Oğuzhan Yılmaz, Nabil Gindy, Tolga Bozdana
School of 4M, Manufacturing Engineering
The University of Nottingham, İngiltere

Bu çalışma MakinaTek Dergisi Mart 2004
sayısında da yayınlananmıştır.

Giriş

Günümüzde güç elde etmek, havacılık sanayisinde kullanmak veya endüstride elektrik elde etmek amacıyla kullanılan türbinler; temel olarak birçok türbin kanadından, pervaneden, fan kanadından ve diğer parçalardan oluşmaktadır.

Türbin kanatları genelde karmaşık bir geometriye sahiptirler ve Nikel-Titanyum gibi işlenmesi zor malzemelerden çok hassas şekilde imal edilirler. Ayrıca türbin içerisinde değişik kademelerde farklı geometrik yapıya sahip kanatlar kullanılmaktadır. Türbin kanatlarının geomertilerinin karmaşık olması ve değişik geometrilerde olmasının yanısıra malzeme yapısından dolayı ana imalat yöntemleri olan döküm, dövme ve frezeleme yöntemleri kullanarak yeni kanatlar imal edilmesi hem imalat maliyetini ve hem de onarım maliyetini arttırmaktadır. Kanatlar doğal olarak türbin içerisinde yüksek ısıya ve basınca maruz kalmakta; ayrıca kanatların içerisinde bulunduğu dış hazneye sürtünmesi durumları oluşmaktadır.

Tüm bu sebepler, kanatların kaçınılmaz olarak yıpranmasına, yüzeylerinin aşınmasına ve değişik geometrik bozukluklar meydana gelmesine sebep olmaktadır. Hem yeni bir parçanın imalat maliyeti ve hem de değişken geomerik yapı göz önüne alındığında bu kanatların bakım ve onarımı kaçınılmaz hale gelmektedir. Bu nedenlerden dolayı türbin kanatlarının ve pervanelerinin restorasyonu daha çok önem kazanmaktadır.

Gelişen teknolojiyle birlikte, özellikle havacılık ve savunma sektöründe türbin kanatlarının bakım ve onarım süreci şu üç temel aşamadan oluşmaktadır:

• Aşınan ve deformasyona uğramış kanatların öncelikle onarıma alınıp alınmayacağına ön bir kalite denetimi ile karar vermek; daha sonra aşınma tipini ve aşınan bölgeleri tersine mühendislik yöntemiyle tespit etmek.
• Aşınan bölgelerin dolgu malzemesi kullanılarak kaynak, lazer veya lehimleme yöntemleriyle doldurulması.
• Doldurulan bölgelerin 5-eksenli takım tezgahlarında hassas bir şekilde işlenerek tekrar eski yüzey hassasiyetlerine ve geometri normlarına getirilmesi
  

Türbin Kanadının Temel Restorasyon Aşamaları

• Türbin kanadı üzerindeki aşınan bölgelerin tespiti (Pre-Inspection)
• Aşınan bölgelerin kaynaklanarak doldurulması (Metal Deposition)
• Doldurulan bölgelerin yüksek esnekliğe sahip işlem metodları ile uyarlamalı olarak işlenmesi (Adaptive Multi-axis machining)
• Son kontrol (Post-Inspection)

Türbin kanatların restorasyon aşamasında atılacak olan ilk adım, kanadın tamir edilebilirliğini saptamaktır. Aşınan kanadın taranması ve 3B modelinin oluşturulmasından sonra kanat tipine bağlı olarak belirli bölgelerin kiriş kalınlıkları ve uzunlukları (Chordal Lenght and widht) ölçülür ve sapma büyüklüğüne göre restorasyon işlemine alınıp alınmayacağına karar verilir. Aşağıda, aşırı çalışma şartlarından dolayı bazı türbin kanatlarının uç (tip), hücum kenarı (leading edge) ve fırar kenarı (trailing edge) hasarları ile diğer tip hasarlar gösterilmektedir;

Türbin Kanatlarında Genel Hasar Formları (Common Damaged Blade Forms)

Türbin Kanadı Yüzeyindeki Hasarlı Bölgelerin Belirlenme Aşamaları

• Türbin kanadının taranması (Scanning of Blade)
• Taranmış türbin kanadı yüzeyinin modellenmesi (Surface modelling)
• Yüzey tolerans farklılıkları ve geometrik değişiklikler referans alınarak aşınan bölgelerin büyüklüğünün ve posizyonun
  belirlenmesi (Determination of position and amount of deposited areas on the blade)

