Газовые турбины, как и все области производства энергии, в значительной степени зависят от теплового КПД для эффективного производства энергии. В промышленности существует несколько способов повышения теплового КПД цикла газовой турбины. Эти методы повышения КПД почти всегда ограничены металлургическими свойствами компонентов турбины. Тепловой КПД газовой турбины может быть значительно увеличен с помощью компонентов, которые способны выдерживать более высокие рабочие температуры. Использование лопаток турбины из монокристаллического суперсплава позволяет сделать это возможным. Лопатки турбины из монокристалла способны работать при более высокой рабочей температуре, чем лопатки турбины из кристаллического сплава, и, таким образом, способны повысить тепловую эффективность цикла газовой турбины.
Содержание
Газотурбинные циклы
Газотурбинная электростанция состоит из турбины, которая соединена с компрессором с камерой сгорания между ними. Атмосферный воздух всасывается в компрессор, затем сжимается и поступает в камеру сгорания. В камере сгорания воздух смешивается с топливом и сжигается. Это повышает температуру воздуха, сохраняя при этом постоянное давление. Теперь воздух поступает в турбину, где происходит расширение, производя полезную выходную работу. Чем выше температура воздуха на входе, тем большее количество полезной работы вырабатывается турбиной. [1]
Повышение эффективности
Этот термодинамический цикл называется циклом Брайтона. W Эффективность газовых турбин определяется уравнением
Уравнение 1: Термический КПД цикла Брайтона
Уравнение 1а: Тепловая эффективность цикла Брайтона с точки зрения степени давления
Циклы Брайтона часто представляются диаграммами температуры-энтропии, или TS. Эти диаграммы показывают состояния воздуха в каждой точке цикла Брайтона. Пример типичной диаграммы TS показан на рисунке 1 ниже.
Рис. 1: Диаграмма TS цикла Брайтона
Рис. 1а: Повышенная степень сжатия
Рис. 1б: Увеличение максимальной температуры и соотношения давлений
Из диаграммы TS, показанной на рисунке 1a, можно увидеть, что увеличение относительного коэффициента давления W фактически увеличит тепловой КПД из-за уменьшения количества тепла, добавляемого в систему. Это ограничено максимальной температурой цикла, которая возникает на входе в турбину. Этот предел вызывает уменьшение общей выходной работы цикла по мере увеличения коэффициента давления. Для получения того же количества выходной работы при увеличенном относительном коэффициенте давления необходимо увеличение массового расхода, что требует большего и более дорогого оборудования. [2] Существует много приложений, где требуется меньший турбинный двигатель, например, в транспортных средствах. Тепловой КПД может быть увеличен при одновременном увеличении уровня выходной работы за счет увеличения температуры воздуха на входе в турбину. [1]
Существует множество приложений, где снижение чистой произведенной работы неприемлемо. Увеличение максимальной температуры цикла увеличивает как эффективность, так и общее количество произведенной чистой работы. Увеличение температуры также позволяет больше увеличить отношение давлений для дальнейшего повышения эффективности при сохранении высокого уровня чистой произведенной работы. Это показано на рисунке 1b выше. Металлургические свойства ограничивают то, насколько высоко может работать температура на входе турбины. Для того чтобы лопатки турбины могли работать в условиях более высоких температур, используется множество методов. Разработка монокристаллической лопатки турбины, изготовленной из суперсплава на основе никеля, позволяет получать более высокие рабочие температуры.
Преимущества
Лопатки турбины из монокристалла имеют механическое преимущество, заключающееся в возможности работать при гораздо более высокой температуре, чем лопатки кристаллической турбины. Учитывая возможность повышения эффективности турбины при более высоких температурах, разработка таких лопаток очень выгодна. Лопатки турбины способны работать при таких высоких температурах благодаря структуре монокристалла и составу суперсплава на основе никеля.
Ползучесть W является распространенной причиной выхода из строя лопаток турбин и фактически является фактором, ограничивающим срок службы. [3] Когда температура материала под высоким напряжением повышается до критической точки, скорость ползучести быстро увеличивается. [4] Монокристаллическая структура обладает способностью выдерживать ползучесть при более высоких температурах, чем кристаллические лопатки турбины, из-за отсутствия границ зерен. Границы зерен являются областью микроструктуры, где начинаются многие дефекты и механизмы разрушения, что приводит к возникновению ползучести. [5] Отсутствие этих границ зерен препятствует возникновению ползучести таким образом. Ползучесть все равно будет происходить в монокристаллических лопатках турбины, но из-за других механизмов, которые возникают при более высоких температурах. Монокристаллическая лопатка турбины не имеет границ зерен вдоль направлений осевого напряжения, как кристаллические лопатки турбины. Это также работает на увеличение предела ползучести.
