ნახ 1: ბრეიტონის ციკლის TS დიაგრამა
გაზის ტურბინები, ისევე როგორც ელექტროენერგიის წარმოების ყველა სფერო, ძალზეა დამოკიდებული თერმული ეფექტურობაზე, რათა ეფექტურად გამოიმუშაონ ენერგია. ინდუსტრიაში რამდენიმე გზა არსებობს გაზის ტურბინის ენერგიის ციკლის თერმული ეფექტურობის გაზრდის მიზნით. ეფექტურობის გაზრდის ეს მეთოდები თითქმის ყოველთვის შემოიფარგლება ტურბინის კომპონენტების მეტალურგიული თვისებებით. გაზის ტურბინის თერმული ეფექტურობა შეიძლება მნიშვნელოვნად გაიზარდოს კომპონენტებით, რომლებსაც შეუძლიათ გაუძლონ მაღალ სამუშაო ტემპერატურას. ერთკრისტალური სუპერშენადნობის ტურბინის პირების გამოყენება ამის საშუალებას იძლევა. ერთკრისტალური ტურბინის პირებს შეუძლიათ იმუშაონ უფრო მაღალ სამუშაო ტემპერატურაზე, ვიდრე კრისტალური ტურბინის პირები და, ამრიგად, შეუძლიათ გაზარდონ გაზის ტურბინის ციკლის თერმული ეფექტურობა.
შინაარსი
გაზის ტურბინის ციკლები
გაზის ტურბინის ელექტროსადგური შედგება ტურბინისგან, რომელიც დაკავშირებულია კომპრესორთან წვის კამერით. ატმოსფერული ჰაერი იწოვება კომპრესორში და შემდგომში შეკუმშულია და შედის წვის პალატაში. წვის პალატაში ჰაერი შერეულია საწვავთან და იწვის. ეს ზრდის ჰაერის ტემპერატურას და რჩება მუდმივ წნევაზე. ჰაერი ახლა შემოდის ტურბინაში, სადაც ხდება გაფართოება სასარგებლო გამომავალი სამუშაოს წარმოებისას. რაც უფრო მაღალია შესასვლელი ჰაერის ტემპერატურა, მით მეტია სასარგებლო სამუშაო, რომელიც წარმოიქმნება ტურბინისგან. [1]
ეფექტურობის გაზრდა
ამ თერმოდინამიკურ ციკლს ბრეიტონის ციკლს უწოდებენ. W გაზის ტურბინების ეფექტურობა მოცემულია განტოლებით
განტოლება 1: ბრეიტონის ციკლის თერმული ეფექტურობა
განტოლება 1a: ბრეიტონის ციკლის თერმული ეფექტურობა წნევის თანაფარდობის თვალსაზრისით
ბრეიტონის ციკლები ხშირად წარმოდგენილია ტემპერატურული ენტროპიით, ან TS, დიაგრამებით. ეს დიაგრამები გვიჩვენებს ჰაერის მდგომარეობას ბრეიტონის ციკლის თითოეულ წერტილში. ტიპიური TS დიაგრამის მაგალითი ნაჩვენებია ფიგურაში 1 ქვემოთ.