Kullanılan Tarama Metodları (Scanning Methods)

• Tetikleyici Sayılaştırıcı (Trigger Touch digitizing probe)
• Tarayıcı Sayılaştırıcı (Scanner Probe)
• Nokta Lazer tarayıcı (Laser Scanner)
• Çizgi lazer tarayıcı (Line laser Scanner)
• CCD Kamera (Optical scanner)

Türbin kanatlarının tersine mühendisliğinde farklı ölçme metodları kullanılmaktadır. Bu metodlar arasında yer alan tetikleyici dokunmatik prob (trigger touch probe) pahalı ve ölçme işlemi çok yavaştır. Devamlı temas eden sayılaştırıcı (tactile digitising) prob ise atölye şartları için en uygun olanıdır ve kısa tarama zamanı ile optimal hassasiyet sağlar. Ayrıca devamlı temas eden ve optik sayılaştırıcılar için 3, 4 ve 5 eksenli sayılaştırıcı kontrolörler mevcuttur. Bunlara ek olarak nokta lazer sensörler (point laser sensors) hassas malzemelerin taranmasında alternatif olarak kullanılabilecek ileri seviyede teknolojik yeniliğe sahip bir yöntemdir. Çizgi tarayıcılar (line scanner) ve CCD kameralar (CCD cameras), kısa zamanda geometriyi yakalayabilme özelliğine sahiptirler ancak maliyetleri çok yüksektir ve atölye şartları için teknolojileri çok karmaşıktır. Bir diğer yöntem ise optik sistemlerin (optical systems) kullanılmasıdır. Bu sistemler yüzey pürüzlüğüne karşı çok hassastırlar ancak tarama verileri genelde devamlı temas eden sayılaştırıcı prob'daki gibi doğruluk oranında elde edilemez;

Değişik Tarama Metodlarının Değişik Tarama Metodlarının Karşılaştırılması

Türbin Kanatlarının Modellenmesinde Tersine Mühendislik Uygulaması

• Nokta Bulutu oluşturulması (point-cloud data)
• Poligon ağ yüzey oluşturma (Polygon-mesh modelling)
• Katı yüzey oluşturulması (Solid surface modelling)

Genellikle sayılaştırma ve tarama işlemi bir işlem merkezi (Machining Centre) ile entegrasyon halinde yapılır. Sayılaştırıcı ve tarayıcı yazılımı bilgisayar tabanlı nümerik kontrolörlere entegre edilmiştir veya doğrudan nümerik kontrolör içerisine adapte edilmiştir. Tüm bu bilgilerin ışığında, bir ölçme yazılımından beklenen türbin kanadının istenilen unsurlarını yakalayabilmesidir. Bu yüzden tüm kanadın taranmasına ihtiyaç yoktur. Aslında, sayılaştırma-tarama metodları; özellikle gerçek kanat geometrisinin daha doğru bir şekilde elde edilmesi sonucunda veri işleme yazılımına veri aktarılması için kullanılan yöntemlerdir. Aşağıda, bir kompresör kanadının taranmasının ardından elde edilen verilerden yola çıkarak kanadın üç aşamalı olarak modellenmesi gösterilmektedir;

Türbin Kanadı Yüzeyindeki Aşınan Bölgelerin Büyüklük ve Posizyonunun Belirlenmesi

• Taranan Türbin kanadı modeli orijinal kanat yüzeyi ile karşılaştırılarak aşınan bölgeler tespit edilir.

Türbin Kanadı Restorasyonunda Kullanılan Kaplama ve Kaynaklama Yöntemleri
(Coating and Deposition Techniques of Blades)

• Düfizyon Aluminyum kaplama (Diffused Aluminide Coatings)
• Plazma ve Metal Püskürtme (Plasma & Metal Sprays)
• Vakumlamalı ısıl işlem (Vacuum Heat Treating)
• Lehimleme (Brazing)
• Kaynaklama (Welding)
• Kaynaklama (Laser powder (Laser powder-wire build wire build-up welding) up welding)

Aşınan bölgelerin tanımlanmasından sonra, uygun bir yöntem ile bu bölgelerin dolgu malzeme ile doldurulması gerekmektedir. Çoğunlukla kaynaklama veya malzeme doldurma işlemi kanatların uç kısımlarına, türbin kanadının hücum ve firar kenarlarına ve pervanelerin iç yüzeylerine uygulanmaktadır. TIG kaynağı, CO2 ve Nd:YAG lazer kaynağı ile plazma kaynağı bu amaç için kullanılan yöntemlerdendir. Bunlara ilaveten lehimleme ise özellikle ince kesit kalınlığına sahip türbin kanatlarında ve pervane kanadında kullanılan dolgu yöntemlerinden biridir.

