Boeing B787 Dreamliner’ın No Bleed System Mimarisi

Sevgili Okuyucularım,

Geçtiğimiz 3 hafta arka arkaya yayınlanan “Uçağın 120 Yıllık Evrimi” adlı dizi yazım toplamda 39.000 kez okunmuş. Bu, AirlineHaber okuyucularının bu ve benzeri yazılara olan ilgisini gösteriyor, okuyucularıma teşekkür ediyorum.

2011 yılının Ekim ayında hizmete giren Boeing B787 Dreamliner uçağının geleneksel uçaklardan ayrılan kendine has bazı özellikleri var. THY’nın filosunda bugün için 19 adet B787-9 mevcut. Bu uçakları uçuran pilotlar ile bakım ve arıza giderme işlemlerini yapan teknisyenler elbette uçağın özelliklerini çok iyi tanıyorlar. B787’nin bazı önemli yeniliklerini havacılığa meraklı okuyucularım (ve kendim) için tanımak istedim.

B787’yi geleneksel uçak sistemlerinden ayıran en önemli farkı “No Bleed Systems Architecture” motorun Alçak ve Yüksek Basınç Kompresörlerinde üretilen basınçlı havayı (Bleed Air) kullanmayan mimarisinde, motorların ürettiği hava yalnızca motor buzdan koruma sistemi (Engine Cowl Ice Protection) ve Hidrolik Deposu’nun basınçlandırılması için kullanılır. Bu mimarinin ana temeli motorlardan kabin için hava, dolayısı ile enerji almamak ve yakıt tasarrufu.

NOT : Yazımın içinde sık kullanacağım bu uzun ‘No Bleed Systems Architecture’ cümlesi yerine kelimelerin baş harflerinden oluşan “NBSA” kısaltmasını kullanacağım. Ayrıca, “geleneksel uçak” tanımını, halen kullanılmakta ve B787 dışında kalan diğer modern uçaklar için kullanacağım.

NBSA, motorlardan alınan hava yerine uçağın jeneratörlerinde üretilen elektrik gücü, kanatların buza mani sistemini (Wing Deicing Protection), motorların çalıştırılmasını (Engine Starting), yüksek kapasiteli hidrolik pompalarının (High Capacity Hydraulic Pumps) çalıştırılması, kabinin basınçlandırılması ve iklimlendirilmesi (Cabin Environmental Control) sistemlerini çalıştırıyor.
NBSA, geleneksel pnömatik sistemini ve motorlardan hava alma sistemlerini yüksek elektrik gücü (High Power Electrical System) ile değiştirmiştir. Bu elektrik gücü, bildiğimiz fonksiyonlara ek olarak motorlardan alınan hava ile gerçekleştirilen fonksiyonların da çoğunu üstlenir.

Bu yeni sistemde elektrik gücün kaynakları motor tahrikli ve APU tahrikli jeneratörlerdir. Hidrolik sistemin güç kaynakları ise motor tahrikli ve elektrik motoru tahrikli hidrolik pompalardır. NBSA’nın motorla tahrik edilen hidrolik güç kaynakları, geleneksel hidrolik sistemlere benziyor.

NBSA’da elektrikle çalışan kompresörler, kabinin basınçlandırılmasını sağlar ve ihtiyacı olan taze havayı özel hava girişleri yoluyla uçağın dışından alır. Bu tasarım, geleneksel Engine Bleed sisteminden önemli ölçüde daha verimlidir, Çünkü Ön Soğutucular (Pre-Cooler), Bleed Valfler, Modülasyon Valfleri vb olmadığı için, motorlardan aşırı enerji çekilmesi yoktur. Bu yeni sistem, motorların daha az yakıt kullanmasına yol açar.

NBSA’da elektrik motoru ile çalışan kompresörler uçak dışından alınan taze havayı kabine basarlar. Bu yöntem, geleneksel Air Bleed sisteminden önemli ölçüde daha verimlidir. Kompresörlerin ürettiği basınçlı havanın ayarlanmasına gerek yoktur. Bunun yerine kompresörler ayarlanabilir elektrik motoru ile gerekli basıncı önemli bir enerji israfı olmadan üretir. Bu da, motorların yakıt tüketiminde önemli tasarruf sağlar.

