Single Crystal Turbine Blades/ar

بيانات المشروع
يكتب
المؤلفون	دانيال ياكوفيتا
موقع	كينغستون ، كندا
حالة	مصمم
سنين
بيان OKH	تحميل

تعتمد توربينات الغاز، كما هو الحال في جميع مجالات إنتاج الطاقة، اعتمادًا كبيرًا على الكفاءة الحرارية لإنتاج الطاقة بكفاءة. هناك عدة طرق في الصناعة لزيادة الكفاءة الحرارية لدورة طاقة توربينات الغاز. غالبًا ما تكون هذه الطرق لزيادة الكفاءة محدودة بالخصائص المعدنية لمكونات التوربين. يمكن زيادة الكفاءة الحرارية للتوربينات الغازية بشكل كبير باستخدام مكونات قادرة على تحمل درجات حرارة تشغيل أعلى. يتيح استخدام شفرات التوربينات أحادية البلورة المصنوعة من سبيكة فائقة تحقيق ذلك. تعمل شفرات التوربينات أحادية البلورة عند درجة حرارة تشغيل أعلى من شفرات التوربينات البلورية، مما يزيد من الكفاءة الحرارية لدورة توربينات الغاز.

توربينات الغاز

تتكون محطة توليد الطاقة التوربينية الغازية من توربين متصل بضاغط، تتوسطه غرفة احتراق. يُسحب الهواء الجوي إلى الضاغط، ثم يُضغط، ويدخل غرفة الاحتراق. في غرفة الاحتراق، يُخلط الهواء بالوقود ويُحرق. هذا يرفع درجة حرارة الهواء مع الحفاظ على ضغط ثابت. يدخل الهواء بعد ذلك إلى التوربين، حيث يحدث التمدد، وينتج شغلًا مفيدًا. كلما ارتفعت درجة حرارة الهواء الداخل، زادت كمية الشغل المفيد المُنتج من التوربين. ^{[ 1 ]}

زيادة الكفاءة

تُعرف هذه الدورة الديناميكية الحرارية بدورة برايتون. ^تُعطى كفاءة توربينات الغاز بالمعادلة

المعادلة 1: الكفاءة الحرارية لدورة برايتون
المعادلة 1أ: الكفاءة الحرارية لدورة برايتون من حيث نسبة الضغط

غالبًا ما تُمثَّل دورات برايتون بمخططات درجة الحرارة-الإنتروبيا، أو اختصارًا TS. تُظهر هذه المخططات حالات الهواء عند كل نقطة من دورة برايتون. يوضح الشكل 1 أدناه مثالًا نموذجيًا لمخطط درجة الحرارة-الإنتروبيا.

الشكل 1: مخطط TS لدورة برايتون
الشكل 1أ: نسبة الضغط المتزايدة
الشكل 1ب: زيادة نسبة الحد الأقصى لدرجة الحرارة والضغط

من مخطط TS الموضح في الشكل 1أ، يمكن ملاحظة أن زيادة نسبة الضغط النسبي ^W ستؤدي في الواقع إلى زيادة الكفاءة الحرارية بسبب انخفاض كمية الحرارة المضافة إلى النظام. ويقتصر هذا على الحد الأقصى لدرجة حرارة الدورة التي تحدث عند مدخل التوربين. ويؤدي هذا الحد إلى انخفاض في الناتج الكلي للعمل للدورة مع زيادة نسبة الضغط. ولإنتاج نفس مقدار العمل الناتج عند نسبة ضغط نسبي متزايدة، يلزم زيادة معدل تدفق الكتلة مما يتطلب معدات أكبر وأكثر تكلفة. ^{[ 2 ]} هناك العديد من التطبيقات التي تتطلب محرك توربيني أصغر، كما هو الحال في المركبات. ويمكن زيادة الكفاءة الحرارية مع زيادة مستوى العمل الناتج عن طريق زيادة درجة حرارة الهواء عند مدخل التوربين. ^{[ 1 ]}