Lazerle kaynaklama işlemi esnasında, kaynak yapılacak bölgelerin durumuna bağlı olarak; bakımı yapılacak parça öncelikle tarayıcılar tarafından taranarak 3B modeli oluşturulur. Örneğin kompresör türbin kanadının uç kısmının onarımı aşamasında, bazı durumlarda sadece uç kısmın profili kaynak yolu için yeterli olabilmektedir. CNC kontrollü işlem ünitesi tarafından kaynak yapılacak taranmış yüzey için kaynaklama zamanı belirlenir ve ne kadar kaynak malzemesinin kullanılacağı hesaplanır. Kaynaklama parametrelerine bağlı olarak hız ve lazer enerji miktarı, dikiş hareketi yapılacak onarım kaynağı ile ilişkilendirilir. Lazer ışını dikey olarak alttabaka yüzeye yönlendirilir;

Lazer Kaynaklama Kaynaklama (Laser powder - wire build-up welding) (Bakınız: Ek Bilgi)

Doldurulan Bölgelerin İşlenmesi (Machining of Deposited Areas)

• Doldurulan bölgelerin posizyonunun belirlenmesi ve işleme unsuru olarak tanımlanması (Determination of deposited areas position and introducing as a machining feature)
• Kullanılan işleme stratejisine göre çok eksenli takım yolu hesaplanması (Generating multi-axis tool path)
• Geometri ve yüzey kalite denetimi (Quality inspection)

Türbin kanatlarının restorasyon işleminin son aşaması, kanat yüzeyi üzerindeki fazla malzemenin (doldurulan malzemenin) işlenerek istenilen yüzey toleranslarına döndürmektir. Kanatların karmaşık geometrisinden dolayı genelde çok eksenli işleme operasyonları tercih edilmektedir. Birçok durumda 'taşlama işlemi' kullanılmakla birlikte eğer işlenecek bölgedeki dolgu malzemesi çok büyük ise 'frezeleme işlemi' tercih edilmektedir. Bu nedenle çok eksenli işlemelerde, 5 eksenli işlem merkezleri kullanılmaktadır.

Fakat bu aşamada, esas nokta doldurulmuş alanların sınırlarının doğru şekilde tanımlanması ve doldurulan malzemenin büyüklüğünün belirlenmesidir. Dolayısıyla doldurulan bölgenin yeri ve büyüklüğü en önemli faktörlerdendir. Bu nedenle, özellikle bu faktörlerin iyi şekilde belirlenmesi için tarama işleminin tekrarlanması gerekmektedir. Bu aşamada taranan ve modellenen türbin kanadı, orijinal türbin kanadı ile karşılaştırılarak tolerans farklılıkları belirlenir. Kanadın yüzeyindeki tolerans değişimi, doldurulan malzeme miktarını ve doldurulmuş bölgenin konumunu verecektir.

Çok Eksenli Takım Yolu Hesaplanması (Multi-axis tool path planning)

• Kesici takım posizyon noktalarının (Cutter Location) belirlenmesi (Generating cutter location - CL- points and cutter location file)
• En uygun işlem parametrelerinin belirlenmesi (Determination optimum multi-axis operation parameters)
• Tezgah kodlarının oluşturulması (Generation of Gcodes: Post-processing)

Belki de en kritik olan ikinci aşamada ise doldurulan bölgelerden dolgu malzemesini kaldırmak için uyarlamalı (adaptive) takım yolu belirlenmesi ve CNC tazgahına NC kodu üretilmesidir. Genelde üç aşamalı gerçekleştirilen bu bölümde, ilk olarak doldurulan bölgenin kanat yüzeyi üzerindeki konumu ve bölgenin yüzeysel yapısına göre işleme stratejisi (çok eksenli eğri işleme, izoparametrik işleme, çok eksenli yanal işleme vb.) belirlenir ve daha sonra belirlenen stratejiye bağlı olarak takım yolunun hesaplaması ve en uygun işleme parametrelerinin (takım meyil açıları, takım yolu aralığı vb.) belirlenmesi gerekmektedir. Elde edilen takım temas noktalarının (cutter contact points) ve takım posizyon noktalarının (cutter location points) NC kodlara çevrilmesiyle kaynak edilmiş türbin kanadı işlenmeye hazır olur. Sözü edilen işlemleri yapabilecek birçok CAD/CAM yazılımı mevcuttur. Ancak, gereksinimleri karşılayabilecek ve istenilen işi yapabilecek doğru yazılımın seçilmesi diğer bir önemli noktadır.

