Single Crystal Turbine Blades/bn

বিদ্যুৎ উৎপাদনের অন্যান্য ক্ষেত্রের মতো গ্যাস টারবাইনগুলিও কার্যকরভাবে বিদ্যুৎ উৎপাদনের জন্য তাপ দক্ষতার উপর অত্যন্ত নির্ভরশীল। শিল্পে গ্যাস টারবাইন বিদ্যুৎ চক্রের তাপ দক্ষতা বৃদ্ধির বিভিন্ন উপায় রয়েছে। দক্ষতা বৃদ্ধির এই পদ্ধতিগুলি প্রায় সবসময় টারবাইন উপাদানগুলির ধাতব বৈশিষ্ট্য দ্বারা সীমাবদ্ধ। উচ্চতর কার্যক্ষম তাপমাত্রা সহ্য করতে সক্ষম উপাদানগুলির সাহায্যে গ্যাস টারবাইনের তাপ দক্ষতা ব্যাপকভাবে বৃদ্ধি করা যেতে পারে। একক স্ফটিক সুপারঅ্যালয় টারবাইন ব্লেড ব্যবহার করে এটি সম্ভব করা সম্ভব হয়। একক স্ফটিক টারবাইন ব্লেডগুলি স্ফটিক টারবাইন ব্লেডের চেয়ে উচ্চতর কার্যক্ষম তাপমাত্রায় কাজ করতে সক্ষম এবং এইভাবে গ্যাস টারবাইন চক্রের তাপ দক্ষতা বৃদ্ধি করতে সক্ষম।

গ্যাস টারবাইন চক্র

গ্যাস টারবাইন বিদ্যুৎ কেন্দ্রে একটি টারবাইন থাকে যা একটি কম্প্রেসারের সাথে সংযুক্ত থাকে যার মাঝখানে একটি দহন চেম্বার থাকে। বায়ুমণ্ডলীয় বায়ু কম্প্রেসারে টেনে নেওয়া হয় এবং পরবর্তীতে সংকুচিত হয়ে দহন চেম্বারে প্রবেশ করে। দহন চেম্বারে বাতাসকে জ্বালানির সাথে মিশ্রিত করা হয় এবং দহন করা হয়। এটি একটি স্থির চাপে থাকা অবস্থায় বাতাসের তাপমাত্রা বৃদ্ধি করে। বায়ু এখন টারবাইনে প্রবেশ করে যেখানে প্রসারণ ঘটে এবং কার্যকর আউটপুট কাজ তৈরি করে। প্রবেশপথের বাতাসের তাপমাত্রা যত বেশি হবে, টারবাইন থেকে কার্যকর কাজের পরিমাণ তত বেশি হবে। ^{[ 1 ]}

দক্ষতা বৃদ্ধি

এই তাপগতি চক্রকে ব্রেটন চক্র বলা হয়। গ্যাস টারবাইনের দক্ষতা সমীকরণ দ্বারা নির্ধারিত^হয়

• 
  সমীকরণ ১: ব্রেটন চক্রের তাপীয় দক্ষতা
• 
  সমীকরণ ১ক: চাপ অনুপাতের দিক থেকে ব্রেটন চক্রের তাপীয় দক্ষতা

ব্রেটন চক্রগুলি প্রায়শই তাপমাত্রা-এনট্রপি, বা TS, চিত্র দ্বারা প্রতিনিধিত্ব করা হয়। এই চিত্রগুলি ব্রেটন চক্রের প্রতিটি বিন্দুতে বায়ুর অবস্থা দেখায়। একটি সাধারণ TS চিত্রের একটি উদাহরণ নীচের চিত্র 1 এ দেখানো হয়েছে।

• 
  চিত্র ১: ব্রেটন সাইকেলের টিএস ডায়াগ্রাম
• 
  চিত্র ১ক: বর্ধিত চাপ অনুপাত
• 
  চিত্র ১খ: সর্বোচ্চ তাপমাত্রা এবং চাপের অনুপাত বৃদ্ধি

