Bu araştırma, iki şaftlı ve üç şaftlı beş yüksek baypaslı turbofan motor konfigürasyonunu 20 yıllık yaşam döngüsü maliyeti, eksergo-ekonomik performans ve çevresel göstergeler açısından karşılaştırmaktadır. Hesaplamalı modeller; ortam sıcaklığı, bağıl nem, uçuş Mach sayısı ve irtifa gibi çalışma koşulları değiştirilerek değerlendirilmiştir. Model sonuçlarında yakıt tüketimi, toplam saatlik yaşam döngüsü maliyetinin yaklaşık %60–75'ini oluşturarak en büyük maliyet bileşeni olmuştur. Ortam sıcaklığı, seyir irtifası ve Mach sayısı ekonomik ve termodinamik sonuçları belirgin biçimde değiştirirken bağıl nemin etkisi daha sınırlı kalmıştır. Kalkışta ekserji yıkımı ve bileşen verimsizlikleri ekonomik kayıplarda öne çıkarken seyir koşulunda sermaye yatırım maliyetlerinin göreli önemi artmıştır. Çalışmanın temel sınırı, sonuçların fiziksel filo deneyi yerine doğrulanmış hesaplamalı motor modellerine ve belirli ekonomik varsayımlara dayanmasıdır.

Çalışma ayrıca yalnız saatlik maliyet oranına bakmanın motorun gerçek termo-ekonomik durumunu açıklamak için yeterli olmayabileceğini göstermektedir. Örneğin ortam sıcaklığının veya irtifanın yükselmesi bazı koşullarda toplam maliyet oranını azaltırken birim faydalı ekserji başına maliyeti artırabilmektedir. Buna karşılık incelenen Mach aralığında daha yüksek Mach sayısı, nozullarda ekserji çıktısını artırırken özgül ekserji maliyetini düşürmüştür. Dolayısıyla “saatte daha düşük maliyet” ile “üretilen faydalı ekserji başına daha iyi ekonomik performans” aynı kavram değildir.

Çevresel değerlendirmede de tek bir gösterge bütün resmi açıklamamaktadır. Ekserji temelli çevresel yıkım katsayısı ve çevresel yıkım indeksi seyirde kalkışa göre düşerken çevresel iyilik indeksi yükselmiştir. Buna karşın üretilen itki başına özgül CO₂ emisyonu bütün vakalarda seyir koşulunda daha yüksek bulunmuştur. Beş konfigürasyon arasında Vaka 3, kalkış ve seyirde ekserji temelli üç çevresel göstergede en olumlu performansı göstermiş; özgül CO₂ açısından ise kalkışta Vaka 3, seyirde Vaka 2 en düşük değeri vermiştir.

Türkiye açısından: Bulgular, Türkiye'de kullanılan veya değerlendirilecek ticari turbofan sistemleri için ortam sıcaklığı, uçuş profili, irtifa ve motor mimarisinin birlikte ele alınması gerektiğini gösteren yöntemsel bir çerçeve sunabilir. Ancak araştırmanın çalışma koşulları özellikle Körfez bölgesi ve Kuveyt iklimini temsil edecek biçimde seçilmiş, ekonomik modelde de belirli yakıt fiyatı, işletme saati, iskonto oranı ve bakım maliyeti varsayımları kullanılmıştır. Bu nedenle çalışmadaki dolar/saat değerlerinin veya motor sıralamalarının Türkiye'deki havaalanları, filo görev profilleri, bakım sözleşmeleri ve yakıt maliyetlerine doğrudan aktarılması uygun değildir; yerel verilerle yeniden doğrulama gerekir.

Araştırmanın temel sorusu nedir?

Çalışmanın çıkış noktası, yüksek baypaslı turbofanların yalnız termodinamik verim açısından değerlendirilmesinin motor seçimi ve uzun dönem işletme kararları için yeterli olmamasıdır. Bir motor daha yüksek termodinamik performans gösterebilir; ancak yatırım maliyeti, bakım giderleri, yakıt tüketimi ve ekserji yıkımı birlikte ele alındığında farklı bir ekonomik sonuç ortaya çıkabilir. Benzer biçimde düşük toplam yakıt tüketimi, üretilen faydalı itki veya ekserji başına en düşük çevresel yük anlamına gelmeyebilir.

Araştırmacılar bu nedenle daha önce aynı beş konfigürasyon için oluşturdukları enerji ve ekserji analizini genişleterek üç ana soruya odaklanmıştır: motorların 20 yıllık yaşam döngüsü maliyeti farklı çalışma koşullarında nasıl değişmektedir; ekserji yıkımı ile sermaye ve işletme giderleri bileşen bazında nasıl maliyete dönüşmektedir; ve bu motorların CO₂ ile ekserji temelli çevresel performans göstergeleri kalkış ve seyirde nasıl farklılaşmaktadır?

Beş turbofan konfigürasyonu nasıl oluşturuldu?

İncelenen beş vaka, ticari havacılıkta kullanılan gerçek yüksek baypaslı motorlardan esinlenmiştir. Çalışma bunları gerçek motorlardan alınmış tek tek filo ölçümleri olarak değil, farklı mimari ve performans özelliklerini temsil eden hesaplamalı konfigürasyonlar olarak kullanmaktadır.

