2. TERMAL BARİYER KAPLAMALARA (TBK) GENEL BAKIŞ
2.4 Termal Bariyer Kaplamanın Görevi
İleri teknoloji soğutma sistemleri ile 1 MW/m2 mertebesinde ısının iş parçasından çekilmesi motorun ortalama veriminde, kompresör ünitesinde yanma için sıkıştırılan gazın bir kısmının soğutma için harcanması, düşüşe neden olmaktadır. TBK uygulaması ile motor performansı, Türbin Giriş Sıcaklığını (TGS) arttırarak ya da soğutma için gerekli hava debisini azaltarak sağlanmaktadır. Başka bir değişle, Şekil.2.16’da gösterildiği gibi, türbin bıçaklarının servis ömürleri, servis sırasında
maruz kaldıklara sıcaklık düşürülerek uzatılabilir. Malzemenin servis ömrü süresi uzatılırken, soğutucu hava gereksinimi azalmasına bağlı olarak performansta artış sağlanır [1, 36].
Şekil 2.16 : TBK kullanımının malzeme ömür/performansına etkisi [1]. Gaz türbin motorlarının gelişiminde çeşitli soğutma sistemlerinden yararlanılmıştır. İlk olarak Şekil 2.17 ve Şekil 2.19’da görülebileceği üzere, hava akısının türbin kanadı içindeki kanallardan geçerek soğutulması ile daha sonrasında çok sayıda kanal içinde hava geçişi ile birlikte dıştan soğutma ile bunu takiben ise çok kanallı geçiş sistemleri ile türbin kanadı soğutulmaya çalışılmıştır [37].
Bu tür soğutma sistemlerin çalışma prensibi kanat yüzeyi ile sıcak gazlar arasında tampon görevi yaparak soğuk hava akışı vasıtasıyla kaplama ve metal sıcaklığında düşme sağlanmaktır.
Şekil 2.18 : TBK’nın ısıl yalıtım potansiyeli [1].
Şekil 2.18’de, TBK uygulaması, türbin kanatları için soğutucu hava gereksiniminin azalmasına ve türbin giriş sıcaklığının artmasına olanak sağladığı gösterilmektedir. TBK uygulaması ile TGS (Türbin Giriş Sıcaklığı) ve kompresör bölgesinden alınan soğutucu hava akışı azaltılmaksızın, parçanın servis ömrünün uzayacağını Şekil 2.18 (a)’da görülmektedir. Türbin bıçaklarını soğutan hava gereksiniminin %25 azaltılması ile 1,25 MW/m2 yerine 0,94 MW/m2 lük ısı yüzeyden alınır. Şekil 2.18 (b)’de TGS sabit tutulurken, soğutucu hava akışının azaltılması ile verim de artış sağlandığı görülmektedir. Kesikli çizgilerle görülen bölge ise termal iletkenliği şu anda kullanılan TBK’lara oranla daha düşük olan bir termal bariyer kaplamanın soğutma potansiyeline ilişkin bilgi vermektedir. Yaklaşık 135 ºC’lık bir düşüş gözlenmektedir [1]. Üçüncü alternatif olan TGS sıcaklığının, türbinin soğutulma hızını azaltmaksızın, artırılması Şekil 2.18 (c)’de görüldüğü gibi TBK ile mümkündür. Fakat bu durumda TBK’nın yüzeyden kalkması ya da kısmi olarak ayrılması ile taban malzeme normal şartlarda maruz bırakılmaması gereken yüksek sıcaklıklar ile karşılaşacak ve büyük risk oluşacaktır. Termal bariyer kaplamaların
hata türleri ve mekanizmalarının anlaşılması ve araştırılması bu açıdan büyük önem taşımaktadır [4].
Şekil 2.19 : Soğutma kanallı bir türbin kanatçığı kesiti [38].
Günümüzde özellikle modern hava motorlarında çalışma verimini artırmak için işlem sıcaklığını artıracak uygulamaların araştırılmasına devam edilmektedir. Düşük emisyon ve yüksek verimlilik için yanma odasının yüksek sıcaklıklarda olması beklenmektedir. Ayrıca türbin giriş sıcaklığındaki artış yakıt ekonomisine de katkı sağlamaktadır. Termal bariyer kaplamaların gaz türbinleri üzerindeki en önemli katkısı kullanım sıcaklığını arttırmasıdır. Kullanım sıcaklığının yükselmesi türbin ya da motorun verimini doğrudan etkiler. Bu yönde, 1965 yılından 1985 yılına kadar kullanılan nikel esaslı çeşitli tek kristallerin malzemelerin geliştirilmesine yönelik çalışmalar Şekil 2.20’de görüldüğü üzere, parçaların sürünme ve yorulma dirençleri artmış ve 80°C’lik bir kullanım sıcaklığı artışı sağlanabilmiştir.
