Hava motora hava alığından geçerek girer. Bu durum motorun en önemli performans parametrelerinden birinin hava alığı olduğunu gösterir. Hava alığı akışı yavaşlatarak motorun kompresör bölümüne 0.4-0.6 Mach arasında girmesini ve motora gereken miktarda hava debisinin girmesini sağlar. [1] Hava alığı için inlet veya air intake terimleri kullanılmaktadır.
Şekil 1: Concorde Sesüstü Uçağının Değişken Geometrili Hava Alığı – Yandan Görünüm [4]
Hava alığı tasarımı yapılırken dikkat edilmesi gerekenler, [1]
- Hafif ve üretim maliyeti düşük olmalı
- Kompresöre düzenli bir akış sağlamalı
- Uçağa kolay entegre edilebilir olmalı
- Fan’ın veya motor sesinin akustik emilimini sağlamalı
- Düşük radar görünürlüğü sağlamalı
- Bakım, uçuşa elverişlilik gibi özellikleri iyi olmalı
- Gereken itki artışını sağlamalı
Sesüstü Hava Alığı Tipleri ve Sınıflandırılması
Hava alığının gövdedeki konumuna göre, akışı sıkıştırma tipine göre ve akış boyutuna göre olmak üzere sınıflandırma çeşitleri bulunmaktadır.
Şekil 2: Farklı Kriterlere Göre Hava Alığı Tipleri ve Sınıflandırılması [5]
Gövdedeki pozisyonuna göre pitot hava alığı, gövde yanı hava alığı, ventral hava alığı ve üst monteli hava alığı olarak tipleri belirtilmiştr.Akış boyutlarına göre iki boyutlu rampa hava alığı, eksenel simetrik hava alığı, yarı-eksenel simetrik hava alığı ve üç boyutlu hava alığı olarak sınıflandırılır.Akış sıkıştırma bölgesine göre incelediğimizde İç Sıkıştırmalı Hava Alığı, Dış Sıkıştırmalı Hava Alığı ve Karma Sıkıştırmalı Hava Alığı olarak üç tipi vardır.
İç Sıkıştırmalı Sesüstü Hava Alığı
Sıkıştırma hava alığı girişinden itibaren başlar. Eğik şokları boğaz kısmının biraz arkasında oluşan normal şok takip eder.
Şekil 3: İç Sıkıştırmalı Hava Alığı Operasyon Durumları [2]
Şekil 3-b’de görüldüğü üzere hava alığında yaşanan problemlerden biri başlamama koşuludur. Eğer hava alığının alan oranı uçuş mach sayısına denk gelen gerekli alan oranından küçük ise normal şok hava alığına gelmeden ön kısımda bow şok şeklinde oluşur. Bu durumda akış kaybı olacağından sürükleme artar ve toplam basınç geri kazanımı azalır. Hava alığını başlangıç koşuluna getirmek için belli yöntemler bulunmaktadır.
Şekil 3-c’de hava alığı başlama durumu gözlenmektedir. Yeterli alan oranına sahip olunduğunda ve boğaz kısmında mach sayısı 1 olduğunda hava alığı başlama durumuna gelir ve normal şok hava alığının giriş kısmında oluşur. Normal operasyona geçmek için alan oranı ve çıkış basıncı etkisi gereklidir. Çıkış basıncı değiştirilerek normal şok kontrol edilebilir. Çıkış basıncı düşürüldüğünde normal şok arkaya doğru hareket eder. Boğaz kısmının biraz arkasında konumlanır ve en iyi toplam basınç geri kazanımını sağlar. Bu durum Şekil 3-a’da gösterilmiştir.
Dış Sıkıştırmalı Sesüstü Hava Alığı
Yüksek toplam basınç geri kazanımı elde edebilmek amacıyla birden fazla şok içeren sistemler geliştirilmiştir. Çünkü akışı normal şoktan önce ne kadar yavaş olursa kayıp durumu da o kadar az olmaktadır.
