Single Crystal Turbine Blades/tr

Gaz türbinleri, güç üretiminin tüm alanlarında olduğu gibi, verimli bir şekilde güç üretmek için termal verimliliğe büyük ölçüde bağımlıdır. Endüstride bir gaz türbini güç çevriminin termal verimliliğini artırmanın çeşitli yolları vardır. Bu verimlilik artırma yöntemleri neredeyse her zaman türbin bileşenlerinin metalurjik özellikleriyle sınırlıdır. Gaz türbininin termal verimliliği, daha yüksek çalışma sıcaklıklarına dayanabilen bileşenlerle büyük ölçüde artırılabilir. Tek kristal süperalaşım türbin kanatlarının kullanımı bunu mümkün kılar. Tek kristal türbin kanatları, kristal türbin kanatlarından daha yüksek bir çalışma sıcaklığında çalışabilir ve böylece gaz türbini çevriminin termal verimliliğini artırabilir.

Gaz türbini çevrimleri

Gaz türbini santrali, kompresöre bağlı bir türbinden ve bu türbinin arasında bir yanma odasından oluşur. Atmosferik hava kompresöre çekilir, ardından sıkıştırılır ve yanma odasına girer. Yanma odasında hava, yakıtla karıştırılarak yakılır. Bu, havanın sıcaklığını sabit basınçta tutarken artırır. Hava, türbine girer ve burada genleşme meydana gelirken faydalı çıkış gücü üretir. Giriş hava sıcaklığı ne kadar yüksekse, türbinden üretilen faydalı iş miktarı da o kadar fazla olur. ^{[ 1 ]}

Verimliliği artırma

Bu termodinamik çevrime Brayton Çevrimi denir. Gaz türbinlerinin verimliliği ^şu denklemle verilir:

• 
  Denklem 1: Brayton Döngüsünün termal verimliliği
• 
  Denklem 1a: Brayton Döngüsünün basınç oranı açısından termal verimliliği

Brayton Döngüleri genellikle sıcaklık-entropi veya TS diyagramlarıyla gösterilir. Bu diyagramlar, Brayton döngüsünün her noktasındaki havanın durumlarını gösterir. Tipik bir TS diyagramına örnek olarak aşağıdaki Şekil 1'i verebiliriz.

• 
  Şekil 1: Brayton Döngüsünün TS diyagramı
• 
  Şekil 1a: Arttırılmış basınç oranı
• 
  Şekil 1b: Arttırılmış maksimum sıcaklık ve basınç oranı

^{Şekil 1a'da gösterilen TS diyagramından, bağıl basınç oranı W'deki} bir artışın, sisteme eklenen ısı miktarındaki azalma nedeniyle termal verimliliği artıracağı görülebilir . Bu, türbin girişinde meydana gelen çevrimin maksimum sıcaklığı ile sınırlıdır. Bu sınır, basınç oranı arttıkça çevrimin toplam iş çıktısında bir azalmaya neden olur. Artan bir bağıl basınç oranında aynı miktarda çıkış işi üretmek için, daha büyük ve daha pahalı ekipmanlar gerektiren kütle akış hızında bir artış gerekir. ^{[ 2 ]} Araçlar gibi daha küçük bir türbin motorunun gerekli olduğu birçok uygulama vardır. Türbin girişindeki havanın sıcaklığı artırılarak termal verimlilik artırılabilir ve aynı zamanda çıkış işi seviyesi de artırılabilir. ^{[ 1 ]}

Üretilen net işteki azalmanın kabul edilemez olduğu birçok uygulama mevcuttur. Döngünün maksimum sıcaklığındaki bir artış, hem verimliliği hem de üretilen toplam net iş miktarını artırır. Sıcaklıktaki artış, yüksek bir net iş çıktısı seviyesini korurken verimliliği daha da artırmak için basınç oranında daha büyük bir artışa da olanak tanır. Bu, yukarıdaki Şekil 1b'de gösterilmiştir. Metalurjik özellikler, türbinin giriş sıcaklığının ne kadar yüksek olabileceğini sınırlar. Türbin kanatlarının daha yüksek sıcaklık koşullarında performans göstermesini sağlamak için birçok yöntem kullanılmaktadır. Nikel bazlı bir süper alaşımdan yapılmış tek kristal türbin kanatlarının geliştirilmesi, daha yüksek çalışma sıcaklıklarının elde edilmesini sağlar.

Avantajlar

Tek kristal türbin kanatları, kristal türbin kanatlarına kıyasla çok daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilme gibi mekanik bir avantaja sahiptir. Daha yüksek sıcaklıklarda türbin verimliliğini artırma yeteneği göz önüne alındığında, bu kanatların geliştirilmesi oldukça faydalıdır. Türbin kanatları, tek kristal yapısı ve nikel bazlı süper alaşımın bileşimi sayesinde bu yüksek sıcaklıklarda çalışabilmektedir.