İki şaftlı yapıda fan, düşük basınç kompresörü ve düşük basınç türbini ile yüksek basınç kompresörü ve yüksek basınç türbini iki ana şaft sistemi üzerinden örgütlenirken üç şaftlı yapıda buna ara basınç kompresörü ve ara basınç türbini katılmaktadır. Çalışma, üç şaftlı mimarinin sıkıştırma ve genişleme işini daha fazla kademeye dağıtmasının bazı bileşenlerde eksergo-ekonomik yükü daha dengeli hale getirebildiğini göstermektedir.

Model hangi temel varsayımlara dayanıyor?

Motor modelleri kararlı durum koşullarında çözülmüştür; geçici rejimler hesaba katılmamıştır. Motor giriş havası ile egzoz gazları sıcaklığa bağlı termofiziksel özelliklere sahip ideal gaz karışımları olarak modellenmiş, çalışma akışkanı kaçağı ihmal edilmiş ve potansiyel ekserjideki değişimler dikkate alınmamıştır. Yakıtın tam yandığı, azotun tepkimeye girmeyen tür olarak davrandığı ve bütün konfigürasyonlarda Jet A-1 kullanıldığı varsayılmıştır. Yanma odasındaki termal enerji kaybı toplam ısı açığa çıkışının %2'si olarak alınmıştır. Referans çevre koşulları 288,15 K ve 101,3 kPa'dır.

Yaşam döngüsü maliyeti nasıl hesaplandı?

Yaşam döngüsü maliyeti (Lifecycle Costing, LCC), motorun ilk yatırım maliyeti ile işletme-bakım ve yakıt giderlerini 20 yıllık hizmet ömrü boyunca bir araya getirerek ömür sonundaki hurda/kalıntı değerini düşmektedir. Kaynakta Denklem (1) şu biçimde verilmektedir:

\[ LCC = C_{inst} + \left[C_{O\&M}+C_{fuel}\right]H-C_{salvage} \]

Kaynak notu: Denklemde başlangıç yatırım maliyeti sembolü \(C_{inst}\) olarak görünürken hemen sonraki metinsel açıklama aynı kavram için \(C_{ini}\) ifadesini kullanmaktadır. Bu sembol farklılığı kaynakta bulunduğu biçimiyle burada korunmuş ve sessizce tek biçime dönüştürülmemiştir.

Gelecekteki yıllık ödemeleri başlangıç yılındaki eşdeğer ekonomik değere dönüştürmek için bugünkü değer yöntemi kullanılmıştır:

\[ PV=A_0\sum_{t=1}^{n}\frac{1}{(1+d)^t} = A_0\frac{(1+d)^n-1}{d(1+d)^n} \]

Burada \(A_0\) yıllık eşit ödeme, \(d\) iskonto oranı ve \(n\) değerlendirme süresidir. Analizde kullanılan temel finansal varsayımlar şöyledir:

Farklı yıllık çalışma süreleri, motorların ilişkilendirildiği kısa/orta ve uzun menzilli görev profillerini temsil etmek için kullanılmıştır. Bu nedenle vakalar arasındaki toplam maliyet farkları yalnız motor veriminden değil, yıllık kullanım süresi varsayımlarından da etkilenmektedir.

Yakıt neden yaşam döngüsü maliyetinin merkezinde?

Beş vakanın tamamında yakıt gideri, 20 yıllık modelleme süresi boyunca toplam saatlik yaşam döngüsü maliyetinin yaklaşık %60–75'ini oluşturmaktadır. Bu sonuç, motorun yakıt tüketimini değiştiren çalışma koşullarının uzun dönem maliyet sıralamasını da güçlü biçimde etkileyebileceği anlamına gelmektedir.

Kalkış analizinde ortam sıcaklığı 288 K'den 320 K'ye çıkarıldığında Vaka 3'ün saatlik yaşam döngüsü maliyeti grafikten yaklaşık 10.500 ABD$/saatten 9000 ABD$/saate düşmektedir. Kaynak bu farkı yaklaşık 1500 ABD$/saat olarak yorumlamaktadır. Vaka 4 ve Vaka 5'te sıcaklığa bağlı fark yaklaşık 1000 ABD$/saat düzeyindeyken Vaka 2'nin yaklaşık 200 ABD$/saat ile en düşük sıcaklık hassasiyetlerinden birini gösterdiği belirtilmektedir.

Bu ilk bakışta şaşırtıcıdır; çünkü 288 K koşulunda termodinamik performans daha elverişlidir. Araştırmacıların açıklamasına göre 320 K'deki daha düşük hava yoğunluğu motordan geçen toplam hava kütle debisini ve mutlak yakıt debisini azaltarak saat başına yakıt maliyetini düşürebilmektedir. Fakat bu, sıcak ortamın motoru termo-ekonomik açıdan daha verimli yaptığı anlamına gelmez. İlerleyen eksergo-ekonomik analiz, sıcaklık yükseldikçe faydalı ekserji çıktısının daha hızlı gerileyebildiğini ve birim ekserji maliyetinin yükseldiğini göstermektedir.

