Single Crystal Turbine Blades/fr

Données du projet

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Auteurs	Daniel Iacovetta
Emplacement	Kingston , Canada
Statut	Conçu
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Manifeste OKH	Télécharger

Les turbines à gaz, comme tous les secteurs de la production d'électricité, dépendent fortement de leur rendement thermique pour produire efficacement de l'électricité. L'industrie dispose de plusieurs moyens pour accroître le rendement thermique d'un cycle de production d'électricité. Ces méthodes sont presque toujours limitées par les propriétés métallurgiques des composants de la turbine. Le rendement thermique d'une turbine à gaz peut être considérablement accru grâce à des composants capables de supporter des températures de fonctionnement plus élevées. L'utilisation d'aubes de turbine en superalliage monocristallin permet d'y parvenir. Ces aubes monocristallines peuvent fonctionner à une température de fonctionnement plus élevée que les aubes cristallines, augmentant ainsi le rendement thermique du cycle de production.

Cycles des

Une centrale électrique à turbine à gaz est constituée d'une turbine reliée à un compresseur, séparée par une chambre de combustion. L'air atmosphérique est aspiré par le compresseur, puis comprimé et pénètre dans la chambre de combustion. Dans cette chambre, l'air est mélangé à un combustible et brûlé. La température de l'air augmente alors tout en maintenant une pression constante. L'air pénètre alors dans la turbine où il se détend et produit un travail utile. Plus la température de l'air d'admission est élevée, plus la turbine produit de travail utile. ^{[ 1 ]}

de

Ce cycle thermodynamique est appelé cycle de Brayton. ^W Le rendement des turbines à gaz est donné par l'équation

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  Équation 1 : Efficacité thermique du cycle de Brayton
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  Équation 1a : Efficacité thermique du cycle de Brayton en termes de rapport de pression

Brayton Cycles are often represented by temperature-entropy, or TS, diagrams. These diagrams show the states of the air at each point of the Brayton cycle. An example of a typical TS diagram is show in figure 1 below.

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  Fig 1: TS diagram of Brayton Cycle
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  Fig 1a: Increased pressure ratio
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  Fig 1b: Increased max temperature and pressure ratio

From the TS diagram shown in Figure 1a it can be seen that an increase in the relative pressure ratio^W will in fact increase the thermal efficiency due to a decrease in the amount of heat added to the system. This is limited by the maximum temperature of the cycle which occurs at the turbine inlet. This limit causes a decrease in the overall work output of the cycle as the pressure ratio increase. To produce the same amount of output work at an increased relative pressure ratio, an increase in mass flow rate is needed which requires larger more expensive equipment.^[2] There are many applications where a smaller turbine engine is needed, such as in vehicles. The thermal efficiency can be increased while also increasing the level of output work by increasing the temperature of the air at the inlet of the turbine.^[1]

There are many applications where a decrease in net work produced is unacceptable. An increase in the maximum temperature of the cycle increases both efficiency and the total amount of net work produced. The increase in temperature also allows for a greater increase in the pressure ratio to further improve efficiency while maintaining a high level of net work output. This is displayed in figure 1b above. Metallurgical properties limit how high the inlet temperature of the turbine can operate at. Many methods are used to allow for turbine blades to perform under higher temperature conditions. The development of the single crystal turbine blade made of a nickel based super alloy allows for higher operating temperatures to be obtained.

Advantages

Single crystal turbine blades have the mechanical advantage of being able to operate at a much higher temperature than crystalline turbine blades. Given the ability to increase turbine efficiency with higher temperatures, the development of these blades is very beneficial. The turbine blades are able to operate at these high temperatures due to the single crystal structure and the composition of the nickel based superalloy.

