içerisine alev tüpü yerleştirilir. Alev tüpünün de sıcaklıktan etkilenmemesi için hava ile soğutulması gerekir.[1]
Yukarıda anlatılan bu karmaşık işlemleri gerçekleştirecek ve türbo şarj ile uyumlu çalışacak yanma odasını tasarlamak için çeşitli gaz türbinlerinin yanma odaları incelenmiştir.
Havacılıkta kullanılan gaz türbinlerinde yanma odaları kompresör ve türbin arasına yatay yerleştirilmiştir. Böyle bir yanma odasına türbo şarjın yapısı imkan vermediğinden, yer problemi olmadığından ve etkili yanma sağladığından genelde endüstriyel uygulamalarda kullanılan silo tipi yanma odası tasarlanmasına karar verilmiştir. Tasarımda SolidWorks programı kullanılmıştır. Resim 3,4,5,6’de SolidWorks programında yapılan tasarıma ait resimler görülmektedir.
 
Resim-3 Resim-4
 
Resim-5 Resim-6
2.4. Yağlama Sistemi
Mekanik çalışan tüm sistemlerde, sistemi oluşturan parçaların bir birine sürtünmesi büyük bir problemdir. Sürtünmeli çalışan sistemin verimi düşer ve aşınmalar neticesinde sistem işlemez hale gelir. Bu durumu engellemek için parçaların yağlanması zorunludur. Parçaların üzerindeki yağ filmi parçaların birbirine temasını engeller ve sürtünmeyi en aza indirir.
Türbo şarj sisteminde kompresör ve türbini bir birine bağlayan mil, göbek içerisindeki pirinç burçlar üzerine yataklandırılmıştır. Türbo şarj sistemi dakikada 100.000 devri geçen hızlarda çalıştığından mil yataklarının aşınması saniyeler içerisinde gerçekleşebilir. Bu durumu engellemek için türbo şarj sistemi motorun yağlama sisteminden aldığı basınçlı yağ ile yağlanır, oluşan yağ filmi üzerinde mil yüzdürülür. Ayrıca sistemin egzoz sıcaklığından etkilenmemesi için yağlama sistemi soğutma işlemini de yerine getirir.
Resim-7
Yağlama sistemini gerçekleştirmek için otomobil motorlarında kullanılan dişli tip bir yağ pompası kullanılmıştır. Bir elektrik motorundan kayış kasnak vasıtasıyla hareket alan yağ pompası yağ haznesinden aldığı yağı 6 bar basınç değerine yükselterek bakır borular vasıtasıyla yağ filtresinden geçtik ten sonra türbo şarj sistemine verir. Yağ çıkış kanalından çıkan yağın geri dönüş hattı üzerinden hazneye dönmesi sağlanmıştır. Ayrıca yağlama sisteminde basıncı ayarlamak için bir tahliye vanası ve basınç göstergesi kullanılmıştır, Resim-7.
2.5. Ateşleme ve Yakıt Sistemi
Ateşleme sistemleri benzinli motorlarda yakıt hava karışımını uygun zamanda ateşlemek için kullanılır, gaz türbinlerinde ise ilk alevin oluşması için kullanılır. Motor çalıştıktan sonra alev sürekli devam ettiğinden ateşlemeye gerek yoktur. Ateşleme sistemi komutlarını platinden alır ve bu doğrultuda ateşleme bobini primer akımını keserek bobin sekonder devresinde yüksek voltaj oluşturur. Oluşan yüksek voltaj buji kablosu ile bujiye, buji elektrotundan da şasiye kıvılcım oluşturarak atlar ve bu esnada yakıt hava karışımını ateşler.