Değişik CAD/CAM Yazılımlarında Geliştirilmiş Takım Yolları

Bir Türbin Kanat Ucunun 5-Eksenli Frezede İşlenme Görüntüsü

Sonuç

Türbin kanatlarının onarım teknolojisindeki yeni arayışlar ve projeler, kaçınılmaz olarak havacılık sanayi, türbin üreticileri ve savunma sanayisi tarafından büyük yatırımlarla tüm dünyada desteklenmektedir. Servis, bakım ve onarım; türbin motoru üreticilerinin en önemli sorumluluklarından biridir. Günümüzde türbin kanatlarının bakım ve onarımı, kalifiyeli elemanlar tarafından yapılmaktadır. Örneğin kanatların kaynak edilmesi özel üretilmiş bilgisayar kontrollü tezgahlar ile yapılmakta; fakat doldurulan kısımların alınması veya işlenmesi el taşlaması metodu ile yapılmaktadır. Bu durum; yüksek işçilik maliyetine, düşük doğruluk oranına, daha fazla işlem zamanına ve tabii ki düşük verimliliğe neden olmaktadır. Daha da önemlisi titanyum ve nikel malzeme tozlarının nüfus edilmesi sırasında ve karmaşık bir geometriyi el ile işleme esnasında meydana gelebilecek iş kazalarıdır; diğer bir ifadeyle 'insan sağlığı' faktörüdür. Dolayısıyla, türbin kanadı restorasyonun ileri CAD/CAM ve kaynaklama teknolojileri kullanılarak gerçekleştirilmesi; bu alanda son zamanlardaki teknolojik bir eğilim olarak göze çarpmaktadır. Ön muayene ve son mauayene arasında gerçekleştirilen tüm işlemlerin otomasyonu ise önemli ve araştırma yapılması gereken noktalardan biridir. Sonuç olarak bu yeni eğilimin, her zaman üretimini ve verimliliğini arttırmak isteyen firmaların rekabet gücüne katkı sağlıyabilecek bir teknojik yaklaşımdır demek mümkündür.

Kaynaklar

1. Turbomachinery Products: Processes,
www.tmp.goodrich.com/processes.shtml

2. Krause, S., An advanced repair technique: laser powder build-up welding, Sulzer Technical review, 4, 2001.

3. Llyod A., C., Advanced Refurbishment and Life Extension Technologies for Industrial Gas Turbine Components, Third International EPRI Conference on Welding and Repair Technologies for Power Plants', Scottsdale, AZ, 1998.

4. TTL Refurbishing Gas Turbine Components,
www.ttl-gas-turbine.com

5. Mullins, P., Adaptive machining to improve blade repair, Diesel & Gas Turbine Worldwide, September, pp.78-79 2001.

6. Dix B. Adaptive geometry manufacturing technology,
www.ttl-gas-turbine.com/adaptive_technology.htm

7. Albrecht A., Manufacturing technology for turbine blades, Diesel & Gas Turbine Worldwide, June 1995.

8. Five-axis Machining, custom software speed turbine blade refurbishment, Manufacturing Engineering, vol.126, No.5, 2001.

9. Bremer C., Adaptive strategies for manufacturing and repair of blades and blisks, Proceedings of ASME Turbo Expo 2000: 45th ASME International Gas Turbine & Aero-engine technical Congress, Munich, 2000.

10. Bremer C., Adaptive-welding strategies for repair and overhaul of turbine blades and blisks.
www.bct-online.de

Ek Bilgi: Türbin kanadı onarımında kullanılan otoinşa cihazları:

• POM, DMD (Direct Metal Deposition, Direkt Metal Yığma)
• H & R Technology Inc., PMD (Precision Metal Deposition - Hassas Metal Yığma)