Суперсплав на основе никеля
Было несколько суперсплавов, которые использовались в попытке создать монокристаллическую турбинную лопатку, способную выдерживать максимально возможные рабочие температуры. Эти суперсплавы, как правило, основаны на никеле и содержат несколько других элементов, которые способствуют оптимизации механических свойств турбинной лопатки в условиях высоких температур. Состав каждого добавленного элемента постоянно тестируется, чтобы обеспечить эту оптимизацию. Примером суперсплава, используемого для монокристаллических турбинных лопаток, является CMSX6. Состав этого суперсплава показан в таблице ниже.
В монокристалле суперсплава присутствуют две фазы: гамма-матрица и гамма-прим преципитат. Гамма-прим фаза должна составлять более 50% объемной доли в суперсплаве, чтобы обеспечить увеличение сопротивления ползучести. [6] Присутствие гамма-прим фазы увеличивает механическую прочность лопатки турбины, предотвращая движение дислокаций. Гамма-прим фаза обладает необычным свойством увеличения прочности с ростом температуры. Это справедливо до 973 градусов Цельсия. [3] Это увеличение прочности, вызванное повышением температуры, приводит к тому, что суперсплав может работать при более высоких температурах.
Отсутствие границ зерен в лопатке турбины позволяет использовать суперсплав для снижения присутствия элементов, которые обычно используются для укрепления границ зерен, таких как углерод и бор. Эти элементы снижают предел ползучести и температуру плавления сплава, когда они находятся в более значительных составах. Без необходимости в значительных концентрациях этих элементов лопатка турбины из монокристалла способна сохранять свою прочность и использоваться при более высоких температурах. [7]
Процесс производства и выращивания кристаллов
Существует несколько различных методов производства, которые используются на практике для создания лопаток турбины из одного кристалла. Все методы производства используют идею направленной кристаллизации или автономной направленной кристаллизации, где направление кристаллизации контролируется. Распространенным методом является метод Бриджмена для выращивания монокристаллов. В этом методе для выращивания кристаллов используется литейная печь. В этом процессе сначала должна быть изготовлена форма для лопатки. Расплавленный воск впрыскивается в металлическую форму желаемой лопатки турбины и оставляется для застывания и принятия формы лопатки турбины. Затем восковая модель используется для создания керамической формы для производства лопаток турбины из одного кристалла. Когда керамическая форма создана, ее нагревают для повышения прочности формы. [8] Как только форма становится достаточной для использования, воск выплавляется изнутри формы. Теперь форма заполняется расплавленной формой суперсплава на основе никеля. Расплавленный суперсплав, содержащийся в форме, помещается в какую-либо литейную печь, часто в вакуумную индукционную плавильную печь W , которая использует методы Бриджмена.
Выращивание кристаллов в печи Бриджмена
Печь устанавливается с зоной высокой температуры, которая выше температуры плавления, контролируемой нагревателями, и низкой температурой ниже зоны плавления, с градиентной зоной, где происходит интерфейс твердое тело-жидкость. Суперсплав изначально находится полностью в зоне высокой температуры в расплавленном виде. Затем суперсплав опускается крайне медленно, со скоростью около нескольких дюймов в час, так что интерфейс твердое тело-жидкость медленно поднимается вверх по форме. Суперсплав затвердевает от основания вверх. Медленная скорость затвердевания заставляет зерна расти в виде дендритов W в направлении, в котором форма вытягивается из печи. [8] Дендриты образуются только в виде столбиков в одном направлении из-за эффекта конституционного переохлаждения. Когда твердое тело начинает формироваться, переменная концентрация растворенного вещества обнаруживается непосредственно перед интерфейсом твердое тело-жидкость. Разница в растворенном веществе по всей жидкости вызывает изменение равновесной температуры затвердевания. В этой точке температура жидкости ниже равновесной температуры затвердевания, что вызывает эффект переохлаждения. Переохлаждение приводит к передаче тепла от твердых выступов к жидкости, способствуя росту дендритов. [9] Скорость роста дендритов напрямую связана с количеством присутствующего переохлаждения. Дендриты, выровненные под углом, должны расти быстрее, чтобы не отставать от дендритов, принимающих более прямое вертикальное направление. Чтобы расти быстрее, требуется большее количество переохлаждения, что означает, что эти угловые дендриты растут дальше от поверхности раздела твердое тело-жидкость. [8] В конечном итоге более благоприятные вертикальные дендриты обгоняют угловые дендриты, которые находятся дальше. Чтобы удалить границы зерен с лопатки турбины, к нижней части восковой формы крепится селектор зерен. Селектор зерен представляет собой спиральную трубку, которая не намного больше одного зерна дендрита. По мере роста вертикальных дендритов у основания формы только один дендрит сможет пройти через спираль и в конечном итоге в форму лопатки турбины. Таким образом, после завершения затвердевания лопатка турбины создается полностью из одного зерна и становится цельной кристаллической лопаткой турбины.