هناك العديد من التطبيقات التي يكون فيها انخفاض صافي العمل المُنتَج أمرًا غير مقبول. تؤدي زيادة الحد الأقصى لدرجة حرارة الدورة إلى زيادة كلٍّ من الكفاءة وإجمالي صافي العمل المُنتَج. كما تسمح هذه الزيادة في درجة الحرارة بزيادة أكبر في نسبة الضغط، مما يُحسّن الكفاءة مع الحفاظ على مستوى عالٍ من صافي العمل المُنتَج. ويوضح الشكل 1ب أعلاه ذلك. تُحدِّد الخصائص المعدنية درجة حرارة مدخل التوربين التي يُمكن تشغيلها. وتُستخدَم العديد من الطرق لتمكين شفرات التوربين من العمل في ظروف درجات حرارة أعلى. ويتيح تطوير شفرة توربين أحادية البلورة مصنوعة من سبيكة فائقة أساسها النيكل الحصول على درجات حرارة تشغيل أعلى.

المزايا

تتميز شفرات التوربينات أحادية البلورة بميزة ميكانيكية تتمثل في قدرتها على العمل عند درجات حرارة أعلى بكثير من شفرات التوربينات البلورية. ونظرًا لقدرتها على زيادة كفاءة التوربينات عند درجات الحرارة المرتفعة، يُعد تطوير هذه الشفرات مفيدًا للغاية. وتستطيع شفرات التوربينات العمل في درجات الحرارة العالية هذه بفضل بنيتها البلورية الأحادية وتركيب سبيكة النيكل الفائقة.

الزحف ^W هو سبب شائع للفشل في شفرات التوربينات وهو في الواقع عامل الحد من العمر الافتراضي. ^{[ 3 ]} عندما ترتفع درجات حرارة مادة تحت ضغط عالٍ إلى نقطة حرجة، يزداد معدل الزحف بسرعة. ^{[ 4 ]} يتمتع الهيكل البلوري المفرد بالقدرة على تحمل الزحف في درجات حرارة أعلى من شفرات التوربينات البلورية بسبب عدم وجود حدود حبيبية موجودة. حدود الحبيبات هي منطقة من البنية الدقيقة حيث تبدأ العديد من العيوب وآليات الفشل مما يؤدي إلى حدوث الزحف. ^{[ 5 ]} يمنع عدم وجود حدود الحبيبات هذه الزحف من الحدوث بهذه الطريقة. سيظل الزحف يحدث في شفرات التوربينات البلورية المفردة ولكن بسبب آليات مختلفة تحدث عند درجات حرارة أعلى. لا تحتوي شفرة التوربينات البلورية المفردة على حدود حبيبية على طول اتجاهات الإجهاد المحوري التي تحتوي عليها شفرات التوربينات البلورية. يعمل هذا أيضًا على زيادة قوة الزحف.

فائقة أساسها النيكل

استُخدمت العديد من السبائك الفائقة في محاولةٍ لإنشاء شفرة توربينية أحادية البلورة قادرة على تحمل أعلى درجات حرارة التشغيل الممكنة. تعتمد هذه السبائك الفائقة عادةً على النيكل، وتحتوي على العديد من العناصر الأخرى التي تُسهم جميعها في تحسين الخصائص الميكانيكية لشفرة التوربين في درجات الحرارة العالية. ويُختبر تركيب كل عنصر مُضاف باستمرار لضمان هذا التحسين. ومن أمثلة السبائك الفائقة المستخدمة في شفرات التوربينات أحادية البلورة سبيكة CMSX6. ويوضح الجدول أدناه تركيب هذه السبائك الفائقة.

