פיתוח חומרים קלים עבור יחידות דלק עופרת של אלקטרוניקה

The Race for Lighter, Stronger Turbines

דחיפה חסרת פשרה לעבר יותר מבני כוח ניידים הציבה חומרים קלים במרכז החדשנות של גז טורבינות גז נייד יחידות טורבינות - בשימוש עבור חשמל שדה הקרב, פעילות קידוח מרחוק, הקלה אסון, ויחידות כוח עזר במטוסים - דורש שילוב ייחודי של צפיפות גבוהה של כוח, אמינות, ומשקל כבד נמוך, כגון פלדה ו Superalloys המבוססים ניקל, בעוד חזק, מגביל ניידות ולהגדיל את הנטליסטים המתפשטים מתקדמים, חומרים מדעיים, ללא לחץ דרמטי, החל מלחץ מתקדם, החל מלחץ התפתחותי משקל, יש צורך לאחרונה, חומרים מתקדמים, חומרים מתקדמים, חומרים מתקדמים, חומרים מתקדמים, חומרים קריטי, ללא לחץ התפתחותי משקל, 000, 000, 000, 000, חומרים מתקדמים, 000.

מדוע משקל חשוב ב- Portable Gas Turbines

המשקל הפיזי של טורבינת גז משפיע ישירות על מהירות הפריסה שלה, צריכת דלק, דרישות תמיכה מבנית.ביישומים צבאיים, ירידה של 100 קילו במשקל המנוע יכול להיות גם כמה מאות קילו של קיבולת מטען עבור מסוק תחבורה או יחידת תגובה מהירה יותר הקרקעית. עבור גנרטורים חירום ניידים, משקל נמוך יותר מפשט טיפול ולהפחית את הצורך של ציוד הרמת כבד.

ירידה במשקל משפיעה גם על ניהול תרמי. רכיבי אור לעתים קרובות יש אינרציה תרמית נמוכה יותר, ומאפשרת תגובה מהירה יותר ותגובה טובה יותר לטעון שינויים. בהקשר של טורבינות ניידות שעשויות להיות צורך לעבור מהתחלה קרה לעוצמה מלאה בתוך פחות מ -30 שניות, הנכס הזה הוא קריטי יותר, מופחת המסה ברוטב חלקים רוטטים מורידים כוחות צנטריפוגלים ועומסים, להאריך את חיי הרכיב וצמצום מרווחי תחזוקה.

כיתות עיקריות של חומרים קלים

מגוון רחב של משפחות חומריות הותאמו בהצלחה לשימוש בטורבינה גז, כל אחת מציעה יתרונות נפרדים באזורים ספציפיים של המנוע.הבחירה תלויה בטמפרטורה הפעלה, סביבת מתח, עמידות חמצון, ועלות.

פחמן-Fiber-Reinforced Polymers (CFRP)

מורכב CFRP הפכו לחומר של בחירה עבור רכיבים סטטיים כגון להבים מעריצים, לוחות nacelle, ו דחיסות Csings. עם מודולולוס ספציפי כמעט 5 פעמים של פלדה וכוח רב הפין שווה סגסוגת רבים, CFRP מאפשר חיסכון המוני של 30-50% על פני מקבילות מתכת קונבנציונליות.

אלומיניום Alloys

אלומיניום נשאר חומר נייר עבודה עבור מסגרות טורבינות קלות וקטורות הילוכים. Wrought ⁇ s כגון 7075-T6 ו 2024-T3 מציעים עשרות נקודות חוזק מעל 500 MPa עם צפיפות של רק 2.8 גרם / 3. וריאנטים חדשים, כולל אלומיניום-scandium סגסוגת, לספק יציבות תרמית משופרת ונפיחות, מה שהופך אותם אטרקטיבי עבור דיור מבני בלבד, 000 מעלות צלזיוס, גם מצמצם את רמות נמוכות יחסית של אלומיניום.

טיטניום Alloys

⁇ טיטניום לגשר על הפער בין אלומיניום ופלדה, המציע צפיפות של 4.5 גרם / CM3 עם כוחות מעל 900 MPa והתנגדות קורוזיה מעולה. Alloys כגון Ti-6Al-4V ו- Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo משמשים באופן נרחב עבור רכיבי חומצה דחיסה (pine) ו-Ratanium שומרת תכונות מכניות שימושיות עד 540C, מה שהופך אותו אידיאלי עבור רמות נמוכות של חומרים כימיים (Altinepic) להורדת תוספת של עיבוד עדכניות) להורדת תוספת של חומצה בינונית (תוספת גבוהה) להורדת תוספת של חומצה בינונית) להורדת תוספת של חומצה בינונית (Dirginicinepinepine) ל-Dinepiclymine) עבור עלויות עדכנית של עלויות מחקר עדכנית) להורדת תוספת של חומצה בינונית (תוספת גבוהה של חומצה בינונית) עבור סגסוגת חומצה בינונית (Dirginiclyminepinepine) עבור סגסוגת נמוכה יותר עבור סגסוגת חומצה בינונית (תוספת גבוהה יותר של עלויות של עלויות של עלויות של חומצה בינונית) עבור סגסוגת חומצה בינונית של חומצה בינונית (תוספת גבוהה יותר של חומצה בינונית) עבור סגסוגת חומצה בינונית) עבור סגסוגת חומצה בינונית) עבור סגסוגת חומצה בינונית (תוספת גבוהה