Şekil 2.20 : Türbin ve motorların kullanım sıcaklığındaki artış [11].
Bu tarihten sonra gelişim süreci, Şekil 2.19 ve Şekil 2.21’de ısıl yalıtım mekanizması şematik olarak gösterilen TBK uygulaması ile devam etmiş ve türbin kanatlarının kullanım sıcaklığında 200 °C’ye varan artışlar sağlamıştır. Bu durumda motorun verimliliği % 6-12 arası artış göstermiş olup, bir motordan yılda 250.000$ civarında tasarruf yapılabilir [39]. Yine termal bariyer kaplamaların kullanılmasıyla oksitlenme direnci artmış ve sürünmeden ileri gelen hasarlar en alt seviyeye indirilmiştir. Bunun yanında TBK kullanımıyla parça üzerindeki farklı sıcaklık bölgeleri azaltılmış, böylece malzemenin termal yorulma süresi uzatılmıştır [15]. Termal yorulma süresinin uzaması parça üzerine kaplanan seramik malzemenin termal iletkenliğinin düşük olmasının bir sonucudur. Düşük termal iletkenliğe sahip seramik tabaka, ani ve süreksiz sıcaklık artışlarına metalik tabakalardan daha yavaş tepki vererek, sıcaklık artışı alt tabakada (korunan metal) daha yavaş olacaktır. Böylece termal bariyer kaplamalar ani sıcaklık artışlarının etkisinin parça üzerinde hissedilmesini önleyerek termal yorulma süresini uzatır.
Şekil 2.21’de tipik TBK katmanları görülmektedir. Burada seramik katmanın düşük termal iletkenliğine bağlı olarak kaplama kalınlığı boyunca 200 C°’a varan ısıl yalıtımı aşağıdaki şekilde ifade edilebilir (2.1).
Şekil 2.21 : Termal bariyer kaplama kesit görüntüsü [15]. ( ) ( ) x y z iQ jQ kQ T T T KA i j k t x y z
δ
δ
δ
δ
δ
δ
δ
δ
+ + = − + + (2.1)K=termal iletkenlik, i, j, k birim vektörler ve x, y, z kartezyen koordinatlardır. /
Q dt
∂ , A kesitinden X kartezyen koordinatı boyunca geçen ısı akısıdır. Malzeme kesit alanı anlamında düşünüldüğünde denklemi sadece kalınlığı belirten x yönü buyunca akan ısı akısını belirtmesi için tek boyutta aşağıdaki şekilde indirgeyebiliriz (2.2).
dQ
dT
KA
dt
= −
dx
(2.2) Kalın kaplamalar için yukarıdaki dT/ dx ifadesi ∆T/ ∆x şeklinde ifade edilebilir. Burada ∆T, ∆x (kaplamanın kalınlığı) boyunca sıcaklıktaki düşmeyi ifade etmektedir. Denklem aşağıdaki şekilde yeniden yazılabilir (2.3).1
dQ
T
x
KA
dt
∆ =
∆
(2.3)Yukarıdaki denklemden çıkan önemli dört sonuç;
• Sonuç olarak gelişen kaplama teknolojisine ek olarak soğutma kanallı türbin kanatlarının üretilmesi ve kanatlar üzerinde yapılan aerodinamik çalışmalar neticesinde altlık ile sıcak gaz yüzeyi arasında 100–300 °C bir azalma sağlanmıştır.
• Metalik katmanın görece olarak yüksek termal iletkenliğinden ötürü bu katmanda meydana gelen sıcaklık azalması ihmal edilebileceğinden ∆x sadece seramik katmanın kalınlığını ifade etmek de kullanılır.
• Seramik katmanın termal iletkenliği ne kadar düşük olursa sıcaklık azalması o kadar yüksek olur.
• Seramik katmanın kalınlığı ne kadar fazla olursa sıcaklık azalması (∆T) o denli yüksek olur.
Isıl yalıtım mekanizması ve teknolojik anlamda sağladığı faydalar anlatılan termal bariyer kaplamalar genel olarak;
• 0.1-0.2 mm kalınlığında bağlayıcı kaplama (genellikle MCrAlY veya Pl- Aluminit)
• Ağırlıkça 7-8 Y2O3 ile dengelenmiş 0,4 mm kalınlığında seramik ısıl yalıtım
katmanı
Bu kaplamalar motordaki sıcak gazlarla metal parçalar arasında bir bariyer oluşturarak aşağıdaki faydaları sağlar:
• Motor performansını arttırır (motorlarda sıkıştırma oranının artırılmasına olanak sağlarlar)
• Düşük parça sıcaklıkları
• Soğutma için daha az hava ihtiyacı