ნახ 1: ბრეიტონის ციკლის TS დიაგრამა
ნახ 1a: გაზრდილი წნევის თანაფარდობა
ნახ 1b: გაზრდილი მაქსიმალური ტემპერატურა და წნევის თანაფარდობა
1a სურათზე ნაჩვენები TS დიაგრამადან ჩანს, რომ W ფარდობითი წნევის თანაფარდობის ზრდა ფაქტობრივად გაზრდის თერმული ეფექტურობას სისტემაში დამატებული სითბოს რაოდენობის შემცირების გამო. ეს შემოიფარგლება ციკლის მაქსიმალური ტემპერატურით, რომელიც ხდება ტურბინის შესასვლელთან. ეს ზღვარი იწვევს ციკლის საერთო შრომის სიმძლავრის შემცირებას წნევის თანაფარდობის გაზრდისას. გაზრდილი ფარდობითი წნევის თანაფარდობით იგივე რაოდენობის გამომავალი სამუშაოს წარმოებისთვის საჭიროა მასის ნაკადის სიჩქარის გაზრდა, რაც მოითხოვს უფრო დიდ და ძვირადღირებულ აღჭურვილობას. [2] არსებობს მრავალი პროგრამა, სადაც საჭიროა უფრო პატარა ტურბინის ძრავა, მაგალითად, მანქანებში. თერმული ეფექტურობა შეიძლება გაიზარდოს და ასევე გაზარდოს გამომავალი სამუშაოს დონე ტურბინის შესასვლელში ჰაერის ტემპერატურის გაზრდით. [1]
არსებობს მრავალი აპლიკაცია, სადაც წარმოებული სამუშაოს შემცირება მიუღებელია. ციკლის მაქსიმალური ტემპერატურის ზრდა ზრდის როგორც ეფექტურობას, ასევე წარმოებული სამუშაოს მთლიან რაოდენობას. ტემპერატურის მატება ასევე იძლევა წნევის თანაფარდობის უფრო დიდ მატებას, ეფექტურობის შემდგომი გაუმჯობესების მიზნით, ხოლო შენარჩუნების მაღალი დონის სამუშაოების ქსელი. ეს ნაჩვენებია ფიგურაში 1b ზემოთ. მეტალურგიული თვისებები ზღუდავს, თუ რამდენად მაღალია ტურბინის შესასვლელი ტემპერატურა. მრავალი მეთოდი გამოიყენება ტურბინის პირების მუშაობის უფრო მაღალი ტემპერატურის პირობებში. ნიკელის დაფუძნებული სუპერ შენადნობისგან დამზადებული ერთკრისტალური ტურბინის დანის შემუშავება საშუალებას იძლევა მიიღოთ უფრო მაღალი სამუშაო ტემპერატურა.
უპირატესობები
ერთკრისტალური ტურბინის პირებს აქვთ მექანიკური უპირატესობა, რომ შეუძლიათ მუშაობა გაცილებით მაღალ ტემპერატურაზე, ვიდრე კრისტალური ტურბინის პირები. თუ გავითვალისწინებთ ტურბინის ეფექტურობის გაზრდის შესაძლებლობას უფრო მაღალ ტემპერატურაზე, ამ პირების განვითარება ძალიან სასარგებლოა. ტურბინის პირებს შეუძლიათ იმუშაონ ამ მაღალ ტემპერატურაზე ერთკრისტალური სტრუქტურისა და ნიკელის დაფუძნებული სუპერშენადნობის შემადგენლობის გამო.
Creep W არის ტურბინის პირების მარცხის ხშირი მიზეზი და ფაქტობრივად სიცოცხლის შემზღუდველი ფაქტორია. [3] როდესაც მაღალი სტრესის ქვეშ მყოფი მასალის ტემპერატურა კრიტიკულ წერტილამდე ამაღლებულია, ცოცვის სიჩქარე სწრაფად იზრდება. [4] ერთკრისტალურ სტრუქტურას აქვს უნარი გაუძლოს ცოცვას უფრო მაღალ ტემპერატურაზე, ვიდრე კრისტალური ტურბინის პირები მარცვლეულის საზღვრების არარსებობის გამო. მარცვლეულის საზღვრები არის მიკროსტრუქტურის არეალი, სადაც იწყება მრავალი დეფექტი და გაუმართაობის მექანიზმი, რაც იწვევს ცოცვის წარმოქმნას. [5] ამ მარცვლეულის საზღვრების ნაკლებობა აფერხებს ცოცვას ამ გზით. ცოცხალი კვლავ მოხდება ერთკრისტალური ტურბინის პირებში, მაგრამ განსხვავებული მექანიზმების გამო, რომელიც ხდება მაღალ ტემპერატურაზე. ერთკრისტალური ტურბინის პირს არ აქვს მარცვლეულის საზღვრები ღერძული სტრესის მიმართულებით, რასაც კრისტალური ტურბინის პირები აკეთებენ. ეს ასევე მუშაობს გაზრდის მცოცავი ძალა.
ნიკელზე დაფუძნებული სუპერშენადნობი
არსებობდა რამდენიმე სუპერშენადნობი, რომლებიც გამოიყენებოდა ერთი ბროლის ტურბინის დანის შესაქმნელად, რომელიც გაუძლებს მაქსიმალურ სამუშაო ტემპერატურას. ეს სუპერშენადნობები ძირითადად ნიკელზეა და შეიცავს რამდენიმე სხვა ელემენტს, რომლებიც ხელს უწყობენ ტურბინის დანის მექანიკური თვისებების ოპტიმიზაციას მაღალი ტემპერატურის პირობებში. თითოეული დამატებული ელემენტის შემადგენლობა მუდმივად ტესტირებას განიცდის ამ ოპტიმიზაციის დასაშვებად. სუპერშენადნობის მაგალითი, რომელიც გამოიყენება ერთკრისტალური ტურბინის პირებისთვის არის CMSX6. ამ სუპერ შენადნობის შემადგენლობა ნაჩვენებია ქვემოთ მოცემულ ცხრილში.