Ceramics מתקדם Ceramic Matrix Composites (CMCs)

Ceramics כגון סיליקון nitride (Si3N4) וסיליקון carbide (SiC) מציג כוח טורבינות גבוהה-זמני, עם גבולות תפעול מעל 1400 מעלות צלזיוס.זה מאפשר חיסול של מערכות אוויר מורכבות קירור, הגדלת יעילות טורבינות על ידי 6-8 נקודות התחדשות חומרים, עם זאת, את הסגת רטט של קרמיקה מונוליטית מגבילה את השימוש שלהם בסביבות השפעה-יתר מתכת.

מגנזיום Alloys

ב-1.74 גרם / ס"מ, מגנזיום הוא המתכת המבנית הקלה ביותר, המציעה ירידה במשקל של 35% על אלומיניום. ⁇ ניו זחל-resistant המכיל אלמנטים נדירים-earth (למשל, אלקטר 21) מרחיבה את טמפרטורות השירות ל-300 מעלות צלזיוס, המאפשרת השימוש שלהם ב ⁇ לא קריטיים, מחבתות שמן, ודירות גישה.

פריצות דרך וטכנולוגיות מתפתחות

בחמש השנים האחרונות היו עדים להאצה בפיתוח חומרי, המונעת על ידי כלי עיצוב חישוביים, ייצור מתקדם והבנה עמוקה יותר של מנגנוני כישלונות ברמה המיקרו-מבנית.

ייצור תוספת של אור משקל Geometries

אבקת לייזר אבקת היתוך ואלקטרון beam נמס עכשיו לאפשר ייצור של מרכיבים ניקל-כלוי טיטניום עם מבנים פנימיים של צמיגים כי להפחית במשקל על ידי 40-60% תוך שמירה על כוח. שיטות אלה גם לאפשר שילוב של ערוצי קירור וצלעות קשיחות בלתי אפשריות עם הליכוד קונבנציונלי או זיוף. עבור טורבינות ניידות, המיוצרים באופן תוספת של גלגלי טיטניום אלומיניום ו camedias הוכחורציה כבר על ידי חלבון, 000 יחידות חיתוך זמן, 000, 000, 000 קשה יותר, 000.

ננו-Engineered Composites

הכללה של צינורות פחמן, גרפן, או חלקיקים nanoscale בורון nitride בפולימרים ומכות מתכת הפיקה מרוכבים עם 20-30% גבוה יותר Tenile Modulus ושיפור מוליכות תרמית. עבור להבים טורבינות, ציפוי ננו-כוח דק יכול ללטף את שערי שחיקה ניידים מ ingestion חלקית מבלי להוסיף מחקר מדידה קלה במספר אוניברסיטאות הוא גם לחקור עצמיים, בעוד שעדיין לדחוף את החומרים העלולים להיות מתוחכמות גבוהה יותר, כאשר הם לדחוף את החומרים העלולים להיות מתוחכמות של כוח לחץ על ידי כוח חיים מתוחכמות גבוהה יותר.

חומרים ביו-שראה והירוארכיים

הטבע מציע השראה למבנים קלים עם קשיחות יוצאת דופן.חוקרים מחקים את הסדר הסיבים הליקלי של פגזים קרוצאן ואת הנפיחות של הבמבוק בעיצוב להבים טורבינות שהתנגדו לטכניקות קידוד מהיר, בשילוב עם אופטימיזציה ממוחשבת, יצרו מלודי פחמן-סמלים עם כוח ספציפי יותר מ 15% מאשר קוואסי-איזוטרופיים מסורתיים אלה.

Integrated Thermal Barrier ו- Structural Coating

במקום להוסיף ציפויים של מחסום תרמי נפרד, מערכות חומר חדשות משלבות הגנה תרמית עם יכולת רבת עומס.לדוגמה, מעיל עליון zirconia עמיד על zirconia העליון מוחל על להב טיטניום-אלמאמין יכול להפחית את הביקוש האוויר הקירור על ידי 30%, המאפשר טורבינות גבוהה יותר בטמפרטורות ללא מגבלות חומרים.

אתגרים בדרך לאימוץ

למרות היתרונות העצומים, חומרים קלים מתמודדים עם מכשולים משמעותיים לפרסה נרחבת ביחידות טורבינות גז ניידות.

