توربین‌های گازی، مانند تمام حوزه‌های تولید نیرو، برای تولید موثر نیرو به شدت به بازده حرارتی وابسته هستند. روش های مختلفی در صنعت برای افزایش بازده حرارتی چرخه قدرت توربین گازی وجود دارد. این روش‌های افزایش بازده تقریباً همیشه توسط خواص متالورژیکی اجزای توربین محدود می‌شوند. راندمان حرارتی توربین گاز را می توان با قطعاتی که قادر به مقاومت در برابر دمای کاری بالاتر هستند، تا حد زیادی افزایش داد. استفاده از پره های توربین سوپرآلیاژی تک کریستال این امکان را می دهد. پره های توربین تک کریستال قادرند در دمای کاری بالاتر از پره توربین کریستالی کار کنند و بنابراین می توانند بازده حرارتی چرخه توربین گاز را افزایش دهند.
فهرست
چرخه های توربین گازی
نیروگاه توربین گازی شامل یک توربین است که به یک کمپرسور با یک محفظه احتراق در بین آن متصل است. هوای اتمسفر به داخل کمپرسور کشیده شده و متعاقباً فشرده شده و وارد محفظه احتراق می شود. در محفظه احتراق هوا با یک سوخت مخلوط شده و احتراق می شود. این باعث افزایش دمای هوا در حالی که در یک فشار ثابت باقی می ماند. هوا اکنون وارد توربین می شود که در آن انبساط صورت می گیرد و در عین حال کار خروجی مفیدی تولید می کند. هر چه دمای هوای ورودی بالاتر باشد مقدار کار مفید بیشتری از توربین تولید می شود. [1]
افزایش کارایی
این چرخه ترمودینامیکی به عنوان چرخه برایتون شناخته می شود. W راندمان توربین های گازی با معادله بدست می آید
معادله 1: راندمان حرارتی چرخه برایتون
معادله 1a: راندمان حرارتی سیکل برایتون بر حسب نسبت فشار
چرخه های بریتون اغلب با نمودارهای دما-انتروپی یا TS نشان داده می شوند. این نمودارها حالات هوا را در هر نقطه از چرخه برایتون نشان می دهد. نمونه ای از نمودار TS معمولی در شکل 1 در زیر نشان داده شده است.
شکل 1: نمودار TS چرخه برایتون
شکل 1a: افزایش نسبت فشار
شکل 1b: افزایش حداکثر دما و نسبت فشار
از نمودار TS نشان داده شده در شکل 1a می توان دریافت که افزایش نسبت فشار نسبی W در واقع باعث افزایش بازده حرارتی به دلیل کاهش مقدار گرمای اضافه شده به سیستم می شود. این با حداکثر دمای چرخه ای که در ورودی توربین رخ می دهد محدود می شود. این محدودیت باعث کاهش در بازده کاری کلی چرخه با افزایش نسبت فشار می شود. برای تولید همان مقدار کار خروجی در یک نسبت فشار نسبی افزایش یافته، افزایش نرخ جریان جرمی مورد نیاز است که به تجهیزات بزرگتر گران‌تر نیاز دارد. [2] کاربردهای زیادی وجود دارد که در آن به یک موتور توربین کوچکتر نیاز است، مانند وسایل نقلیه. با افزایش دمای هوا در ورودی توربین می توان بازده حرارتی را افزایش داد و در عین حال سطح کار خروجی را نیز افزایش داد. [1]
برنامه های بسیاری وجود دارد که در آن کاهش در کار خالص تولید شده غیرقابل قبول است. افزایش در حداکثر دمای چرخه هم کارایی و هم کل مقدار کار خالص تولید شده را افزایش می دهد. افزایش دما همچنین امکان افزایش بیشتر در نسبت فشار را برای بهبود بیشتر بازده و در عین حال حفظ سطح بالایی از خروجی کار خالص فراهم می کند. این در شکل 1b بالا نشان داده شده است. خواص متالورژیکی میزان دمای ورودی توربین را محدود می کند. روش‌های زیادی برای کارکرد پره‌های توربین در شرایط دمای بالاتر استفاده می‌شود. توسعه پره‌های توربین تک کریستالی ساخته شده از آلیاژ فوق‌العاده مبتنی بر نیکل اجازه می‌دهد تا دمای عملیاتی بالاتری به دست آید.
