UÇAK MOTORLARI

(PİSTON MOTORLAR)

1. PİSTON MOTORUN BULUNUŞU:

     Piston ve silindir ilk olarak buhar gücüyle çalışan motorun bulunmasından sonra  görülmüştür. 1765 yılında James Watt (1736–1819), buhar gücüyle çalışan pistonun ileri–geri veya aşağı–yukarı hareketi nedeniyle meydana gelen aşırı ısınmanın soğutulmasını ve pistonun krank milini ekseni etrafında döndürecek şekilde çalışmasını başarmıştı.

     Bir asır sonra, 1876’da Alman mucit makine mühendisi Nicolaus Otto ve Gottlieb Daimler ateşleme ve yanmanın silindir içinde yapıldığı, benzinle çalışan, günümüzdeki otomobil motorunun ilk örneğini yaptı. Benzinle çalışan bu motor; buhar motoruna göre çok hafif, daha güvenli, çalıştırılması ve kullanılması daha kolaydı.

2. PİSTON MOTORUN ÇALIŞMASI:

İçten yanmalı motorun bir silindirinde bulunan ana parçalar

Bir motorda gücün sağlanması dört aşamada gerçekleşir.

    Birinci aşama: Piston silindirin üst seviyesinden aşağıya doğru hareket etmeye başladığında emme supabı açılarak yanma odasına benzin / hava karışımı alınır.

    İkinci aşama: Emme supabı kapandıktan sonra piston yukarı hareket ederek benzin / hava karışımını sıkıştırır.

    Üçüncü aşama: Sıkıştırmanın en üst seviyesinde bujinin çıkardığı kıvılcımla benzin / hava karışımı ateşlenir. Benzin / hava karışımın yanmasıyla meydana gelen genleşme nedeniyle piston hızlı aşağı hareket eder.

    Dördüncü aşama: Piston tekrar yukarı harekete başladığında eksoz supabı açılarak yanmış karışım dışarı atılır.

    Bu şekilde çalışan motorlar, dört zamanlı motor olarak adlandırılır.

    Aşağıdaki örnekte hava soğutmalı radyal uçak motorunda pistonların ve krank milinin konumu ile hareketleri görülmektedir.

Krank mili hareketli radyal motor kesiti

3. UÇAK PİSTON MOTORLARINDA KULLANILAN YAKIT:

    Uçak piston motorlarında benzinin formüle edilmesiyle elde edilen ve havacılık benzini  (Avaition gasoline “AVGAS”) olarak adlandırılan yüksek oktanlı (80/87, 91/96, 100 LL, 100/130, 108/135, 115/145) yakıt kullanılır. AVGAS, farklı bir formüle sahip olduğundan jet motorlarında kullanılan yakıtla karıştırılmamalıdır.

    AVGAS’daki az ve çok uçucu bileşenlerin oranı otomobillerde kullanılan benzine göre daha azdır. Bu özellik, yüksek irtifada yapılan uçuşlar için önemlidir.

    AVGAS, benzinin yanma hızını azaltmak için belirli oranda kurşun tetra–ethly içerir. İçerdiği kurşun tetra–ethly oranına göre:

    –AVGAS 80/87: Sadece sıkıştırma oranı düşük motorlarda kullanılır ve 4.5 litrede en fazla 0.5 gram kurşun tetra–ethly bulunur.

    –AVGAS 100/130: Yüksek oktanlı havacılık benzinidir. 4.5 litrede en fazla 4 gram veya 1 litrede en fazla 1,12 Gram kurşun tetra–ethly bulunur.

    –AVGAS 100 LL (Low Lead): 4,5 litrede en fazla 2 gram veya 1 litrede en fazla 0.56 gram kurşun tetra–ethly bulunur. En çok kullanılan havacılık benzinidir.

    AVGAS 115/145: Genellikle askeri havacılıkta kullanılır.

    Pilotların ve bakım ekibinin yakıtın cinsini tanıması için AVGAS özel bir boya renklendirilir.

    AVGAS 80/87 kırmızı, AVGAS 100/130 yeşil ve AVGAS 100LL açık mavi renklidir.

4. BEYGİR GÜCÜ VE WATT:

        James Watt piston motoru buharla çalıştırmayı başardığında bu makinenin meydana getirdiği gücü tanımlama gereğini duydu. Bu tanımlamayı yapabilmesi için atın yaptığı çalışmayı esas aldı. James Watt; normal şartlarda bir atın değirmende buğday ve mısır gibi hububatları öğütmek için 75,4 feet’lik bir çember (24 feet çap) etrafında döndüğünü gözlemleyerek, 180 pound değerinde iş yaptığını hesapladı. Ancak bulduğu bu değer tek başına bir anlam taşımıyordu. Çünkü bu işin ne kadar bir sürede yapıldığını hesaplamamıştı. Daha sonra yaptığı çalışmalarda atın 75,4 feet’i 1 dakikada 2,4 kez kat ettiğini ve 1 dakikadaki hızını 181 feet olarak hesapladı. Buradan 180 x 181 = 32.580 libre – dakika sonucuna ulaştı ve bu sonucu 33.000 olarak kabul etti. Günümüzde de kullanılan aşağıdaki formülü buldu.