ცხრილი 1: CMSX-6 სუპერშენადნობის შემადგენლობასუპერშენადნობის ერთ კრისტალში არის ორი ფაზა, გამა მატრიცა და გამა პირველი ნალექი. გამა პირველადი ფაზა უნდა იყოს 50%-ზე მეტი მოცულობითი ფრაქციის სუპერშენადნობში, რათა უზრუნველყოს ცოცვის წინააღმდეგობის გაზრდა. [6] გამა პირველადი ფაზის არსებობა ზრდის ტურბინის დანას მექანიკურ სიმტკიცეს დისლოკაციის მოძრაობის თავიდან აცილების გზით. გამა პირველ ფაზას აქვს ტემპერატურის მატებასთან ერთად სიძლიერის გაზრდის უჩვეულო თვისება. ეს მართალია 973 გრადუს ცელსიუსამდე. [3] სიძლიერის ეს ზრდა გამოწვეულია ტემპერატურის გაზრდით, იწვევს სუპერშენადნობს უფრო მაღალ ტემპერატურაზე მუშაობას.
ტურბინის დანაში მარცვლის საზღვრების ნაკლებობა საშუალებას იძლევა, რომ სუპერშენადნობი გამოიყენებოდეს ელემენტების არსებობის შესამცირებლად, რომლებიც ჩვეულებრივ გამოიყენება მარცვლის საზღვრების გასაძლიერებლად, როგორიცაა ნახშირბადი და ბორი. ეს ელემენტები ამცირებენ შენადნობის ცოცვის ძალას და დნობის ტემპერატურას, როდესაც გვხვდება უფრო მნიშვნელოვან კომპოზიციებში. ამ ელემენტების მნიშვნელოვანი კონცენტრაციის საჭიროების გარეშე, ერთკრისტალური ტურბინის დანას შეუძლია შეინარჩუნოს თავისი სიმტკიცე და გამოიყენოს მაღალ ტემპერატურაზე. [7]
წარმოების პროცესი და ბროლის ზრდა
არსებობს წარმოების რამდენიმე განსხვავებული მეთოდი, რომლებიც პრაქტიკაში გამოიყენება ერთკრისტალური ტურბინის პირების შესაქმნელად. წარმოების მეთოდები ყველა იყენებს მიმართულების გამაგრების იდეას, ან ავტონომიური მიმართულებით გამაგრების იდეას, სადაც გამაგრების მიმართულება კონტროლდება. გავრცელებული მეთოდია ბრიჯმანის მეთოდი ერთკრისტალების გასაშენებლად. ამ მეთოდით კრისტალების ზრდისთვის გამოიყენება ჩამოსხმის ღუმელი. ამ პროცესში, ჯერ უნდა გაკეთდეს ყალიბი დანისგან. გამდნარი ცვილი შეჰყავთ სასურველი ტურბინის დანის მეტალის ყალიბში და ტოვებენ გამაგრებას და მიიღოს ტურბინის დანის ფორმა. ცვილის მოდელი შემდეგ გამოიყენება კერამიკული ფორმის შესაქმნელად, რომელიც გამოიყენება ერთკრისტალური ტურბინის პირების წარმოებისთვის. როდესაც კერამიკული ყალიბი იქმნება, ის თბება ფორმის სიძლიერის ასამაღლებლად. [8] მას შემდეგ, რაც ფორმა საკმარისი იქნება გამოსაყენებლად, ცვილი დნება ფორმის შიგნიდან. ყალიბი ახლა ივსება ნიკელის დაფუძნებული სუპერშენადნობის მდნარი ფორმით. ყალიბში შემავალი გამდნარი სუპერშენადნობი მოთავსებულია გარკვეული ტიპის ჩამოსხმის ღუმელში, ხშირად ვაკუუმური ინდუქციური დნობის W ღუმელში, რომელიც იყენებს Bridgman-ის ტექნიკას.
