Hakkımızda1

Kompozit Malzeme Çağı: Uçak Motor Uygulamaları

Sevgili Gelişen Kariyerim Okurları,

Bugün sizlere çağımızın gelişen ve yapısal maddelerin öncüsü haline gelen Kompozit maddeyi beraber yakından tanıyıp hangi alanlarda ne şekillerde kullanıldığını ve günümüzdeki önemini oldukça yüzeysel bir şekilde anlatmaya çalışacağım.

Çoğu alanda kullanılan madde kompozit nedir ?

Kompozit Madde Tabakası
Kompozit Madde Tabakası

En az 2 farklı malzemenin makro seviye ortamında bir araya gelerek birbirleri içerisinde çözünmeyecek şekilde oluşturulan yeni dayanımlı malzemelere Kompozit malzemeler denir. Kompozit malzemenin yapısında, matris ana fazı ve bunun içine dağılmış olan takviye elemanlar bulunur. (Hahn ve Tsai, 1980) Takviye ve ana malzeme olarak genellikle cam, seramik, plastik ve metaller günümüzde kullanılmaktadır.

Faza matris yapısı ve malzemesi (elemanı) uygulanan bir kuvvet değerini ara yüzey bağı ile takviye edici faza iletir ve dağıtmaktadır. Böylelikle takviye fazını planlanan şekilde koruyarak tahribatı önler. Kompozit malzemeler de yükü sırtlanan takviye elemanlarının fonksiyonlarını yerine getirebilmeleri için matris malzemelerinin mekanik özelliklerinin önemi gerçekten büyüktür.

Takviye fazı, üretim esnasında matris fazın tane büyüklüğünü denetler ve iletilen tüm yükleri paylaşarak karşı koymaktadır. Matris yapısı ile takviye elemanı arasındaki bağlayıcılık görevi yapan ara yüzey bağı ise, genellikle kırılgan özellik göstermesine rağmen oluşan kuvveti çözülmeye ve kırılmaya uğramadan takviye fazına iletmekle görevlidir. Bu bölge de malzemenin elestikiyet modülünü de etkileyen en önemli bölge denilebilir. Bu yüzden kompozit malzemelerde dayanıklılık, ara yüzey bağının istenilen şekilde olmasına bağlıdır (Qu, 1993).

Kompozit, hangi malzemelerden oluşur ?

Kompozit malzemeler kısaca yukarda da açıklandığı üzere, mekanik dayanımını yerine getiren farklı tipteki parçalardan (örneğin lif gibi) ve bu parçaları bir arada tutan polimerik, seramik veya metal malzemelerden oluşur. Yapılarında birden çok malzeme barındıran kompozit malzemelerin sınıflandırılması çok değişik şekillerde yapılabilir. Fakat en yaygın sınıflandırma şekli, yapısında bulunan matris ve takviye malzemeye göre yapılmaktadır.

Kompozit malzemeler hangi alanlarda kullanılmaktadır ?

Kompozit malzeme birbirinden farklı alanda kullanılmakta iken genellikle havacılık ve savunma sanayisinin vazgeçilmez bir yapısal maddesi olmuştur. Çünkü havacılıkta istenen gerekli özellikleri birebir barındıran bu hafif ve dayanıklı yapı ileri ki yıllarda da oldukça bu sektörde tek olacak gibi görünüyor. Sizin bir hava şirketiniz olsaydı ağırlığa mı önem verirdiniz yoksa hafifliğe mi ? Bu sorunun cevabı tabi ki; ”hafifliğe” olmalıdır. Çünkü havada olan her yapının kendi içinde kütlesel olarak olabildiğince az ve dayanıklı olması istenir. Eğer bu şartları barındırmıyorsa hem firmayı hem de genel anlamda o yapıda kazaya ve maddi zarara sokabilir.

Uçak yapımında da kullanılan malzemelere genel olarak bakıldığında yıllar boyunca kullanılan ağırlıklı olarak alüminyuma bağlı olunduğu görülmektedir. Günümüzde kanat gibi önemli aerodinamik parçaların üretimi ve montajı bu malzeme ile gerçekleştirilmektedir. Ancak günümüz araçlarında alüminyum oranı azalmış durumdadır ve onun yerine artık termostat, termoplastik, seramik vb. elyaflı kompozit malzemeler; kompozit-kompozit ya da metal-kompozit gibi birden fazla malzemenin bir araya getirilmesi ile oluşturulan melez malzemeler ya da alüminyum-lityum alaşımı gibi alaşımlar kullanılmaktadır.

