Turboşaft motorlar için yabancı madde hasarı sertifikasyonu

TUSAŞ Motor Sanayii AŞ’nin (TEI) dergisi “TEI Post”un 138. sayısında, turboşaft motorlar için yabancı madde hasarı sertifikasyonunu konu edinen bir makaleye yer veriliyor.

“TEI Post” dergisinin 138. sayısının tamamına, mobil uygulamamızın dergi bölümünden ulaşabilirsiniz.

Dergide yer alan “Turboşaft Motorlar İçin Yabancı Madde Hasarı Sertifikasyonu” başlıklı yazıyı takipçilerimize sunuyoruz:

TURBOŞAFT MOTORLAR İÇİN YABANCI MADDE HASARI SERTİFİKASYONU

Yabancı Madde Hasarı (FOD): Motorun veya motorun ana akış yolunun, motor içine yabancı madde girişi nedeniyle fiziksel hasara uğramasıdır. Yabancı madde kaynaklı hasarlar; motorun operasyonel karakteristiklerini kötü yönde etkileyerek performans kaybına, operasyonel kararlılığın azalmasına ya da motorun arızalanmasına sebep olmaktadır.

GİRİŞ

Döner kanatlı hava araçları, ör: helikopter; dikey iniş ve kalkış yapabilme, uzun süre havada kalabilme ve düşük operasyon hızları sayesinde arama kurtarma, yangınla mücadele, ambulans vb. görevleri gerçekleştirebilmektedir. Bu alanlarda operasyonel başarısının sabit kanatlı hava araçlarına göre yüksek olması, döner kanatlı hava araçlarının görev profilinin büyümesine yardımcı olmuştur. Bunda en büyük paylardan biri de döner kanatlı hava araçlarına güç veren turboşaft motorlara aittir. Turboşaft motora entegre edilebilen yardımcı alt sistemler ve tasarımda kullanılan yabancı madde hasar toleransı yüksek malzemeler ile motor performansı ve güç değerlerinden ödün vermeden hava aracı operasyonları desteklenebilmektedir.

Turboşaft motorlar, itki yerine şaft gücü üretmek üzere optimize edilmiş bir gaz türbinli motor türüdür ve 1950’li yıllardan itibaren döner kanatlı hava araçlarında ana güç kaynağı olarak kullanılmaktadır.

Turboşaft motorlarda kullanılan giriş partikül ayırıcı, hava filtreleri vb. sistemler motorun içerisine girebilecek yabancı maddeler ana akış hattına karışmadan motordan uzaklaştırabilmektedir. Buzlanmayı önleyici sistem ile motor girişinde buz birikimi engellenebilmekte ve alternatif malzemelerin artması ile hasar toleransı yüksek tasarımlar gerçekleştirilebilmektedir.

İleri kanatçık tasarımları, imalat teknolojilerindeki gelişmeler ve motorların yüksek hızlara çıkabilmesi ile daha haff, daha küçük ve yakıt verimliliği yüksek turboşaft motorlar üretilebilmesini sağlamıştır ancak, hasar yaratabilecek yabancı madde boyutları sabit kalırken, tasarım ve imalat kabiliyetlerinin artması ile birlikte komponent verimleri yükselmiş ve ana akış yolundaki kritik komponentlerin sayıları azalarak boyutları küçülmüştür.

Gaz türbinli motorlarda yabancı madde hasarı yaygın olarak kompresör bölümünde gerçekleşmektedir. Yabancı madde hasarı, etkisi motor tarafından tolere edilebilir ve tolere edilemez olmak üzere ikiye ayrılabilir.

Motora etkisi, motor tarafından tolere edilebilir FOD’ler operasyon sırasında tespit edilemeyen, bakım ya da muayene ile gözlemlenebilecek FOD türüdür. Bu FOD’ler motordaki ana akış profilinde lokal tıkanıklara ve akışın bozulmasına sebep olarak motor performansı üzerinde minör etki ya da kalıcı olmayan ani performans kaybı oluşturabilir. Bu tip FOD’lerin etkisini tolere etmek, motorun yakıt tüketimini artırabilir, bu durum motorun bakım sürelerinin kısalmasına sebep olabilir ya da plansız bakım ve tamir gerektirebilir.

Etkisi motor tarafından tolere edilemez FOD’ler, motorun kararlı çalışmasını engelleyerek motor el kitaplarında belirtilen limitlerin aşılmasına neden olur. Motorun mekanik ya da yapısal bileşenlerinde gerçekleşen fiziksel hasar sebebiyle motorun kapatılması gerekebilir.