Bağıl nem neden ikincil bir değişken olarak kaldı?

Bağıl nem %30'dan %100'e çıkarıldığında yaşam döngüsü maliyetindeki değişimler ortam sıcaklığı, Mach sayısı ve irtifa etkilerine göre çok daha küçüktür. Monte Carlo belirsizlik değerlendirmesinde nem değişiminin saatlik LCC etkisi 18–304 ABD$/saat aralığında kalmış ve trendin yön değiştirme olasılığı %36 olarak hesaplanmıştır. Bu nedenle araştırmacılar bağıl nemi ekonomik açıdan ikincil bir sürücü olarak sınıflandırmaktadır.

Eksergo-ekonomik bileşen analizinde de benzer bir tablo ortaya çıkmaktadır. Vaka 5'te yanma odasının toplam ekserji yıkımı ve sermaye maliyeti yaklaşık 2200 ABD$/saat düzeyindeyken bağıl nemin %30'dan %100'e çıkarılması bu baskın maliyet yapısını belirgin biçimde değiştirmemektedir. En görünür fark ara basınç türbininde görülmüş ve kaynak bunu %6'nın biraz üzerinde bir değişim olarak tanımlamıştır.

Mach sayısı konusunda kaynak neden dikkatli okunmalı?

Çalışmanın farklı analiz katmanları Mach sayısının farklı ekonomik göstergeler üzerindeki etkisini aynı biçimde göstermemektedir. Şekil 3'ün sayısal açıklamasında Vaka 3 için Mach 0,90'daki saatlik yaşam döngüsü maliyeti yaklaşık 4000 ABD$/saat olarak verilirken Mach 0,65'te bunun yaklaşık 600 ABD$/saat daha düşük olduğu belirtilmektedir. Vaka 4 ve Vaka 5 için de düşük Mach değerinde daha düşük saatlik LCC anlatılmaktadır.

Bunun hemen devamındaki açıklama ise incelenen yüksek Mach sayısının daha iyi yakıt verimliliği ve daha düşük yaşam döngüsü maliyeti sağladığını ifade etmektedir. Bu iki anlatım birbiriyle tam olarak uyuşmamaktadır. Bu nedenle kaynak verisine sadık kalındığında Mach sayısının saatlik LCC üzerindeki yönü için tek ve çelişkisiz bir sonuç vermek mümkün değildir.

Buna karşılık eksergo-ekonomik nozül analizi daha açık bir eğilim göstermektedir: Vaka 3'te Mach sayısı 0,65'ten 0,90'a yükseldikçe fan ve çekirdek nozullarının toplam maliyet oranı yükselirken özgül ekserji maliyeti düşmektedir. Araştırmacılar bunu, daha güçlü ram etkisinin giriş stagnasyon basıncı ve sıcaklığını yükseltmesi, ekserji çıktısının maliyet artışından daha hızlı büyümesi ile açıklamaktadır. Dolayısıyla daha yüksek Mach sayısı için güvenle söylenebilen sonuç, incelenen aralıkta özgül ekserji maliyetinin iyileştiğidir; bunun saatlik yaşam döngüsü maliyetiyle aynı şey olmadığı özellikle ayrılmalıdır.

İrtifa maliyet ve ekserji performansını nasıl değiştiriyor?

Seyir irtifası 8000 metreden 11.000 metreye yükseltildiğinde Şekil 3'te bütün vakalarda saatlik sahip olma maliyetinin azaldığı görülmektedir. Vaka 3 için yaklaşık 1200 ABD$/saatlik düşüş raporlanırken Vaka 4 için yaklaşık 750 ABD$/saat, Vaka 5 için yaklaşık 600 ABD$/saat ve diğer iki vaka için yaklaşık 300 ABD$/saat azalma belirtilmektedir.

Ancak nozül seviyesinde özgül maliyet değerlendirmesi farklı bir boyutu ortaya çıkarır. Vaka 1'de 8000–11.000 m arasında irtifa yükseldikçe fan ve çekirdek nozullarının toplam maliyet oranı düşerken, faydalı ekserji başına maliyet yükselmektedir. Daha düşük hava yoğunluğu ve kütle debisi, sistemin saatlik ekonomik yükünü azaltırken faydalı ekserji üretimini daha da hızlı düşürebilmektedir. Bu nedenle daha düşük saatlik maliyet, tek başına daha yüksek termo-ekonomik verim olarak okunmamalıdır.

Belirsizlik analizi ana eğilimleri ne kadar destekledi?

Yaşam döngüsü maliyeti sonuçlarının ekonomik varsayımlara aşırı duyarlı olup olmadığını sınamak için 50.000 Latin Hypercube örneğiyle Monte Carlo belirsizlik yayılımı uygulanmıştır. Başlangıç sermaye maliyeti ve yakıt maliyeti için ±%15 üçgensel dağılım, iskonto oranı için %2–4, işletme ve bakım katsayısı için %4–6, kalıntı değeri için %5–15 üçgensel dağılım kullanılmış; yıllık işletme saatleri ±%5 sınırlandırılmış normal dağılımla temsil edilmiştir. Parametrelerin birbirinden bağımsız olduğu varsayılmıştır.

