Single Crystal Turbine Blades/hr

Plinske turbine, kao i sva područja proizvodnje energije, uvelike ovise o toplinskoj učinkovitosti kako bi učinkovito proizvodile energiju. U industriji postoji nekoliko načina za povećanje toplinske učinkovitosti ciklusa plinske turbine. Ove metode povećanja učinkovitosti gotovo su uvijek ograničene metalurškim svojstvima komponenti turbine. Toplinska učinkovitost plinske turbine može se uvelike povećati komponentama koje mogu podnijeti više radne temperature. Upotreba lopatica turbine od superlegure s jednim kristalom omogućuje to. Lopatice turbine s jednim kristalom mogu raditi na višoj radnoj temperaturi od lopatica kristalne turbine i stoga mogu povećati toplinsku učinkovitost ciklusa plinske turbine.

Plinskoturbinska elektrana sastoji se od turbine koja je spojena na kompresor s komorom za izgaranje između njih. Atmosferski zrak se usisava u kompresor, a zatim komprimira i ulazi u komoru za izgaranje. U komori za izgaranje zrak se miješa s gorivom i izgara. To povećava temperaturu zraka uz konstantan tlak. Zrak sada ulazi u turbinu gdje se odvija ekspanzija, a istovremeno se proizvodi koristan izlazni rad. Što je viša temperatura ulaznog zraka, to je veća količina korisnog rada koji turbina proizvodi. ^{[ 1 ]}

Ovaj termodinamički ciklus naziva se Braytonov ciklus. ^W Učinkovitost plinskih turbina dana je jednadžbom

• 
  Jednadžba 1: Toplinska učinkovitost Braytonovog ciklusa
• 
  Jednadžba 1a: Toplinska učinkovitost Braytonovog ciklusa u smislu omjera tlaka

Braytonovi ciklusi često se prikazuju dijagramima temperature i entropije ili TS. Ovi dijagrami prikazuju stanja zraka u svakoj točki Braytonovog ciklusa. Primjer tipičnog TS dijagrama prikazan je na slici 1 ispod.

• 
  Sl. 1: TS dijagram Braytonovog ciklusa
• 
  Slika 1a: Povećani omjer tlaka
• 
  Slika 1b: Povećani omjer maksimalne temperature i tlaka

Iz TS dijagrama prikazanog na slici 1a može se vidjeti da će povećanje relativnog omjera tlakova ^W zapravo povećati toplinsku učinkovitost zbog smanjenja količine topline dodane sustavu. To je ograničeno maksimalnom temperaturom ciklusa koja se javlja na ulazu u turbinu. Ovo ograničenje uzrokuje smanjenje ukupnog izlaznog rada ciklusa kako se omjer tlakova povećava. Za proizvodnju iste količine izlaznog rada pri povećanom relativnom omjeru tlakova, potrebno je povećanje masenog protoka, što zahtijeva veću i skuplju opremu. ^{[ 2 ]} Postoje mnoge primjene gdje je potreban manji turbinski motor, kao što je to slučaj u vozilima. Toplinska učinkovitost može se povećati uz istovremeno povećanje razine izlaznog rada povećanjem temperature zraka na ulazu u turbinu. ^{[ 1 ]}

Postoje mnoge primjene gdje je smanjenje proizvedenog neto rada neprihvatljivo. Povećanje maksimalne temperature ciklusa povećava i učinkovitost i ukupnu količinu proizvedenog neto rada. Povećanje temperature također omogućuje veće povećanje omjera tlaka kako bi se dodatno poboljšala učinkovitost uz održavanje visoke razine izlaznog neto rada. To je prikazano na slici 1b iznad. Metalurška svojstva ograničavaju koliko visoka ulazna temperatura turbine može raditi. Mnoge se metode koriste kako bi se omogućilo da lopatice turbine rade u uvjetima viših temperatura. Razvoj lopatica turbine od monokristala izrađenih od superlegure na bazi nikla omogućuje postizanje viših radnih temperatura.