Bu yazıda, hava aracı operasyonu sırasında motor içerisine girebilecek yabancı maddeler turboşaft motorlar için değerlendirilerek, sivil turboşaft motor projelerinde FOD tehlikesine yönelik Avrupa Birliği Havacılık Emniyeti Organı (EASA)’nın oluşturduğu Motorlar İçin Sertifkasyon Şartnamesi (CS-E)’nde yer alan gerekliliklerden bahsedilerek motor tasarım süreçlerinde uygulanan hasar tolerans tasarımlarına yönelik doğrulama faaliyetleri ve kabul kriterleri ile ilgili bilgiler verilecektir.

TURBOŞAFT MOTORLAR İÇİN POTANSİYEL YABANCI MADDE HASARI KAYNAKLARI

Turboşaft motorlar için FOD tehlikesi oluşturabilecek kaynaklar operasyon ortamı, motorun hava aracı üzerindeki yerleşimi ve bakım olmak üzere 3 kategori altında incelenebilir.

Operasyon Ortamı:

Helikopter, operasyonunun azımsanmayacak bir bölümünü yer seviyesinde uçarak ve gezinerek (hovering) gerçekleştirir. Bu sırada helikopterin pervanelerinin aerodinamik etkisi ile yerden kalkan çakıl taşı, kum, toz, çimen vb. maddeler motor içerisine çekilebilir. Buna ek olarak çöl gibi havada toz ve kum yoğunluğunun fazla olduğu ortamlarda faaliyet gösterebilir. Ayrıca soğuk hava koşullarında, hava aracının ya da motor girişinin belirli bölümlerinde buz birikimi gerçekleşebilir. Biriken buz, zamanla yüzey ile buz kütlesi arasındaki yüzey gerilimin azalması ile birlikte, tutunduğu yerden ayrılarak motor içerisine girebilir ve hava olayları sebebiyle yağmur, dolu ve kar, operasyon sırasında karşılaşılan kuş çarpması veya kuşa ait parçalar motor içerisine çekilebilir.

Motorun Hava Aracı Yerleşimi:

Motor girişi hattı ve arayüz bağlantıları elemanları, potansiyel FOD tehlikesi oluşturmaktadır. Helikopterin ana rotoru kaynaklı yüksek titreşimler, eksik montaj vb. sebepler ile motor - hava aracı bağlantı elemanları gevşeyerek giriş hattından kopan veya yerinden çıkan parçalar motor içerisine girebilir. Ayrıca, motor giriş hattında su tutabilecek yerlerde suyun donması sonucu motora buz kütlesi girişi olabilir.

Bakım:

Bakım sırasında motorun bakımından sorumlu kişilerin bağlantı elamanları (somun cıvata vb.), el aletleri (tornavida, anahtar, bakım aynası vb.), temizlik malzemeleri (kumaş, sünger vb.) bakımın gerçekleştiği ortamda unutulabilir. Ayrıca bakım personeline ait diğer eşyalar, bakım ortamında bulunabilecek objeler potansiyel olarak FOD riski oluşturmaktadır.

Yabancı madde hasarının önlenebilmesi, böylelikle motorun hava aracı ile birlikte emniyetli bir şekilde operasyonuna devam edebilmesi için motorun içerisine girebilecek potansiyel yabancı maddeler ve motor operasyonu sırasında maruz kalınacak yabancı madde yoğunlukları belirlenerek gerekli tasarım çözümlerinin üretilmesi ve bu çözümlerin işlerliğinin kanıtı için doğrulama faaliyetlerinin gerçekleştirilmesi gerekmektedir. CS-E’de yabancı maddeler tek motora etki eden ve birden fazla motora etki eden şeklinde ayrılmıştır. Devam eden paragraflarda yabancı madde hasarının motor üzerinde etkileri CS-E’ye göre değerlendirilmiş ve kabul şartları belirtilmiştir. Ayrıca yabancı madde hasarına yönelik doğrulama faaliyetleri ve referans alınabilecek CS-E maddelerinden bahsedilmiştir.

1- Tek Motora Etki Eden Yabancı Maddeler İçin Kabul Kriterleri

Etkisi motor tarafından tolere edilemez FOD sınıfına giren tek motor üzerinde etkili yabancı maddelerin Tehlikeli Motor Etkisi oluşturmadığı kanıtlanmalıdır. Turboşaft motorlar için FOD kaynaklı Tehlikeli Motor Etkisi olarak kabul edilebilecek durumlar aşağıda verilmiştir.