Monte Carlo analizi, ortam sıcaklığı ve irtifa etkilerinin kullanılan ekonomik belirsizlikler altında korunabildiğini göstermektedir. Mach değişiminin büyüklük farkı da örnekleme altında sağlam kalmıştır; ancak kaynakta yukarıda açıklanan LCC yönüyle ilgili metinsel tutarsızlık bulunduğu için Monte Carlo sonucu bu editoryal çelişkiyi ortadan kaldırmaz.

Eksergo-ekonomik analiz neyi ölçüyor?

Eksergo-ekonomik analiz, bir bileşendeki termodinamik tersinmezlik ile o bileşenin sermaye ve işletme maliyetini aynı değerlendirme çerçevesinde birleştirir. Kararlı durumdaki bir bileşenin maliyet dengesi kaynakta şu biçimde tanımlanmıştır:

\[ \sum_e \dot{C}_{e,k}+\dot{C}_{w,k} = \dot{C}_{q,k}+\sum_i\dot{C}_{i,k}+\dot{Z}^{T}_{k} \]

Burada \(\dot{C}_{i,k}\) ve \(\dot{C}_{e,k}\) giriş ve çıkış ekserji akımlarının maliyet oranlarını, \(\dot{C}_{w,k}\) iş transferinin, \(\dot{C}_{q,k}\) ısı transferinin maliyet oranını ve \(\dot{Z}^{T}_{k}\) bileşenin yatırım ile işletme-bakım maliyetini temsil etmektedir.

Bir bileşende ürün ekserjisinin birim maliyetinin yakıt ekserjisi maliyetine göre ne ölçüde yükseldiği bağıl maliyet farkı \(r_k\) ile ifade edilmektedir:

\[ r_k= \frac{c_{p,k}-c_{f,k}}{c_{f,k}} = \frac{1-\eta_{ex,k}}{\eta_{ex,k}} + \frac{\dot{Z}^{CI}_{k}+\dot{Z}^{OM}_{k}} {c_{f,k}\dot{E}_{p,k}} \]

Eksergo-ekonomik faktör \(f_k\) ise sermaye ve işletme-bakım maliyetinin, toplam ekonomik kayıp içindeki payını ölçmektedir:

\[ f_k= \frac{\dot{Z}_k} {\dot{Z}_k+c_{f,k}\left(\dot{E}_{d,k}+\dot{E}_{L,k}\right)} \]

Düşük \(f_k\), maliyetin daha çok ekserji yıkımı ve kayıplardan kaynaklandığını; yüksek \(f_k\) ise yatırım ve işletme maliyetlerinin göreli olarak baskınlaştığını göstermektedir. Dolayısıyla aynı motor bileşeni için optimum iyileştirme stratejisi kalkış ve seyir koşulunda farklı olabilir.

Kalkışta neden yanma odası öne çıkıyor?

Vaka 1'de kalkış sırasında yanma odası en yüksek \(r_k\) değerini gösterirken \(f_k\) değeri sıfıra yakın kalmaktadır. Araştırmacılar bunu yanma sırasında yakıt-hava karışımı, kimyasal reaksiyonlar ve yüksek sıcaklık gradyanlarının oluşturduğu güçlü tersinmezliklerle ilişkilendirmektedir. Kalkışta yüksek yakıt debisi ve yüksek yanma sıcaklıkları bu etkiyi daha da büyütmektedir.

Yüksek basınç ve düşük basınç türbinleri ile yüksek basınç kompresörü de kalkışta önemli ekserji yıkımı maliyetleri üretmektedir. Vaka 1'de kalkış koşulunda bütün ana bileşenlerin \(f_k\) değerlerinin %50'nin altında olması, ekonomik kaybın sermaye maliyetinden çok termodinamik tersinmezliklerden etkilendiğini göstermektedir.

Seyirde maliyet yapısı neden değişiyor?

Seyirde motorun kütle debisi ve yanma sıcaklığı düşerken fiziksel motorun sermaye maliyeti ortadan kalkmaz. Böylece ekserji yıkımı maliyeti azalırken yatırım maliyetinin toplam maliyet içindeki göreli payı büyür. Vaka 1'de yüksek basınç kompresörünün \(f_k\) değeri seyirde yaklaşık %80'e yaklaşmaktadır. Vaka 4'ün üç şaftlı yapısında ise yüksek basınç türbininin seyir \(f_k\) değeri yaklaşık %73 düzeyine çıkmaktadır.

Üç şaftlı Vaka 4'te ara basınç kompresörü ve ara basınç türbininin sisteme eklenmesi sıkıştırma ve genişleme işini daha fazla kademeye dağıtmaktadır. Kaynak, bunun bileşenler arasındaki bağıl maliyet farklarını Vaka 1'e göre daha dengeli hale getirdiğini ve üç şaftlı yapının eksergo-ekonomik yükü tek bir bileşende yoğunlaştırma eğilimini azaltabildiğini belirtmektedir.

Özgül ekserji maliyeti neden saatlik maliyetten daha açıklayıcı olabilir?

