Derin Okuma — Buhar Turbini Palperi

Dönen bir çarkın içinde ne kayboluyor

Bir santralin türbin holüne girdiğinde ilk fark ettiğin şey ses değil, sıcaklığın tenine yapışması olur. Yerdeki boya kabarmış, korkuluklar ele yapışır, ama makinenin kendisi neredeyse sessizdir. Yüz megavatlık bir ünite, kulağının duyduğu o düşük uğultunun arkasında saniyede tonlarca buharı parçalıyor. Palper dediğin şey, o buharı kanatların arasından geçirirken her kademede biraz daha soğutup biraz daha genişletir. Peki buharın taşıdığı enerjinin ne kadarı gerçekten şafta ulaşıyor?

Palper aslında bir enerji soyma aleti

Buhar türbini palperini bir meyve soyacağı gibi düşün. Elindeki meyve buharın toplam enerjisi, bıçağın her geçişi ise bir kademe. Tek geçişte kabuğun tamamını almaya çalışırsan meyveyi ezersin. Palper de aynı mantıkla çalışır. Buharı tek bir genişlemeye bırakmaz, onu onlarca küçük kademeye böler. Her kademede basınç biraz düşer, sıcaklık biraz azalır, hız biraz artar ve kanat o hız farkından torku toplar.

Kademe sayısı arttıkça verim yükselir ama sürtünme kayıpları da birikir. O yüzden palper tasarımı bir denge oyunudur. Yüksek basınçlı uçta az sayıda büyük kademe, alçak basınçlı uçta çok sayıda küçük kademe kullanılır. Çünkü buhar genişledikçe hacmi kabaca on katına çıkar ve aynı enerjiyi toplamak için daha fazla kanat alanı gerekir.

Kademe tipi de bu dengeye girer. Yüksek basınçta buhar hala yoğunken impuls kademeleri tercih edilir. İmpuls kademesinde basınç düşüşü sabit kanatlarda olur, hareketli kanat yalnızca yön değiştirir. Alçak basınçta ise reaksiyon kademeleri devreye girer. Reaksiyon kademesinde basınç hem sabit hem hareketli kanatta düşer, kanat profili uçak kanadına benzer. Tipik bir 600 megavatlık ünitede yüksek basınç palperi 8-10 impuls kademesiyle başlar, ardından 15-20 reaksiyon kademesine geçer.

Kademeler arasındaki buhar hızı da sabit değildir. Yüksek basınçta buhar kanattan kabaca 250-350 metre/saniye hızla çıkar. Alçak basınç son kademesinde bu hız 600 metre/saniyeyi aşar. Kanat kökünden ucuna doğru çevresel hız arttığı için kanat profili burulur. Kök ile uç arasındaki burulma açısı bazı tasarımlarda 40 dereceyi bulur. Burulma yanlış hesaplanırsa kanat ucu ile kökü arasında basınç farkı oluşur ve buhar kanal içinde döngü yaparak kayıp üretir.

Kademe verimini belirleyen gizli değişken, hız oranıdır. Her kademede buharın kanattan çıkış hızı ile kanadın çevresel hızı arasında bir oran vardır. İmpuls kademelerinde bu oran 0,45-0,5 bandında tutulur, reaksiyon kademelerinde 0,6-0,7'ye çıkar. Oran bu bandın dışına kayarsa kademe verimi yüzde 90'dan yüzde 75'e kadar düşer. Tasarımcı bu yüzden kademe çapını ve devir sayısını birlikte ayarlar, çünkü iki değişken birbirini kilitler.

Kanat sırası sayısı neden bu kadar kritik

Bir yüksek basınç palperinde tipik olarak 15 ile 25 kademe bulunur. Alçak basınç palperinde bu sayı 5 ile 8'e düşer ama kanatlar devasa boyutlara çıkar. Son kademe kanadının uç hızı ses hızına yaklaşır, bazı tasarımlarda saniyede 600 metreyi aşar. O hızda bir kanadın ucuna bir su damlası çarparsa kanat dakikalar içinde erozyona uğrar.