NOT : Boeing B707 uçaklarında kabinin basınçlandırılması ve iklimlendirilmesi için gerekli hava motorlardan alınan basınçlı hava kullanılarak döndürülen Turbo Compressorler (TC) ile dışarıdan alınan taze hava kullanılırdı. Yani, motorların ürettiği havanın kabine basılmaması daha önceleri de mevcuttu. TC’ler 4 motorlu uçağın yalnızca 2, 3, ve 4 nolu motorların pylonlarında mevcuttu.
Buraya kadar NBSA’nın getirdiği yeniliklerden olan “motorlardan hava alınmadan” kabinin basınçlandırılmasını ve iklimlendirilmesini görmüş olduk, Şimdi Hidrolik ve Elektrik Sistemlerini biraz daha detaylı olarak görelim.

Hidrolik Sistemi (aşağıdaki sistem Şema’sına bakınız)

B787’nin hidrolik sistemi diğer geleneksel uçaklara benziyor. Uçakta birbirinden bağımsız 3 ayrı hidrolik sistem var. Bunlar Sol, Sağ ve Merkez olarak adlandırılmış. Hidrolik sistemler, birincil uçuş kumandalarını (Primary Flight Controls), iniş takımlarının alınıp verilmesi (Landing Gears Retraction and Extension), Thrust Reversers, Flaplar (Trailing Flaps) ve Slatları (Leading Flaps) çalıştırırlar.

NOT : Klasik Airbus uçaklarında da 3 bağımsız hidrolik sistem, Yeşil, Mavi ve Sarı olarak adlandırılıyor.

Hidrolik sol ve sağ sistem pompaları dişli kutuları vasıtası ile motorlar tarafından döndürülür. Ayrıca bu iki sistemin elektrik motorları tarafından çalıştırılan pompaları da vardır. Elektrik tahrikli hidrolik pompalar sadece yerde ve uçuşta yüksek hidrolik kullanımı sırasında görev yaparlar.

Geleneksel uçaklarda merkez sistem, iniş takımlarının çalıştırılması için en yüksek hidrolik talepleri karşılamak amacıyla yaklaşık olarak dakikada 50 galon (gpm) ve inç kare başına 3.000 pound (psi) basınçla çalışan iki hidrolik pompa tarafından yapılır. Ayrıca, kalkış ve iniş sırasında yüksek kaldırma ve birincil uçuş kumandalarını çalıştırır. Kalkış ve iniş dışında uçuşun geri kalanı boyunca, iki küçük elektrik motoru ile çalışan 6 gpm’lik hidrolik pompa, merkez sisteme güç sağlar.

B787 NBSA’da ise, Merkez Hidrolik Sistemde 2 büyük elektrikli pompa 5.000 psi basınç ve 30 gpm verir. Bu iki büyük pompadan birisi uçuş süresince çalışırken ikincisi sadece kalkış ve inişlerde görev yapar. 5.000 psi’lık yüksek basınç sayesinde hidrolikle çalışan komponentler küçültülmüş, kapladığı alan ve ağırlık azaltılmıştır.

Elektrik Sistemi

B787’nin elektrik sistemi 4 değişik Voltaj üretir :

1- 235 VAC,
2- 115 VAC,
3- 28 VDC ve
4- ±270 VDC

Voltaj türleri, önceki Boeing uçak modellerine göre iki kat daha fazla elektrik üreten, büyük ölçüde genişletilmiş bir elektrik sistemi, bu uçağa özel NBSA sonucudur. Bu sistem, motorlarda ikişer ve APU’da iki olmak üzere toplam 6 adet 235 VAC üreten jeneratör bulunur.

Jeneratörler doğrudan motorun dişli kutusuna bağlıdır ve bu nedenle motorun devrine bağlı olarak 360 ile 800 Herz arasında elektrik üretirler. Bu tip jeneratör, dişli kutusu devrini sabit hıza çeviren cihaz (CSD-Constant Speed Driver ve IDG-Integrated Drive Generator) olmadığı için, en basit ve en verimli elektrik üretim yöntemdir.

Elektrik sistemi, biri önde ve diğeri arkada olmak üzere iki elektrik/elektronik (E/E) bölmesinin yanı sıra uçağın elektrik ekipmanlarını desteklemek için bir dizi Uzak Güç Dağıtım Ünitesine (RPDU-Remote Power Distribution Unit) sahiptir. Bunlar, güç besleyicilerin boyutunu küçülterek ağırlıktan tasarruf sağlar. RPDU’lar, büyük ölçüde geleneksel termal devre kesiciler ve röleler yerine SSPC-State Power Controller’e dayanmaktadır. ±270 VDC gereksinimi, 235 VAC gücünü, ±270 VDC’ye dönüştüren 4 adet otomatik transformatör ünitesi tarafından sağlanır. ±270 VDC, NBSA için gerekli olan çok sayıdaki ayarlanabilir hızlı motoru besler. Bunlar arasında kabin basınçlandırma kompresör motorları, ram air fan motorları, nitrojen üretim kompresörü (yakıt depolarında yanma-parlamayı önlemek için kullanılır) ve büyük hidrolik pompaların motorları yer alır.