კრისტალების ზრდა ბრიჯმენის ღუმელში
ღუმელი მოწყობილია მაღალი ტემპერატურის ფართობით, რომელიც დნობის ტემპერატურაზე მაღლა დგას, რომელსაც აკონტროლებს გამათბობლები და დაბალი ტემპერატურა დნობის ზონის ქვემოთ, გრადიენტური ზონით, სადაც ხდება მყარი-თხევადი ინტერფეისი. სუპერშენადნობი თავდაპირველად მთლიანად მაღალი ტემპერატურის ზონაშია დნობის სახით. სუპერშენადნობი ქვევით იშლება უკიდურესად ნელა, დაახლოებით რამდენიმე ინჩი საათში, ისე, რომ მყარი თხევადი ინტერფეისი ნელ-ნელა ამოდის ყალიბში. სუპერშენადნობი მყარდება ფუძიდან ზემოთ. გამაგრების ნელი ტემპი იწვევს მარცვლების ზრდას დენდრიტების სახით W იმ მიმართულებით, რომლითაც ყალიბი გამოყვანილია ღუმელიდან. [8] დენდრიტები წარმოიქმნება მხოლოდ სვეტების სახით ერთი მიმართულებით, კონსტიტუციური არაგაგრილების ეფექტის გამო. როდესაც მყარი იწყებს ფორმირებას, ხსნარის განსხვავებული კონცენტრაცია გვხვდება მყარი-თხევადი ინტერფეისის წინ. სითხეში გამხსნელი ნივთიერების განსხვავება იწვევს წონასწორობის გამაგრების ტემპერატურის ცვლილებას. ამ დროს სითხის ტემპერატურა უფრო დაბალია ვიდრე წონასწორული გამაგრების ტემპერატურა, რაც იწვევს არასაკმარისი გაგრილების ეფექტს. არასაკმარისი გაგრილება იწვევს სითბოს გადატანას მყარი გამონაზარდებიდან სითხეში, რაც ხელს უწყობს დენდრიტების ზრდას. [9] დენდრიტების ზრდის ტემპი პირდაპირ კავშირშია არასაკმარისი გაგრილების რაოდენობასთან. დენდრიტები, რომლებიც გასწორებულია კუთხით, უფრო სწრაფად უნდა გაიზარდონ, რათა დენდრიტებმა უფრო პირდაპირი, ვერტიკალური მიმართულება მიიღონ. იმისათვის, რომ უფრო სწრაფად გაიზარდოს, საჭიროა უფრო მეტი გაციება, რაც ნიშნავს, რომ ეს დახრილი დენდრიტები იზრდება მყარი-თხევადი ინტერფეისიდან უფრო უკან. [8] საბოლოოდ უფრო ხელსაყრელი ვერტიკალური დენდრიტები უსწრებენ დახრილ დენდრიტებს, რომლებიც უფრო უკან არიან. მარცვლეულის საზღვრების მოსაშორებლად ტურბინის პირიდან, მარცვლეულის ამომრჩევი მიმაგრებულია ცვილის ფორმის ძირზე. მარცვლის სელექტორი არის სპირალური ფორმის მილი, რომელიც არ არის ბევრად უფრო დიდი ვიდრე ერთი დენდრიტის მარცვალი. როდესაც ვერტიკალური დენდრიტები ყალიბის ძირში იზრდებიან, მხოლოდ ერთი დენდრიტი შეძლებს სპირალის მეშვეობით მოთავსებას და საბოლოოდ ტურბინის პირის ყალიბში. ამრიგად, გამაგრების დასრულების შემდეგ, ტურბინის დანა იქმნება მთლიანად ერთი მარცვლისგან და იქცევა ტურბინის ერთი ბროლის პირად.