Yapmış olduğumuz gaz türbininin ateşleme sisteminde: sürekli dwel açılı bir elektronik ateşleme sisteminin devre şemasına göre elektronik devre kartı kurulmuştur.[2] Ateşleme sistemi kurulmasına karşın platin gibi tetikleme yapacak bir eleman olmadığı için ateşleme sistemini çalıştırmak mümkün olmamıştır. Bu sorunu çözmek için 555 entegreli bir pals üreteci devre hazırlanmıştır. Bu devre ile ateşleme devresinin saniyede 100 defa tetiklenmesi sağlanarak buji kıvılcımı oluşturuldu.[3]
Gaz türbininin enerji kaynağı olarak LPG gazı kullanılmıştır. Bir piknik tüpünün çıkış vanasından akış miktarı ayarlanan gaz, plastik bir hortumla gaz türbinine verilmiştir. Tüpten çıkan gaz güvenlik amacıyla kullanılan bir alev önleyici valf üzerinden geçtik ten sonra yanma odası üzerindeki yakıt enjektörüne ulaşmıştır. Enjektörün ucundan çıkan LPG gazı havayla karışım oluşturduktan sonra buji kıvılcımıyla ateşlenmiştir. Motorun çalışmasından sonra ateşleme sistemi kapatılmasına rağmen motorun çalışmaya devam ettiği gözlenmiştir.
3. Sonuç ve Öneriler
Başlangıçta türbo şarj sisteminin pahalı olmasından dolayı bir süre çalışmalara başlanamamıştır. Çünkü yapacağımız tüm parçalar kullanacağımız türbo şarj sisteminin ölçülerine göre yapılması gerekiyordu. Kazalı bir araçtan çıkma çalışır durumda bir türbo şarj temin edildikten sonra diğer kısımların fakültemiz atölyelerinde yapımı ve montajı gerçekleştirilmiştir.
Motorun ilk çalıştırma denemesinde ilk hareket için kompresör girişinden basınçlı hava verilmiştir. Uygun karışım oranı sağlanamadığından İlk denemelerde başarı elde edilememiştir. Karışım oranını etkileyen en önemli faktör alev tüpü hava giriş deliklerinin sayı ve çapları olduğu belirlenmiştir. Bu kısımda deneme yanılma yöntemi ile yapılan değişikliklerle uygun karışım oranı elde edilerek başarı sağlanmıştır. Karşılaşılan diğer bir sorunda ateşleme sisteminin kapatılması sırasında bobinde oluşan ters akımın tetikleme devresinde kullanılan 555 entegresine zarar vermesidir. Bu sorunda devreye iki adımlı bir anahtar eklenip önce tetikleme daha sonra ateşleme devresinin kapatılması ile giderilmiştir.
Motor çalışır duruma geldikten sonra termik verim, yakıt tüketimi, türbin giriş ve çıkış sıcaklıkları ve diğer parametrelerin belirlenebilmesi için bazı testler yapılmış ve ısıl verimin yakıt tüketimine bağlı değişim grafiği aşağıda gösterildiği gibi çıkartılmıştır. Test sırasında; elektronik ölçüm yapan pitot tüpü, hassas ölçüm yapan elektronik terazi, U manometreli basınç ölçer, termocouple ve kronometre gibi cihazlardan yararlanılmıştır.
Termik Verimin Yakıt Tüketimine Bağlı Değişimi
Kullanılan türbo şarjın küçük oluşu tasarımı zorlaştırmıştır. Orta büyüklükte bir türbo şarj sistemi kullanılırsa daha uygun olabilir. Gaz türbininin yanma odası ve akış hatlarının daha uygun malzemeler kullanılmasıyla ve daha mükemmel işlenmesiyle akış dirençleri azaltılarak verim artırılabilir. Çalışmalar esnasında türbin hızını ölçmek mümkün olmamıştır. Türbin hızını ölçecek uygun bir elektronik cihaz geliştirilebilir. Çalışma esnasında yanma odası içerisindeki yanma olayını izleye bilmek için ısıya dayanıklı bir pencere yapılabilir. Gaz türbininin itme gücü, sisteme dahil edilecek bir aparat ve yük sensörüyle ölçülebilir. Değişik yakıtlar kullanılarak termik verimler karşılaştırılabilir. Sisteme bir ısı eşanjörü eklenebilir. Böylece egsozdan atılan ısı da kullanılarak sistemin ısıl verimi artırılabilir.
4. Kaynaklar
|