Vaka 4'ün fan ve çekirdek nozullarında ortam sıcaklığı 288 K'den 320 K'ye yükseldikçe toplam maliyet oranı düşerken özgül maliyet artmaktadır. Daha sıcak hava kütle debisini ve toplam enerji işleme miktarını düşürdüğü için sistem saat başına daha az maliyet üretiyor görünmektedir; fakat faydalı ekserji çıktısı daha hızlı azaldığından her bir GJ faydalı ekserjinin ekonomik maliyeti yükselmektedir.

Benzer davranış Vaka 1'de irtifa yükselirken de görülmektedir. Buna karşılık Vaka 3'te Mach sayısının 0,65'ten 0,90'a yükselmesi nozül maliyet oranını artırırken özgül maliyeti azaltmaktadır. Çalışmanın temel termo-ekonomik mesajlarından biri bu nedenle toplam dolar/saat değerinin tek başına verim göstergesi olarak kullanılmaması gerektiğidir.

Çevresel göstergeler nasıl tanımlandı?

Araştırmacılar doğrudan özgül CO₂ emisyonunun yanında üç ekserji tabanlı çevresel gösterge kullanmıştır. Çevresel yıkım katsayısı \(C_{ed}\), motorun ekserjetik veriminin tersi olarak tanımlanmaktadır:

\[ C_{ed}=\frac{1}{\eta_{ex}} \]

İdeal referans değer 1'dir; değer 1'e yaklaştıkça performans daha olumlu kabul edilmektedir.

Çevresel yıkım indeksi \(\Theta_{edi}\), ekserji kaybı ve ekserji yıkımının yakıt ekserjisine oranını çevresel yıkım katsayısıyla birlikte değerlendirmektedir:

\[ \Theta_{edi} = \left[ \frac{E_l+E_d}{E_f} \right]C_{ed} \]

Bu göstergede ideal değer sıfıra yaklaşmaktadır. Çevresel iyilik indeksi \(\Theta_{ebi}\) ise bunun tersidir:

\[ \Theta_{ebi}=\frac{1}{\Theta_{edi}} \]

Dolayısıyla \(C_{ed}\) ve \(\Theta_{edi}\) için düşük, \(\Theta_{ebi}\) için ise yüksek değer daha olumlu çevresel-ekserjetik performansı temsil etmektedir.

Vaka 3 hem kalkışta hem seyirde en düşük çevresel yıkım katsayısını vermektedir: sırasıyla 1,67 ve 1,37. Aynı vaka çevresel yıkım indeksinde de en düşük değerlere, çevresel iyilik indeksinde ise en yüksek değerlere ulaşmıştır.

Tablo, Vaka 3'ün ekserji temelli göstergelerde iki çalışma rejiminde de en olumlu konfigürasyon olduğunu göstermektedir. Bununla birlikte bu üç gösterge doğrudan emisyon envanteri veya tam yaşam döngüsü çevresel etki analizi değildir; araştırmacılar da bunu özellikle belirtmektedir.

Özgül CO₂ sonucu neden farklı bir sıralama oluşturuyor?

Özgül CO₂, bir saatte yayılan CO₂ miktarını üretilen itkiye göre normalize ederek kg/(saat·kN) biriminde ifade edilmektedir. Araştırmada beş vakanın tamamında özgül CO₂'nin seyirde kalkıştan daha yüksek olduğu görülmüştür. Bunun nedeni toplam yakıt tüketiminin seyirde azalmasına rağmen itkinin daha hızlı düşmesi ve dolayısıyla üretilen her birim itki başına düşen CO₂'nin yükselmesidir.

Kalkışta en düşük özgül CO₂ Vaka 3'te, seyirde ise Vaka 2'de bulunmuştur. Üç şaftlı Vaka 4 ve Vaka 5, özgül CO₂ açısından özellikle seyirde daha az olumlu tarafta kalmıştır. Kaynak grafiği kesin sayıları metin içinde ayrı bir tablo halinde vermediği için burada görselden kesin CO₂ değerleri üretilmemiştir.

Çalışmanın desteklediği sonuçlar

• İncelenen maliyet varsayımları altında yakıt tüketimi, 20 yıllık saatlik yaşam döngüsü maliyetinin yaklaşık %60–75'ini oluşturmaktadır.
• Ortam sıcaklığı, irtifa ve Mach sayısı ekonomik ve termo-ekonomik göstergeleri bağıl nemden daha güçlü biçimde değiştirmektedir.
• Kalkışta bileşen verimsizlikleri ve ekserji yıkımı; seyirde ise sermaye maliyeti göreli olarak daha önemli hale gelmektedir.
• Yanma odası özellikle kalkış koşulunda başlıca eksergo-ekonomik kayıp kaynaklarından biridir.
• Daha düşük saatlik maliyet oranı her zaman daha iyi termo-ekonomik performans anlamına gelmemektedir.
• Vaka 3, \(C_{ed}\), \(\Theta_{edi}\) ve \(\Theta_{ebi}\) göstergelerinin birlikte değerlendirilmesinde kalkış ve seyirde en olumlu sonucu vermektedir.
• Özgül CO₂ sıralaması uçuş rejimine bağlıdır: kalkışta Vaka 3, seyirde Vaka 2 en düşük değeri göstermektedir.
• Bağıl nemin yaşam döngüsü maliyeti üzerindeki etkisi diğer ana çalışma değişkenlerine kıyasla daha küçüktür.