مزایای
پره‌های توربین تک کریستالی از این مزیت مکانیکی برخوردارند که می‌توانند در دمای بسیار بالاتری نسبت به پره‌های توربین کریستالی کار کنند. با توجه به توانایی افزایش راندمان توربین با دماهای بالاتر، توسعه این پره ها بسیار سودمند است. پره های توربین به دلیل ساختار تک کریستالی و ترکیب سوپرآلیاژ مبتنی بر نیکل قادر به کار در این دماهای بالا هستند.
Creep W یکی از علل شایع خرابی در پره های توربین است و در واقع عامل محدود کننده عمر است. [3] هنگامی که دمای یک ماده تحت تنش بالا تا یک نقطه بحرانی افزایش می یابد، سرعت خزش به سرعت افزایش می یابد. [4] ساختار تک کریستالی توانایی مقاومت در برابر خزش را در دماهای بالاتر نسبت به پره های توربین کریستالی به دلیل عدم وجود مرز دانه دارد. مرز دانه ها ناحیه ای از ریزساختار هستند که در آن بسیاری از عیوب و مکانیسم های شکست شروع می شود که منجر به خزش می شود. [5] فقدان این مرزهای دانه مانع از وقوع خزش در این راه می شود. خزش همچنان در پره های توربین تک کریستالی رخ می دهد اما به دلیل مکانیسم های متفاوتی که در دماهای بالاتر رخ می دهد. تیغه توربین تک کریستالی دارای مرز دانه در امتداد جهت تنش محوری نیست که پره‌های توربین کریستالی دارند. این همچنین باعث افزایش قدرت خزش می شود.
سوپر آلیاژ مبتنی بر نیکل
سوپرآلیاژهای متعددی در تلاش برای ایجاد یک پره توربین تک کریستالی که قادر به تحمل بالاترین دمای عملیاتی ممکن است استفاده شده است. این سوپرآلیاژها عموماً بر پایه نیکل هستند و حاوی چندین عنصر دیگر هستند که همگی به بهینه سازی خواص مکانیکی تیغه توربین در شرایط دمای بالا کمک می کنند. ترکیب هر عنصر اضافه شده به طور مداوم در حال آزمایش است تا امکان بهینه سازی را فراهم کند. نمونه ای از سوپرآلیاژ مورد استفاده برای پره های توربین تک کریستال CMSX6 است. ترکیب این سوپر آلیاژ در جدول زیر نشان داده شده است.
در تک کریستال سوپرآلیاژ، دو فاز وجود دارد، یک ماتریس گاما و یک رسوب اولیه گاما. فاز پرایم گاما باید بیشتر از 50 درصد کسر حجمی در سوپرآلیاژ باشد تا مقاومت در برابر خزش افزایش یابد. [6] وجود فاز اول گاما با جلوگیری از حرکت نابجایی، استحکام مکانیکی تیغه توربین را افزایش می‌دهد. فاز پرایم گاما دارای خاصیت غیرمعمول افزایش استحکام با افزایش دما است. این تا دمای 973 درجه سانتیگراد صادق است. [3] این افزایش استحکام ناشی از افزایش دما باعث می‌شود که سوپرآلیاژ بتواند در دماهای بالاتر کار کند.
فقدان مرز دانه در تیغه توربین امکان استفاده از سوپرآلیاژ را برای کاهش حضور عناصری که معمولاً برای تقویت مرزهای دانه استفاده می‌شوند، مانند کربن و بور می‌دهد. این عناصر هنگامی که در ترکیبات مهمتری یافت می شوند، قدرت خزش و دمای ذوب آلیاژ را کاهش می دهند. بدون نیاز به غلظت قابل توجهی از این عناصر، پره توربین تک کریستال قادر است استحکام خود را حفظ کرده و در دماهای بالاتر استفاده شود. [7]
فرآیند تولید و رشد کریستال
چندین روش ساخت مختلف وجود دارد که در عمل برای ایجاد پره های توربین تک کریستال استفاده می شود. روش های تولید همگی از ایده انجماد جهت دار یا انجماد جهت خودمختار استفاده می کنند که در آن جهت انجماد کنترل می شود. یک روش متداول روش بریگمن برای رشد تک کریستال ها است. در این روش از کوره ریخته گری برای رشد کریستال استفاده می شود. در این فرآیند ابتدا باید از تیغه قالبی ساخته شود. موم مذاب به داخل قالب فلزی تیغه توربین مورد نظر تزریق می شود و رها می شود تا سفت شود و شکل تیغه توربین را به خود بگیرد. سپس از مدل مومی برای ایجاد یک قالب سرامیکی برای تولید پره‌های توربین تک کریستالی استفاده می‌شود. هنگامی که قالب سرامیکی ایجاد می شود، برای افزایش استحکام قالب گرم می شود. [8] هنگامی که قالب برای استفاده کافی باشد، موم از داخل قالب ذوب می شود. اکنون قالب با فرم مذاب سوپرآلیاژ مبتنی بر نیکل پر شده است. سوپرآلیاژ مذاب موجود در قالب در نوعی کوره ریخته‌گری قرار می‌گیرد که اغلب یک کوره W ذوب القایی خلاء است که از تکنیک‌های بریگمن استفاده می‌کند.