Улучшения метода
Проблема метода Бриджмена заключается в том, что для производства желаемого продукта требуется сложная и дорогая литейная печь. Был создан другой метод производства, который устраняет необходимость медленного извлечения образца из печи. Это упрощает и ускоряет процесс, делая его более экономичным. Механические свойства также улучшаются, поскольку затвердевание происходит быстрее, что приводит к уменьшению количества сегрегации среди образца. [10] В этом процессе используется форма, изготовленная из керамики Al 2 0 3 , которая покрыта слоем, препятствующим возникновению зародышеобразования. Образец устанавливается таким образом, чтобы контролируемый нагрев поддерживал его расплавленным на всем протяжении с помощью охлаждающей пластины с водяным охлаждением, установленной у основания образца. Спиральный селектор зерна используется таким же образом в этом методе. Нагрев отключается, и по мере остывания печи начинается затвердевание. Слой формы задерживает возникновение зародышеобразования до тех пор, пока не будет произведено значительное количество переохлаждения. [10] В этот момент зародышеобразование начинается у основания образца, и дендриты формируются таким же образом. Один дендрит проходит через селектор зерна, и получается однокристаллическая лопатка турбины. Контролируемый нагрев и количество охлаждения у основания можно изменять для оптимизации механических свойств. [10]
Ссылки
- ↑Перейти к:1.0 1.1 Бадран, OO (1999). Улучшение характеристик газовых турбин. Applied Energy, 64(1-4), 263-273.
- ↑ Майкл Дж. Моран, Говард Н. Шапиро. (2008). Основы инженерной термодинамики (6-е изд.). США: John Wiley & Sons, Inc.
- ↑Перейти к:3.0 3.1 Картер, Т.Дж. (2005). Распространенные отказы лопаток газовых турбин. Анализ инженерных отказов, 12(2), 237-247.
- ↑ Уильям Д. Каллистер, Дж. (2007). Материаловедение и инженерия. Введение. США: John Wiley & Sons, Inc.
- ↑ Ли С. Лэнгстон. (2006). Драгоценности короны. Американское общество инженеров-механиков, получено с http://web.archive.org/web/20100705051223/http://www.memagazine.org/backissues/membersonly/feb06/features/crjewels/crjewels.html
- ↑ Szczotok, A., Richter, J., & Cwajna, J. (2009). Стереологическая характеристика выделения γ′ фазы в монокристаллическом никелевом суперсплаве CMSX-6. Характеристика материалов, 60(10), 1114-1119.
- ↑ Хино, Такехиса (Сагамихара, Япония) Коидзуми, Ютака (Рюгасаки, Япония) Кобаяши, Тошихару (Рюгасаки, Япония) Накадзава, Шизуо (Сугинами-Ку, Япония) Харада, Хироши (Цукуба, Япония) Ишивата, Ютака (Дзуси, Япония) ) Ёсиока, Ёмей (Йокогама, Дж.П.). Монокристаллические суперсплавы на основе никеля, способ их изготовления и изготовленные из них высокотемпературные детали газовых турбин - патент 6673308 Получено 13.11.2009, 2009 г., с сайта http://www.freepatentsonline.com/6673308.html .
- ↑Перейти к:8.0 8.1 8.2 H'A. Onyszko', 'K. Kubiak', 'J. Sieniawski'. (2009). Турбинные лопатки из монокристаллического никелевого суперсплава CMSX-6. Журнал достижений в области материаловедения и машиностроения, 32(1) Получено с www.journalamme.org/papers_vol32_1/32110.pdf
- ↑ 'David A. Porter', 'Kenneth E. Easterling', 'Mohamed Y. Sherif'. (2009). Фазовые превращения в металлах и сплавах. США: Taylor & Francis Group, LLC.
- ↑Перейти к:10.0 10.1 10.2 Людвиг, А., Вагнер, И., Лаакманн, Дж. и Сам, П. Р. (1994). Переохлаждение расплавов суперсплавов: Основа новой технологии производства монокристаллических турбинных лопаток. Материаловедение и машиностроение: A, 178(1-2), 299-303.