Türbin Kanatlarında Termomekanik Yorulma ve Optimizasyon

Özet

Gaz türbinleri, enerji üretimi ve havacılık endüstrisinde kritik bir rol oynamaktadır. Türbin kanatları, yüksek sıcaklık ve basınç altında çalıştıkları için termomekanik yorulma ve korozyon gibi ciddi zorluklarla karşı karşıyadır. Bu çalışmada, yüksek sıcaklık türbin kanatlarının termomekanik yorulma davranışı incelenmiş ve malzeme optimizasyonu için bir yaklaşım önerilmiştir. Sonlu elemanlar analizi (FEA) ve deneysel testler kullanılarak, farklı malzeme ve soğutma stratejilerinin termomekanik yorulma ömrü üzerindeki etkileri değerlendirilmiştir. Çalışma, nikel bazlı süper alaşımların ve seramik matris kompozitlerin (CMC) performansını karşılaştırarak, türbin kanatlarının hizmet ömrünü artırmaya yönelik optimizasyon önerileri sunmaktadır.


1. Giriş

Gaz türbinleri, modern enerji üretim sistemlerinin ve jet motorlarının temel bileşenleridir. Türbin kanatları, yüksek sıcaklık (1000°C üzeri) ve yüksek mekanik yükler altında çalışır. Bu koşullar, malzemelerde termomekanik yorulma, kremasyon (creep) ve oksidasyon gibi sorunlara neden olur. Bu çalışma, türbin kanatlarının termomekanik yorulma davranışını analiz ederek, malzeme seçimi ve tasarım optimizasyonu için bir çerçeve sunmayı amaçlamaktadır.


2. Termomekanik Yorulma ve Etkileyen Faktörler

Termomekanik yorulma, malzemelerin termal ve mekanik yüklerin kombinasyonu altında zamanla hasar biriktirmesi sürecidir. Türbin kanatlarında bu süreç, aşağıdaki faktörlerden etkilenir:

  • Termal Gradyanlar: Kanatların soğutma delikleri çevresinde oluşan yüksek sıcaklık farkları.
  • Mekanik Yükler: Santrifüj kuvvetler ve aerodinamik stresler.
  • Malzeme Özellikleri: Yorulma direnci, kremasyon dayanımı ve termal genleşme katsayısı.
  • Çevresel Etkiler: Yüksek sıcaklıkta oksidasyon ve korozyon.

3. Malzeme Seçimi ve Karakterizasyon

Türbin kanatları için kullanılan malzemeler, yüksek sıcaklık dayanımı, yorulma direnci ve korozyon direnci sağlamalıdır. Bu çalışmada aşağıdaki malzemeler incelenmiştir:

  • Nikel Bazlı Süper Alaşımlar: Geleneksel türbin kanatlarında yaygın olarak kullanılan bu malzemeler, yüksek sıcaklık dayanımı ve kremasyon direnci sunar.
  • Seramik Matris Kompozitler (CMC): Daha hafif ve yüksek sıcaklık dayanımına sahip olan CMC’ler, gelecek vaat eden bir alternatiftir.
  • Kaplama Teknolojileri: Termal bariyer kaplamalar (TBC) ve alüminize kaplamalar, malzeme ömrünü artırmak için kullanılmaktadır.

Malzemelerin mekanik ve termal özellikleri, deneysel testler ve mikro yapısal analizlerle karakterize edilmiştir.


4. Sonlu Elemanlar Analizi (FEA)

Termomekanik yorulma analizi için ANSYS ve Abaqus gibi sonlu elemanlar analizi (FEA) yazılımları kullanılmıştır. Analizlerde aşağıdaki adımlar izlenmiştir:

  1. Geometri ve Mesh Oluşturma: Türbin kanadının 3B modeli oluşturulmuş ve yüksek çözünürlüklü bir mesh yapısı kullanılmıştır.
  2. Termal ve Mekanik Yüklemeler: Kanat yüzeyine termal gradyanlar ve mekanik yükler uygulanmıştır.
  3. Yorulma Ömrü Tahmini: Miner kuralı ve Coffin-Manson denklemi kullanılarak yorulma ömrü tahmin edilmiştir.

5. Deneysel Çalışmalar

FEA sonuçlarını doğrulamak için laboratuvar ortamında termomekanik yorulma testleri gerçekleştirilmiştir. Testler, yüksek sıcaklık fırınları ve servo-hidrolik test makineleri kullanılarak yapılmıştır. Test sonuçları, nikel bazlı alaşımların yorulma ömrünün CMC’lere kıyasla daha düşük olduğunu göstermiştir.


6. Optimizasyon Önerileri

Çalışmanın sonuçlarına göre, türbin kanatlarının ömrünü artırmak için aşağıdaki optimizasyon önerileri sunulmuştur:

  • Malzeme Geliştirme: CMC’lerin kullanımı, yüksek sıcaklık dayanımı ve hafiflik avantajları nedeniyle önerilmektedir.
  • Soğutma Stratejileri: İç soğutma kanallarının optimizasyonu ve film soğutma teknikleri, termal gradyanları azaltabilir.
  • Kaplama Teknolojileri: Çok katmanlı termal bariyer kaplamalar, malzeme ömrünü önemli ölçüde artırabilir.

7. Sonuç

Bu çalışma, yüksek sıcaklık türbin kanatlarının termomekanik yorulma davranışını analiz ederek, malzeme ve tasarım optimizasyonu için öneriler sunmuştur. CMC’ler ve gelişmiş soğutma stratejileri, türbin kanatlarının performansını ve ömrünü artırmada önemli bir potansiyele sahiptir. Gelecekteki çalışmalar, bu malzemelerin endüstriyel ölçekte uygulanabilirliğini değerlendirmelidir.


Referanslar

  1. Boyce, M. P. (2012). Gas Turbine Engineering Handbook. Elsevier.
  2. Reed, R. C. (2006). The Superalloys: Fundamentals and Applications. Cambridge University Press.
  3. Padture, N. P., Gell, M., & Jordan, E. H. (2002). “Thermal Barrier Coatings for Gas-Turbine Engine Applications.” Science, 296(5566), 280-284.
  4. ANSYS Mechanical APDL Theory Reference. ANSYS, Inc.

Yorum yapın