Şekil 4: Tek ve Çift Rampalı Sesüstü Hava Alığı Gösterim [1]
Sıkıştırma hava alığı dışından eğik şoklar ile başlar ve hava alığının giriş kısmında normal şok ile devam eder. Hava alığı içerisinde akış tamamen sesaltı olmalıdır. Bu sistemde rampa sayısına göre eğik şok sayısı artar veya azalır. Ayrıca değişken, kontrol edilebilir rampalı gelişmiş sistemler de mevcuttur. Bunlar Concorde(Şekil-1), Tu-144 ve F-15 gibi uçaklarda kullanılmaktadır.
Dış sıkıştırmalı hava alığının da istenen şekilde çalışabilmesi için normal şokun hava alığı giriş kısmında (Şekil 5-b) konumlandırılması gerekir ve çıkış basıncı ile sağlanır.
Şekil 5: Dış Sıkıştırmalı Hava Alığı Modlar [1]
Çıkış basıncı azalıp normal şok hava alığının iç kısmında meydana gelirse toplam geri basınç kazanımı düşer, motor girişinde bozunmalar ve sınır tabaka ayrılması meydana gelir. Bu durum Şekil 5-c’de görüldüğü gibi süperkritik (supercritical) mod olarak tanımlanır.
Çıkış basıncı artıp normal şok hava alığının rampa kısımlarında meydana gelirse Şekil 5-a’da görülen altkritik (subcritical) mod meydana gelir. Akış kaybı olur, sürükleme artar. Şok etkileşimine bağlı olarak motor girişinde bozunmalar ve salınıma bağlı olarak sınır tabaka ayrılması görülür. Bu durumda Buzz Instability adı verilen özel durum oluşur. Akış ayrılması meydana geldiğinden boğaz kısmı bloke olur. Buzz instability koşulu istenmeyen bir durumdur.
Karma Sıkıştırmalı Sesüstü Hava Alığı
Sıkıştırma hava alığının dışarısından başlayarak iç kısmında da eğik şoklar ile devam eder. Boğaz kısmında normal şok oluşur ve akış sesaltına iner.
Şekil 6: Karma Sıkıştırmalı Hava Alığı Gösterim [1]
Hava Alığı Performans Parametreleri
Hava alığı komponentinin değerlendirimesinde iki önemli performans parametresi vardır. Bunlar izantropik verim ve toplam basınç geri kazanımıdır. [3]
Denklem 1: İzantropik Verim Formulasyonu [3]
Gas türbinli motorlar termodinamikteki Brayton Çevrimine göre çalışmaktadırlar ve izantropik verim formülasyonu oradan gelemektedir. İkincil olarak toplam basın geri kazanımında hava alığı çıkış toplam basıncının girişteki toplam basınca oranı incelenir. Formülasyonu Denklem 2’de gösterilmiştir.
Denklem 2: Toplam Basınç Geri Kazanımı Formülasyon [3]
Normal Şok hava alığı tipi düşük sesüstü Mach sayılarında kullanılırken Mach 2 seviyesinde dış sıkıştırmalı hava alığı tipi daha verimlidir ve daha yüksek Mach sayılarında ise karma sıkıştırmalı hava alığı kullanılmaktadır.
Şekil 7: Hava Alığı Tipleri Performans Karşılaştırma Grafiği [3]
Kaynakça
| [1] | Farokhi S, (2014) Aircraft Propulsion, John Wiley & Sons Ltd., UK |
| [2] | Mattingly J D, (2002) Aircraft Engine Design, AIAA Series, Washington DC |
| [3] | Mattingly J D, (2005) Elements of Gas Turbine Propulsion, Tata McGraw-Hill Comp. New York |
| [4] | Peterson C R, Hill P G, (1992) Mechanics and Thermodynamics of Propulsion, Addison-Wesley Publishing Comp. |
| [5] | Soltani M R, Askari R, (2019) On the performance of the body integrated diverterless supersonic inlet |
| [6] | Kapak Resmi: https://www.desktopbackground.org/wallpaper/sr-71-blackbird-free-desktop-backgrounds-free-wallpapers-image-355707 |
Uçak ve Uzay Mühendisi
İstanbul Teknik Üniversitesi – Uçak ve Uzay Mühendisliği YL
Samsun Üniversitesi – Uçak ve Uzay Mühendisliği
İzmir Bornova Anadolu Lisesi