رشد کریستال در کوره بریجمن
کوره با ناحیه ای با دمای بالا که بالاتر از دمای ذوب است که توسط هیترها کنترل می شود و دمای پایین در زیر منطقه ذوب با یک منطقه گرادیان که در آن رابط جامد و مایع رخ می دهد تنظیم می شود. سوپرآلیاژ در ابتدا کاملاً در ناحیه دمای بالا به شکل مذاب قرار دارد. سپس سوپرآلیاژ به آرامی و با سرعت حدود چند اینچ در ساعت پایین می‌آید، به طوری که سطح مشترک مایع جامد به آرامی در قالب بالا می‌رود. سوپرآلیاژ از پایه به بالا جامد می شود. سرعت آهسته انجماد باعث می شود دانه ها به صورت دندریت W در جهتی که قالب از کوره کشیده می شود رشد کنند. [8] دندریت ها فقط به عنوان ستون هایی در یک جهت تشکیل می شوند، زیرا اثر سرد شدن زیرین ساختاری دارند. هنگامی که جامد شروع به تشکیل می کند، غلظت املاح متفاوت درست جلوتر از سطح مشترک جامد و مایع پیدا می شود. واریانس املاح در سراسر مایع باعث تغییر در دمای تعادل انجماد می شود. در این مرحله دمای مایع کمتر از دمای انجماد تعادلی است که باعث ایجاد اثر خنک‌کننده می‌شود. سرد شدن کم باعث می شود که گرما از برجستگی های جامد به مایع منتقل شود و باعث رشد دندریتی شود. [9] سرعت رشد دندریت‌ها مستقیماً با مقدار سرد شدن موجود در آن مرتبط است. دندریت هایی که در یک زاویه در یک راستا قرار گرفته اند باید سریعتر رشد کنند تا با دندریت هایی که جهت مستقیم و عمودی بیشتری می گیرند، رشد کنند. برای رشد سریعتر، مقدار بیشتری از خنک‌سازی لازم است که به این معنی است که این دندریت‌های زاویه‌دار بیشتر از سطح مشترک جامد و مایع رشد می‌کنند. [8] در نهایت دندریت‌های عمودی مطلوب‌تر از دندریت‌های زاویه‌دار که عقب‌تر هستند، پیشی می‌گیرند. برای حذف مرزهای دانه از تیغه توربین، یک انتخابگر دانه به پایین قالب موم متصل می شود. انتخابگر دانه یک لوله مارپیچی شکل است که خیلی بزرگتر از یک دانه دندریت نیست. همانطور که دندریت های عمودی در پایه قالب رشد می کنند، تنها یک دندریت می تواند از طریق مارپیچ و در نهایت در قالب تیغه توربین جا شود. بنابراین هنگامی که انجماد کامل می شود، تیغه توربین به طور کامل از یک دانه ایجاد می شود و به یک پره توربین تک کریستالی تبدیل می شود.
