Single Crystal Turbine Blades/ru

Как и во всех областях производства электроэнергии, эффективность газовых турбин в значительной степени зависит от их теплового КПД. В промышленности существует несколько способов повышения теплового КПД газотурбинного энергетического цикла. Эти методы повышения эффективности почти всегда ограничены металлургическими свойствами компонентов турбины. Тепловой КПД газовой турбины может быть значительно повышен за счет компонентов, способных выдерживать более высокие рабочие температуры. Использование лопаток турбин из монокристаллических суперсплавов позволяет это сделать. Монокристаллические лопатки турбин способны работать при более высоких рабочих температурах, чем кристаллические лопатки, и, следовательно, могут повысить тепловой КПД газотурбинного цикла.

Газотурбинная электростанция состоит из турбины, соединенной с компрессором, между которыми находится камера сгорания. Атмосферный воздух всасывается в компрессор, затем сжимается и поступает в камеру сгорания. В камере сгорания воздух смешивается с топливом и сгорает. Это повышает температуру воздуха при сохранении постоянного давления. Затем воздух поступает в турбину, где происходит расширение, при этом производится полезная работа. Чем выше температура входящего воздуха, тем больше полезной работы производит турбина. ^{[ 1 ]}

Этот термодинамический цикл называется циклом Брайтона. КПД газовых турбин определяется^{уравнением}

• 
  Уравнение 1: Тепловой КПД цикла Брайтона
• 
  Уравнение 1а: Тепловой КПД цикла Брайтона в зависимости от степени сжатия.

Циклы Брайтона часто представляются в виде температурно-энтропийных (ТЭ) диаграмм. Эти диаграммы показывают состояния воздуха в каждой точке цикла Брайтона. Пример типичной ТЭ диаграммы показан на рисунке 1 ниже.

• 
  Рис. 1: ТС-диаграмма цикла Брайтона
• 
  Рис. 1а: Увеличение отношения давлений
• 
  Рис. 1б: Увеличение максимального отношения температуры и давления.

Из диаграммы ТС, показанной на рисунке 1а, видно, что увеличение относительного отношения давлений ^W фактически увеличивает термический КПД за счет уменьшения количества тепла, подаваемого в систему. Это ограничено максимальной температурой цикла, которая достигается на входе в турбину. Это ограничение приводит к уменьшению общей выходной работы цикла по мере увеличения отношения давлений. Для получения того же количества выходной работы при увеличенном относительном отношении давлений необходимо увеличить массовый расход, что требует более крупного и дорогостоящего оборудования. ^{[ 2 ]} Существует множество применений, где требуется турбинный двигатель меньшего размера, например, в транспортных средствах. Термический КПД можно увеличить, одновременно увеличивая уровень выходной работы, за счет повышения температуры воздуха на входе в турбину. ^{[ 1 ]}

Существует множество применений, где снижение вырабатываемой чистой работы недопустимо. Повышение максимальной температуры цикла увеличивает как эффективность, так и общее количество вырабатываемой чистой работы. Повышение температуры также позволяет увеличить степень сжатия для дальнейшего повышения эффективности при сохранении высокого уровня выработки чистой работы. Это показано на рисунке 1b выше. Металлургические свойства ограничивают максимальную рабочую температуру на входе в турбину. Для обеспечения работы лопаток турбины в условиях более высоких температур используются различные методы. Разработка монокристаллических лопаток турбины из никелевого суперсплава позволяет достигать более высоких рабочих температур.

Лопатки турбин из монокристаллического сплава обладают механическим преимуществом, заключающимся в возможности работы при гораздо более высоких температурах, чем лопатки из кристаллического сплава. Учитывая возможность повышения эффективности турбины при более высоких температурах, разработка таких лопаток очень выгодна. Возможность работы при таких высоких температурах обусловлена ​​монокристаллической структурой и составом никелевого суперсплава.

Ползучесть ^W является распространенной причиной поломки лопаток турбин и, по сути, фактором, ограничивающим срок службы. ^{[ 3 ]} Когда температура материала, находящегося под высоким напряжением, повышается до критической точки, скорость ползучести быстро возрастает. ^{[ 4 ]} Монокристаллическая структура способна выдерживать ползучесть при более высоких температурах, чем кристаллические лопатки турбин, благодаря отсутствию границ зерен. Границы зерен — это область микроструктуры, где начинаются многочисленные дефекты и механизмы разрушения, приводящие к ползучести. ^{[ 5 ]} Отсутствие этих границ зерен препятствует возникновению ползучести таким образом. Ползучесть все же будет происходить в монокристаллических лопатках турбин, но из-за других механизмов, которые происходят при более высоких температурах. Монокристаллическая лопатка турбины не имеет границ зерен вдоль направлений осевого напряжения, которые есть в кристаллических лопатках турбин. Это также способствует повышению прочности на ползучесть.

Для создания монокристаллических лопаток турбин, способных выдерживать максимально высокие рабочие температуры, использовались различные суперсплавы. Эти суперсплавы, как правило, основаны на никеле и содержат ряд других элементов, которые в совокупности оптимизируют механические свойства лопатки турбины в условиях высоких температур. Состав каждого добавленного элемента постоянно тестируется для обеспечения этой оптимизации. Примером суперсплава, используемого для изготовления монокристаллических лопаток турбин, является CMSX6. Состав этого суперсплава показан в таблице ниже.

