أثر المواد التي تستخدمها دائرة الاحتراق على مدى الحياة الهندسية والأداء

أثر المواد التي تستخدمها دائرة الاحتراق على مدى الحياة الهندسية والأداء

ويتأثر أداء المهندسين وطول العمر تأثراً عميقاً بالمواد المستخدمة في جهاز التغليف، وتعمل هذه الخواص في أحد أكثر البيئات تطرفاً داخل محرك، وتدوم درجات الحرارة التي يمكن أن تتجاوز 2000 درجة مئوية في بعض التطبيقات ذات الأداء العالي، إلى جانب الضغوط التي قد تصل إلى مئات البار، ويؤثر اختيار مواد الاختبار تأثيراً مباشراً على الإدارة الحرارية، وسلامة الميكانيكية، والمقاومة، والضغط، والمحرك التنظيمي.

غرفة الاجتماعات

ظروف العمل والتشغيل

وقد يكون جهاز الترميم، المعروف أيضاً باسم جهاز أسطوانة أو أكمام أسطوانة في محركات التلقيح، أو جهاز الاحتراق في توربينات الغاز، بمثابة الجدار الداخلي الذي يحتوي على عملية الاحتراق، وأدواره الرئيسية هي توفير سطح مُحكم لحلقات الصب أو نصلات التوربين، لتيسير نقل الحرارة من الغازات الساخنة إلى الخلايا.

وتعاني ظروف التشغيل من وحشية: ففي محرك آلي نموذجي، تتراوح درجات الحرارة القصوى للغاز بين 1200 درجة مئوية و1500 درجة مئوية، بينما يمكن أن تصل درجات الحرارة في محرك الطائرات إلى 1800 درجة مئوية. وتُحدث دورات الضغط ضغطا ميكانيكيا على نحو دوري، وتشمل البيئة الكيميائية أنواعا تفاعلية مثل الأكسجين، وأكسيد النيتروجين، ومركبات الكبريت، وثبات الماء التي تقاوم ارتفاع درجة الحرارة.

الاحتياجات من المواد الأساسية

ويجب أن تكون المواد التي تُعد خطا مثاليا لها خصائصها التالية:

• High melting point and thermal stability] - to withstandtom combustion temperatures without melting or experiencing phase changes.
• Excellent thermal conductivity] - to efficiently transfer heat away from the combustion zone into the cooling system, preventing hot spots.
• ارتفاع القوة عند درجات الحرارة المرتفعة - لمقاومة التشوه تحت الضغط وسوء المطابقة في التوسع الحراري.
• Resistance to corrosion and oxidation] - to maintain surface integrity in the presence of combustion gases.
• مقاومة الخوف والاحتكاك المنخفض ] - للتقليل إلى أدنى حد من الخنق والارتداء ضد حلقات البستون أو نصلات توربين.
• الاستقرار الدفاعي - للحفاظ على التصاريح على حياة المحرك.
• Manufacturability and cost-effective] - to allow production at scale.

فالتداول عن هذه الممتلكات هو التحدي الرئيسي في اختيار المواد، فعلى سبيل المثال، كثيرا ما تأتي القدرة على التصرف الحراري بتكلفة منخفضة من القوة العالية الحرارة، كما يتبين من السبيكة النحاسية، وعلى العكس من ذلك، فإن السيراميين يقدمون مقاومة حرارية استثنائية ولكنهم يرتدون رشوة ويصعب عليهم صنع الآلات، وفهم هذه المفاضلات أمر أساسي بالنسبة لمصممي المحركات.

المواد المشتركة المستخدمة في دائرة الاحتراق

الرصاص المصبوب والفولط

ويحتاج الحديد المصنوع من الفولاذ إلى زيادة في عدد المحركات أو الصبغة الفوقية، أو إلى زيادة في عدد المحركات الصبغة أو الصبغة الفوقية، أو إلى زيادة القدرة على معالجة الصبغة، أو إلى زيادة القدرة على الأكل، أو إلى زيادة القدرة على الأكل، أو إلى حد أدنى من حيث القدرة على معالجة الصبغة الحرارية (نحو 40 إلى 60 W/m إلى K) وإلى انخفاض التكلفة.