চিত্র 1a-তে দেখানো TS চিত্র থেকে দেখা যাচ্ছে যে আপেক্ষিক চাপ অনুপাত ^W বৃদ্ধি আসলে সিস্টেমে যোগ করা তাপের পরিমাণ হ্রাসের কারণে তাপ দক্ষতা বৃদ্ধি করবে। এটি টারবাইন ইনলেটে ঘটে যাওয়া চক্রের সর্বোচ্চ তাপমাত্রা দ্বারা সীমাবদ্ধ। এই সীমা চাপ অনুপাত বৃদ্ধির সাথে সাথে চক্রের সামগ্রিক কাজের আউটপুট হ্রাস করে। বর্ধিত আপেক্ষিক চাপ অনুপাতে একই পরিমাণ আউটপুট কাজ তৈরি করতে, ভর প্রবাহ হার বৃদ্ধি প্রয়োজন যার জন্য আরও বৃহত্তর ব্যয়বহুল সরঞ্জাম প্রয়োজন। ^{[ 2 ]} অনেক অ্যাপ্লিকেশন রয়েছে যেখানে একটি ছোট টারবাইন ইঞ্জিনের প্রয়োজন হয়, যেমন যানবাহনে। টারবাইনের ইনলেটে বাতাসের তাপমাত্রা বাড়িয়ে তাপ দক্ষতা বৃদ্ধি করা যেতে পারে এবং আউটপুট কাজের স্তরও বৃদ্ধি করা যেতে পারে। ^{[ 1 ]}

এমন অনেক অ্যাপ্লিকেশন আছে যেখানে উৎপাদিত নিট কাজের পরিমাণ হ্রাস অগ্রহণযোগ্য। চক্রের সর্বোচ্চ তাপমাত্রা বৃদ্ধি দক্ষতা এবং উৎপাদিত নিট কাজের মোট পরিমাণ উভয়ই বৃদ্ধি করে। তাপমাত্রা বৃদ্ধির ফলে চাপ অনুপাত আরও বৃদ্ধি পায় যাতে দক্ষতা আরও উন্নত হয় এবং উচ্চ স্তরের নিট কাজের আউটপুট বজায় থাকে। এটি উপরের চিত্র 1b তে দেখানো হয়েছে। ধাতব বৈশিষ্ট্য টারবাইনের ইনলেট তাপমাত্রা কত উচ্চে কাজ করতে পারে তা সীমিত করে। উচ্চ তাপমাত্রার পরিস্থিতিতে টারবাইন ব্লেডগুলিকে কাজ করার অনুমতি দেওয়ার জন্য অনেক পদ্ধতি ব্যবহার করা হয়। নিকেল ভিত্তিক সুপার অ্যালয় দিয়ে তৈরি একক স্ফটিক টারবাইন ব্লেডের বিকাশ উচ্চতর অপারেটিং তাপমাত্রা অর্জনের অনুমতি দেয়।

সুবিধা

একক স্ফটিক টারবাইন ব্লেডের যান্ত্রিক সুবিধা হল স্ফটিক টারবাইন ব্লেডের তুলনায় অনেক বেশি তাপমাত্রায় কাজ করা যায়। উচ্চ তাপমাত্রায় টারবাইনের দক্ষতা বৃদ্ধির ক্ষমতা থাকায়, এই ব্লেডগুলির বিকাশ খুবই উপকারী। একক স্ফটিক গঠন এবং নিকেল ভিত্তিক সুপারঅ্যালয়ের সংমিশ্রণের কারণে টারবাইন ব্লেডগুলি এই উচ্চ তাপমাত্রায় কাজ করতে সক্ষম।

ক্রিপ ^{ডাব্লু} হল টারবাইন ব্লেডের ব্যর্থতার একটি সাধারণ কারণ এবং প্রকৃতপক্ষে এটি জীবন সীমাবদ্ধকারী ফ্যাক্টর। ^{[ 3 ]} যখন উচ্চ চাপের অধীনে থাকা কোনও উপাদানের তাপমাত্রা একটি গুরুত্বপূর্ণ পর্যায়ে উন্নীত করা হয়, তখন ক্রিপ রেট দ্রুত বৃদ্ধি পায়। ^{[ 4 ]} একক স্ফটিক কাঠামো স্ফটিক টারবাইন ব্লেডের তুলনায় উচ্চ তাপমাত্রায় ক্রিপ সহ্য করার ক্ষমতা রাখে কারণ গ্রেইন বাউন্ডারি উপস্থিত থাকে না। গ্রেইন বাউন্ডারি হল মাইক্রোস্ট্রাকচারের এমন একটি এলাকা যেখানে অনেক ত্রুটি এবং ব্যর্থতা প্রক্রিয়া শুরু হয় যা ক্রিপ ঘটতে পরিচালিত করে। ^{[ 5 ]} এই গ্রেইন বাউন্ডারিগুলির অভাব এইভাবে ক্রিপ ঘটতে বাধা দেয়। ক্রিপ এখনও একক স্ফটিক টারবাইন ব্লেডে ঘটবে তবে উচ্চ তাপমাত্রায় ঘটে এমন বিভিন্ন প্রক্রিয়ার কারণে। একক স্ফটিক টারবাইন ব্লেডের অক্ষীয় চাপের দিক বরাবর গ্রেইন বাউন্ডারি থাকে না যা স্ফটিক টারবাইন ব্লেড করে। এটি ক্রিপ শক্তি বৃদ্ধিতেও কাজ করে।