Внутри монокристалла суперсплава присутствуют две фазы: гамма-матрица и гамма-штрих-преципитат. Для повышения сопротивления ползучести доля гамма-штрих-фазы в суперсплаве должна превышать 50% ^{[ 6 ]} . Присутствие гамма-штрих-фазы повышает механическую прочность лопатки турбины, предотвращая движение дислокаций. Гамма-штрих-фаза обладает необычным свойством увеличивать прочность с повышением температуры. Это справедливо до 973 градусов Цельсия ^{[ 3 ]} . Это увеличение прочности, вызванное повышением температуры, позволяет суперсплаву работать при более высоких температурах.

Отсутствие границ зерен в лопатке турбины позволяет использовать суперсплав с меньшим содержанием элементов, обычно применяемых для упрочнения границ зерен, таких как углерод и бор. Эти элементы снижают ползучесть и температуру плавления сплава при их более значительном содержании. Благодаря отсутствию необходимости в значительных концентрациях этих элементов, монокристаллическая лопатка турбины способна сохранять свою прочность и использоваться при более высоких температурах. ^{[ 7 ]}

На практике используются несколько различных методов изготовления монокристаллических лопаток турбин. Все эти методы основаны на идее 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 необходимо изготовить форму для лопатки. Расплавленный воск впрыскивается в металлическую форму желаемой лопатки турбины и оставляется для застывания и принятия формы лопатки. Затем восковая модель используется для создания керамической формы для производства монокристаллических лопаток турбины. После создания керамической формы ее нагревают для повышения прочности формы. ^{[ 8 ]} Как только форма становится достаточно прочной для использования, воск выплавляется изнутри формы. Теперь форма заполняется расплавленным никелевым суперсплавом. Расплавленный суперсплав, содержащийся в форме, помещается в какую-либо литейную печь, часто вакуумную индукционную плавильную печь ^W , которая использует методы Бриджмена.

Печь оборудована зоной высокой температуры, которая находится выше температуры плавления и регулируется нагревателями, и зоной низкой температуры ниже зоны плавления, с градиентной зоной, где происходит граница раздела твердое тело-жидкость. Суперсплав изначально полностью находится в зоне высокой температуры в расплавленном виде. Затем суперсплав очень медленно опускается со скоростью около нескольких дюймов в час, так что граница раздела твердое тело-жидкость медленно поднимается вверх по форме. Суперсплав затвердевает снизу вверх. Медленная скорость затвердевания приводит к росту зерен в виде дендритов ^W в направлении, в котором форма вытягивается из печи. ^{[ 8 ]} Дендриты образуются только в виде столбцов в одном направлении из-за эффекта конституционного переохлаждения. По мере образования твердого вещества непосредственно перед границей раздела твердое тело-жидкость обнаруживается изменяющаяся концентрация растворенного вещества. Изменение концентрации растворенного вещества по всей жидкости вызывает изменение равновесной температуры затвердевания. В этот момент температура жидкости ниже равновесной температуры затвердевания, вызывая эффект переохлаждения. Переохлаждение приводит к передаче тепла от твердых выступов к жидкости, способствуя росту дендритов. ^{[ 9 ]} Скорость роста дендритов напрямую связана с количеством переохлаждения. Дендриты, расположенные под углом, должны расти быстрее, чтобы не отставать от дендритов, движущихся в более прямом, вертикальном направлении. Для более быстрого роста требуется большее количество переохлаждения, что означает, что эти наклонные дендриты растут дальше от границы раздела твердое тело-жидкость. ^{[ 8 ]} В конечном итоге более благоприятные вертикальные дендриты обгоняют наклонные дендриты, расположенные дальше. Для удаления границ зерен с лопатки турбины к нижней части восковой формы крепится селектор зерен. Селектор зерен представляет собой трубку спиралевидной формы, ненамного больше одного дендритного зерна. Поскольку вертикальные дендриты растут у основания формы, только один дендрит сможет пройти через спираль и в конечном итоге попасть в форму лопатки турбины. Таким образом, после завершения затвердевания лопатка турбины создается полностью из одного зерна и становится монокристаллической лопаткой турбины.

Проблема метода Бриджмена заключается в том, что для получения желаемого продукта необходима сложная и дорогостоящая литейная печь. Был разработан другой метод производства, который исключает необходимость медленного извлечения образца из печи. Это упрощает и ускоряет процесс, делая его более экономически эффективным. Механические свойства также улучшаются, поскольку затвердевание происходит быстрее, что приводит к уменьшению количества сегрегации среди образца. ^{[ 10 ]} В этом процессе используется форма из керамики Al ₂ 0 ₃ , покрытая слоем, который препятствует зарождению кристаллов. Образец устанавливается таким образом, чтобы контролируемый нагрев поддерживал его расплавленным на протяжении всего процесса с помощью охлаждаемой водой пластины, установленной у основания образца. Спиральный селектор зерен используется аналогичным образом в этом методе. Нагрев отключается, и по мере охлаждения печи начинается затвердевание. Слой формы задерживает зарождение кристаллов до тех пор, пока не будет достигнуто значительное количество переохлаждения. ^{[ 10 ]} На этом этапе начинается зарождение кристаллов у основания образца, и дендриты формируются таким же образом. Один дендрит проходит через селектор зерен, и образуется монокристаллическая лопатка турбины. Контролируемый нагрев и степень охлаждения у основания могут варьироваться для оптимизации механических свойств. ^{[ 10 ]}