Tua bin khí, giống như mọi lĩnh vực sản xuất điện, phụ thuộc rất nhiều vào hiệu suất nhiệt để sản xuất điện hiệu quả. Có một số cách trong công nghiệp để tăng hiệu suất nhiệt của chu trình điện tua bin khí. Những phương pháp tăng hiệu suất này hầu như luôn bị giới hạn bởi các đặc tính luyện kim của các thành phần tua bin. Hiệu suất nhiệt của tua bin khí có thể được tăng đáng kể với các thành phần có khả năng chịu được nhiệt độ làm việc cao hơn. Việc sử dụng các cánh tua bin siêu hợp kim tinh thể đơn cho phép điều này trở thành hiện thực. Các cánh tua bin tinh thể đơn có thể hoạt động ở nhiệt độ làm việc cao hơn cánh tua bin tinh thể và do đó có thể tăng hiệu suất nhiệt của chu trình tua bin khí.
Nội dung
Chu trình tua bin khí
Nhà máy điện tua bin khí bao gồm một tua bin được kết nối với một máy nén có buồng đốt ở giữa. Không khí trong khí quyển được hút vào máy nén và sau đó được nén và đi vào buồng đốt. Trong buồng đốt, không khí được trộn với nhiên liệu và được đốt cháy. Điều này làm tăng nhiệt độ của không khí trong khi vẫn duy trì ở áp suất không đổi. Bây giờ không khí đi vào tua bin, tại đó quá trình giãn nở diễn ra đồng thời tạo ra công đầu ra hữu ích. Nhiệt độ không khí đầu vào càng cao thì lượng công hữu ích được tạo ra từ tua bin càng lớn. [1]
Tăng hiệu quả
Chu trình nhiệt động lực học này được gọi là Chu trình Brayton. Hiệu suất của tua bin khí được đưa ra bởi phươngtrình
Phương trình 1: Hiệu suất nhiệt của chu trình Brayton
Phương trình 1a: Hiệu suất nhiệt của chu trình Brayton theo tỷ số áp suất
Chu kỳ Brayton thường được biểu diễn bằng sơ đồ nhiệt độ-entropy, hay TS. Các sơ đồ này cho thấy trạng thái của không khí tại mỗi điểm của chu kỳ Brayton. Một ví dụ về sơ đồ TS điển hình được thể hiện trong hình 1 bên dưới.
Hình 1: Biểu đồ TS của chu trình Brayton
Hình 1a: Tỷ lệ áp suất tăng
Hình 1b: Tăng tỷ lệ nhiệt độ và áp suất tối đa
Từ sơ đồ TS thể hiện trong Hình 1a, có thể thấy rằng việc tăng tỷ lệ áp suất tương đối W thực tế sẽ làm tăng hiệu suất nhiệt do lượng nhiệt bổ sung vào hệ thống giảm. Điều này bị giới hạn bởi nhiệt độ tối đa của chu trình xảy ra tại đầu vào của tua bin. Giới hạn này làm giảm tổng công suất đầu ra của chu trình khi tỷ lệ áp suất tăng. Để tạo ra cùng một lượng công đầu ra ở tỷ lệ áp suất tương đối tăng, cần phải tăng lưu lượng khối lượng, đòi hỏi thiết bị lớn hơn và đắt tiền hơn. [2] Có nhiều ứng dụng cần động cơ tua bin nhỏ hơn, chẳng hạn như trong xe cộ. Hiệu suất nhiệt có thể được tăng lên đồng thời cũng tăng mức công đầu ra bằng cách tăng nhiệt độ của không khí tại đầu vào của tua bin. [1]
Có nhiều ứng dụng mà việc giảm công sinh ra là không thể chấp nhận được. Việc tăng nhiệt độ tối đa của chu trình làm tăng cả hiệu suất và tổng lượng công sinh ra. Nhiệt độ tăng cũng cho phép tăng tỷ lệ áp suất lớn hơn để cải thiện hiệu suất hơn nữa trong khi vẫn duy trì mức công sinh ra cao. Điều này được thể hiện trong hình 1b ở trên. Các đặc tính luyện kim giới hạn nhiệt độ đầu vào của tua bin có thể hoạt động ở mức nào. Nhiều phương pháp được sử dụng để cho phép các cánh tua bin hoạt động trong điều kiện nhiệt độ cao hơn. Sự phát triển của cánh tua bin tinh thể đơn được làm bằng siêu hợp kim gốc niken cho phép đạt được nhiệt độ hoạt động cao hơn.