Çalışmanın desteklemediği veya test etmediği sonuçlar

• Beş vakanın gerçek havayolu filolarında 20 yıl boyunca mutlaka aynı dolar/saat maliyetlerini oluşturacağı gösterilmemiştir.
• Belirli bir ticari motorun bütün rotalarda, bütün iklimlerde veya bütün işletmecilerde kesin olarak “en iyi motor” olduğu kanıtlanmamıştır.
• Ekserji tabanlı çevresel göstergeler tam yaşam döngüsü emisyon envanteri veya havacılığın bütün CO₂ dışı iklim etkilerinin ölçümü değildir.
• Model, geçici çalışma rejimleri ve çalışma akışkanı kaçakları gibi bazı gerçek motor etkilerini hesaba katmamaktadır.
• Kum ve toz yutulmasına bağlı kompresör kirlenmesi, kanat erozyonu ve sıcak bölüm bozulmasının ekonomik etkileri doğrudan modellenmemiştir.
• Körfez bölgesi için seçilen sıcaklık ve çevre koşullarından Türkiye'deki işletme maliyetlerine doğrudan sayısal aktarım yapılamaz.
• Şekil 3'ün Mach sayısı–LCC anlatımındaki kaynak içi tutarsızlık nedeniyle daha yüksek Mach sayısının saatlik yaşam döngüsü maliyetini kesin olarak düşürdüğü veya yükselttiği yönünde tek bir sonuç çıkarılamaz.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Hesaplama çerçevesi

Araştırmanın termodinamik temelini, aynı araştırma serisinin ilk bölümünde geliştirilen ve üretici verileri ile yayımlanmış motor verilerine karşı doğrulanan turbofan performans modeli oluşturmaktadır. Mevcut çalışma bu termodinamik çıktıları yaşam döngüsü maliyeti, SPECO tabanlı eksergo-ekonomik hesaplama ve ekserji temelli çevresel göstergelerle genişletmiştir. Eksergo-ekonomik ve yaşam döngüsü modelleri MATLAB R2022b ortamında uygulanmıştır. Yazarlar GasTurb 14 ve MATLAB R2022b'nin motor modelleme ve analizinde kullanıldığını ayrıca belirtmektedir.

İncelenen işletme koşulları

Yaşam döngüsü duyarlılık analizinde çevresel ve uçuş parametrelerinin alt ve üst çalışma noktaları kullanılmıştır:

• Ortam sıcaklığı: 288 K ve 320 K
• Bağıl nem: %30 RH ve %100 RH
• Seyir Mach sayısı: 0,65 ve 0,90
• Seyir irtifası: 8000 m ve 11.000 m

Bileşen seviyesindeki eksergo-ekonomik karşılaştırmalarda kalkış referansı 101,3 kPa, 288,15 K ve %30 bağıl nem; seyir referansı ise Mach 0,8 ve 8000 m olarak kullanılmıştır.

İskonto edilmiş yakıt maliyeti farkları

Motorun daha verimli ve daha az verimli çalışma noktaları arasındaki yakıt maliyeti farkı, 20 yıllık iskonto sürecinde bugünkü değere çevrilmiştir. Yıllık fırsat kazancı kaynakta şu temel ilişkiyle tanımlanmaktadır:

\[ CF=[C_{fuel}]_{VR}-[C_{fuel}]_{OPT} \]

ve yıllara göre bugünkü değer:

\[ CF_{PV} = \frac{CF_1}{(1+d)^1} + \frac{CF_2}{(1+d)^2} +\cdots+ \frac{CF_n}{(1+d)^n} \]

Ortam sıcaklığı değişiminde Vaka 3 yaklaşık 1200 ABD$/saat ile en büyük iskonto edilmiş yakıt maliyeti farkını göstermiştir. Mach 0,65–0,90 karşılaştırmasında yine Vaka 3 yaklaşık 500 ABD$/saatlik en yüksek farkı vermiştir. İrtifa 8000–11.000 m arasında değiştirildiğinde Vaka 3 için fark yaklaşık 1200 ABD$/saat düzeyindedir. Nem değişiminin etkisi daha düşüktür; en büyük değer Vaka 5'te yaklaşık 300 ABD$/saat olarak raporlanmıştır.

SPECO denklem sistemleri

Eksergo-ekonomik çözümde her motor bileşeninin ekserji akımlarına maliyet atanmış ve yeterli sayıda bağımsız denklem oluşturabilmek için yardımcı maliyet ilişkileri kullanılmıştır. İki şaftlı motor için Ek A'da A1–A15 denklemleriyle 14 bilinmeyenli 14 bağımsız maliyet denklemi; üç şaftlı motor için A16–A30 denklemleriyle 15 bilinmeyenli 15 bağımsız maliyet sistemi kurulmuştur.