وفي حين أن الحديد والصلب لا يزالان مستخدمين على نطاق واسع، فإن سلوكهما الحراري معتدل فحسب، كما أن كثافةهما تضيف وزناً، علاوة على ذلك، فإنهما عرضة للتآكل من منتجات الاحتراق الحمضي، ولا سيما في محركات حرق الوقود من الكبريت العالية، وقد دفعت هذه القيود إلى اعتماد مواد متقدمة.

المحار النحاسية

ويتوقف النحاس وخطوطه عن مساره الحراري الاستثنائي (حتى 400 دبليوك) للنحاس النقي)، وهو ما يمثل نحو عشرة أضعاف مثيله في الحديد الطلق، حيث تتيح هذه الممتلكات تذبذب حراري سريع، وتخفض درجات حرارة الخيوط، وتخفف من حدة الإرتفاع الحراري في المحركات ذات الأداء العالي.

النيكل - بسبّار الخيل

وفي أكثر البيئات احتياجاً، مثل محركات التربينات الغازية المشتعلة ومحركات الديزل ذات الأداء العالي، وهي تصلح في المقام الأول، وتُستخدم فيها المحارم مثل محركات الإكسيد 718، وهاينز 230، و90 محركات الديوكسينات العالية، وتُعد مقاومة الازدحام عند درجة الحرارة التي تقارب 1000 مئوية.

Aluminum Alloys

وبالرغم من أن المحارم الألومنيوم جذابة بالنسبة لكثافة الكثافة المنخفضة والارتفاع الحراري (150-200 دبليو/م) وهي تستخدم في بعض محركات الوزن الخفيف، ولا سيما في المحركات الخارجية ومحركات الكوكتيل الصغيرة ذات الكثافة العالية، إلا أن درجة الألمنيوم المنخفضة (60 درجة مئوية)، وسوء مقاومة الارتطام، وارتفاع كفاءة التوسع الحراري تحد من استخدامها كمواد حرارية.

التكتلات الحرارية وأجهزة التكتل الحرارية

وبدلاً من استخدام خطوط السيرامي الصلبة، التي هي أكثر رشوة لمعظم المحركات، فإن المعاطف الحرارية التي تستخدم في المصانع الفرعية للمعادن قد أصبحت واسعة الانتشار، وأكثر المواد التي تستخدمها هذه المادة شيوعاً هي الزركونيا التي تُستخدم بدرجة حرارة أقل، والتي تُستخدم في إحداث حرارة حرارة حرارة البلاستيك أو في درجة حرارة التسارع التراكمي.

Ceramic Matrix Composites (CMCs)

Ceramic specosites, particularly silicon carbide fibers in a silicon carbide spec (SiC/SiC), represent the cutting edge of combustion chamber liner materials. They offer extremely temperature rejection capability (up to 1400°C in oxidizing atmospheres), low density (about one-third of nickel superalloys), and good thermal shock

مواد مسحوقة ومزودة بمواد وظيفية

المواد التي يتم تصنيفها حسب الأصول الوظيفية هي مركبات حيث يتباين التركيب والممتلكات من الناحية المكانية، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يكون للجهاز طبقة داخلية مقاومة للارتداء (مثل مركب معدني سيراميكي) وطبقة خارجية قوية ومتسقة للغاية (مثل النحاس) ويمكن تصنيع هذه المواد باستخدام الميكالية المميتة أو التصنيع المضاف أو الرش الحراري.

الأثر على الأداء المحركي والطول

الإدارة الحرارية والكفاءة

ويؤثر التمرين الحراري للمواد التي تستخدم الخيوط تأثيرا مباشرا على درجة الحرارة في غرفة الاحتراق، كما أن خطاً عالياً (مثلاً، النحاس) يستخرج بسرعة من الغاز، ويخفض درجة الحرارة القصوى للحرق، ويعزز كفاءة المحركات الحرارية ويحسن الكفاءة في الترميز عن طريق التبريد، ويقلل أيضاً من الكفاءة الحرارية لأن درجة الحرارة تضيع عند التبريد بدلاً من التحول إلى العمل.