Ancak, daha sonraki yıllarda yapılan hesaplamalarda; formül değerinin, normal bir atın yaptığı işten % 50 daha fazla olduğu saptanmıştır.

       Formülde;  33.000 libre’lik bir kütleyi, 1 dakikada, 1 foot yüksekliğe çıkarmak için harcanan enerji, 1 Beygir Gücü olarak tanımlanır. Günümüzde de İngiliz ölçü birimi olan bu formül kullanılmaktadır.

         Metrik sistemde:   1 kilowatt  = 102 kg.- m / saniye,                           

                                        1 Beygir gücü = 0.746 kw (76.04 kg.-m / saniye)’dır.

         Piston motorda beygir gücünün artması, yanma odasının hacmi ve silindir sayısı ile doğru orantılıdır.

5. UÇAK VE PİSTON MOTORLAR:

             Piston motor uçakta ilk defa Wright kardeşler tarafından kullanıldı. “Uçan makine”nin planlarını yaptıklarında; ileri çekici kuvveti elde etmek için yüksek hızda dönen pervanelerin gerekli olduğunu ve bunun da ancak bir motorla yapılabileceğini anladılar. Wright kardeşlerin yaptıkları çalışmalarda; iki pervaneyi döndürecek, 82 kilogramı geçmeyecek ve en az 8 beygir gücü (6 kilowatt) özelliklerinde bir motorun gerekli olduğunu hesaplamışlardı. Ancak, mevcut motorlar otomobil için üretildiklerinden yaptıkları tasarıma uygun bir motor bulamamışlardı.

             Planlamalarına uygun motor üretimi için fabrikalara yaptıkları girişimlerden bir sonuç çıkmayınca, kendi motorlarını yapmaya karar verdiler. Yetenekli bir teknisyen olan Charles Taylor, Wright kardeşlerin tasarımına uygun bir motor yapmayı başarmıştı.

             “Uçan makine” için bir buçuk ayda yapılan motor; düz bir hat üzerinde ve dört silindirli, 3,294 santimetreküp hacminde, 91 kilogram ve 12,5 beygir gücü (9,3 kilowatt) özelliklerine sahipti. Gaz kolu olmadığı için motor azami devirde çalışıyordu.

Charles Taylor’un “Uçan Makine” için yaptığı motor

    Wright kardeşlerin 17 Aralık 1903’de motorlu bir uçakla gerçekleştirdikleri ilk uçuşun ardından Amerika Birleşik Devletleri ile Avrupa’da uçağın keşif (göz–fotoğraf keşfi) / bombardıman görevlerini yapabileceği ve askeri açıdan büyük yararlar sağlayacağı çok çabuk anlaşılmıştı. Bu tarihe kadar yapılan savaşlarda, düşmanın ön cephedeki konumu ve faaliyetleri sabit bir noktadan yükseltilen balonla sınırlı bir uzaklığa kadar yapılabiliyor, cephe gerisindeki yedek birliklerin durumu ve lojistik faaliyetler gibi çok önemli bilgiler ajanlar aracılığıyla oldukça sınırlı düzeyde sağlanabiliyordu.

    20 nci Yüzyılın ilk yıllarında yapılan uçak motorları basit ve beygir gücü düşüktü. Sonraki yıllarda Amerika Birleşik Devletleri, İngiltere, Fransa, Almanya, İtalya ve Rusya daha gelişmiş uçak motorlarını üretmeye başladı.

    Pistonlu uçak motorları üretilmeden önce birçok etken dikkate alınır. Bu etkenler; hafif olması, en az düzeyde geri sürükleyici kuvvet oluşturması, uçağı havalandıracak ve uçuracak güçte olması, çalışmasının güvenilirliği ve bakımının kolay yapılmasıdır.

    Uçak motorlarında azami güç, kalkış sırasında birkaç dakika kullanılır. Güvenli irtifaya çıkıncaya kadar veya planlanan irtifaya tırmanışta devir biraz düşürülür ve seyahat hızında çoğunlukla azami gücün %65 ile %75’i kullanılır.

    Uçak motoru üretilirken bütün bu etkenler ve kullanım özellikleri dikkate alınır.

    Pistonlu uçak motorları; silindirleri düz bir hat üzerinde sıralı (inline), “V” veya silindirleri bir daire oluşturacak (radial) şekilde üretilir. Radyal motorlar içten yanmalı,  krank mili sabit silindirleri dönen (rotary) ve krank mili hareketli silindirleri sabit olmak üzere iki grupta sınıflandırılmaktadır.

    Rotary (krank mili sabit, silindirleri dönen) motorlar, 20 nci Yüzyılın başlarında yaygın olarak kullanılan bir motor türüydü ve basit bir yapısı vardı. Beygir gücü az olduğundan silindirler ekseni etrafında düşük devirde dönüyor, düzgün ve sarsıntısız çalışıyordu.