Bu yapı fan, düşük/yüksek basınç kompresörleri, yanma odası, yüksek/düşük basınç türbinleri, üç şaftlı yapıda ara basınç türbini ve ilgili fan/çekirdek nozullarının sermaye maliyeti ile ekserji akış maliyetini aynı matris çözümünde bir araya getirmektedir.

Bileşen seviyesinde temel bulgular

• Vaka 1: Kalkışta yanma odası en yüksek bağıl maliyet farkına ve sıfıra yakın eksergo-ekonomik faktöre sahiptir. Seyirde yüksek basınç kompresörünün \(f_k\) değeri yaklaşık %80'e yaklaşır.
• Vaka 4: Üç şaftlı mimaride ara basınç kompresörü ve türbini maliyet yükünü daha fazla bileşene dağıtır. Seyirde yüksek basınç türbininin \(f_k\) değeri yaklaşık %73'tür.
• Vaka 2: 288 K ve 320 K karşılaştırmasında yanma odası toplam ekserji yıkımı ve yatırım maliyetinin en büyük bileşenidir; sıcak çalışma koşulu fan, yanma odası ve yüksek basınç türbinini farklı ölçülerde etkiler.
• Vaka 5: %30–%100 bağıl nem değişiminde maliyet hiyerarşisi büyük ölçüde korunur; yanma odası yaklaşık 2200 ABD$/saat ile baskın kalır.
• Vaka 3: Mach yükseldikçe fan ve çekirdek nozullarının maliyet oranı artar ancak özgül ekserji maliyeti düşer.

Çevresel sonuçların birlikte okunması

Ekserji temelli çevresel göstergeler bütün vakalarda seyirde kalkıştan daha olumlu hale gelmektedir: \(C_{ed}\) ve \(\Theta_{edi}\) düşmekte, \(\Theta_{ebi}\) yükselmektedir. Buna karşın özgül CO₂ bütün vakalarda seyirde artmaktadır. Bu iki sonuç çelişkili değildir; çünkü göstergeler farklı fiziksel sorulara yanıt verir. Ekserji göstergeleri termodinamik kaynak kullanımını ve kayıpları değerlendirirken özgül CO₂, yayılan karbondioksiti üretilen itkiye normalize etmektedir.

Sonuç bölümünün 7. maddesinde Vaka 3 için üç çevresel göstergenin “best/lowest” değerleri verdiği yazılmıştır. Kaynağın kendi Denklem (19) tanımına göre bu ifade \(\Theta_{ebi}\) bakımından teknik olarak doğru değildir: çevresel iyilik indeksinde yüksek değer daha iyidir. Tablo 6'da Vaka 3 gerçekten en iyi sonucu vermektedir, ancak bunu en yüksek \(\Theta_{ebi}\) ile yapmaktadır.

Çalışmanın temel sınırlılıkları

Sonuçların yorumu yedi temel model varsayımına ve ekonomik girdilere bağlıdır. Motorlar kararlı durumda modellenmiş, geçici etkiler ve çalışma akışkanı kaçakları ihmal edilmiş, ideal gaz yaklaşımı kullanılmış ve tam yanma varsayılmıştır. Yakıt fiyatı, sermaye maliyetleri, yıllık uçuş saatleri, bakım oranları ve iskonto oranı gibi ekonomik girdiler gerçek bir havayolunun gelecekte kesin olarak yaşayacağı maliyetler değildir.

Belirsizlik analizi bu girdilerdeki makul değişimin ana eğilimler üzerindeki etkisini sınasa da model bütün gerçek dünya belirsizliklerini kapsamaz. Yazarların gelecek çalışma önerilerinde de vurguladığı gibi parametreler arasındaki korelasyonların modellenmesi ve daha gelişmiş stokastik işletme koşullarının oluşturulması gelecekteki çalışmalar için açıktır.

Ayrıca Körfez coğrafyasındaki motor işletmesi açısından önemli olabilecek kum ve toz yutulması, kompresör kirlenmesi, kanat erozyonu ve sıcak bölüm aşınması mevcut ekonomik-ekserjetik modele dahil edilmemiştir. Araştırmacılar bunu gelecek çalışmalar için önemli bir boşluk olarak tanımlamaktadır.

Kaynak ve Yöntem Notu

Tam özgün çalışma adı: Comparative Exergo-Economic, Exergo-Environmental, and Lifecycle Cost Analysis of High-Bypass Turbofan Engine Configurations

Yazarlar: Abdulrahman S. Almutairi; Hamad H. Almutairi; Abdulrahman H. Alenezi; Hamad M. Alhajeri.

Yazar sırası: Kaynaktaki özgün sıra aynen korunmuştur. Kaynakta eş birinci yazar veya eş katkı beyanı bulunmamaktadır.

Sorumlu yazar: Abdulrahman S. Almutairi.

Kurum: Department of Mechanical Power and Refrigeration Technology, College of Technological Studies, Public Authority for Applied Education and Training, Shuwaikh, P.O. Box 42325, Kuwait City 70654, Kuwait.