নিকেল ভিত্তিক সুপারঅ্যালয়

একক স্ফটিক টারবাইন ব্লেড তৈরির চেষ্টায় বেশ কয়েকটি সুপারঅ্যালয় ব্যবহার করা হয়েছে যা সর্বোচ্চ অপারেটিং তাপমাত্রা সহ্য করতে সক্ষম। এই সুপারঅ্যালয়গুলি সাধারণত নিকেল ভিত্তিক এবং এতে আরও বেশ কয়েকটি উপাদান রয়েছে যা উচ্চ তাপমাত্রার পরিস্থিতিতে টারবাইন ব্লেডের যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্যগুলিকে সর্বোত্তম করতে অবদান রাখে। এই অপ্টিমাইজেশনের জন্য যুক্ত প্রতিটি উপাদানের গঠন ক্রমাগত পরীক্ষা করা হচ্ছে। একক স্ফটিক টারবাইন ব্লেডের উদ্দেশ্যে ব্যবহৃত একটি সুপারঅ্যালয়ের একটি উদাহরণ হল CMSX6। এই সুপার অ্যালয়ের গঠন নীচের সারণীতে দেখানো হয়েছে।

সুপারঅ্যালয়ের একক স্ফটিকের মধ্যে দুটি পর্যায় উপস্থিত থাকে, একটি গামা ম্যাট্রিক্স এবং একটি গামা প্রাইম অবক্ষেপ। ক্রিপ প্রতিরোধ বৃদ্ধির জন্য সুপারঅ্যালয়ে গামা প্রাইম ফেজ 50% এর বেশি আয়তনের ভগ্নাংশ হওয়া প্রয়োজন। ^{[ 6 ]} গামা প্রাইম ফেজের উপস্থিতি স্থানচ্যুতি গতি রোধ করে টারবাইন ব্লেডের যান্ত্রিক শক্তি বৃদ্ধি করে। তাপমাত্রা বৃদ্ধির সাথে সাথে গামা প্রাইম ফেজের শক্তি বৃদ্ধির অস্বাভাবিক বৈশিষ্ট্য রয়েছে। এটি 973 ডিগ্রি সেলসিয়াস পর্যন্ত সত্য। ^{[ 3 ]} তাপমাত্রা বৃদ্ধির ফলে শক্তি বৃদ্ধির ফলে সুপারঅ্যালয় উচ্চ তাপমাত্রায় কাজ করতে সক্ষম হয়।

টারবাইন ব্লেডে শস্যের সীমানার অভাবের কারণে সুপারঅ্যালয় ব্যবহার করা হয় যা সাধারণত শস্যের সীমানা শক্তিশালী করার জন্য ব্যবহৃত উপাদানগুলির উপস্থিতি হ্রাস করে, যেমন কার্বন এবং বোরন। এই উপাদানগুলি আরও উল্লেখযোগ্য রচনায় পাওয়া গেলে সংকর ধাতুর ক্রিপ শক্তি এবং গলন তাপমাত্রা হ্রাস করে। এই উপাদানগুলির উল্লেখযোগ্য ঘনত্বের প্রয়োজন ছাড়াই, একক স্ফটিক টারবাইন ব্লেড উচ্চ তাপমাত্রায় তার শক্তি বজায় রাখতে এবং ব্যবহার করতে সক্ষম। ^{[ 7 ]}

