Giriş: Işıklı için Yarış, Güçlü Türbinler

Daha taşınabilir güç nesline karşı sürekli zorlama, çelik ve nikel bazlı süperalloylar merkezinde hafif malzemeler yerleştirdi; savaş alanı elektrik, uzaktan sondaj işlemleri, felaket yardımı ve yardımcı güç birimleri için son iki yılda, gelişmiş malzemelerdeki yüksek enerji yoğunlukları, güvenilirlik ve düşük ağırlıktan ödün vermeden, yüksek basınç ve stres toleransları talep etti.Bu makale, elektrik ve nikel bazlı süperbiyönerli yükleri incelerken, son iki yılda, gelişmiş gaz türbinlerinin gelişmiş gaz türbinlerinin gelişmiş enerji kaynaklarından gelen yüksek enerji azaltımı sağlar.

Neden Portre Gaz Türbinde Kilo Maddeleri

Bir gaz türbininin fiziksel ağırlığı doğrudan dağıtım hızını, yakıt tüketimini ve yapısal destek gerekliliklerini etkiler. Askeri uygulamalarda, motor ağırlığındaki 100-pound azaltımı, bir taşıma kapasitesinin birkaç yüz poundunu veya daha hızlı bir zemin yanıt ünitesi için hedef alır. taşınabilir acil jeneratörler için, daha düşük ağırlık basit bir şekilde işleme ve ağır kaldırma ekipmanı ihtiyacını azaltır. Genel olarak yüzde 10-15'lik bir azalma, yüksek miktardaki parasitik yükü azaltılabilir.

Kilo azaltma ayrıca termal yönetimi etkiler. Işık bileşenleri genellikle 30 saniye içinde tam gücendirebilir, geri dönüşen parçalarda kütle azaltılır ve yükleme hızlarına daha iyi yanıt verir.In the context of portatif Türbins that may need to go from cold start to full power in 30 saniye, this property is critical. Dahası, downriyal kuvvetler ve taşıma yükleri, genişletilmiş parçalarda kütle azaltılır ve bakım aralıklarını azaltır.

Hafif Malzemelerin Temel Sınıfları

Geniş bir malzeme ailesi gaz türbini kullanımı için başarıyla adapte edilmiştir, her biri motorun belirli bölgelerinde farklı avantajları sunar.Seçim, işletim sıcaklığı, stres ortamı, xidasyon direnci ve maliyete bağlıdır.

Karbon-Fiber-Reinforced Polimers (CFRP)

CFRP kompozitleri, fan bıçakları, nacelle panelleri ve kompresör kaplamaları gibi statik bileşenler için seçim malzemesi haline geldi. Çelik ve bir çekme gücü birçok alaşıma eşit olarak, CFRP geleneksel metal meslektaşları gibi 30-50% tasarruf sağlar.En son zamanlarda, yüksek sıcaklık reçine sistemlerindeki son gelişmeler - poliimide ve bismaleimide matriks - CFRP'nin sürekli sıcaklıkları 350°C'ye kadar çalışmasını sağlar.

Alüminyum Metaller

Alüminyum, hafif-duty türbin çerçeveleri ve dişlileri için bir işhorse materyali kalır. W alaşımları 7075-T6 ve 2024-T3, sadece 2.8 g /cm3. Yenier varyantları dahil olmak üzere, alüminyum-scanlı alaşımlar, düşük ısıtılabilirliği ve yüksek ısı iletkenliği için onları cazip hale getirir.

Titanyum Alaşımlar

Titanyum alaşımları alüminyum ve çelik arasındaki boşlukları köprüler, kompresör diskleri için yaygın olarak kullanılır ve 5-40C'a kadar kullanışlı mekanik özellikleri tutar ve küçük türbin orta basınç aşamalarını titanyum aluminid (TiAl-2Sn-4Zr-2Mo) Intermetallics, kompresör diskleri için yaygın olarak kullanılır ve miller.

Gelişmiş Seramikler ve Seramik Matrix Composites (CMCs)

Silikon nitrit (Si3N4) ve silikon (SiC) gibi seramikler, yüksek sıcaklıklı yüksek sıcaklıklı güç sergilemektedir. Bu, karmaşık soğutma hava sistemlerinin ortadan kaldırılmasına, bu eksikliğin 6 ila 8 puana kadar artmasına izin verir. Ancak, monolithic seramiklerin doğal morfeksik sınırları, şimdiye kadar yüksek çözünürlükte bulunan seramik matrisler ile donatılmıştır.