Kademe sayısını belirleyen şey sadece verim değil, buharın sonunda ne kadar ıslak kaldığıdır. Buhar genişledikçe bir kısmı yoğuşur ve mikroskobik su damlacıkları oluşur. Son kademelerde bu nem oranı yüzde 10-12'yi geçerse kanat uçları adeta kumlanır. O yüzden ara kızdırma yapılır, buhar tekrar ısıtılıp palpere geri gönderilir.

Ara kızdırmanın sınırı vardır. Buharı tekrar ısıtmak kazan tarafında ek yüzey ve ek boru demektir. Tipik bir ünitede birinci ara kızdırma 30-40 bar basınç seviyesinde yapılır. İkinci ara kızdırma yalnızca çok büyük ünitelerde görülür ve basınç seviyesi 8-12 bara kadar düşer. Her ara kızdırma nemi düşürür ama basınç kaybını da artırır. Basınç kaybı yüzde 8'i geçerse kazanç tersine döner.

Son kademe kanadının boyu da bir sınıra dayanır. Alçak basınç son kademesinde kanat boyu 1,2 metreye kadar çıkar. Boyda kanat ucundaki çevresel hız saniyede 700 metreye yaklaşır. Titreşim modları bu boyda kritik hale gelir. Kanat kendi doğal frekansıyla çalışma devri çakışırsa rezonans oluşur ve kanat kökünden çatlar. O yüzden kanatlar arasına bağlama teli veya şroud bandı eklenir.

Kanat boyu büyüdükçe bir başka sorun başlar. Kanadın ucu ile kökü arasındaki merkezkaç gerilmesi aynı değildir. Bir metre boyunda titanyum kanadın kökündeki çekme gerilmesi 250-300 megapaskal mertebesine çıkar. Değer titanyumun akma sınırının yarısına yaklaşır. Tasarımcı kanadı kökten kalın, uçtan ince profillendirir.

Ama incelme arttıkça kanadın kendi titreşim frekansı düşer ve çalışma devrine yaklaşır. İki sınır arasındaki pencere bazı tasarımlarda 5 hertz kadar dardır.

Şroud bandı bu pencereyi genişletir. Kanat uçlarını birbirine bağlayan bu halka, tek tek kanatların salınımını birbirine kenetler ve sistemin ilk doğal frekansını yukarı taşır. Ama şroud bandı kanat ucuna ek kütle bindirir. O kütle merkezkaç yükünü artırır, kök gerilmesini yükseltir. Yani titreşim çözülürken yorulma marjı yenir. Son kademe tasarımı tam da bu takasın etrafında döner.

Sızdırma boşluğu ve o görünmez fatura

Palperin en pahalı düşmanı aşınma değil, sızdırmadır. Dönen şaft ile sabit gövde arasında kalan boşluk, buharın bir kısmının kanatlara uğramadan kaçmasına izin verir. Boşluk tipik olarak milimetrenin onda biri mertebesindedir. Yüksek basınçlı uçta bu kaçak, toplam buharın yüzde 2-3'üne kadar çıkabilir.

Kulağa küçük geliyor. Ama bir 600 megavatlık ünitede buhar debisi saatte yaklaşık 1.800 ton civarındadır. Yüzde 2,5 kaçak demek saatte 45 ton buharın iş yapmadan geçmesi demektir. Buharı üretmek için yakılan kömürün parası bacadan çıkmış gibi olur. O yüzden labirent keçeleri, fırça keçeler ve karbon segmanlar sürekli geliştirilir.

Labirent keçesi, şaft üzerine açılmış ince dişlerden oluşur. Her diş buharın geçişini bir miktar kısar, üst üste dizilen dişler kaçağı kademeli olarak boğar. Tipik bir yüksek basınç keçesinde 20-30 diş bulunur. Diş başına basınç düşüşü eşit değildir. Kritik basınç oranına ulaşan dişlerde akış ses hızına kilitlenir ve o dişler kaçağı daha fazla kısamaz. O yüzden keçe tasarımı diş sayısını değil, diş başına düşen basınç oranını dengeler.