• Yabancı maddelerin çarpma etkisiyle motor döner parçalarının, ör: disklerin yapısal bütünlüğün bozulması ve motor dışına yüksek enerjili parça salınımı gerçekleşmesi.

• FOD sebebiyle oluşan etkiler ile motordan hava aracına sağlanan tahliye havalarında toksik ürünlerin yoğunluğunun artması ve uçuş görevlilerini veya yolcuları etkisiz hale getirecek seviyeye gelmesi.

• FOD etkileri sebebiyle motorda kontrol edilemeyen yangın gerçekleşmesi.

• Motordaki yük dengesinin bozularak, motor - hava aracı arasındaki bağlantı yapılarının kırılması.

• Motorun acil veya normal prosedürler ile durdurulamaması.

2- Birden Fazla Motora Etki Eden Yabancı Maddeler İçin Kabul Kriterleri

Birden fazla motoru etkileyebilecek yabancı maddeler, motor tarafından tolere edilebilir ve tolere edilemez etkiler oluşturabilir. Yabancı madde türüne göre ilgili CS-E paragraflarında kabul edilebilir performans kaybı ve hasar seviyeleri tanımlanmakla birlikte, motorun FOD testi ardından sağlaması gereken performans ve dayanım kriterleri aşağıda belirtilen üç başlık altında toplanabilir. Motor ve ilgili alt sistemler ile gerçekleştirilen testlerden elde edilen veriler sonucu bu kriterlerin sağlandığına yönelik kanıtlar oluşturulmalıdır.

• Ani ya da kalıcı performans kaybı, yağmur, dolu ve buz emilimi sebebiyle %10’dan fazla ani performans kaybı, buz kütlesi için %1.5 ve dolu testi için %3 üzeri kalıcı performans kaybı.

• Motorun kullanım özelliklerinde bozulma, mekanik hasara bağlı olarak motor bakım zorunluğunun oluşması, bir sonraki planlı bakıma kadar operasyona devam edememe vb.

• Motordaki kararsız çalışma sebebiyle hız, sıcaklık, tork vb. herhangi bir operasyon limitinin aşılması.

Yabancı madde hasarına yönelik detaylı bilgiler Tablo-1’de verilmiştir. Kabul kriterleri ve test profllerinin detaylarına yönelik ilgili CS-E maddeleri incelenebilir.

Turboşaft motorlar için kullanılabilecek alternatif doğrulama yöntemleri ise şu şekilde sıralanabilir.

• Çift motorlu döner kanatlı hava araçlarında kullanılacak motorlar için orta veya küçük boyutlu kuş çarpmasına yönelik gereksinimlere uyum, motorun hava aracı girişine bağlı olarak zorunlu olmayabilir. Büyük kuş çarpması veya diğer yabancı maddelerin oluşturduğu hasarlar ile karşılaştırıldığında bu testler gerçekleştirilmeyebilir.

• Şayet kanatçık kopması testi sonucu oluşan etkiler tekil büyük kuş çarpması testinden daha şiddetli ise kanatçık kopması testi kanıt olarak kullanılabilir ve tekil büyük kuş testi gerçekleştirilmeyebilir.

• Şayet tekil büyük kuş çarpması sonucu oluşan etkiler temizlik bezleri, cıvata, somun, perçin vb. yabancı maddelerin motora girmesi sonucu oluşacak etkilerden daha şiddetli ise bu maddelere yönelik doğrulamalar tekil kuş çarpması testi ile gerçekleştirilebilir. Motorun hava aracı girişine de bağlı olarak turboşaft motorlar için tüm bu testler, CS-E 810 kapsamında gerçekleştirilen kanatçık arızası testi ile gerçekleştirilebilir.

Yabancı madde hasarı motorun operasyonel karakteristiklerini kötü yönde etkileyerek performans kaybına, operasyonel kararlılığın azalmasına ya da motorun arızalanmasına sebep olmaktadır. Motor tasarımında giriş partikül ayırıcı, buzlanma önleyici sistemler ve hasar dayanımı yüksek malzeme kullanımı turboşaft motorlarda, yabancı madde hasarını en aza indirerek motorun operasyon kabiliyetini artırmaktadır. Sivil projelerde FOD ile kabiliyet gösterimi için EASA’nın yayımladığı CS-E kullanılarak motorun emniyetli çalışması garanti altına alınabilir. Her bir FOD türü için ilgili CS-E’nin paragrafları referans alınarak tasarıma yön verilebilir ve tasarım doğrulama faaliyetleri gerçekleştirilebilir, motorun uçuşa elverişliliği garanti altına alınabilir.