উৎপাদন প্রক্রিয়া এবং স্ফটিক বৃদ্ধি

একক স্ফটিক টারবাইন ব্লেড তৈরির জন্য অনুশীলনে বিভিন্ন ধরণের উৎপাদন পদ্ধতি ব্যবহার করা হয়। উৎপাদন পদ্ধতিগুলি নির্দেশমূলক দৃঢ়ীকরণ বা স্বায়ত্তশাসিত দিক দৃঢ়ীকরণের ধারণা ব্যবহার করে, যেখানে দৃঢ়ীকরণের দিক নিয়ন্ত্রণ করা হয়। একটি সাধারণ পদ্ধতি হল একক স্ফটিক বৃদ্ধির জন্য ব্রিজম্যান পদ্ধতি। এই পদ্ধতিতে স্ফটিক বৃদ্ধির জন্য একটি ঢালাই চুল্লি ব্যবহার করা হয়। এই প্রক্রিয়ায়, প্রথমে ব্লেড দিয়ে একটি ছাঁচ তৈরি করতে হবে। গলিত মোম পছন্দসই টারবাইন ব্লেডের একটি ধাতব ছাঁচে প্রবেশ করানো হয় এবং সেট করে টারবাইন ব্লেডের আকার ধারণ করার জন্য রেখে দেওয়া হয়। এরপর মোমের মডেলটি একক স্ফটিক টারবাইন ব্লেড তৈরির জন্য ব্যবহার করার জন্য একটি সিরামিক ছাঁচ তৈরি করতে ব্যবহৃত হয়। সিরামিক ছাঁচ তৈরি করা হলে, ছাঁচের শক্তি বাড়ানোর জন্য এটি উত্তপ্ত করা হয়। ^{[ 8 ]} একবার ছাঁচটি ব্যবহারের জন্য পর্যাপ্ত হয়ে গেলে, ছাঁচের ভেতর থেকে মোমটি গলিয়ে বের করা হয়। ছাঁচটি এখন নিকেল ভিত্তিক সুপারঅ্যালয়ের গলিত রূপ দিয়ে পূর্ণ করা হয়। ছাঁচের মধ্যে থাকা গলিত সুপারঅ্যালয়টি এক ধরণের ঢালাই চুল্লিতে স্থাপন করা হয়, প্রায়শই একটি ভ্যাকুয়াম ইন্ডাকশন গলানোর ^W ফার্নেস, যা ব্রিজম্যান কৌশল ব্যবহার করে।

ব্রিজম্যান ফার্নেসে স্ফটিক বৃদ্ধি

চুল্লিটি উচ্চ তাপমাত্রার একটি এলাকা দিয়ে স্থাপন করা হয় যা গলন তাপমাত্রার উপরে থাকে, হিটার দ্বারা নিয়ন্ত্রিত হয় এবং গলন অঞ্চলের নীচে নিম্ন তাপমাত্রা থাকে, যেখানে একটি গ্রেডিয়েন্ট জোন থাকে যেখানে কঠিন-তরল ইন্টারফেস ঘটে। সুপারঅ্যালয়টি প্রাথমিকভাবে সম্পূর্ণরূপে গলিত আকারে উচ্চ তাপমাত্রার জোনের মধ্যে থাকে। এরপর সুপারঅ্যালয়টি অত্যন্ত ধীরে ধীরে, প্রতি ঘন্টায় প্রায় কয়েক ইঞ্চি হারে নামানো হয়, যাতে কঠিন তরল ইন্টারফেসটি ধীরে ধীরে ছাঁচের উপরে উঠে যায়। সুপারঅ্যালয়টি ভিত্তি থেকে উপরে শক্ত হয়ে যায়। শক্ত হওয়ার ধীর গতির কারণে দানাগুলি ডেনড্রাইট ^W হিসাবে বৃদ্ধি পায় যে দিকে চুল্লি থেকে ছাঁচটি টানা হয়। ^{[ 8 ]} সাংবিধানিক আন্ডারকুলিংয়ের প্রভাবের কারণে ডেনড্রাইটগুলি কেবল এক দিকে স্তম্ভ হিসাবে তৈরি হয়। কঠিন তৈরি হতে শুরু করার সাথে সাথে, কঠিন-তরল ইন্টারফেসের ঠিক আগে একটি পরিবর্তিত দ্রবণীয় ঘনত্ব পাওয়া যায়। তরল জুড়ে দ্রবণীয়তার তারতম্য ভারসাম্য কঠিনীকরণ তাপমাত্রায় পরিবর্তন ঘটায়। এই সময়ে তরলের তাপমাত্রা ভারসাম্য কঠিনীকরণ তাপমাত্রার চেয়ে কম থাকে যার ফলে আন্ডারকুলিং প্রভাব পড়ে। আন্ডারকুলিংয়ের ফলে কঠিন প্রোট্রুশন থেকে তরলে তাপ স্থানান্তরিত হয় যা ডেনড্রাইটিক বৃদ্ধিকে উৎসাহিত করে। ^{[ 9 ]} ডেনড্রাইটগুলি যে হারে বৃদ্ধি পায় তা সরাসরি উপস্থিত আন্ডারকুলিংয়ের পরিমাণের সাথে সম্পর্কিত। একটি কোণে সারিবদ্ধ ডেনড্রাইটগুলিকে ডেনড্রাইটগুলি আরও সরাসরি, উল্লম্ব দিকে নেওয়ার সাথে তাল মিলিয়ে দ্রুত বৃদ্ধি পেতে হয়। দ্রুত বৃদ্ধির জন্য, আরও বেশি পরিমাণে আন্ডারকুলিংয়ের প্রয়োজন হয় যার অর্থ এই কোণযুক্ত ডেনড্রাইটগুলি কঠিন-তরল ইন্টারফেস থেকে আরও পিছনে বৃদ্ধি পায়। ^{[ 8 ]} অবশেষে আরও অনুকূল উল্লম্ব ডেনড্রাইটগুলি আরও পিছনে থাকা কোণযুক্ত ডেনড্রাইটগুলিকে ছাড়িয়ে যায়। টারবাইন ব্লেড থেকে শস্যের সীমানা অপসারণ করতে, মোমের ছাঁচের নীচে একটি শস্য নির্বাচক সংযুক্ত করা হয়। শস্য নির্বাচক হল একটি সর্পিল আকৃতির নল যা একটি একক ডেনড্রাইট দানার চেয়ে খুব বেশি বড় নয়। উল্লম্ব ডেনড্রাইটগুলি ছাঁচের গোড়ায় বৃদ্ধি পাওয়ার সাথে সাথে, কেবলমাত্র একটি ডেনড্রাইট সর্পিলের মধ্য দিয়ে এবং অবশেষে টারবাইন ব্লেড ছাঁচে ফিট করতে সক্ষম হবে। এভাবে একবার শক্তকরণ সম্পন্ন হলে, টারবাইন ব্লেডটি সম্পূর্ণরূপে একটি দানা থেকে তৈরি হয় এবং একটি একক স্ফটিক টারবাইন ব্লেডে পরিণত হয়।