Sistemde önde 2, arkada 2 olmak üzere External Power Receptacle bulunur. Öndekiler, yerde APU çalıştırmadan uçağa servis elektriği sağlar, arkadakiler bakım hizmetlerinde kullanılır.

B787’nin motor çalıştırma ve APU çalıştırma işlevinde jeneratörler, starter olarak görev yaparlar. Start konvertörleri, starter görevi yapan jeneratöre şartlandırılmış elektrik gücü (ayarlanmış voltaj ve ayarlanmış frekans) sağlar.

Normalde APU’daki 2 jeneratör ve motorlardaki ikişer jeneratör de optimum start performansı için kullanılır. Bununla birlikte, bir jeneratör arızası durumunda, kalan jeneratör, motoru çalıştırmak için daha yavaş bir hızda kullanılabilir. APU’nun startı için yalnızca bir jeneratör yeterlidir.

APU’nun çalıştırılması için güç kaynağı, uçak aküsü, yer güç kaynağı veya çalışan bir motorun jeneratörü olabilir. Motorun çalıştırılması için gerekli güç kaynağı, APU jeneratörleri, çalışan diğer motorun jeneratörleri veya ön iki 115 VAC yer güç kaynağı olabilir. İstenirse daha güçlü bir start için arka taraftaki yer güç kaynağı da kullanılabilir.

Boeing 787, NBSA’dan beklenen en önemli fayda, daha verimli motor gücü ve enerji kullanımı sonucunda yakıt tüketiminin azaltılmasıdır.

Geleneksel uçaklarda yoğun bakım hizmeti gerektiren Bleed Air sisteminin ortadan kaldırılması ile uçak bakım ihtiyaçlarının azaltması ve motor üzerinde daha az komponent bulunması nedeniyle ağırlıktan tasarruf ve uçuş güvenilirliğinin artırılması hedeflenmektedir ; IDG’ler, pnömatik borular, ön soğutucular, valfler, aşırı sıcaklık koruması yoktur. APU’dan basınçlı hava alınmaz, bu da basitleştirilmiş ve daha güvenilir bir APU sağlar.

THY filosunda bugün için 19 adet olan B787-9 uçakları 270’i Ekonomi, 30’u Business sınıf olmak üzere toplamda 300 yolcu kapasitesine sahip. Uzun menzilli uçuşlara uygun olan uçak, 14.140 km (7.635 mil) menzile sahip. Maksimum kalkış ağırlığı 254 ton olan uçağın, maksimum iniş ağırlığı ise 193 ton.

Ek olarak 126.372 litre yakıt kapasitesine sahip olan Boeing 787-9 tam yükte kalkış yapabilmesi için 2800 metre uzunluğunda bir piste ihtiyaç duyuyor. Gövde genişliği 5,77 metre, kabin yüksekliği 5,49 metre.

Boeing 787 Dreamliner’ın önemli sayıda satış yakalamasının nedenlerinden biri, geleneksel uçaklara kıyasla sunduğu yakıt verimliliğidir. Bu nedenle, rakibi Airbus A350’de görüldüğü gibi yukarıya kıvrılmış kanatçıklar veya harmanlanmış kanat uçları (Blended Wingtip) bu konuda önemli bir rol oynuyor. Boeing, bunun yerine 787’ye eğimli kanat uçları (Raked Wingtip) yapmayı tercih etti. Boeing, Boeing 787 Dreamliner’ı tasarlarken eğimli bir kanat ucu tasarımıyla ortaya çıktı. Kanat ucu girdaplarını engellemek için kanadın en boy oranını artırarak kanatçığa benzer şekil elde edilmiştir. Eğimli kanat ucu tasarımı ayrıca 787’nin kalkış sırasında daha az kısa pist kullanmasına ve daha dik bir tırmanma açısı elde etmesine olanak tanır.

Sonuç

B787 NBSA, genel güvenilirliği artıran, maliyetleri azaltan ve performansı artıran modern güç elektroniğine ve yakıt tasarruflu motorlara sahiptir. Son olarak NBSA, uçak ağırlığının ve parça sayısının azaltılması ve sistem kurulumunun daha basit olması demektir.

Erhan İnanç Eylül 2023