Le fluage ^W est une cause fréquente de défaillance des aubes de turbine et constitue en fait le facteur limitant la durée de vie. ^{[ 3 ]} Lorsque les températures d'un matériau soumis à de fortes contraintes atteignent un point critique, la vitesse de fluage augmente rapidement. ^{[ 4 ]} La structure monocristalline a la capacité de résister au fluage à des températures plus élevées que les aubes de turbine cristallines en raison de l'absence de joints de grains. Les joints de grains sont une zone de la microstructure où de nombreux défauts et mécanismes de défaillance commencent, ce qui conduit au fluage. ^{[ 5 ]} L'absence de ces joints de grains empêche le fluage de se produire de cette manière. Le fluage se produira toujours dans les aubes de turbine monocristallines, mais en raison de mécanismes différents qui se produisent à des températures plus élevées. L'aube de turbine monocristalline n'a pas de joints de grains le long des directions de contrainte axiale contrairement aux aubes de turbine cristallines. Cela contribue également à augmenter la résistance au fluage.

nickel

Plusieurs superalliages ont été utilisés pour créer des aubes de turbine monocristallines capables de résister aux températures de fonctionnement les plus élevées. Ces superalliages sont généralement à base de nickel et contiennent plusieurs autres éléments qui contribuent tous à optimiser les propriétés mécaniques de l'aube de turbine à haute température. La composition de chaque élément ajouté est constamment testée pour permettre cette optimisation. Le CMSX6 est un exemple de superalliage utilisé pour la fabrication d'aubes de turbine monocristallines. Sa composition est présentée dans le tableau ci-dessous.

Dans le monocristal du superalliage, il y a deux phases présentes, une matrice gamma et un précipité gamma prime. La phase gamma prime doit être supérieure à 50 % en fraction volumique dans le superalliage pour assurer l'augmentation de la résistance au fluage. ^{[ 6 ]} La présence de la phase gamma prime augmente la résistance mécanique de l'aube de turbine en empêchant le mouvement de dislocation. La phase gamma prime a la propriété inhabituelle d'augmenter sa résistance avec la température. Ceci est vrai jusqu'à 973 degrés Celsius. ^{[ 3 ]} Cette augmentation de résistance causée par une augmentation de la température permet au superalliage de fonctionner à des températures plus élevées.

L'absence de joints de grains dans l'aube de turbine permet au superalliage utilisé de réduire la présence d'éléments habituellement utilisés pour renforcer les joints de grains, tels que le carbone et le bore. Ces éléments réduisent la résistance au fluage et la température de fusion de l'alliage lorsqu'ils sont présents dans des compositions plus importantes. Sans concentration importante de ces éléments, l'aube de turbine monocristalline conserve sa résistance et peut être utilisée à des températures plus élevées. ^{[ 7 ]}

fabrication et croissance

Plusieurs méthodes de fabrication sont utilisées pour créer des aubes de turbine monocristallines. Elles reposent toutes sur la solidification directionnelle, ou solidification directionnelle autonome, dont la direction de solidification est contrôlée. La méthode Bridgman est une méthode courante pour la croissance des monocristaux. Cette méthode utilise un four de coulée pour la croissance cristalline. Ce procédé consiste à fabriquer un moule de l'aube. De la cire fondue est injectée dans un moule métallique de l'aube de turbine souhaitée, puis laissée durcir et prendre la forme de l'aube. Le modèle en cire est ensuite utilisé pour créer un moule en céramique destiné à la production des aubes de turbine monocristallines. Une fois le moule en céramique créé, il est chauffé pour en accroître la résistance. ^{[ 8 ]} Une fois le moule suffisamment grand pour être utilisé, la cire est fondue à l'intérieur du moule. Le moule est alors rempli du superalliage à base de nickel fondu. Le superalliage fondu contenu dans le moule est placé dans un four de coulée, souvent un four de fusion par induction sous vide ^, utilisant la technique Bridgman.