الجدول 1: تركيب سبيكة CMSX-6 الفائقة

داخل البلورة المفردة للسبائك الفائقة، يوجد طوران موجودان، مصفوفة جاما وراسب جاما أولي. يجب أن يكون طور جاما أولي أكبر من 50% من الكسر الحجمي في السبيكة الفائقة لتوفير زيادة في مقاومة الزحف. ^{[ 6 ]} يزيد وجود طور جاما أولي من القوة الميكانيكية لشفرة التوربين عن طريق منع حركة الخلع. يتميز طور جاما أولي بخاصية غير عادية تتمثل في زيادة القوة مع ارتفاع درجة الحرارة. وهذا صحيح حتى 973 درجة مئوية. ^{[ 3 ]} تؤدي هذه الزيادة في القوة الناتجة عن زيادة درجة الحرارة إلى قدرة السبيكة الفائقة على العمل في درجات حرارة أعلى.

إن عدم وجود حدود حبيبية في شفرة التوربين يسمح باستخدام السبائك الفائقة لتقليل وجود العناصر المستخدمة عادةً لتقوية حدود الحبيبات، مثل الكربون والبورون. تُقلل هذه العناصر من قوة الزحف ودرجة حرارة انصهار السبائك عند وجودها في تركيبات أكثر تركيزًا. وبدون الحاجة إلى تركيزات كبيرة من هذه العناصر، تحافظ شفرة التوربين أحادية البلورة على قوتها وقدرتها على العمل في درجات حرارة أعلى. ^{[ 7 ]}

عملية التصنيع ونمو البلورات

هناك العديد من طرق التصنيع المختلفة المستخدمة في الممارسة العملية لإنشاء شفرات توربينية أحادية البلورة. تستخدم جميع طرق التصنيع فكرة التصلب الاتجاهي أو التصلب الاتجاهي المستقل حيث يتم التحكم في اتجاه التصلب. الطريقة الشائعة هي طريقة بريدجمان لتنمية البلورات الأحادية. في هذه الطريقة يتم استخدام فرن الصب لنمو البلورات. في هذه العملية، يجب أولاً عمل قالب للشفرة. يتم حقن الشمع المنصهر في قالب معدني لشفرة التوربين المطلوبة ويترك ليتماسك ويأخذ شكل شفرة التوربين. ثم يتم استخدام نموذج الشمع لإنشاء قالب خزفي لاستخدامه في إنتاج شفرات التوربينات أحادية البلورة. عندما يتم إنشاء القالب الخزفي، يتم تسخينه لرفع قوة القالب. ^{[ 8 ]} بمجرد أن يكون القالب كافياً للاستخدام، يتم إذابة الشمع من داخل القالب. يمتلئ القالب الآن بالشكل المنصهر من سبيكة النيكل الفائقة. يتم وضع السبائك الفائقة المنصهرة الموجودة داخل القالب في نوع من أفران الصب، وغالبًا ما يكون فرن الصهر الحثي الفراغي ^W ، والذي يستخدم تقنيات بريدجمان.