পদ্ধতির উন্নতি

ব্রিজম্যান পদ্ধতির সমস্যা হল, পছন্দসই পণ্য তৈরির জন্য একটি জটিল, ব্যয়বহুল ঢালাই চুল্লির প্রয়োজন হয়। আরেকটি উৎপাদন পদ্ধতি তৈরি করা হয়েছে যা চুল্লি থেকে ধীরে ধীরে নমুনা বের করার প্রয়োজন দূর করে। এটি প্রক্রিয়াটিকে সহজ এবং দ্রুততর করে তোলে যা এটিকে আরও সাশ্রয়ী করে তোলে। যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্যগুলিও উন্নত হয় কারণ ঘনীকরণ দ্রুত হয় যার ফলে নমুনার মধ্যে পৃথকীকরণের পরিমাণ হ্রাস পায়। ^{[ 10 ]} _{এই প্রক্রিয়ায় Al 2} 0 ₃ সিরামিক দিয়ে তৈরি একটি ছাঁচ ব্যবহার করা হয় , যা একটি স্তর দিয়ে প্রলেপ দেওয়া হয় যা নিউক্লিয়েশন ঘটতে বাধা দেয়। নমুনাটি সেট আপ করা হয় যাতে নিয়ন্ত্রিত তাপ থাকে যা এটিকে সম্পূর্ণরূপে গলিত রাখে এবং নমুনার গোড়ায় একটি জল-শীতল চিল প্লেট স্থাপন করা হয়। এই পদ্ধতিতে একইভাবে সর্পিল শস্য নির্বাচক ব্যবহার করা হয়। গরম করা বন্ধ করা হয় এবং চুল্লি ঠান্ডা হওয়ার সাথে সাথে শক্তকরণ শুরু হয়। ছাঁচের স্তরটি নিউক্লিয়েশন ঘটতে বিলম্ব করে যতক্ষণ না যথেষ্ট পরিমাণে আন্ডারকুলিং তৈরি হয়। ^{[ 10 ]} এই পর্যায়ে নমুনার গোড়ায় নিউক্লিয়েশন শুরু হয় এবং ডেনড্রাইটগুলি একইভাবে তৈরি হয়। একটি একক ডেনড্রাইট শস্য নির্বাচকের মধ্য দিয়ে যায় এবং একক স্ফটিক টারবাইন ব্লেড তৈরি হয়। যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্যগুলি সর্বোত্তম করার জন্য বেসে নিয়ন্ত্রিত তাপীকরণ এবং শীতলকরণের পরিমাণ পরিবর্তন করা যেতে পারে। ^{[ 10 ]}

তথ্যসূত্র