Thuận lợi
Các cánh tuabin đơn tinh thể có lợi thế về mặt cơ học là có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với các cánh tuabin tinh thể. Với khả năng tăng hiệu suất tuabin ở nhiệt độ cao hơn, việc phát triển các cánh này rất có lợi. Các cánh tuabin có thể hoạt động ở nhiệt độ cao này do cấu trúc tinh thể đơn và thành phần của siêu hợp kim gốc niken.
Độ rão W là nguyên nhân phổ biến gây ra hỏng hóc ở các cánh tua-bin và trên thực tế là yếu tố hạn chế tuổi thọ. [3] Khi nhiệt độ của vật liệu chịu ứng suất cao tăng lên đến điểm tới hạn, tốc độ rão tăng nhanh. [4] Cấu trúc tinh thể đơn có khả năng chịu được độ rão ở nhiệt độ cao hơn so với các cánh tua-bin tinh thể do không có ranh giới hạt. Ranh giới hạt là một vùng của cấu trúc vi mô nơi nhiều khuyết tật và cơ chế hỏng hóc bắt đầu dẫn đến hiện tượng rão xảy ra. [5] Việc thiếu các ranh giới hạt này ngăn cản hiện tượng rão xảy ra theo cách này. Hiện tượng rão vẫn sẽ xảy ra ở các cánh tua-bin tinh thể đơn nhưng do các cơ chế khác nhau xảy ra ở nhiệt độ cao hơn. Cánh tua-bin tinh thể đơn không có ranh giới hạt dọc theo các hướng ứng suất dọc như cánh tua-bin tinh thể. Điều này cũng có tác dụng làm tăng cường độ rão.
Siêu hợp kim gốc niken
Có một số siêu hợp kim đã được sử dụng trong nỗ lực tạo ra một cánh tuabin đơn tinh thể có khả năng chịu được nhiệt độ vận hành cao nhất có thể. Các siêu hợp kim này thường có gốc niken và chứa một số nguyên tố khác, tất cả đều góp phần tối ưu hóa các đặc tính cơ học của cánh tuabin trong điều kiện nhiệt độ cao. Thành phần của từng nguyên tố được thêm vào liên tục được thử nghiệm để cho phép tối ưu hóa này. Một ví dụ về siêu hợp kim được sử dụng cho mục đích làm cánh tuabin đơn tinh thể là CMSX6. Thành phần của siêu hợp kim này được thể hiện trong bảng dưới đây.
Trong tinh thể đơn của siêu hợp kim, có hai pha hiện diện, một ma trận gamma và một chất kết tủa gamma nguyên chất. Pha gamma nguyên chất cần phải lớn hơn 50% thể tích trong siêu hợp kim để cung cấp khả năng tăng khả năng chống biến dạng. [6] Sự hiện diện của pha gamma nguyên chất làm tăng độ bền cơ học của cánh tuabin bằng cách ngăn chặn chuyển động trật khớp. Pha gamma nguyên chất có đặc tính bất thường là tăng độ bền khi nhiệt độ tăng. Điều này đúng lên đến 973 độ C. [3] Sự gia tăng độ bền này do nhiệt độ tăng dẫn đến siêu hợp kim có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn.