עלויות הייצור ו-Salability

רבים מתרכובות מתקדמות וקרמיקה דורשים חומרים גלם יקרים ותהליכים איטיים, מכווני אצווה.הייצור של להבים טורבינות CMC, למשל, כרוך במספר מחזורי סינון כימיים שלוקחים שבועות, עלויות נהיגה ל-5,000 $-10,000 דולר להב. בדומה, תוספת של רכיבי טיטניום עדיין גבוהה עבור יחידות עשירות, עם עלויות של 300 דולר ל- 000 $ ל- 000 $ ל- 000 עבור קיבולת נמוכה, אך עדיין לא גבוהה של עלויות של עלויות ייצור, אך עדיין לא מפותחות.

עייפות תרמית ו Creep בטמפרטורות גבוהות יותר

חומרים קלים, במיוחד פולימרים ואלומיניום, סובלים מצמרר ועייפות מואצים כאשר נחשפים למחזורים התרמיים של הפעלה תכופה של הפעלה של התחלה-stop טיפוסית של יחידות ניידות.CRP רכיבים, בעוד חזק במרווח, מאבד 60% מהמודולולים שלהם בטמפרטורות מעל 300 מעלות צלזיוס.אפילו ⁇ טיטניום מתקדמות חווים צבירת משמעותית מעל 500 מעלות צלזיוס, הדורשות פיסות משקל גדולות יותר מדגמי משקל.

נזקי השפעה ואובייקטים זרים

טורבינות סלולאריות פועלות לעתים קרובות בסביבות אבק, פסולת-לאדן. מסובכות משקל אור וקרמיקה הן רגישות יותר לנזק מאשר מתכות דוקטרליות. a one pebble ingested לתוך דחיסת CFRP יכול לגרום לדלמנט כי properance תחת עומס מתמשך, מוביל גם לכשלים קטסטרופליים.

תיקון ויציבות שדה

יתרון מפתח של טורבינות מתכת הוא היכולת לשעבד, לחסן, ולאזן רכיבים עם כלים פשוטים.בניגוד, תיקונים מורכבים דורשים תנאים נקיים, לחות מבוקרת, מחזורי ריפוי ספציפיים.עבור יחידות צבאיות או אסון הפועלים בסביבות austere, יכולות תיקון כאלה עשויות להיות בלתי זמינות. יצרנים מפתחים מערכות שטח מורכבות ומערכת מתכתית-repasoable מתכת-composite, אך כיום הם תחליף יעיל של רכיבי פיתוח לוגיים, מאשר רכיבי עיבוד קלים.

תחזית: לקראת כל משקל אור נייד Turbine

במבט קדימה, ההתכנסות של חומרים מדע, טכנולוגיה ייצור, ועיצוב חישוב מבטיח להתגבר על מגבלות רבות הנוכחיות. אלגוריתמי למידת מכונה מאומן על עשרות אלפי בדיקות פילן ועייפות עכשיו להנחות את הבחירה של אלמנטים ⁇ ונטיות סיבים, צמצום מחזורי הפיתוח מעשרות שנים עד שנים. אלגוריתמים של חומרים מתקדמים, כגון מספרי דיפוזיה ושילוב של מספריות חישובים קלים, הם מאיץ את התכונות של פיתוח סגסוגת אנרגיה נמוכה וגמישות מורכבת גם שיטות מחקר מורכב.

אבני דרך ספציפיות לטווח קצר הצפויות ב-5-10 השנים הבאות כוללות את ההקדמה המסחרית של להבי טורבינות טיאל ביחידות ניידות, שריטות מורכבות קרמיקה במנועי מתחת ל-500 קילוואט, והשימוש בייצור תוספת עבור כל טורבינות בלחץ נמוך spoolspools. Gas טורבינות, כולל אלה המתמחה ביחידות ניידות, משתפים פעולה באופן פעיל עם מעבדות לאומיות וקונסוליה כדי לאמת טכנולוגיות אלה באמצעות בדיקות מהירות יותר ויותר, תוך שמירה על כל עיצובים של 50 שעות.

מסקנה

הפיתוח של חומרים קלים עבור יחידות טורבינות גז נייד הוא אתגר רב-ממדי שנוגע לכימיה, מכניקה, ייצור ולוגיסטיקה. מתרכובות פחמן-פיבר ⁇ טיטניום למכוני קרמיקה וציפויים ננו-נגיננר, כל משפחה חומרית מביאה תכונות ייחודיות המאפשרות חיסכון במשקל ללא ביצוע מקרי ייצור משופר, פיתוחים, אדריכלות משולבת וביקושים גדולים יותר של מערכות כוח, כמו גם סוללות כוח חלשות, כמו גם כן, כמו גם מחסומים חזקים יותר, כמו גם למערכות אבטחה, עם ביצועים תפעוליים, עם ביצועים מתקדמים.

לקריאה נוספת על החומרים והשיטות שנדונו, להתייעץ עם המשאבים הבאים: תוכנית המריצה הקרמיקה של נאס"א מורכבת (FLT:0)(NASA CMC Research)OVAFLT:1, GE Aviation Producting מקדמת את ה-FLT:2(GE Addit Manufacturing)FLT 3: 3, והסקירה מקיפה "משקל אור עבור טורבנס" בחומרי הנדסה ו-Fevolver (R)5JPLT5JP.