Örneğin 1990’lı yıllarda üretilen Boeing 757’lerde %78 Alüminyum, %3 Kompozit kullanılmasına karşın, 2010’da hizmete giren yeni bir yolcu uçağı tasarımında %65 Kompozit, %11 Alüminyum kullanılmıştır.

Son dönemde konuşulan Boeing-787 uçağına ne oldu?

Kompozit malzemeden imal edilen ilk uçak olan Boeing- 787, işletme maliyetine %10, yakıt maliyetine ise %20 tasarruf sağlamaktadır. Karbon monoksit emisyonu %20 azalacak ve uçağın gürültü alanı %60 daralacaktır. Kompozit malzeme sebebiyle Boeing-787 uçağının dış hattının daha sağlam olduğu özellikle belirten firma yetkilileri, kompozit gövde ve bakım masraflarından dolayı 787 uçağının dünyanın en iyi uçağı olacağı öngörüsünde bulunmaktadır.

Peki kompozit’in genel olarak artıları nelerdir ?

Kompozit malzemeden yapılmış kanatlar sayesinde;

  1. Çok daha ince
  2. Daha esnek
  3. Daha sağlam / dayanıklı
  4. Bakım maliyeti az.

Uçak motorlarında kullanılan CMC Combustor nedir ?

Bir yakıcı astar malzemesi olarak, SiC / SiC kompozitleri NOx’in karşılanmasına yardımcı olabilecek bir kolaylaştırıcı malzemedir. ERA’nın azaltma hedefleri,mevcut süper alaşımlar, maksimumları’nın altında tutmak için yüksek soğutma hava akışları gerektirir ve izin verilen çalışma sıcaklıkları erime sıcaklıklarının yaklaşık% 80’ine kadardır. CMC malzemeleri, süper alaşımlardan 200º-300ºF daha yüksek sıcaklıktadır.

Daha yüksek sıcaklık kapasitesi ve daha az bileşen soğutma gereksinimleri, daha verimli bir şekilde çalıştırılabilmesi için daha geniş bir yanma alanı tasarım alanı sağlar. Daha az soğutma bileşene akış, yanma işlemine daha fazla hava verilmesini sağlar. Yüksek sıcaklık ve gelişmiş yanma verimliliği CO ve NOx emisyonlarını azaltır. EBC’lerin kullanımı, CMC’nin sıcaklık kapasitesi ek bir 300ºF ile (örneğin, 2400ºF’den 2700ºF’ye bir artış göstermektedir.

Dış (üst) ve iç (alt) CMC astarlarının boyutları sol tarafta verilmektedir  kompozit

Dış (üst) ve iç (alt) CMC astarlarının boyutları sol tarafta verilmektedir ;

Fabrikasyon CMC dış astarı ve EBC kaplı CMC iç astar'ın görünümü sağ taraftaki şekilde gösterilmektedir :
kompozit

Fabrikasyon CMC dış astarı ve EBC kaplı CMC iç astar’ın görünümü sağ taraftaki şekilde gösterilmektedir :

Peki bu sektörde kullan CMC Vane nedir ?

ERA Projesinin I. Aşamasında, yüksek basınçlı türbin kanatlığı görevi, karmaşık kanatçık şekilleri üretmek için uygun işleme yöntemleri ve uygun bir EBC ve bağın geliştirilmesi kaplama sistemidir. CMC ve EBC malzemeleri 2700o’luk öngörülen gereksinimlere göre seçilmiştir. F kaplama yüzey sıcaklığı ve bunun altında yatan 2400o F malzeme sıcaklığı bulunmaktadır. Bu sıcaklıklar sadece çevresel olarak istikrarlı ve erozyona dayanıklı bir EBC’nin geliştirilmesi değil, aynı zamanda istikrarlı bir Mevcut silikon bazlı bağ katının ötesindeki sıcaklıklarda uzun süre kullanılabilen bağ kat sistemleridir.

kompozit
Galeri 3.1 Kanatçık yapıları ve ölçüleri
Galeri 3.1 Kanatçık yapıları ve ölçüleri

SiC / SiC yakıcı ve türbin kanat bileşenleri için EBC geliştirme ve testler nelerdir ?

