Derin Okuma — Pratt & Whitney

Hartford'ta bir dökümhane

1925 yılının Hartford'unda Frederick Rentschler, bir uçak motoru şirketi kurmak için sermaye arıyordu. Elinde ne bir uçak ne de bir müşteri vardı. Sadece 400 beygirlik bir radyal motor tasarımı ve Wright kardeşlerin patent savaşlarından bıkmış bir mühendis kadrosu. Yatırımcılara "uçak yapan yok, motor yapan da yok" diye anlattığı şey aslında bir tedarik zinciri teziydi. Bugün Hartford'daki o dökümhanenin torunları, dünyanın en büyük iki motor üreticisinden biri olarak her yıl binlerce turbofanı montaj hattından çıkarıyor.

Peki bir motor şirketini uçak şirketinden ayıran şey tam olarak nedir?

Neden motor uçaktan zor

Bir uçak gövdesi, alüminyum ve kompozit panellerin perçinlenmesiyle kurulur. Hata payı milimetrelerle ölçülür. Bir turbofan ise saniyede 300 metre hızla dönen, içindeki gaz sıcaklığı 1.600 santigrat dereceyi bulan bir makinedir. Sıcaklık, kanatçıkların yapıldığı nikel süper alaşımların erime noktasının yaklaşık 200 derece üzerindedir. Yani motor, kendi malzemesinin eriyeceği bir ortamda çalışmak zorundadır.

Bunu başarmanın yolu, kanatçıkların içine açılan mikroskobik hava kanallarından geçer. Kanatçık yüzeyi, kompresörden gelen nispeten soğuk hava ile kaplanır. Hava filmi, metali yanma gazlarından ayıran görünmez bir kalkan oluşturur. Kanatçık başına 300 ila 600 arasında delik açılır ve her deliğin çapı yaklaşık 0,25 milimetredir. Deliklerden biri tıkanırsa, o bölgede sıcaklık yerel olarak 100 derece artar ve kanatçık ömrü yarıya iner.

Deliklerin geometrisi, delme işleminden daha kritiktir. Her delik, yüzeye 30 ila 45 derece arasında bir açıyla açılır. Amaç, soğuk havanın metale yapışıp ince bir film halinde akmasını sağlamaktır. Açı sığ olursa hava kalkar ve film kopar. Dik olursa hava metale çarpar ve soğutma yerine türbülans üretir. Delikler elektro kıvılcım işleme veya lazerle açılır ve her kanatçık için işlem süresi 20 ila 40 dakika sürer.

Soğutma havasının kendisi bedava değildir. Kanatçıklara yönlendirilen hava, kompresörden çekilir ve yanma odasına hiç girmez. Yani motor, soğutma için harcadığı havayı itiş gücünden feragat ederek öder. Modern bir motorda bu "bleed" oranı, kompresör çıkışının yüzde 15 ila 25'i arasındadır. Soğutmayı bir puan artırmak, yakıt tüketimini yüzde 0,3 ila 0,5 yükseltir. Mühendislik ile verim arasındaki gerilim tam burada başlar.

Tek kristal, tek şans

Süper alaşım kanatçıkların üretimi, dökümhanede başlar. Metal, 1.500 santigrat derecede eritilir ve tek kristal yapı elde etmek için kalıp yavaşça soğutulur. Sıradan dökümde metal, tane sınırları denen kristal eklemleriyle katılaşır. Sınırlar yüksek sıcaklıkta zayıf halkalardır. Tek kristal dökümde ise kalıp, spiral bir seçici kanaldan geçirilir ve yalnızca tek bir kristal çekirdeğin büyümesine izin verilir.

Soğutma hızı kritiktir. Kalıp, saatte yaklaşık 200 santigrat derece hızla çekilirse tane sınırı oluşur. 300 dereceyi aşarsa kristal yönelimi bozulur. Doğru pencere, saatte 250 ila 280 derece arasındadır ve bu pencereyi tutmak için fırın sıcaklığı ±5 derece hassasiyetle kontrol edilir. Bir kanatçığın dökümü 4 ila 6 saat sürer. Hatalı çıkan parça geri dönüştürülür ama alaşımın içindeki renyum gibi nadir elementlerin bir kısmı kaybolur.

