Türbin kanatları yorulma arıza analizi

Havacılıkta en önemli kısım olan türbinler, yüksek güvencede olmalarını ve arızalarını minimuma getirmek gerekir, çünkü arızalar yüksek maaliyetler ve hatta can güvenliğine tehlikelerine sebep olabilir. Bu arızaların büyük kısmı türbin kanatlarında oluşuyor. Bir türbin kanatı, bir gaz türbininin türbin bölümünü oluşturan en önemli parçadır. kanatlar, yakıcı bölümü tarafından üretilen yüksek sıcak ve yüksek basınçlı gazdan enerji çekmeye sorumluluğundadır. Türbin kanatları genellikle gaz türbinlerinin sınırlayıcı bileşenidir. Türbin kanatları Arızaları yorulma, yabancı obje çarpması, krozyon, erozyon, sulfidasyon, titreşim ve … olarak biliniyor. Gaz türbin motorlarının kanatlarındaki arızalar, yüksek sıcaklıkta ve yüksek hızda dönme koşullarında türbini çalıştırması ve … nedeniyle ortaya çıkar ve çeşitli mekanizmalara neden olur. Araştırmalar, gaz türbinlerinde arızalarının % 28'inin türbin kanatları ve rotor bileşenleri nedeniyle olduğuna ve türbin kanatları soğutma sistemi, türbinlerin toplam hasarlarını %62'ye kadar düşürebileceğine ilişkin istatistikleri göstermektedir. Türbin kanatları en çok yorulma neden ile arizaya maruz kalır. Yorulma arızaları üç kategoriye bölünür: yüksek çevrimli yorulma, düşük çevrimli yorulma ve termo-mekanik yorulma. Ama gerçek bir motoru, gerçek şartlar altında test etmek ve incelemek zor ve mali olarak pahalı olduğu için, yorulma arızaları incelemek ve bu arızaları azaltmak için farklı çalişmalar ve farklı yöntemler geliştirmiş. Modern türbin kanatları sıklıkla krom, kobalt ve renyum içeren nikel bazlı süperalaşımlar üretiliyor. Nikel bazlı süperalaşımlardan biri günümüzde yaygın olarak kullanılan Inconel 718'dir ve daha düşük maliyet ve daha yüksek performans ve kolay imalat özeliklerine sahipdir. Bu malzeme 700°C gibi yüksek sıcaklıklarda çalışabilir. Inconel 718, yüksek sıcaklığa kadar korozyon direnci ile birlikte uzun süre dayanıklılık ve tokluğu sahipdir. Yorulmaya karşı yüksek dirençle iyi bir sürünme ve yırtılma gücünü birleştirir. Bu çalışmada, birinci evre türbin kanatları genel olarak arıza sebeblerinden biri olan yorulma için analiz yaptım. öncelikle türbin kanatları üç boyutlu olarak modellenmiş ve sonrası ANSYS programı kulanarak analizler yapilmış. Farklı Kanat profil tasarımları ve farklı malzemeleri göz önüne bulundurarak, Inconel 718'den yapılmış bir model tasarlandı. CATIA V5R21 yazılımı kulanarak, tasarım için seçilen patentlerde bulunan boyutlara göre üç boyutlu model hazırlandı. Hazırlanan model 860 mm disk çapı ve 30 mm disk kalınlığı ve 85 mm kanat uzunluktadır. Malzeme özellikleri, belirtilen referansları ve bir özel metodu kulanarak, stres ve gerilim özelikleri farklı sıcaklıklarda hesaplandı ve diğer mekanik ve yorulma özelliklerle beraber ANSYS yazılımda modelendi. Bu model farklı çalışma şartlar altında analiz yaptıktan sonra analiz sonuçlarını karşılaştırarak arıza sebepleri araştırıldı. Asıl amaç, gaz türbin motorunun ömrü ve performansında etkili olan tasarımdakı onemli parametreleri elde edebilmek ve en uygun tasarımı yapmaktır. Genel olarak türbin kanatları üzerinde 3 farklı yük etki eder. Bunlar sıcak hava basıncı, yüksek sıcaklıktan kaynaklı termal yükler ve dönme etkisinden yaratılan merkez kaç küvvetidir. Gerçek şartlar altında analiz yapmak için GasTurb12 programından, üç farklı ısı ve iki farklı yükseklik için bu yükler elde edildi. ANSYS yazılımı kulanarak, farklı gerçek yükleme durumlarında ANSYS yorulma araçı kularanak, yorulma ömrü, çevrim olarak hesaplandı. Ayrıca her yük kanat ömrunu nasıl etkilediğini araştirmak için farklı yüklemeler belirlendi. Bu durumlarda üç yükden her birini değiştirerek, toplan 9 yükleme belirlendi. Sabit bir yükleme göz önüne alarak, dönme hızı 2000 RPM, hava basıncı 200 kPa ve sıcaklıkın 150 derecelik değişimleri ve bu yükleme değişimlerin, kanat ömrünü nasıl değiştirdiği araştırıldı. Her yükleme durumu için sıcaklık dağılımı, von-mises stres dağılımı ve toplam deformasyon, ve yüksek çevrimli ve düşük çevrimli yorulma ömrü hesaplandı. Sonuç olarak tasarlanan türbin kanadı için arızalar kanatın disk'e bağlantı kısmında oluşiyor ve kanat ömrünü azaltiyor ve buna sebep olan en önemli neden, yüksek sıcaklıklardır. Basınc ve dönme hızı kanat üzerindeki stresler ve yorulma ömrunde, bu yükler artarak azaltdığına rağmen ama bu azalma sıcaklıktan sebep olan stres ve yorulma ömrüne göre azdır. Inconel 718'den yapılan kanatlarda, kanat yüzeyi 1000 decelik ısıya kadar dayana bilir ama bağlantı kısmı 500 derecelik ısıya dayana bilir ve bundan fazlası kanat ömrünü düşüriyor. Netice olarak yorulma arızasına dayanıklı ve yüksek ömürlu tasarım için kanat ve disk bağlantı kısmı dikkate almak gerekir. Farklı tasarımlar kulanila bilir ve ya bağlanti kısmında malzemeni güçlendire bilir yada daha güçlu ve dayanıklı malzemer kulanila bilir ve ya soğutma sistemi kulanarak, kanatda oluşan yorulma arızları önlenebilir.