EBC’ler, SiC / SiC kompozitlerinin faydalarını tam olarak gerçekleştirmek için genellikle birincil güven olarak kabul edilir. Türbin motorunun sert yanma ortamıdır. İleri çevresel bariyer kaplamaların geliştirilmesi NASA ERA Projesi kapsamında halihazırda EBC sistemi sıcaklık kapasitesini önemli ölçüde iyileştirmeyi ve / SiC yakıcılar ve türbin kanatçık bileşenleri için kararlılık esas alınır. Geliştirilmiş EBC sistemleri, gelişmiş motor sistemlerinde sıcak bölüm SiC / SiC bileşenlerinin performansı, ömrü ve dayanıklılığı dikkate alınır.

NASA ERA Projesi bünyesinde, TRL’lerde yakıcı ve türbin kanatlı çevre bariyer kaplamaları 4 ila 5 arasında geliştirilmektedir. Bu yapılan çalışmalar, iki farklı kaplama uygulaması yönteminin geliştirilmesine odaklanmak üzerinedir. İleri düzey plazma sprey yüzeyleri çok katmanlı, 1650 ° C (3000 ° F) özellikli EBC’ler yanma cihazı için uygulamalarda değerlendirilmektedir. Kanat uygulaması için tam elektron ışını – fiziksel buhar biriktirme (EB-PVD) ince kaplamalar (120- 250 um kalınlığında) 2400 ° F kapasitesinde çalışılmaktadır. 1000 saatli dayanıklılık ERA Projesi hedeflerine ulaşılmasına yardımcı olmak için simüle edilmiş laboratuvar koşulları içerisinde uygulanmaktadır.

kompozit

1650 ° C (3000 ° F) test yapabilen NASA Yüksek Basınçlı Brülör Ekipmanının şematik gösterimi 16 atm’de sıcaklık sol tarafta yer almaktadır

Belirli kanatçıklar da yapılan gerilim modellemeleri de şöyle analiz edilebilmektedir :

Galeri 5.1 Analiz Görseli
kompozit
Galeri 5.1 Analiz Görseli

Aynı zamanda, Yüksek ısı akısı termal gradyanı ve yakma astarı çevresel bariyer kaplamalarının döngüsel testi aşağıda verilmiştir. Seçilen ilk yakıcı EBC sistemi 6 aşağı doğru 2700 ° F döngüsel dayanıklılık ve düşük ısı iletkenliği göstermiştir.

Galeri 6.1 Grafik
kompozit
Galeri 6.1 Grafik
Referanslar :
National Aeronautics Research and Development Plan, Executive Office of the President, National Science and Technology Council, Washington, D.C. 20502, February 2, 2010.

Corman, G.S., and Luthra, K.L., “Silicon Melt Infiltrated Ceramic Composites (HiPerCompTM),” in Handbook of Ceramics
and Glasses, ed. N. Bansal, Kluwer Academic Publishers, Boston, 2005, pp. 99-115.

Eury, S., “The next generation engines: Major axes for new technologies,” presented at The 8th International Symposium on Experimental and Computational Aerothermodynamics of Internal Flows, July 2-5, 2007, Lyon, France. / NASA

Bugün sizlerle kompozit ve uçak motorları, kanatçıkları hakkında yapılan araştırmaları baz alarak belli başlı bilgiler vermeye çalıştım. Umarım faydalı olmuştur. Bu sektörde de bilgi birikimi sağlayabilmişsinizdir. Sitemizde bilim – teknoloji kategorilerinde bulunan diğer yazılarımızı da aşağıdaki linklerden okuyabilirsiniz.

Unutmayın ki ; ”İnanmak başarmanın yarısıdır.”

Koronavirüs Aşısı Bulundu Mu?

Nikola Tesla Kimdir ?

Dijital Mercedes MO360 Nedir ?

Enes AYATA

Merhaba sayın Gelişen Kariyerim Okurları, Ben GK'nin kurucu ortağı ve aynı zamanda Makine Mühendisi Enes AYATA.

İlgili Makaleler

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.

Başa dön tuşu