Kristalin yönelimi de tesadüfe bırakılmaz. Kanatçık, döküm sırasında tek bir eksende büyütülür ve bu eksen, servis sırasında en az gerilmeye maruz kalacak yöne denk getirilir. Kristal yönelimi 10 derece saparsa, kanatçığın yorulma ömrü yüzde 30'a kadar düşer. O yüzden her döküm partisinden numune alınır ve X-ışını difraksiyonuyla yönelim doğrulanır. Numune geçemezse partinin tamamı hurdaya ayrılır.

Dökümhanenin asıl darboğazı fırın değil, kalıptır. Kalıp, seramik esaslı bir kabuk olarak üretilir ve kanatçığın iç kanallarını oluşturan çekirdek, dökümden sonra kimyasal olarak çözülerek çıkarılır. Çekirdek ne kadar ince olursa soğutma kanalı o kadar dar olur ve soğutma o kadar verimli çalışır. Ama ince çekirdek döküm sırasında kırılır. Tipik çekirdek kalınlığı 0,5 ila 1 milimetre arasındadır ve bu sınır, soğutma tasarımının tavanını belirler.

Bir kanatçığın maliyet zinciri

Renyum, tek kristal kanatçıkların sıcaklık dayanımını artıran en pahalı bileşendir. Bir kanatçık ağırlığının yaklaşık yüzde 3'ü renyumdur ve renyumun ton fiyatı 2020'lerin başında 30.000 ila 50.000 dolar bandında gezmiştir. Bir turbofan motorunda 60 ila 80 arasında yüksek basınç türbin kanatçığı bulunur. Sadece bu parçaların hammadde maliyeti, motorun toplam maliyetinin yüzde 15'ini aşabilir.

Renyumun tedarik yapısı, fiyatını malzeme özelliğinden daha çok belirler. Dünya üretiminin büyük bölümü bakır rafinasyonunun yan ürünü olarak çıkar ve tek bir ülkenin elinde toplanır. Yıllık üretim hacmi, birkaç on ton mertebesindedir. Yani bir motor programı, yıllık renyum arzının önemli bir kısmını tek başına talep edebilir. Fiyat oynaklığı bu yüzden malzeme biliminden değil, arz coğrafyasından gelir.

Kanatçıkların üzerine uygulanan termal bariyer kaplama da ayrı bir kalemdir. Yitriya stabilize zirkonya, plazma sprey yöntemiyle 0,1 ila 0,3 milimetre kalınlığında püskürtülür. Kaplama, metal yüzey sıcaklığını 100 ila 150 derece düşürür. Kaplamanın altına ise bonding katmanı olarak MCrAlY alaşımı uygulanır. Katman oksidasyonu engeller ama 1.000 saatlik uçuştan sonra yenilenmesi gerekir.

Kaplamanın gözenekliliği, performansını belirleyen gizli değişkendir. Plazma sprey sırasında erimiş zirkonya damlacıkları yüzeye çarpar ve üst üste binerek katman oluşturur. Damlacıklar arasında kalan mikroskobik boşluklar, ısı yalıtımını artırır ama mekanik dayanımı düşürür. Gözeneklilik yüzde 10'un altına inerse kaplama ısıyı tutamaz. Yüzde 20'yi aşarsa dökülmeye başlar. Doğru aralık yüzde 12 ila 18 arasındadır ve bu aralığı tutmak, sprey tabancasının hızına ve mesafesine bağlıdır.

Bakımda saat değil döngü

Havacılıkta motor bakımı, uçuş saatiyle değil döngüyle ölçülür. Bir döngü, bir kalkış ve bir iniştir. Kalkışta türbin giriş sıcaklığı 1.600 dereceye çıkar, seyirde 1.200 dereceye iner. Termal salınım, kanatçıklarda yorulma yaratır. Kısa mesafe uçuşları yapan bir uçak, aynı uçuş saatinde uzun mesafe uçan bir uçağa göre 3 ila 4 kat daha fazla döngü biriktirir.

O yüzden bir motorun "hot section" denilen sıcak bölümü, tipik olarak 3.000 ila 5.000 döngüde bir elden geçirilir. Elden geçirme, kanatçıkların sökülüp kaplamalarının yenilenmesi ve çatlak taramasından geçirilmesi anlamına gelir. Bir yüksek basınç türbin modülünün sıfırlanması, motorun toplam değerinin yüzde 30'una kadar çıkabilir. O yüzden havayolları, motorları satın almak yerine "power by the hour" sözleşmesiyle kiralar. Saat başına sabit bir ücret öder ve bakım riskini üreticiye devreder.