Fırça keçesi ise şafta temas eden ince karbon fiber tellerden yapılır. Temas ettiği için kaçak oranını yüzde 0,5'in altına indirebilir ama teller zamanla aşınır ve şaftı çizebilir. Tellerin radyal esnemesi 0,2-0,3 milimetre aralığında ayarlanır. Çok sıkı ayarlanırsa şaft yüzeyinde ısı birikir, yerel sıcaklık 150 santigrat dereceyi geçer ve karbon oksitlenip kabarır. O zaman keçe kaçak yerine sürtünme kaynağı olur.

Kaçak sadece şaft çevresinden olmaz. Kanat ucu ile gövde arasındaki boşluk da bir kaçak yoludur. Boşluk tipik olarak kanat boyunun binde biri mertebesindedir.

Yani 1 metrelik kanatta uç boşluğu 1 milimetre civarındadır. Boşluk büyürse kademe verimi düşer, küçülürse kanat gövdeye değer. Isıl genleşme bu boşluğu çalışma sırasında değiştirir. Soğuk halde 1,5 milimetre olan boşluk, tam yükte 0,8 milimetreye inebilir.

Uç boşluğunun verime etkisi doğrusal değildir. Boşluk kanat boyunun binde birinden binde beşe çıktığında kademe verimi yüzde 1,5-2 puan düşer. Kayıp tek kademede küçük görünür ama yüksek basınç palperindeki 20 kademede toplanır. Toplam kayıp yüzde 1'i geçtiğinde ünitenin ısı oranı belirgin şekilde bozulur. O yüzden bazı modern tasarımlarda kanat ucuna pasif boşluk kontrolü eklenir. Kanat ucu ısındıkça merkezkaçla biraz daha uzar ve boşluğu kendiliğinden kısar.

Malzeme seçimi palperin ömrünü belirliyor

Yüksek basınç kademelerinde buhar sıcaklığı 540-600 santigrat dereceye ulaşır. Sıcaklıkta sıradan çelik yumuşar, krom çelik ise zamanla sürünür. Sürünme, malzemenin sabit yük altında yavaşça uzamasıdır. Bir kanat yıllar içinde milimetrenin birkaç onda biri kadar uzarsa gövdeye değer ve ünite durur.

O yüzden yüksek basınç kanatları nikel bazlı süper alaşımlardan dökülür. Alçak basınç tarafında ise titanyum alaşımları tercih edilir. Titanyum hafiftir ama son kademe kanadı bir metreye yaklaşabilir ve merkezkaç kuvveti tonlarca olur. Hafiflik burada doğrudan yatak ömrüne ve titreşim seviyesine yansır. Aynı boyda çelik kanat, titanyumun yaklaşık iki katı merkezkaç yükü bindirir.

Sürünme ömrü hesabı basit bir eşikle yürümez. Malzemenin belirli bir sıcaklık ve gerilme altında 100.000 saatte yüzde 1 uzaması, tasarım sınırı olarak alınır. 600 santigrat derecede nikel alaşımı bu sınırı 100.000 saatte tutar. Sıcaklık 620 dereceye çıkarsa aynı sınır 40.000 saate iner. Yani 20 derecelik bir artış, kanadın ömrünü yarıdan fazla kısaltır. O yüzden kazan çıkış sıcaklığı birkaç derece bile yukarı kaçarsa alarm çalar.

Sıcaklığın yanında gerilme de aynı kapıdan girer. Aynı kanat 600 derecede 100.000 saat dayanırken, gerilme yüzde 20 artarsa ömür 30.000 saate düşer. Yani sıcaklık ve gerilme ayrı ayrı değil, çarpım halinde etki eder. Bakım planlaması bu yüzden tek bir sıcaklık kaydına değil, kanadın gerçek çalışma profilinin integraline bakar. Bir ünite yıl boyunca tam yükte mi, yoksa yarı yükte mi çalıştı, kanadın ömrünü doğrudan belirler.