نمو البلورات في فرن بريدجمان

يتم إعداد الفرن بمنطقة ذات درجة حرارة عالية أعلى من درجة حرارة الانصهار، يتم التحكم فيها بواسطة سخانات، ودرجة حرارة منخفضة أسفل منطقة الانصهار، مع منطقة تدرج حيث تحدث واجهة السائل الصلب. تكون السبيكة الفائقة في البداية بالكامل داخل منطقة درجة الحرارة العالية في صورة منصهرة. ثم يتم خفض السبيكة الفائقة ببطء شديد، بمعدلات تبلغ حوالي بضع بوصات في الساعة، بحيث ترتفع واجهة السائل الصلب ببطء إلى أعلى القالب. تتصلب السبيكة الفائقة من القاعدة إلى الأعلى. يتسبب المعدل البطيء للتصلب في نمو الحبوب كتغصنات ^W في الاتجاه الذي يتم فيه سحب القالب من الفرن. ^{[ 8 ]} تتشكل التغصنات فقط كأعمدة في اتجاه واحد بسبب تأثير التبريد الناقص الدستوري. عندما تبدأ المادة الصلبة في التكون، يوجد تركيز مذاب متغير أمام واجهة السائل الصلب مباشرة. يتسبب التباين في المذاب في جميع أنحاء السائل في حدوث تغيير في درجة حرارة التصلب المتوازنة. في هذه المرحلة تكون درجة حرارة السائل أقل من درجة حرارة التصلب المتوازنة مما يسبب تأثير نقص التبريد. يتسبب نقص التبريد في انتقال الحرارة من النتوءات الصلبة إلى السائل مما يعزز نمو الشجيرات. ^{[ 9 ]} يرتبط معدل نمو الشجيرات ارتباطًا مباشرًا بكمية نقص التبريد الموجودة. يجب أن تنمو الشجيرات المحاذية بزاوية بشكل أسرع لمواكبة الشجيرات التي تتخذ اتجاهًا رأسيًا أكثر مباشرة. للنمو بشكل أسرع، هناك حاجة إلى كمية أكبر من نقص التبريد مما يعني أن هذه الشجيرات المائلة تنمو بعيدًا عن واجهة السائل الصلب. ^{[ 8 ]} في النهاية تتفوق الشجيرات الرأسية الأكثر ملاءمة على الشجيرات المائلة الموجودة في الخلف. لإزالة حدود الحبوب من شفرة التوربين، يتم توصيل محدد الحبوب بأسفل قالب الشمع. محدد الحبوب هو أنبوب حلزوني الشكل لا يزيد حجمه كثيرًا عن حبة شجيرة واحدة. مع نمو التغصنات العمودية عند قاعدة القالب، لن تتمكن سوى تغصنة واحدة من المرور عبر اللولب وصولًا إلى قالب شفرة التوربين. وهكذا، بمجرد اكتمال عملية التصلب، تُصنع شفرة التوربين بالكامل من حبة واحدة، لتصبح شفرة توربين أحادية البلورة.

تحسينات على طريقة

تكمن مشكلة طريقة بريدجمان في الحاجة إلى فرن صب معقد ومكلف لإنتاج المنتج المطلوب. وقد تم إنشاء طريقة تصنيع أخرى تزيل الحاجة إلى سحب العينة ببطء من الفرن. وهذا يبسط العملية ويسرعها مما يجعلها أكثر فعالية من حيث التكلفة. كما تتحسن الخصائص الميكانيكية لأن التصلب أسرع مما يؤدي إلى تقليل كمية الانفصال بين العينة. ^{[ 10 ]} تستخدم هذه العملية قالبًا مصنوعًا من سيراميك Al ₂ 0 ₃ ، وهو مطلي بطبقة تمنع حدوث التبلور. يتم إعداد العينة بحيث يكون هناك تسخين متحكم فيه يبقيها منصهرة طوال الطريق باستخدام صفيحة تبريد مبردة بالماء مثبتة في قاعدة العينة. يتم استخدام محدد الحبوب الحلزوني بنفس الطريقة في هذه الطريقة. يتم إيقاف التسخين وعندما يبرد الفرن، يبدأ التصلب. تؤخر طبقة القالب حدوث التبلور حتى يتم إنتاج كمية كبيرة من التبريد الزائد. ^{[ 10 ]} عند هذه النقطة، تبدأ عملية التبلور عند قاعدة العينة، وتتشكل الشجيرات بنفس الطريقة. تمر شجيرة واحدة عبر محدد الحبيبات، فتُنتج شفرة توربينية أحادية البلورة. يمكن تعديل التسخين المُتحكم به وكمية التبريد عند القاعدة لتحسين الخواص الميكانيكية. ^{[ 10 ]}