Döngü sayısı tek başına yeterli değildir. Motorun maruz kaldığı sıcaklık da hesaba katılır ve bu "sıcak bölüm ömrü" ayrı bir metrikle izlenir. Sıcak ve yüksek rakımlı bir havalimanından kalkan bir uçak, türbine daha yüksek giriş sıcaklığı üretir. Aynı döngü sayısı, farklı coğrafyalarda farklı yıpranma demektir. O yüzden bakım planlaması, uçuş rotasının iklim ve irtifa profilini de hesaba katar.

Elden geçirmenin ekonomisi, parçanın tamir edilip edilmemesine bağlıdır. Kanatçık ucu aşınırsa, uç kaynakla yeniden inşa edilir ve parça tekrar kullanılır. Çatlak gövdeye inerse kanatçık hurdaya gider. Bir yüksek basınç türbin modülünde kanatçıkların yüzde 20'si her elden geçirmede değiştirilirse, modülün toplam ömrü üç dört sıfırlamayla sınırlı kalır. Sayı, motorun ikinci el değerini doğrudan belirler.

Piyasa Hafızası - 1925 Hartford kuruluşu

Frederick Rentschler, 1925'te Hartford'da Pratt & Whitney Aircraft Company'yi kurduğunda elinde yalnızca 400 beygirlik bir radyal motor prototipi vardı. Wright Aeronautical ile yaşanan patent anlaşmazlıklarından ayrılan mühendislerle yola çıktı ve ilk motoru Wasp'ı aynı yılın sonunda test etti. Wasp, o dönemdeki rakiplerinden daha hafif ve daha güvenilirdi. 1926'da ilk siparişini aldı ve kısa sürede ABD Donanması'nın standart motoru haline geldi. Rentschler'in asıl hamlesi, motoru uçak üreticilerine değil doğrudan havayollarına ve orduya satmak oldu. Karar, şirketi bir bileşen tedarikçisinden bir platform ortağına dönüştürdü. Ders basit, bir motor şirketinin kaderi, motorun kendisinden çok kime satıldığıyla belirlenir.

Küçük Bir Hesap

Sayılar temsili, mantık gerçek. Renyum fiyatı iki katına çıkarsa kanatçık maliyeti 33.600 dolardan 67.200 dolara çıkar. Artış doğrudan motor fiyatına yansımaz çünkü üretici uzun vadeli tedarik sözleşmeleriyle fiyatı sabitler. Asıl duyarlılık döngüdedir. Bir havayolu kısa mesafe uçuşlarına kayarsa, aynı motor 4.000 döngüyü iki yılda doldurur ve modül sıfırlama maliyeti yıllık 600.000 dolara çıkar. Motorun satın alma fiyatı değil, döngü başına bakım maliyeti havayolunun karını belirler.

Üç katmanlı okuma

Birincisi, malzeme katmanı. Tek kristal döküm, tane sınırlarını ortadan kaldırarak kanatçığın sıcaklık dayanımını artırır ama üretim penceresini daraltır. Saatte 250 ila 280 derece arasındaki soğutma hızı, hem kaliteyi hem maliyeti belirler. Kristal yönelimindeki 10 derecelik bir sapma, parçanın ömrünü üçte birine indirir.

İkincisi, kaplama katmanı. Termal bariyer, metali 100 ila 150 derece soğutur ama 1.000 saatte bir yenilenmesi gerekir. Kaplamanın gözenekliliği yüzde 12 ila 18 arasında tutulmazsa yalıtım ya da dayanım kaybedilir. Kaplama ömrü, motorun bakım takvimini doğrudan etkiler.

Üçüncüsü, ticari katman. "Power by the hour" modeli, bakım riskini üreticiye kaydırır ve havayolunun maliyetini öngörülebilir kılar. Motorun gerçek fiyatı, satın alma anında değil, döngü başına ödenen ücrette gizlidir. Rota profili değiştiğinde bu ücret sessizce yeniden fiyatlanır.

Bir turbofanın ömrü, içindeki en sıcak noktanın ömrü kadardır.