Alçak basınç tarafında asıl düşman sürünme değil, erozyon ve korozyondur. Son kademelerdeki nem damlacıkları kanat ucunu kumlar. Damlacık çapı 5-10 mikronu geçerse erozyon hızı belirgin şekilde artar. O yüzden son kademe kanatlarının ön kenarına stellite gibi sert bir kaplama yapılır. Kaplama kalınlığı tipik olarak 0,5-1 milimetre arasındadır ve her büyük bakımda ölçülür.

Erozyon hızı damlacık boyuna üçüncü kuvvetle bağlıdır. Çap iki katına çıkarsa aşınma hızı kabaca sekiz katına çıkar. O yüzden ara kızdırma ve nem ayırıcılar sadece verim için değil, kanat ömrü için de kritiktir. Nem oranı yüzde 12'den yüzde 8'e indirildiğinde son kademe kaplamasının ömrü bazı ünitelerde iki katına çıkar.

Titanyumun bir sınırı da vardır. Titanyum 400 santigrat derecenin üzerinde oksijenle reaksiyona girip gevrekleşir. O yüzden titanyum kanatlar yalnızca buhar sıcaklığının 200-350 dereceye indiği son kademelerde kullanılır. Ara sıcaklıklarda ise 12 kromlu martensitik çelikler tercih edilir. Malzeme seçimi aslında palper boyunca sıcaklık haritasına göre kademe kademe değişir. Aynı rotor üzerinde üç farklı alaşım ailesi yan yana çalışır.

Piyasa Hafızası. Parsons ve 1884

1884 yılında Charles Parsons, Newcastle'daki atölyesinde ilk pratik buhar türbinini çalıştırdı. Makine yalnızca birkaç kilovat üretiyordu ve devir sayısı dakikada 18.000'e ulaşıyordu. O dönemde bu hız kabul edilemez sayılıyordu çünkü mevcut dişli sistemleri bu devri kaldıramıyordu. Parsons hem türbini hem de ona uygun redüksiyon dişlisini birlikte geliştirmek zorunda kaldı.

Asıl kırılma noktası 1897'deki Turbinia gemisiyle geldi. O gemi, o güne kadar görülmemiş bir hızla İngiliz donanma geçit törenini yarıp geçti. Ders şuydu. Bir enerji dönüşüm makinesi, kendi devrini aktaracak bir aktarma organı olmadan işe yaramaz. Palper tasarımı da aynı gerçeği taşır. Kanatlar ne kadar iyi olursa olsun, şaft, yatak ve dişli kutusu o enerjiyi taşıyamıyorsa kazanç kağıt üzerinde kalır.

Küçük Bir Hesap

Aşağıdaki tablo, 600 megavatlık bir kömür ünitesinde palper sızdırma kaybının yıllık maliyetini temsili sayılarla gösteriyor.

Sayılar temsili, mantık gerçek. Tabloya bakınca keçe yenilemenin kendini bir yıldan kısa sürede ödediği görülüyor. Duyarlılık tarafı şurada. Kaçak oranı yüzde 2,5'ten yüzde 1'e inse yıllık kayıp 3,4 milyon TL azalır. Ama keçeyi gereğinden sıkı ayarlarsan şafta sürtme başlar ve yatak sıcaklığı yükselir. O zaman tasarruf değil, plansız duruş faturası ödersin.

Palperi okumanın üç katmanı

Birinci katman termodinamik. Kademe sayısı, ara kızdırma ve son nem oranı verimin sınırlarını çizer. Katmanda yapılan hata, tasarım masasında kalır ve sonradan düzeltilmesi neredeyse imkansızdır.

İkinci katman mekanik. Sızdırma boşluğu, kanat uç hızı, yatak yükü ve titreşim seviyesi palperin ömrünü belirler. Katmanda yapılan hata, ilk büyük bakım duruşunda ortaya çıkar.

Üçüncü katman ekonomik. Kaçak oranı, yakıt fiyatı ve çalışma saati birleşince palperin gerçek maliyeti görünür. Katmanda yapılan hata, yıllık bilançoda sessizce birikir.

Palper, buharın enerjisini soyarak alır. Ama o enerjinin parasını asıl belirleyen, kanatların arasından kaçan görünmez buhardır.