بهبود در روش
مشکل روش بریگمن این است که برای تولید محصول مورد نظر به یک کوره ریخته گری پیچیده و گران قیمت نیاز است. روش ساخت دیگری ایجاد شده است که نیاز به بیرون کشیدن آهسته نمونه از کوره را از بین می برد. این فرآیند را ساده‌تر و سریعتر می‌کند و آن را مقرون به صرفه‌تر می‌کند. خواص مکانیکی نیز بهبود می یابد زیرا انجماد سریع تر است و باعث کاهش میزان تفکیک در بین نمونه می شود. [10] این فرآیند از قالبی ساخته شده از سرامیک Al 2 0 3 استفاده می کند که با لایه ای پوشانده شده است که از ایجاد هسته جلوگیری می کند. نمونه تنظیم شده است تا گرمایش کنترل شده ای وجود داشته باشد که با یک صفحه خنک کننده آب خنک در پایه نمونه، آن را تا انتها مذاب نگه می دارد. در این روش از انتخابگر دانه مارپیچی نیز به همین صورت استفاده می شود. گرمایش خاموش می شود و با سرد شدن کوره، انجماد شروع می شود. لایه قالب باعث به تاخیر افتادن هسته‌زایی می‌شود تا زمانی که مقدار قابل‌توجهی خنک‌سازی ایجاد شود. [10] در این مرحله هسته‌زایی در پایه نمونه آغاز می‌شود و دندریت‌ها نیز به همین ترتیب تشکیل می‌شوند. یک دندریت منفرد از انتخابگر دانه عبور می کند و تیغه توربین تک کریستالی تولید می شود. گرمایش کنترل شده و میزان سرمایش در پایه را می توان برای بهینه سازی خواص مکانیکی تغییر داد. [10]
منابع
- ↑پرش به بالا:1.0 1.1 Badran, OO (1999). بهبود عملکرد توربین گاز انرژی کاربردی، 64 (1-4)، 263-273.
- ↑ مایکل جی. موران، «هاوارد ان. شاپیرو». (2008). مبانی ترمودینامیک مهندسی (ویرایش ششم). ایالات متحده: John Wiley & Sons, Inc.
- ↑پرش به بالا:3.0 3.1 Carter, TJ (2005). خرابی های رایج در پره های توربین گازی تجزیه و تحلیل شکست مهندسی، 12 (2)، 237-247.
- ↑ William D. Callister, J. (2007). مقدمه علم و مهندسی مواد ایالات متحده: John Wiley & Sons, Inc.
- ↑ لی اس. لنگستون. (2006). جواهرات تاج. انجمن مهندسین مکانیک آمریکا، برگرفته از http://web.archive.org/web/20100705051223/http://www.memagazine.org/backissues/membersonly/feb06/features/crjewels/crjewels.html
- ↑ Szczotok, A., Richter, J., & Cwajna, J. (2009). خصوصیات استریولوژیکی بارش فاز γ' در سوپرآلیاژ تک کریستالی پایه نیکل CMSX-6. مشخصات مواد، 60(10)، 1114-1119.
- ↑ هینو، تاکهیسا (ساگامیهارا، جی پی) کویزومی، یوتاکا (ریوگازاکی، جی پی) کوبایاشی، توشیهارو (ریوگازاکی، جی پی) ناکازاوا، شیزوئو (سوگینامی-کو، جی پی) هارادا، هیروشی (تسوکوبا، جی پی) ایشیواتا، جی پی. ) یوشیکا، یومی (یوکوهاما، جی پی). سوپرآلیاژهای تک کریستالی پایه نیکل، روش ساخت قطعات مشابه و توربین گازی با دمای بالا ساخته شده از آن - ثبت اختراع 6673308 بازیابی شده در 1388/11/13، از http://www.freepatentsonline.com/6673308.html .
- ↑پرش به بالا:8.0 8.1 8.2 H'A. اونیزکو، «ک. کوبیاک، «جی. سینیاوسکی. (2009). تیغه های توربین از سوپرآلیاژ CMSX-6 بر پایه نیکل تک کریستالی. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 32(1) برگرفته از www.journalamme.org/papers_vol32_1/32110.pdf
- ↑ «دیوید ای. پورتر»، «کنت ای. ایسترلینگ»، «محمد ای. شریف». (2009). تبدیل فاز در فلزات و آلیاژها ایالات متحده: Taylor & Francis Group, LLC.
- ↑پرش به بالا:10.0 10.1 10.2 لودویگ، ا.، واگنر، آی.، لااکمن، جی.، و سهم، PR (1994). سرد کردن مذاب های سوپرآلیاژی: مبنای یک تکنیک ساخت جدید برای پره های توربین تک کریستال علم و مهندسی مواد: A, 178(1-2), 299-303.