Sürünme ^W, türbin kanatlarındaki arızaların yaygın bir nedenidir ve aslında ömrü sınırlayan faktördür. ^{[ 3 ]} Yüksek gerilim altındaki bir malzemenin sıcaklıkları kritik bir noktaya yükseltildiğinde, sürünme hızı hızla artar. ^{[ 4 ]} Tek kristal yapı, tane sınırlarının bulunmaması nedeniyle kristalin türbin kanatlarından daha yüksek sıcaklıklarda sürünmeye dayanma yeteneğine sahiptir. Tane sınırları, sürünmenin meydana gelmesine yol açan birçok kusur ve arıza mekanizmasının başladığı mikro yapının bir alanıdır. ^{[ 5 ]} Bu tane sınırlarının olmaması, sürünmenin bu şekilde meydana gelmesini engeller. Sürünme, tek kristal türbin kanatlarında yine de meydana gelecektir, ancak daha yüksek sıcaklıklarda meydana gelen farklı mekanizmalar nedeniyle. Tek kristal türbin kanadı, kristalin türbin kanatlarının sahip olduğu eksenel gerilim yönleri boyunca tane sınırlarına sahip değildir. Bu aynı zamanda sürünme mukavemetini artırmaya da yarar.

Nikel bazlı süper alaşım

Mümkün olan en yüksek çalışma sıcaklıklarına dayanabilen tek kristal türbin kanatları oluşturmak için çeşitli süper alaşımlar kullanılmıştır. Bu süper alaşımlar genellikle nikel bazlıdır ve yüksek sıcaklık koşullarında türbin kanatlarının mekanik özelliklerinin iyileştirilmesine katkıda bulunan çeşitli başka elementler içerir. Bu iyileştirmeyi sağlamak için eklenen her bir elementin bileşimi sürekli olarak test edilmektedir. Tek kristal türbin kanatları amacıyla kullanılan bir süper alaşım örneği CMSX6'dır. Bu süper alaşımın bileşimi aşağıdaki tabloda gösterilmektedir.

Süper alaşımın tek kristalinde, bir gama matrisi ve bir gama primer çökeltisi olmak üzere iki faz bulunur. Sürünme direncindeki artışı sağlamak için gama primer fazının süper alaşımdaki hacim oranının %50'den büyük olması gerekir. ^{[ 6 ]} Gama primer fazının varlığı, çıkık hareketini önleyerek türbin kanadının mekanik mukavemetini artırır. Gama primer fazı, sıcaklık arttıkça mukavemeti artırma gibi sıra dışı bir özelliğe sahiptir. Bu, 973 santigrat dereceye kadar geçerlidir. ^{[ 3 ]} Sıcaklık artışından kaynaklanan bu mukavemet artışı, süper alaşımın daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilmesini sağlar.

Türbin kanadında tane sınırlarının bulunmaması, süper alaşımın, genellikle tane sınırlarını güçlendirmek için kullanılan karbon ve bor gibi elementlerin varlığını azaltmak için kullanılmasına olanak tanır. Bu elementler, daha yoğun bileşimlerde bulunduklarında alaşımın sürünme mukavemetini ve erime sıcaklığını azaltır. Bu elementlerin önemli konsantrasyonlarına ihtiyaç duyulmadan, tek kristal türbin kanadı mukavemetini koruyabilir ve daha yüksek sıcaklıklarda kullanılabilir. ^{[ 7 ]}

Üretim süreci ve kristal büyümesi

Pratikte tek kristal türbin kanatları oluşturmak için kullanılan birkaç farklı üretim yöntemi vardır. Üretim yöntemlerinin tümü, katılaşma yönünün kontrol edildiği yönlü katılaşma veya otonom yönlü katılaşma fikrini kullanır. Tek kristalleri büyütmek için yaygın bir yöntem, Bridgman yöntemidir. Bu yöntemde, kristal büyütme için bir döküm fırını kullanılır. Bu işlemde, önce kanattan bir kalıp yapılmalıdır. Erimiş balmumu, istenen türbin kanadının metal kalıbına enjekte edilir ve türbin kanadının şeklini alması için donmaya bırakılır. Daha sonra balmumu modeli, tek kristal türbin kanatlarının üretiminde kullanılacak seramik bir kalıp oluşturmak için kullanılır. Seramik kalıp oluşturulduğunda, kalıbın mukavemetini artırmak için ısıtılır. ^{[ 8 ]} Kalıp kullanım için yeterli olduğunda, balmumu kalıbın içinden eritilir. Kalıp şimdi nikel bazlı süper alaşımın erimiş haliyle doldurulur. Kalıp içinde bulunan erimiş süper alaşım, genellikle Bridgman tekniklerini kullananbir vakum indüksiyon eritme ^W fırını olan bir döküm fırınına yerleştirilir .