მეთოდის გაუმჯობესება
Bridgman-ის მეთოდის პრობლემა ის არის, რომ სასურველი პროდუქტის წარმოებისთვის საჭიროა რთული, ძვირადღირებული ჩამოსხმის ღუმელი. შეიქმნა სხვა წარმოების მეთოდი, რომელიც აშორებს ნიმუშის ნელა გამოყვანის საჭიროებას ღუმელიდან. ეს ამარტივებს და აჩქარებს პროცესს, რაც მას უფრო ეკონომიურს ხდის. მექანიკური თვისებები ასევე გაუმჯობესებულია, რადგან გამაგრება უფრო სწრაფია, რაც იწვევს ნიმუშებს შორის სეგრეგაციის რაოდენობის შემცირებას. [10] ეს პროცესი იყენებს Al 2 0 3 კერამიკისგან დამზადებულ ფორმას , რომელიც დაფარულია ფენით, რომელიც აფერხებს ბირთვების წარმოქმნას. ნიმუში დაყენებულია ისე, რომ კონტროლირებადი გათბობა ინარჩუნებს მას ბოლომდე დნობას, წყალში გაგრილებული გამაგრილებელი ფირფიტით, რომელიც დაყენებულია ნიმუშის ძირში. სპირალური მარცვლის სელექტორი ამ მეთოდშიც ანალოგიურად გამოიყენება. გათბობა გამორთულია და როგორც ღუმელი გაცივდება, იწყება გამაგრება. ყალიბის ფენა აყოვნებს ბირთვების წარმოქმნას, სანამ არ წარმოიქმნება მნიშვნელოვანი რაოდენობის ქვეშგაგრილება. [10] ამ დროს ნუკლეაცია იწყება ნიმუშის ძირიდან და დენდრიტები იქმნება იმავე გზით. ერთი დენდრიტი გადის მარცვლის ამომრჩეველში და წარმოიქმნება ერთკრისტალური ტურბინის დანა. კონტროლირებადი გათბობა და გაგრილების რაოდენობა ბაზაზე შეიძლება შეიცვალოს მექანიკური თვისებების ოპტიმიზაციისთვის. [10]
ცნობები
- ↑ გადახტომა:1.0 1.1 Badran, OO (1999). გაზის ტურბინის მუშაობის გაუმჯობესება. გამოყენებითი ენერგია, 64(1-4), 263-273.
- ↑ მაიკლ ჯ. მორანი“, „ჰოვარდ ნ. შაპირო“. (2008). საინჟინრო თერმოდინამიკის საფუძვლები (მე-6 გამოცემა). შეერთებული შტატები: John Wiley & Sons, Inc.
- ↑ გადახტომა:3.0 3.1 Carter, TJ (2005). გაზის ტურბინის პირების ხშირი ავარია. საინჟინრო წარუმატებლობის ანალიზი, 12 (2), 237-247.
- ↑ William D. Callister, J. (2007). მასალების მეცნიერება და ინჟინერია შესავალი. შეერთებული შტატები: John Wiley & Sons, Inc.
- ↑ ლი ს. ლენგსტონი. (2006). გვირგვინის სამკაულები. მექანიკოსთა ამერიკული საზოგადოება, ამოღებულია http://web.archive.org/web/20100705051223/http://www.memagazine.org/backissues/membersonly/feb06/features/crjewels/crjewels.html
- ↑ Szczotok, A., Richter, J., & Cwajna, J. (2009). γ' ფაზის ნალექის სტერეოლოგიური დახასიათება CMSX-6 მონოკრისტალურ ნიკელ-ფუძის სუპერშენადნობაში. მასალების დახასიათება, 60(10), 1114-1119 წწ.
- ↑ Hino, Takehisa (Sagamihara, JP) Koizumi, Yutaka (Ryugasaki, JP) Kobayashi, Toshiharu (Ryugasaki, JP) Nakazawa, Shizuo (Suginami-Ku, JP) Harada, Hiroshi (Tsukuba, JP) Ishiwashi, JP. ) იოშიოკა, იომეი (იოკოჰამა, ჯ.პ.). ნიკელის ფუძე ერთკრისტალური სუპერშენადნობები, იგივე და გაზის ტურბინის მაღალი ტემპერატურის ნაწილების დამზადების მეთოდი - პატენტი 6673308 მოძიებულია 11/13/2009, 2009, http://www.freepatentsonline.com/6673308.html .
- ↑ გადახტომა:8.0 8.1 8.2 H'A. ონისკო“, „კ. კუბიაკი“, „ჯ. სიენიავსკი. (2009). ტურბინის პირები ერთკრისტალური ნიკელის დაფუძნებული CMSX-6 სუპერშენადნობისგან. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 32(1) ამოღებულია www.journalamme.org/papers_vol32_1/32110.pdf
- ↑ 'David A. Porter', 'Kenneth E. Easterling', 'Mohamed Y. Sherif'. (2009). ფაზური გარდაქმნები ლითონებსა და შენადნობებში. შეერთებული შტატები: Taylor & Francis Group, LLC.
- ↑ გადახტომა:10.0 10.1 10.2 Ludwig, A., Wagner, I., Laakmann, J., & Sahm, PR (1994). სუპერშენადნობის დნობის ქვეშ გაგრილება: ერთკრისტალური ტურბინის პირების წარმოების ახალი ტექნიკის საფუძველი. მასალების მეცნიერება და ინჟინერია: A, 178 (1-2), 299-303.