Axial hava akışlı motorlar, kompresör rotor ve stator kademelerinden geçen havanın basıncını arttırarak performanslarını optimize etmeye çalışır. Ancak, bu süreçte karşılaşılan kompresör stall ve surge gibi sorunlar, düzenli hava akışını engelleyerek motor performansını olumsuz etkiler. Bu metinde, Turbofan High Bypass motorlarda oluşan kritik sorunların nedenlerini ve önleme yöntemlerini inceleyeceğiz.
Kıymetli okurlarım ve takipçilerim, bu ayki yazımda, Turbofan High Bypass motorlarda oluşan “Kompresör Stall” ve “Surge” kavramlarına ve motorda oluşan olumsuz etkilerinin nasıl azaltılacağına ilişkin bilgiyi siz değerli arkadaşlarımla paylaşacağım.
Axial hava akışlı motorların kompresör rotor ve stator kısımlarında LPC&HPC kademelerinden basıncı ve sıcaklığı artan/hızı düşen hava yanma odasından geçtikten sonra, elde edilen ısı enerjisi (difüzör) vasıtasıyla hızın arttırılması ve basınç enerjisine dönüştürülmesi sağlanır. Kompresör kademelerinden geçen havanın basıncı arttırılmış olur. Bu nedenle, motorun tüm kompresör kademelerinde, hız düşüşü ve basınç artışı olacaktır. Artan basınç da kendi tarafına ters basınç oluşumu meydana gelmesi sebebiyle yanma odası ve türbin kademelerine düzenli hava akışını sürdürmesini zorlaştırır, motorun performansını etkiler. Bunun içinde kompresör kademeleri önden arkaya doğru hava akışını sağlamak için axial hava geçişi yapılır. Sonuç olarak, Rotor Blade ve Stator Vane’lerin hava geçişine uyum sağlaması için düzenli hava akışı sağlanması önemlidir.
Kompresor Stall
Kompresör kademelerinden geçen hava akışı, hava basıncında değişiklikleri/dalgalanmaları göstermektedir. Bu durum, havanın düşük basınçlı bir alandan daha yüksek basınçlı bir alana doğru ters bir basınç oluşmasına karşı akması olarak ifade edilebilir. Bu akışın düzgün basınçla olması için, aşağı yönde etki eden statik basınç ve dinamik basıncın toplamının yukarı yönde etki eden basınçtan daha büyük olması gerekir. Bu durum, hava kütlesi (mass) debisi ve kompresör LPC/N1) devrinin (RPM) azalması sonucunda söz konusu olacaktır. Bu da kompresöre giden hava akışını kısıtlayan, ters basınç oluşumunun kabul edilemez hava akışının bozulmasına neden olur. Motorun LPC/LPT/N1 devrinin düşmesiyle motor durma noktasına doğru hareket etmesi, uçuş emniyeti açısından büyük risk taşır.
Axial akışlı kompresörlerin Stator Vane’leri, üzerlerindeki hava akışının hücum açısına göre değişmesi sonucunda meydana gelen olumsuzluk, Vane’lerin (aerofoil yapı) varlığı hem avantaj hem de dezavantaj yaratır. Dezavantaj ise kompresör stall olarak adlandırılır. Stall oluşması, hava akışının herhangi bir tek vane veya vane grubuna, bu vanelerin stall açısından daha büyük bir açıyla yaklaşmasına neden olan bir faktör olarak etkisini gösterir.
Kompresor Stall’a Sebep Olan Muhtemel Faktörler
• Motor start (Accelaration) ve idle devrinde oluşur.
• Yerde kuvvetli yan rüzgarlar
• Motor girişinde buzlanma
• Kirlenmiş veya hasar görmüş kompresör ( LPC, HPC) vaneleri
• Uçağın yüksek nose-up/nose-down açısı nedeniyle hava girişi olumsuz etkilenir.
Genellikle motorda titreşim, yüksek çalışma sesi veya patlama sesleri ve hızla artan EGT ile birlikte Thrust kayıpları oluşur. Kompresor/Aerodinamik Stall oluşumunun engellenmesi için başka bir sistem kullanılır.
Kompresör Surge
Kompresör Surge terimi, genellikle kompresörden geçen hava akışının tamamen bozulmasının meydana geldiği olguyu ifade etmek için kullanılır. Bazı durumlarda, surge, kompresörden geçen hava akışının aralıklı olarak tersine dönmesine sebep olur. Hava akışının bozulması ve hava akışının aralıklı olarak tersine çevrilmesi genellikle motor devrinde hızlı değişikliklere neden olur.
Stall ve Surge nasıl engellenir?
Variable Inlet Guide Vane (VIGV) ya da Variable Stator Vane (VSV) olarak isimleri anılan sistem ile kompresörün stall’unu önlemek için, motorun düşük/yüksek/düşük devir koşullarında hava akımının vanelere stall açısından daha düşük bir açıyla yaklaşmasını sağlamak gerekir. Düşük (idle) devirde dönerken bunu sağlamanın bir yöntemi, kompresörün kademelerinin hemen önünde bulunan IGV kullanmaktır. Stator Vanelerin açısı, istenen kütle (mass) hava akışı ve her bir motor devir koşullarına uyacak şekilde ayarlanarak, hava HPC (High Pressure Compresor) yönlendirilmiş olarak gönderilir. Birçok High byPass Turbofan motorda bu teknik, kompresörün kademelerinde değiştirilebilir açılı stator vaneleri hareket ettirerek sağlanmış olur. Stator Vanelerin açısının değişimi için, motorun servo-fuel hattında kullanılan servo/actuator’ler vasıtasıyla hareket ettirilir.
Surge Bleed Valfler
Düşük devirde düşük kompresör verimliliğinin ve bunun sonucunda ortaya çıkan ters hava akışı basıncı etkileri, genellikle surge bleed valfleri aracılığıyla azaltılır veya önlenir. Bunlar, kompresör kısmının orta gövdesinde bulunur. Düşük devirde açıktırlar, fazla havanın atmosfere atılmasına izin verirler, böylece HPC kademelerinde havanın boğulmasını önlerler. Devir arttıkça, motordaki kütle (mass) hava akışını arttırıp, motor verimliliği için otomatik olarak kapanırlar. Motorun yüksek devirlerden, düşük (idle) devirlere düşerken, meydana gelen kütle (mass) debi etkisini azaltmak için Surge Bleed Vafler açılarak HPC tarafındaki fazla basıncın atmosfere atılması sağlanır. Bu da motorun stall olmasını engeller.
Dual spool (iki şaftlı, N1/N2) motorlarda, şaftın hızı, her birinin geçerli kütle (mass) hava akış koşullarına (motorun her devrinde) uygun olmasını sağlamak için bağımsız olarak çalışırlar. Ayrıca, yüksek basınçlı şaftta (HPC) oluşan basıncının az da olsa azaltılması sağlanarak, düşük (idle) devirlerde Fuel Metering Unit (FMU) yakıtın ölçülendirilip yakıtın miktarını artırdığımızda (thrust leveri ileri doğru hareket ettirdiğimizde) motorun devrinin artmasına çok hızlı tepki verilir. Bu da motorun verimliliğini arttırmış olur. Ancak stall/surge olumsuzluğunu tamamen ortadan kaldırılmaz.