Bridgman fırınında kristal büyümesi

Fırın, ısıtıcılar tarafından kontrol edilen erime sıcaklığının üzerinde yüksek bir sıcaklık alanı ve katı-sıvı arayüzünün oluştuğu bir gradyan bölgesi ile erime bölgesinin altında düşük bir sıcaklık alanı ile kurulur. Süper alaşım başlangıçta erimiş halde tamamen yüksek sıcaklık bölgesinin içindedir. Süper alaşım daha sonra saatte yaklaşık birkaç inçlik hızlarda son derece yavaş bir şekilde alçaltılır, böylece katı sıvı arayüzü kalıpta yavaşça yükselir. Süper alaşım tabandan yukarıya doğru katılaşır. Yavaş katılaşma hızı, tanelerin kalıbın fırından çekildiği yönde dendritler ^{W olarak büyümesine neden olur. [ 8 ]} Dendritler, yapısal alt soğumanın etkisi nedeniyle yalnızca bir yönde sütunlar halinde oluşur. Katı oluşmaya başladığında, katı-sıvı arayüzünün hemen önünde değişen bir çözünen madde konsantrasyonu bulunur. Sıvı boyunca çözünen maddedeki değişiklik, denge katılaşma sıcaklığında bir değişikliğe neden olur. Bu noktada sıvının sıcaklığı denge katılaşma sıcaklığından daha düşüktür ve alt soğuma etkisine neden olur. Alt soğutma, ısının katı çıkıntılardan sıvıya aktarılmasına neden olarak dendritik büyümeyi destekler. ^{[ 9 ]} Dendritlerin büyüme hızı, mevcut alt soğutma miktarıyla doğrudan ilişkilidir. Açılı hizalanmış dendritler, daha doğrudan, dikey bir yön alan dendritlere ayak uydurabilmek için daha hızlı büyümek zorundadır. Daha hızlı büyümek için daha fazla alt soğutmaya ihtiyaç vardır, bu da bu açılı dendritlerin katı-sıvı ara yüzünden daha geride büyüdüğü anlamına gelir. ^{[ 8 ]} Sonunda daha elverişli dikey dendritler, daha geride olan açılı dendritleri geçer. Türbin kanadından tane sınırlarını çıkarmak için, balmumu kalıbının altına bir tane seçici takılır. Tane seçici, tek bir dendrit tanesinden çok daha büyük olmayan spiral şekilli bir tüptür. Dikey dendritler kalıbın tabanında büyüdükçe, yalnızca bir dendrit spiralden ve sonunda türbin kanadı kalıbına sığabilecektir. Böylece katılaşma tamamlandığında, türbin kanadı tamamen tek bir taneden oluşturulur ve tek kristalli bir türbin kanadı haline gelir.

Yöntem

Bridgman yönteminin sorunu, istenen ürünü üretmek için karmaşık ve pahalı bir döküm fırınına ihtiyaç duyulmasıdır. Numunenin fırından yavaşça çekilmesi ihtiyacını ortadan kaldıran başka bir üretim yöntemi oluşturulmuştur. Bu, işlemi basitleştirir ve hızlandırır, böylece daha uygun maliyetli hale getirir. Katılaşma daha hızlı olduğundan mekanik özellikler de iyileştirilir ve numunedeki ayrışma miktarında bir azalma olur. ^{[ 10 ]} _{Bu işlem, çekirdeklenmenin oluşmasını engelleyen bir tabaka ile kaplanmış Al 2} 0 ₃ seramikten yapılmış bir kalıp kullanır . Numune, numunenin tabanına yerleştirilmiş su soğutmalı bir soğutma plakası ile tamamen erimiş halde tutulması için kontrollü bir ısıtma olacak şekilde ayarlanır. Bu yöntemde spiral tane seçici aynı şekilde kullanılır. Isıtma kapatılır ve fırın soğudukça katılaşma başlar. Kalıp tabakası, önemli miktarda alt soğutma üretilene kadar çekirdeklenmenin oluşmasını geciktirir. ^{[ 10 ]} Bu noktada, numunenin tabanında çekirdeklenme başlar ve dendritler aynı şekilde oluşur. Tek bir dendrit, tane seçiciden geçer ve tek kristal türbin kanadı üretilir. Tabandaki kontrollü ısıtma ve soğutma miktarı, mekanik özellikleri optimize etmek için değiştirilebilir. ^{[ 10 ]}

Referanslar