Havacılık motorlarında kullanılan yanma odası gömleklerinin termo-mekanik yorulma performanslarının geliştirilmesi
Improvement of thermo-mechanical fatigue performance of combustion chamber liners used in aviation engines
Yazar: KEREM TAŞ
Danışman: PROF. DR. KUTLAY SEVER
İzmir Katip Çelebi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Havacılık ve Uzay Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Diyod lazer = Diode laser ; Seramik kaplama = Ceramic coating ; Sürekli yanma odası = Continuous combustion chamber ; Termal yorulma = Thermal fatigue ; Uçak motorları = Aircraft engines

Özet:
Günümüzde gaz türbinli motor yanma odası gömleklerinin termo-mekanik yorulma ömürlerini artırmak için efüzyon soğutma teknolojisi ve termal bariyer kaplama (TBK) kullanılmaktadır. Efüzyon soğutması için lazer ile delinmiş TBK'lı gömleklerin ömrü; delik geometrisi, mikroyapı kalitesi, TBK sisteminde var olan çatlaklar gibi önemli unsurlardan etkilenmektedir. Efüzyon soğutma, soğutma verimliliği ve ağırlığın azaltılması açısından yanma odası gömleklerinde kullanılan önemli soğutma teknolojilerinden biridir. Efüzyon soğutma teknolojisinin üretilmesi yapısındaki küçük delikler nedeniyle zordur ve bu teknoloji yapısında genellikle 0,5 mm ila 1,5 mm arasında değişen bir metal levha üzerinde dar açılı binlerce küçük deliğin lazerle delinmesini gerektirir. Gün geçtikçe daha verimli gaz türbinli motorlar elde etmek amacıyla yanma odası çalışma sıcaklıkları arttırılmaktadır. Bu nedenle üretimi zor olsa da efüzyon soğutma teknolojisi gibi verimli yöntemlere ihtiyaç duyulmaktadır. Lazer delmede, mikroyapı ve geometri açısından yüksek kaliteli bir delik elde etmek için çeşitli parametrelerin araştırılması gerekmektedir. Bu tez çalışmasının ilk aşamasında lazer parametreleriyle üretilen deliklerin mikroyapı incelemelerini ve 6 farklı gömlek efüzyon soğutma deliği durumu için mikroyapıya göre belirlenen en uygun lazer parametrelerini içermektedir. Sonuçlar, lazer işlemi farklılıklarının metal alt tabakanın mikroyapısını ve termal bariyer kaplama yapısını etkilediğini göstermektedir.

Delme yöntemi, tepe gücü, darbe sayısı, gaz türü ve basınç değeri delik geometrisi, mikroyapısı ve ömrü üzerinde önemli etkiye sahiptir. Çalışmanın ikinci aşamasında ilk lazer parametre çalışmaları sonucunda saptanan ve TBK sisteminin arayüzleri arasındaki ayrılma yönlü çatlakların azaltılması için farklı lazer ve TBK parametrelerine sahip çok kapsamlı bir deneysel matris oluşturulmuştur. Çalışmaların neticesinde hedeflenen çatlak değerlerine ulaşılmıştır ve en uygun parametreler mikroyapı görselleri ile raporlanmıştır.

Çalışmanın son aşamasında yapılan iyileştirme çalışmasının sonunda seçilen parametre paketi ile üretilen numuneler termal şok testine maruz bırakılmıştır. Termal şok testinde en iyi performansı gösteren ve 35° ve 20°  açıyla delinmiş olan iki efüzyon test rigi numunesi gaz türbini motorun yanma odası koşullarını taklit eden bir ortamda termo-mekanik teste maruz bırakılmıştır. Tüm bu çalışmaların sonunda efüzyon delik delme için en uygun lazer ve TBK parametreleri mikroyapı, TBK çatlakları ve çapaklar gibi tüm kalite isterleri göz önünde bulundurularak değerlendirilmiştir ve testler ile ömrü doğrulanmıştır.

Abstract:
Today, effusion cooling technology and thermal barrier coating (TBK) are used to increase the thermo-mechanical fatigue life of gas turbine engine combustion chamber liners. Life of laser-pierced TBK liners for effusion cooling; It is affected by important factors such as hole geometry, microstructure quality, and cracks existing in the TBK system. Effusion cooling is one of the significant cooling technology in combustor liners in terms of cooling efficiency and weight reduction. However, effusion cooling technology is difficult to manufacture. In fact, this technology requires to laser-drill thousands of tiny holes with shallow angles on a sheet metal with a thickness generally varying between 0,5 mm to 1,5 mm. In addition, the use of thermal barrier coating is common in gas turbine engines and is one more challenge for the drilling process. Combustion chamber operating temperatures are increasing in order to obtain more efficient gas turbine engines. Therefore, efficient cooling technology is needed as well, even if it is hard to manufacture. For laser drilling, several parameters have to be explored to obtain and acceptable hole. This study includes the microstructure investigations of the holes produced with different laser parameters and the optimal laser parameters determined according to the microstructure for 6 different liner effusion cooling hole configurations. The results show that laser process differences are affecting metal substrate microstructure and thermal barrier coating structure.
 
Drilling method, peak power, number of pulses, gas type and pressure value have significant effect on the hole geometry, microstructure and its life. In the second stage of the study, a very comprehensive experimental matrix with different laser and TBK parameters was created to reduce the separation-oriented cracks between the interfaces of the TBK system, which were detected with the first laser parameter studies. As a result of the studies, the targeted crack values were achieved and the most appropriate parameters were reported with microstructure visuals.

At the last stage of the study, the samples produced with the parameter packages selected at the end of the improvement studies were subjected to thermal shock testing. 2 effusion test rig samples, which showed the best performance in the thermal shock test and were drilled at an angle of 35° and 20°, were subjected to thermo-mechanical testing in an environment imitating the combustion chamber conditions of a gas turbine engine. As a conclusion,  the most suitable laser and TBK parameters for effusion hole drilling were evaluated, taking into account all quality requirements such as microstructure, TBK cracks and burrs, and their lifespan was confirmed by tests.