المراجع

↑^{انتقل إلى الأعلى:1.0} ^1.1 بدران، OO (1999). تحسينات أداء توربينات الغاز. الطاقة التطبيقية، 64(1-4)، 263-273.
↑ مايكل ج. موران، هوارد ن. شابيرو (٢٠٠٨). أساسيات الديناميكا الحرارية الهندسية (الطبعة السادسة). الولايات المتحدة: جون وايلي وأولاده.
↑^{انتقل إلى الأعلى:3.0} ^3.1 كارتر، تي جيه (2005). الأعطال الشائعة في شفرات توربينات الغاز. تحليل الأعطال الهندسية، 12(2)، 237-247.
↑ ويليام د. كاليستر، ج. (2007). علم وهندسة المواد: مقدمة. الولايات المتحدة: جون وايلي وأولاده.
↑ لي س. لانغستون (٢٠٠٦). جواهر التاج. الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين، تم الاسترجاع من: http://web.archive.org/web/20100705051223/http://www.memagazine.org/backissues/membersonly/feb06/features/crjewels/crjewels.html
↑ Szczotok, A., Richter, J., & Cwajna, J. (2009). التوصيف المجسم لترسب طور γ′ في سبيكة النيكل الفائقة أحادية البلورة CMSX-6. توصيف المواد، 60(10)، 1114-1119.
↑ هينو، تاكيهيسا (ساغاميهارا، جي بي) كويزومي، يوتاكا (ريوغاساكي، جي بي) كوباياشي، توشيهارو (ريوغاساكي، جي بي) ناكازاوا، شيزو (سوغينامي كو، جي بي) هارادا، هيروشي (تسوكوبا، جي بي) إيشيواتا، يوتاكا (زوشي، جي بي) يوشيوكا، يومي (يوكوهاما، جي بي). السبائك الفائقة أحادية البلورة ذات قاعدة النيكل، طريقة لتصنيع الأجزاء ذات درجة الحرارة المرتفعة لتوربينات الغاز المصنوعة منها - براءة الاختراع رقم 6673308 تم استرجاعها في 13/11/2009، 2009، من http://www.freepatentsonline.com/6673308.html .
↑^{انتقل إلى الأعلى:8.0} ^8.1 ^8.2 هـ. أ. أونيسكو، ك. كوبياك، ج. سينيافسكي (2009). شفرات توربينية من سبيكة CMSX-6 فائقة أحادية البلورة قائمة على النيكل. مجلة الإنجازات في هندسة المواد والتصنيع، 32(1). مأخوذ من www.journalamme.org/papers_vol32_1/32110.pdf
↑ ديفيد أ. بورتر، كينيث إي. إيسترلينج، محمد ي. شريف (٢٠٠٩). تحولات الطور في المعادن والسبائك. الولايات المتحدة الأمريكية: مجموعة تايلور وفرانسيس، ذ.م.م.
↑^{انتقل إلى الأعلى:١٠.٠} ^١٠.١ ^١٠.٢ لودفيج، أ.، فاغنر، ي.، لاكمان، ج.، وسهام، ب.ر. (١٩٩٤). التبريد الناقص لمصهور السبائك الفائقة: أساس تقنية تصنيع جديدة لشفرات التوربينات أحادية البلورة. علوم وهندسة المواد: أ، ١٧٨(١-٢)، ٢٩٩-٣٠٣.

بيانات الصفحة
جزء من	ميك370
الكلمات الرئيسية	معالجة المواد ، التروبينات ، الكفاءة الحرارية
أهداف التنمية المستدامة	الهدف التنموي رقم 09: الابتكار الصناعي والبنية التحتية
المؤلفون	دانيال ياكوفيتا
رخصة	CC-BY-SA-3.0
المنظمات	جامعة كوينز
لغة	الإنجليزية (en)
الترجمات	العربية ، الإندونيسية ، الصينية ، الجورجية ، الروسية ، الفارسية ، الفيتنامية ، الألمانية ، الإسبانية ، التركية
متعلق ب	12 صفحة فرعية ، 15 صفحة رابط هنا
المشاهدات	33,778 مشاهدة للصفحة ( تحليلات )
مخلوق	12 نوفمبر 2009 بقلم دانيال إياكوفيتا
آخر تعديل	28 فبراير 2024 بقلم فيليبي شينوني
استشهد باسم	دانيال ياكوفيتا (٢٠٠٩-٢٠٢٤). "شفرات توربينات أحادية البلورة" . Appropedia . تاريخ الاسترجاع: ١٧ أكتوبر ٢٠٢٥ .
استعلامات API	أساسي ، دلالي ، HTML ، ملفات ، المزيد