Kaynak türü: Hakemli araştırma makalesi; hesaplamalı termodinamik/modelleme, yaşam döngüsü maliyet analizi, eksergo-ekonomik değerlendirme ve eksergo-çevresel değerlendirmeyi birleştirmektedir.

Dergi: Aerospace

Yayınevi: MDPI

Cilt / sayı / makale numarası: 13(7), 614

Yayın tarihi: 6 Temmuz 2026

DOI: 10.3390/aerospace13070614

Resmî yayın bağlantısı:MDPI — Aerospace 13(7), 614

DOI bağlantısı:https://doi.org/10.3390/aerospace13070614

Lisans: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).

Hakemlik durumu: Makale, hakemli ve açık erişimli Aerospace dergisinde yayımlanmış araştırma makalesidir.

Finansman: Yazarlar araştırmanın dış finansman almadığını bildirmiştir.

Veri erişilebilirliği: Çalışmanın özgün katkılarının makale içinde bulunduğu ve ek soruların sorumlu yazara yöneltilebileceği belirtilmiştir.

Çıkar çatışması: Yazarlar çıkar çatışması bildirmemiştir.

Yazar katkıları: Kavramsallaştırma Abdulrahman S. Almutairi ve Hamad H. Almutairi; metodoloji aynı iki yazar; yazılım Abdulrahman S. Almutairi, Hamad H. Almutairi ve Hamad M. Alhajeri; doğrulama aynı üç yazar; biçimsel analiz Abdulrahman H. Alenezi ve Hamad H. Almutairi; araştırma dört yazarın tamamı; kaynaklar Abdulrahman S. Almutairi; veri kürasyonu Abdulrahman H. Alenezi ve Hamad M. Alhajeri; ilk taslak Abdulrahman S. Almutairi, Hamad H. Almutairi ve Hamad M. Alhajeri; gözden geçirme ve düzenleme Abdulrahman S. Almutairi ile Hamad H. Almutairi; görselleştirme Hamad M. Alhajeri; denetim Abdulrahman S. Almutairi ve Hamad H. Almutairi; proje yönetimi Abdulrahman S. Almutairi tarafından yürütülmüştür.

Serideki konumu: Araştırma, aynı motor konfigürasyonlarının enerji ve ekserji performansını ele alan Part I çalışmasının devamıdır. Mevcut çalışma ekonomik ve çevresel değerlendirmeyi ekleyerek araştırma çerçevesini genişletmektedir.

Bibliyografik tutarsızlık notu: Mevcut çalışmanın kaynakça [36] girdisinde Part I “Aerospace 2025, 13, 27” olarak verilmiştir. Part I'in resmî dergi atfı “Aerospace 2026, 13, 27” şeklindedir; çalışma 26 Aralık 2025'te çevrimiçi yayımlanmıştır. Bu nedenle mevcut kaynaktaki “2025” ifadesi sessizce değiştirilmemiş, resmî bibliyografik kayıt ayrıca açıklanmıştır.

Denklem notu: Yaşam döngüsü maliyeti Denklem (1)'de başlangıç sermaye terimi \(C_{inst}\) olarak yazılmış, hemen sonraki açıklamada \(C_{ini}\) kullanılmıştır. Kaynak içindeki bu sembol farklılığı korunmuştur.

Mach–LCC tutarsızlığı: Şekil 3'ün sayısal açıklaması Mach 0,90 için Mach 0,65'e göre daha yüksek saatlik yaşam döngüsü maliyetleri verirken, devamındaki metin yüksek Mach değerinin daha düşük LCC sağladığını söylemektedir. Bu nedenle Verianla metninde saatlik LCC yönü tek bir sonuca zorlanmamıştır. Mach artışının özgül ekserji maliyetini düşürdüğü ayrı eksergo-ekonomik sonuç ise kaynakta açık biçimde desteklenmektedir.

Çevresel gösterge terminolojisi notu: Sonuç bölümündeki “üç göstergenin tamamında en düşük” ifadesi \(\Theta_{ebi}\) için matematiksel tanımla uyuşmamaktadır. Vaka 3 çevresel iyilik indeksinde en iyi sonucu en yüksek değerle vermektedir.

Bilimsel sınır: Çalışma gerçek motorlardan esinlenen beş hesaplamalı konfigürasyonu değerlendirmektedir. Bulgular gerçek bir havayolu filosunda gerçekleştirilmiş 20 yıllık izleme çalışması değildir. Motor performansının geçici rejimleri, bazı gerçek işletme etkileri ve kum/toz kaynaklı uzun dönem bozulma ekonomik modele dahil edilmemiştir. Sonuçlar kullanılan termodinamik model, görev profilleri ve ekonomik varsayımlar çerçevesinde değerlendirilmelidir.

İçerik üretim yöntemi: Bu Verianla açıklaması bilimsel bulgular bakımından yalnızca incelenen kaynak çalışmaya dayanmaktadır. Dış kaynaklardan yeni deneysel sonuç, yeni performans değeri, yeni emisyon verisi veya kaynakta bulunmayan mekanizma eklenmemiştir. Dış doğrulama yalnız çalışma kimliği, resmî yayın kaydı, hakemlik ve bibliyografik Part I kaydının kontrolünde kullanılmıştır.