Việc thiếu ranh giới hạt trong cánh tua bin cho phép sử dụng siêu hợp kim để giảm sự hiện diện của các nguyên tố thường được sử dụng để tăng cường ranh giới hạt, chẳng hạn như cacbon và bo. Các nguyên tố này làm giảm độ bền kéo và nhiệt độ nóng chảy của hợp kim khi tìm thấy trong các thành phần quan trọng hơn. Không cần nồng độ đáng kể của các nguyên tố này, cánh tua bin đơn tinh thể có thể duy trì độ bền và sử dụng ở nhiệt độ cao hơn. [7]
Quá trình sản xuất và sự phát triển của tinh thể
Có một số phương pháp sản xuất khác nhau được sử dụng trong thực tế để tạo ra các cánh tuabin đơn tinh thể. Tất cả các phương pháp sản xuất đều sử dụng ý tưởng về quá trình đông đặc theo hướng hoặc quá trình đông đặc theo hướng tự chủ, trong đó hướng đông đặc được kiểm soát. Một phương pháp phổ biến là phương pháp Bridgman để phát triển các tinh thể đơn. Trong phương pháp này, một lò đúc được sử dụng để phát triển tinh thể. Trong quy trình này, trước tiên phải tạo khuôn cho cánh. Sáp nóng chảy được tiêm vào khuôn kim loại của cánh tuabin mong muốn và để đông lại và tạo thành hình dạng của cánh tuabin. Sau đó, mô hình sáp được sử dụng để tạo khuôn gốm để sử dụng cho việc sản xuất các cánh tuabin đơn tinh thể. Khi khuôn gốm được tạo ra, nó được nung nóng để tăng độ bền của khuôn. [8] Khi khuôn đủ để sử dụng, sáp được nấu chảy ra từ bên trong khuôn. Khuôn bây giờ được đổ đầy dạng nóng chảy của siêu hợp kim gốc niken. Siêu hợp kim nóng chảy chứa trong khuôn được đặt trong một số loại lò đúc, thường là lò nấu chảy cảm ứng chân không W , sử dụng các kỹ thuật Bridgman.
Sự phát triển của tinh thể trong lò bridgman
Lò được thiết lập với một khu vực có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy, được kiểm soát bởi các bộ gia nhiệt và nhiệt độ thấp hơn vùng nóng chảy, với một vùng có độ dốc nơi xảy ra giao diện rắn-lỏng. Ban đầu, siêu hợp kim nằm hoàn toàn trong vùng nhiệt độ cao ở dạng nóng chảy. Sau đó, siêu hợp kim được hạ xuống cực kỳ chậm, với tốc độ khoảng vài inch mỗi giờ, để giao diện rắn-lỏng dâng lên từ từ trong khuôn. Siêu hợp kim đông đặc từ đáy lên. Tốc độ đông đặc chậm khiến các hạt phát triển thành các nhánh cây W theo hướng khuôn được kéo ra khỏi lò. [8] Các nhánh cây chỉ hình thành dưới dạng các cột theo một hướng do tác động của quá trình làm mát dưới mức cấu tạo. Khi chất rắn bắt đầu hình thành, nồng độ chất tan thay đổi được tìm thấy ngay trước giao diện rắn-lỏng. Sự thay đổi của chất tan trong toàn bộ chất lỏng gây ra sự thay đổi nhiệt độ đông đặc cân bằng. Tại thời điểm này, nhiệt độ của chất lỏng thấp hơn nhiệt độ đông đặc cân bằng gây ra hiệu ứng làm mát dưới mức. Quá trình hạ nhiệt khiến nhiệt được truyền từ các phần nhô ra rắn sang chất lỏng thúc đẩy sự phát triển của nhánh cây. [9] Tốc độ mà các nhánh cây phát triển có liên quan trực tiếp đến lượng hạ nhiệt hiện diện. Các nhánh cây được căn chỉnh theo một góc phải phát triển nhanh hơn để theo kịp các nhánh cây phát triển theo hướng thẳng đứng trực tiếp hơn. Để phát triển nhanh hơn, cần có lượng hạ nhiệt lớn hơn, nghĩa là các nhánh cây góc này phát triển xa hơn về phía sau so với giao diện rắn-lỏng. [8] Cuối cùng, các nhánh cây thẳng đứng thuận lợi hơn sẽ vượt qua các nhánh cây góc ở xa hơn. Để loại bỏ ranh giới hạt khỏi cánh tuabin, một bộ chọn hạt được gắn vào đáy khuôn sáp. Bộ chọn hạt là một ống hình xoắn ốc không lớn hơn nhiều so với một hạt nhánh cây đơn lẻ. Khi các nhánh cây thẳng đứng phát triển ở đáy khuôn, chỉ có một nhánh cây có thể vừa khít qua đường xoắn ốc và cuối cùng là vào khuôn cánh tuabin. Do đó, sau khi quá trình đông đặc hoàn tất, cánh tuabin được tạo ra hoàn toàn từ một hạt và trở thành một cánh tuabin đơn tinh thể.