Monokristalne lopatice turbina imaju mehaničku prednost jer mogu raditi na mnogo višoj temperaturi od kristalnih lopatica turbina. S obzirom na mogućnost povećanja učinkovitosti turbine s višim temperaturama, razvoj ovih lopatica je vrlo koristan. Lopatice turbina mogu raditi na tim visokim temperaturama zbog monokristalne strukture i sastava superlegure na bazi nikla.

Puzanje ^W je čest uzrok kvara lopatica turbina i zapravo je faktor koji ograničava vijek trajanja. ^{[ 3 ]} Kada se temperature materijala pod visokim naprezanjem povise do kritične točke, brzina puzanja se brzo povećava. ^{[ 4 ]} Monokristalna struktura ima sposobnost izdržati puzanje na višim temperaturama od kristalnih lopatica turbina zbog nedostatka granica zrna. Granice zrna su područje mikrostrukture gdje započinju mnogi defekti i mehanizmi kvara koji dovode do pojave puzanja. ^{[ 5 ]} Nedostatak ovih granica zrna sprječava pojavu puzanja na ovaj način. Puzanje će se i dalje događati u lopaticama monokristalnih turbina, ali zbog drugačijih mehanizama koji se javljaju na višim temperaturama. Lopatica monokristalne turbine nema granice zrna duž smjerova aksijalnog naprezanja koje imaju kristalne lopatice turbina. To također doprinosi povećanju čvrstoće puzanja.

Postoji nekoliko superlegura koje su korištene u pokušaju stvaranja lopatice turbine od jednog kristala koja može izdržati najviše moguće radne temperature. Ove superlegure su općenito na bazi nikla i sadrže nekoliko drugih elemenata koji svi doprinose optimizaciji mehaničkih svojstava lopatice turbine u uvjetima visokih temperatura. Sastav svakog dodanog elementa stalno se testira kako bi se omogućila ova optimizacija. Primjer superlegure koja se koristi za izradu lopatica turbine od jednog kristala je CMSX6. Sastav ove superlegure prikazan je u donjoj tablici.

Unutar monokristala superlegure prisutne su dvije faze, gama matrica i gama prime talog. Gama prime faza mora biti veći od 50% volumnog udjela u superleguri kako bi se osiguralo povećanje otpornosti na puzanje. ^{[ 6 ]} Prisutnost gama prime faze povećava mehaničku čvrstoću lopatice turbine sprječavanjem dislokacije. Gama prime faza ima neobično svojstvo povećanja čvrstoće s porastom temperature. To vrijedi do 973 stupnja Celzija. ^{[ 3 ]} Ovo povećanje čvrstoće uzrokovano porastom temperature rezultira time da superlegura može raditi na višim temperaturama.

Nedostatak granica zrna u lopatici turbine omogućuje korištenje superlegure kako bi se smanjila prisutnost elemenata koji se obično koriste za jačanje granica zrna, poput ugljika i bora. Ovi elementi smanjuju čvrstoću puzanja i temperaturu taljenja legure kada se nalaze u značajnijim sastavima. Bez potrebe za značajnim koncentracijama ovih elemenata, lopatica turbine od monokristala može održati svoju čvrstoću i koristiti se na višim temperaturama. ^{[ 7 ]}

U praksi se koristi nekoliko različitih metoda proizvodnje za izradu lopatica turbina od monokristala. Sve metode proizvodnje koriste ideju usmjerenog skrućivanja ili autonomnog usmjerenog skrućivanja, gdje se smjer skrućivanja kontrolira. Uobičajena metoda je Bridgmanova metoda za rast monokristala. U ovoj metodi za rast kristala koristi se peć za lijevanje. U ovom procesu prvo se mora izraditi kalup lopatice. Rastaljeni vosak ubrizgava se u metalni kalup željene lopatice turbine i ostavlja se da se stvrdne i poprimi oblik lopatice turbine. Voštani model se zatim koristi za izradu keramičkog kalupa koji se koristi za proizvodnju lopatica turbine od monokristala. Kada se keramički kalup stvori, zagrijava se kako bi se povećala čvrstoća kalupa. ^{[ 8 ]} Nakon što je kalup dovoljan za upotrebu, vosak se tali iznutra kalupa. Kalup se sada puni rastaljenim oblikom superlegure na bazi nikla. Rastaljena superlegura sadržana u kalupu stavlja se u neku vrstu peći za lijevanje, često vakuumsku indukcijsku peć za taljenje ^W , koja koristi Bridgmanove tehnike.