Croissance cristalline dans

Le four est configuré avec une zone de haute température, supérieure à la température de fusion, contrôlée par des éléments chauffants, et une zone de basse température, inférieure à la zone de fusion, avec une zone de gradient où se forme l'interface solide-liquide. Le superalliage est initialement entièrement fondu dans la zone de haute température. Il est ensuite abaissé extrêmement lentement, à une vitesse d'environ quelques centimètres par heure, de sorte que l'interface solide-liquide remonte lentement dans le moule. Le superalliage se solidifie de la base vers le haut. La lenteur de la solidification entraîne la croissance des grains sous forme de dendrites ^W dans la direction de sortie du moule. ^{[ 8 ]} Les dendrites ne se forment que sous forme de colonnes dans une seule direction en raison de l'effet de la surfusion constitutionnelle. Lorsque le solide commence à se former, une concentration variable en soluté apparaît juste avant l'interface solide-liquide. La variation de la concentration en soluté dans le liquide entraîne une modification de la température de solidification à l'équilibre. À ce stade, la température du liquide est inférieure à la température de solidification à l'équilibre, ce qui provoque un effet de surfusion. La surfusion provoque un transfert de chaleur des protubérances solides vers le liquide, favorisant la croissance dendritique. ^{[ 9 ]} La vitesse de croissance des dendrites est directement liée à la quantité de surfusion présente. Les dendrites alignées à un angle doivent croître plus rapidement pour suivre les dendrites prenant une direction plus directe et verticale. Pour croître plus vite, une plus grande quantité de surfusion est nécessaire, ce qui signifie que ces dendrites inclinées se développent plus loin de l'interface solide-liquide. ^{[ 8 ]} Finalement, les dendrites verticales plus favorables dépassent les dendrites inclinées qui sont plus en arrière. Pour éliminer les joints de grains de l'aube de turbine, un sélecteur de grains est fixé au fond du moule en cire. Le sélecteur de grains est un tube en forme de spirale qui n'est pas beaucoup plus grand qu'un seul grain de dendrite. Comme les dendrites verticales se développent à la base du moule, une seule dendrite pourra passer à travers la spirale et finalement dans le moule de l'aube de turbine. Ainsi, une fois la solidification terminée, l'aube de turbine est créée entièrement à partir d'un seul grain et devient une aube de turbine monocristalline.

Améliorations de la méthode

Le problème de la méthode Bridgman réside dans la nécessité d'un four de coulée complexe et coûteux pour obtenir le produit souhaité. Une autre méthode de fabrication a été créée, qui évite de retirer lentement l'échantillon du four. Cela simplifie et accélère le processus, le rendant ainsi plus rentable. Les propriétés mécaniques sont également améliorées grâce à une solidification plus rapide, ce qui réduit la ségrégation au sein de l'échantillon. ^{[ 10 ]} Ce procédé utilise un moule en _{céramique Al₂O₃} , recouvert d'une couche empêchant la nucléation. L'échantillon est préparé de manière à ce qu'un chauffage contrôlé le maintienne en fusion tout au long du processus , grâce à une plaque de refroidissement refroidie à l'eau placée à sa base. Le sélecteur de grains en spirale est utilisé de la même manière dans cette méthode. Le chauffage est arrêté et, lorsque le four refroidit, la solidification commence. La couche du moule retarde la nucléation jusqu'à ce qu'une surfusion importante se produise. ^{[ 10 ]} À ce stade, la nucléation commence à la base de l'échantillon et les dendrites se forment de la même manière. Une seule dendrite traverse le sélecteur de grains, produisant ainsi l'aube de turbine monocristalline. Le chauffage contrôlé et le refroidissement à la base peuvent être modifiés afin d'optimiser les propriétés mécaniques. ^{[ 10 ]}

Références

Données de la page

Une partie de	MECH370
Mots-clés	traitement des matériaux , turbines , efficacité thermique
ODD	ODD 09 Innovation industrielle et infrastructures
Auteurs	Daniel Iacovetta
Licence	CC-BY-SA-3.0
Emplacement	{{{coordonnées}}}
Organisations	Université Queen's
Langue	Anglais (en)
Traductions	Persan , vietnamien , allemand , indonésien , géorgien , chinois , espagnol , russe , arabe , turc
En rapport	10 sous-pages , 13 pages lien ici
Vues	33 713 pages vues ( analyse )
Créé	12 novembre 2009 par Daniel Iacovetta
Dernière modification	28 février 2024 par Felipe Schenone
Citer comme	Daniel Iacovetta (2009–2024). « Single Crystal Turbine Blades » (Aubes de turbine monocristallines) . Appropedia . Consulté le 12 septembre 2025 .
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