[Badran_1999-1] {انتقل إلى الأعلى:1.0} ^1.1 بدران، OO (1999). تحسينات أداء توربينات الغاز. الطاقة التطبيقية، 64(1-4)، 263-273.

[2] مايكل ج. موران، هوارد ن. شابيرو (٢٠٠٨). أساسيات الديناميكا الحرارية الهندسية (الطبعة السادسة). الولايات المتحدة: جون وايلي وأولاده.

[Carter_2005-3] {انتقل إلى الأعلى:3.0} ^3.1 كارتر، تي جيه (2005). الأعطال الشائعة في شفرات توربينات الغاز. تحليل الأعطال الهندسية، 12(2)، 237-247.

[4] ويليام د. كاليستر، ج. (2007). علم وهندسة المواد: مقدمة. الولايات المتحدة: جون وايلي وأولاده.

[5] لي س. لانغستون (٢٠٠٦). جواهر التاج. الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين، تم الاسترجاع من: http://web.archive.org/web/20100705051223/http://www.memagazine.org/backissues/membersonly/feb06/features/crjewels/crjewels.html

[6] Szczotok, A., Richter, J., & Cwajna, J. (2009). التوصيف المجسم لترسب طور γ′ في سبيكة النيكل الفائقة أحادية البلورة CMSX-6. توصيف المواد، 60(10)، 1114-1119.

[7] هينو، تاكيهيسا (ساغاميهارا، جي بي) كويزومي، يوتاكا (ريوغاساكي، جي بي) كوباياشي، توشيهارو (ريوغاساكي، جي بي) ناكازاوا، شيزو (سوغينامي كو، جي بي) هارادا، هيروشي (تسوكوبا، جي بي) إيشيواتا، يوتاكا (زوشي، جي بي) يوشيوكا، يومي (يوكوهاما، جي بي). السبائك الفائقة أحادية البلورة ذات قاعدة النيكل، طريقة لتصنيع الأجزاء ذات درجة الحرارة المرتفعة لتوربينات الغاز المصنوعة منها - براءة الاختراع رقم 6673308 تم استرجاعها في 13/11/2009، 2009، من http://www.freepatentsonline.com/6673308.html .

[Onyszko_Kubiak_Sieniawski_2009-8] {انتقل إلى الأعلى:8.0} ^8.1 ^8.2 هـ. أ. أونيسكو، ك. كوبياك، ج. سينيافسكي (2009). شفرات توربينية من سبيكة CMSX-6 فائقة أحادية البلورة قائمة على النيكل. مجلة الإنجازات في هندسة المواد والتصنيع، 32(1). مأخوذ من www.journalamme.org/papers_vol32_1/32110.pdf

[9] ديفيد أ. بورتر، كينيث إي. إيسترلينج، محمد ي. شريف (٢٠٠٩). تحولات الطور في المعادن والسبائك. الولايات المتحدة الأمريكية: مجموعة تايلور وفرانسيس، ذ.م.م.

[Ludwig_Wagner_Laakmann_Sahm_1994-10] {انتقل إلى الأعلى:١٠.٠} ^١٠.١ ^١٠.٢ لودفيج، أ.، فاغنر، ي.، لاكمان، ج.، وسهام، ب.ر. (١٩٩٤). التبريد الناقص لمصهور السبائك الفائقة: أساس تقنية تصنيع جديدة لشفرات التوربينات أحادية البلورة. علوم وهندسة المواد: أ، ١٧٨(١-٢)، ٢٩٩-٣٠٣.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]