Cải tiến về phương pháp
The problem with the Bridgman method is that a complex, expensive casting furnace is needed to produce the desired product. Another manufacturing method has been created that takes away the need for the sample to be slowly pulled out of the furnace. This simplifies and speeds up the process making it more cost efficient. The mechanical properties are also improved as the solidification is more rapid causing a reduction in the amount of segregation amongst the sample.[10] This process uses a mould made of Al203 ceramic, which is coated with a layer that inhibits nucleation from occurring. The sample is set up so there is controlled heating keeping it molten all the way through with a water-cooled chill plate set at the base of the sample. The spiral grain selector is used in the same way in this method. The heating is turned off and as the furnace cools down, solidification begins. The layer of the mould delays nucleation from occurring until a substantial amount of undercooling is produced.[10] At this point nucleation begins at the base of the sample and dendrites form in the same way. A single dendrite passes through the grain selector and the single crystal turbine blade is produced. The controlled heating and amount of chilling at the base can be varied to optimize mechanical properties.[10]
References
- ↑ Jump up to: 1.0 1.1 Badran, O. O. (1999). Gas-turbine performance improvements. Applied Energy, 64(1-4), 263-273.
- ↑ Michael J. Moran', 'Howard N. Shapiro'. (2008). Fundamentals of engineering thermodynamics (6th ed.). United States: John Wiley & Sons, Inc.
- ↑ Jump up to: 3.0 3.1 Carter, T. J. (2005). Common failures in gas turbine blades. Engineering Failure Analysis, 12(2), 237-247.
- ↑ William D. Callister, J. (2007). Materials science and engineering an introduction. United States: John Wiley & Sons, Inc.
- ↑ Lee S. Langston. (2006). Crown jewels. The American Society of Mechanical Engineers, Retrieved from http://web.archive.org/web/20100705051223/http://www.memagazine.org/backissues/membersonly/feb06/features/crjewels/crjewels.html
- ↑ Szczotok, A., Richter, J., & Cwajna, J. (2009). Stereological characterization of γ′ phase precipitation in CMSX-6 monocrystalline nickel-base superalloy. Materials Characterization, 60(10), 1114-1119.
- ↑ Hino, Takehisa (Sagamihara, JP) Koizumi, Yutaka (Ryugasaki, JP) Kobayashi, Toshiharu (Ryugasaki, JP) Nakazawa, Shizuo (Suginami-Ku, JP) Harada, Hiroshi (Tsukuba, JP) Ishiwata, Yutaka (Zushi, JP) ) Yoshioka, Yomei (Yokohama, JP). Siêu hợp kim đơn tinh thể gốc niken, phương pháp sản xuất các bộ phận nhiệt độ cao của tuabin khí và tuabin khí - bằng sáng chế 6673308 Truy cập ngày 13/11/2009, 2009, từ http://www.freepatentsonline.com/6673308.html .
- ↑Nhảy lên tới:8.0 8.1 8.2 H'A. Onyszko', 'K. Kubiak', 'J. Sieniawski'. (2009). Các cánh tua bin của siêu hợp kim CMSX-6 dựa trên niken tinh thể đơn. Tạp chí Thành tựu trong Kỹ thuật Vật liệu và Sản xuất, 32(1) Truy xuất từ www.journalamme.org/papers_vol32_1/32110.pdf
- ↑ 'David A. Porter', 'Kenneth E. Easterling', 'Mohamed Y. Sherif'. (2009). Biến đổi pha trong kim loại và hợp kim. Hoa Kỳ: Taylor & Francis Group, LLC.
- ↑Nhảy lên tới:10.0 10.1 10.2 Ludwig, A., Wagner, I., Laakmann, J., & Sahm, PR (1994). Làm mát dưới mức của hợp kim siêu nóng chảy: Cơ sở của kỹ thuật sản xuất mới cho cánh tuabin đơn tinh thể. Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu: A, 178(1-2), 299-303.