    İlk rotary motorun planları Stephen Balzer tarafından yapılmıştı. 100 beygir gücünde (75 Kilowatt) olan bu motor hava soğutmalı olmasına rağmen, silindir çevresinde soğutma kanalları yoktu. Ayrıca çok karmaşık bir yapıya sahipti ve üretimi pahalıydı. Stephen Balzer bu motorun planlarını 1899 yılında çizmeye başlamıştı. 

    1908 yılında Lauren Seguin bu motoru geliştirerek Gnome motorunun planlarını çizdi. İlk Gnom motoru beş silindirli, 50 beygir (37 Kilowatt) gücündeydi. Sonraki yıllarda yedi silindir 50 beygir gücü (37 Kilowatt), 80 beygir gücü (60 Kilowatt) ve 110 beygir gücünde (80 Kilowatt) motorlar üretilmişti.

Le Rhone 9–C rotary motor

Motorun dönmesi nedeniyle benzin silindirlere, silindirdeki valfın açılmasıyla krank milindeki boşluktan gidiyordu. Bu motorlarda gaz kolu bulunmadığından çalıştırmadan sonra pervane en yüksek devre çıkıyordu. İniş esnasında pilot ateşlemeyi keserek ve açarak motoru durma noktasına yakın bir durumda çalıştırıyor, inişi bu şekilde yapıyordu.

   Birinci Dünya Savaşı sırasında Sopwith Camel, Fokker E–1 ve Nieuport–28 uçaklarında rotary motorlar kullanılmıştı.

    Birinci Dünya Savaşı’ndan sonraki yıllarda uçakların gelişmesine paralel olarak daha fazla beygir gücü gerekmekteydi. Bu durum motorlardaki yanma odalarının hacminin büyümesi ve silindir sayısının artması demekti. Silindir sayısının çoğalması nedeni ile motor ağırlığının büyümesi ve merkezkaç kuvvetinin fazlalaşması, dönen motoru büyük sarsıntılar nedeniyle kopma noktasına getirmişti. Bu olumsuzluklardan dolayı rotary motorlarının yapımına son verilmiş ve silindirleri sabit, krank milinin ekseni etrafında döndüğü radyal motorların üretimine geçilmişti.

    Radyal motorlar da içten yanmalı olarak sınıflandırılmakta ve çoğunlukla uçaklarda kullanılmaktadır. Silindirler rotary motorlarda olduğu gibi krank milinin etrafında bir daire oluşturacak şekilde dizilmiştir. Her silindirdeki pistonun hareketi, piston kolu ile krank miline aktarılmakta ve krank milinin ekseni etrafında dönmesi sağlanmaktadır. Ayrıca karbüratör ve gaz kolu bulunduğundan, motorun devri istenen şekilde ayarlanabilmektedir.

Hava soğutmalı radyal uçak motoru

Fazla güç gerektiren ve bu nedenle silindir sayısı çok olan radyal motorların, silindirleri düz bir hat üzerinde sıralı motorlara göre iki önemli üstünlüğü vardır. Birincisi bütün silindirlerin motorun ön kısmında yer alması, ikincisi ise hava akımının doğrudan alınması ile iyi bir soğutma sağlanmasıdır. Yüksek irtifa uçuşu yapan uçakların motorlarında soğumayı sağlayan hava akışı; uçulan irtifadaki ısı dikkate alınarak, motorun arka bölümünde bulunan kapakları açıp kapayan mekanik bir sistem kullanılarak pilot tarafından ayarlanır ve motor ısısı göstergeden kontrol edilir.

B–24 “Liberator”

Eğer motor aşırı düzeyde ısınırsa, güç kaybı meydana gelir ve bu durum bir süre sonra silindirlerin çatlamasına, sonunda motorun durmasına neden olur.

    Radyal motorlar ağırlık / güç oranı ve güvenirliğine ek olarak hasarlara karşı da çok dirençlidir.

    1935 yılından sonra yüksek süratli uçaklarda güçlü ve güvenilir Daimler–Benz DB 601 ve Rolls Royce Merlin gibi yeni nesil in line motorlar görülmeye başlandı. İkinci Dünya Savaşı’ndaki av uçaklarında her iki motor tipi de kullanılmıştır. Örnek olarak; Alman Focke–Wulf Fw–190 av uçağının motoru radyal, İngiliz Spitfire av uçağının motoru in line’dı.

Focke-Wulf "Fw-190" (radyal motor)             Spitfire “Supermarine”  (in line motor)

Radyal motorlar kullanım ve yapım özelliği nedeniyle gelişen teknolojiye paralel olarak kendini sürekli yenileyerek varlığını sürdürmüş, in line motorlar ise İkinci Dünya Savaşı’ndan sonra hızlı bir şekilde gözden kaybolmuştur.

    İn line motorlar günümüzde sadece hafif uçaklarda kullanılmaktadır.

Cessna 172 uçağının Continental O–300 (silindirleri karşılıklı dizilmiş) in line motoru

Kaynaklar : 1. Wikipedia    2.  Gary Bradshaw ve Steve Wright

Editör : Ercan ÇETİNERLER