الآليات العمرية والعمرية

المادة اللينة تؤثر بشكل كبير على معدلات التسرب، والارتداءات الخافضة من الجسيمات الصلبة (مثلاً، الصوم، الرماد) والارتداء اللاصق (الخنق) بين الخيوط و الخواتم المُتسمّى، والزيوت المُتعاطى المُتسرّبة، والزجاجات المُتسرّبة التي تُخَصّب بسرعة.

الاختناق والتصويب

(ب) الغازات التراكمية تحتوي على الأكسجين، والبخار المائي، والأنواع الحمضية التي تهاجم مواد السكك الحديدية؛ وتشكل الحديد المصبوب مقياساً واقياً من الأوكسجين، ولكن في درجات الحرارة العالية يمكن أن يرتفع هذا المقياس، ويعرض مادة الكيمياء في شكل حامض الكبريت عند التكثيف أثناء بداية البرد، مما يؤدي إلى تفجر المعاطفة.

الحياة والموثوقية

إن التتبع الحراري للثديين نتيجة لدورات التدفئة والتبريد المتكررة - هو أسلوب إخفاق مشترك في التحميلات - المواد ذات الانتشار الحراري العالي (الطريقة الحرارية المقسمة حسب الكثافة، والطباعة المتوسطة للدماغ، والاختناق في التحلل الحراري) - مما يؤدي إلى انخفاض درجة الحرارة - الإجهاد الحراري -

الاتجاهات المستقبلية في المواد التي تستخدمها دائرة الاحتراق

المواد الكيميائية المتطورة والمهجورة

إن الدافع إلى زيادة الكفاءة وانخفاض الانبعاثات هو زيادة درجات الحرارة في الاحتراق، ففي التوربينات الغازية، تؤدي التطورات في المصفوفة الخزفية إلى زيادة حرارة التربينات في أعلى من 1700 درجة مئوية دون أن يؤدي ذلك إلى تحسين الكفاءة الحرارية.

التكتلات النانوية والذكية

إضافة إلى ذلك، فإن المعاطف الحرارية المجهزة بالحواجز الحرارية (الحاويات النووية - الحاويات) تؤدي إلى انخفاض في السلوك الحراري وإلى زيادة القوة عن الطلاء التقليدي، إذ إن الباحثين، بإدراج الجسيمات النانوية أو استخدام رذاذ البلازما المعلّقة، يمكنهم أن يخلقوا معطفاً مع حدود رقيقة وكثافة أعلى من الوصلات الزجاجية المحتوية على زائفتين.

التصنيع والتصميم على الوجه الأمثل

(أ) إن تصنيع المواد الاصطناعية أو الطباعة بواسطة ثلاثية الأبعاد هو نسيج مُحدِّد للأجهزة التليفية، ويسمح الإنصهار بالليزر الانتقائي بصنع قنوات تُحدِّد داخلياً متوافقة مع شكل أجهزة التنظيف، وتُحدِّد إلى أقصى درجة من الحرارة، كما يتيح نظام الرصد التقني للمواد التي لا تزال تُغيّر باستمرار عبر الجدار العازل - من وجود مشكلة مُثلة في الداخل إلى طبقة خارجية شديدة السلوك.

خاتمة

وتأتي مواد جهاز الاحتراق أكثر بكثير من مجرد تفاصيل هندسية؛ وهي عامل تمكين رئيسي من أداء المحرك وكفاءته وطويلته، ومن الحديد والفولاذ التقليدي إلى السكك الحديدية المتقدمة، ومواد التغليف الخزفي، والمصفوفات الخزفية، ومن ثم فإن كل مادة توفر توازناً متميزاً بين خصائص الصنع الحراري والميكانيكي والكيميائي.