Peć je postavljena s područjem visoke temperature koja je iznad temperature taljenja, kontroliranom grijačima, i niske temperature ispod zone taljenja, s gradijentnom zonom gdje se nalazi granica čvrsto-tekućina. Superlegura se u početku u potpunosti nalazi unutar zone visoke temperature u rastaljenom obliku. Superlegura se zatim izuzetno sporo spušta, brzinom od oko nekoliko centimetara na sat, tako da se granica čvrsto-tekućina polako diže kroz kalup. Superlegura se skrućuje od dna prema gore. Spora brzina skrućivanja uzrokuje rast zrna kao dendrita ^W u smjeru u kojem se kalup izvlači iz peći. ^{[ 8 ]} Dendriti se formiraju samo kao stupci u jednom smjeru zbog učinka konstitucijskog pothlađenja. Kako se čvrsta tvar počinje formirati, odmah ispred granice čvrsto-tekućina nalazi se promjenjiva koncentracija otopljene tvari. Varijacija otopljene tvari u tekućini uzrokuje promjenu ravnotežne temperature skrućivanja. U ovom trenutku temperatura tekućine je niža od ravnotežne temperature skrućivanja, što uzrokuje učinak pothlađenja. Pothlađenje uzrokuje prijenos topline s čvrstih izbočina na tekućinu, što potiče rast dendrita. ^{[ 9 ]} Brzina kojom dendriti rastu izravno je povezana s količinom prisutnog pothlađenja. Dendriti koji su poravnani pod kutom moraju rasti brže kako bi pratili dendrite koji zauzimaju izravniji, vertikalni smjer. Da bi brže rasli, potrebna je veća količina pothlađenja, što znači da ovi kutni dendriti rastu dalje od granice čvrsto-tekućine. ^{[ 8 ]} Na kraju povoljniji vertikalni dendriti prestignu kutne dendrite koji su dalje unatrag. Kako bi se uklonile granice zrna s lopatice turbine, na dno voštanog kalupa pričvršćuje se selektor zrna. Selektor zrna je spiralna cijev koja nije puno veća od jednog zrna dendrita. Kako vertikalni dendriti rastu u podnožju kalupa, samo će jedan dendrit moći proći kroz spiralu i na kraju u kalup lopatice turbine. Dakle, nakon što je skrućivanje završeno, lopatica turbine stvara se u potpunosti od jednog zrna i postaje lopatica turbine od jednog kristala.

Problem s Bridgmanovom metodom je taj što je za proizvodnju željenog proizvoda potrebna složena i skupa peć za lijevanje. Stvorena je druga metoda proizvodnje koja uklanja potrebu za polaganim vađenjem uzorka iz peći. To pojednostavljuje i ubrzava proces, čineći ga isplativijim. Mehanička svojstva su također poboljšana jer je skrućivanje brže, što uzrokuje smanjenje količine segregacije među uzorkom. [ ₁₀ ^{] Ovaj proces} koristi kalup izrađen od Al2O3 _keramike , koji je premazan slojem koji sprječava nukleaciju. Uzorak je postavljen tako da postoji kontrolirano zagrijavanje koje ga održava rastaljenim sve do kraja pomoću vodom hlađene ploče za hlađenje postavljene na dnu uzorka. Spiralni selektor zrna koristi se na isti način u ovoj metodi. Grijanje se isključuje i kako se peć hladi, počinje skrućivanje. Sloj kalupa odgađa nukleaciju sve dok se ne proizvede značajna količina pothlađenja. ^{[ 10 ]} U ovom trenutku nukleacija počinje na dnu uzorka i dendriti se formiraju na isti način. Jedan dendrit prolazi kroz selektor zrna i nastaje lopatica turbine od jednog kristala. Kontrolirano zagrijavanje i količina hlađenja u podnožju mogu se mijenjati kako bi se optimizirala mehanička svojstva. ^{[ 10 ]}