Magnezyum Alloyss Magnezyum

1.74 g/cm3'te, magnezyum en hafif yapısal metaldir, alüminyumun üzerindeki% 35 kilo azaltımı sunar. Yeni ürperatif-teşekkküleler içeren alaşımlar (örneğin, Elektron 21) hizmet sıcaklıklarını 300°C'ye uzatıyor, çünkü yüklerin kritik olmayan bir miktarlara, petrol panlarına ve aksesuar konutlara katkıda bulunabiliyor.

Son zamanlardaki Breakthroughs ve Emerging Technologies

Son beş yıl, bilgisayar tasarım araçları, gelişmiş üretim ve mikroyapısal düzeydeki başarısızlık mekanizmaları daha derin bir anlayışla hareket etti.

Yan Geometrilerin Katkı İmalatı

Lazer toz yatak füzyon ve elektron kirişi artık konvansiyonel döküm veya boşaltma ile imkansız hale getirir.In taşınabilir türbinleri ve alüminyum ekinler ile ağırlıkları yüzde 40–60 oranında azaltan beton yapılar.Bu yöntemler ayrıca, soğutma kanallarını ve sertleştirme yeteneğinin geleneksel döküm veya yaşam için imkansız hale getirilmesine izin verir.In portatif jeneratörler için, yedek parçalar ve alüminyum ekinler için kritik bir avantaj, yedek parçalar halinde sabit parçalar halinde sabitlenmiş ve yüzde 30–50 oranındaki kısmı azaltılır.

Nano-Mühendis Kompozitler

Karbon nanotüplerin, grafikten veya nano ölçekli boron nitrit partiküllerinin polimer ve metal matrikslerdeki partiküllerin dahil edilmesi, 20-30% daha yüksek vakum değiştiricisi ve ısı iletkenliği artırımı için, hafif bir kaplamanın ömrünü yıllar boyunca uzatabilirken, bu nano-mühendislik malzemeleri ekleyip, yüksek çözünürlükte bir şekilde serbest bırakma konusunda kendini daha yüksek bir şekilde genişleten nanoparçacıklar keşfeder.

Biyo-Inspired ve Hierarchical Materials

Doğa, olağanüstü sertliği olan hafif yapılar için ilham sunar. Araştırmacılar, geleneksel yarıkırklı kabuklar ve bu hierarşik tasarımlar tertemizlemeye karşı bambudan oluşan katarklar tasarlamaya ilham verir. Hızlı prototipleme teknikleri, makine öğrenimi optimizasyonu ile birlikte, karbon fiber laminatlar üreterek geleneksel yarık zeminlere kıyasla% 200 daha yüksek özel bir güç sunar.

Entegre Termal Engel ve Yapısal Kaplamalar

Örneğin, titanyum aydınlatmalı bıçaklar için uygulanan bir yttria-stabilized zirconia top ceketi, yüksek türbinlerin aşırı malzeme sınırları olmadan ısıtılmasına olanak sağlar. - Multipliyonel kaplama sistemleri, kontrasepsiyonel tabakaları yapısal substratlarla birlikte kaplamak için% 25 oranında azaltılırken kaplama ağırlığının %25 oranında azaltılabilir.Bu entegre kaplamalar özellikle küçük taşınabilir türbinde özellikle değerlidir.

Takma Yolunda Meydan Okunacak Zorluklar

Şeytanların uygulanabilir yararlarına rağmen, hafif malzemeler taşınabilir gaz türbinlerinde yaygın olarak dağıtım için önemli engellerle karşı karşıyadır.

Üretim Maliyeti ve Scalability

Birçok gelişmiş kompozit ve seramikler pahalı hammadde ve yavaş, toplu odaklı süreçler gerektirir. Örneğin, CMC tür bıçaklarının üretimi haftalar süren çok sayıda kimyasal buharı, düşük üretim için 10.000 $ 10.000 $ - 10.000 $ - $ 10.000 $ - aynı şekilde, yüksek hacimli parçaların üretimi, per-itatif olmayan yüksek hacimli birimler için pahalı kalır - daha sonra ölçeklendirme katmanlarının maliyetinin düşmesi gibi - daha sonra da düşük üretim ve otomotiv sektörlerinden talep edilen yüksek hacimli yüzeyler için maliyet azaltılır.

Termal Fatigue ve Daha Yüksek Sıcaklıklarda Uyarı

Hafif malzemeler, özellikle polimerler ve alüminyum, hızlanan ürperticilerden muzdarip ve sık sık sık sık sık sık sık kullanılan ısıtılmış parçaların ısıtılması için hızlanan yüzeylere maruz kalan hızlar, daha hafif malzemelere karşı verimliyken, ısıtılmış ısı değiştiricilerinin% 60'ını kaybederler - 500 °C'nin üzerindeki yüksek ısı değiştiricileri gibi - potansiyel bir çözüm ekleyin ve ağırlık tasarrufu sağlar.

Etkisi ve Yabancı Object Hasarı

Portreli türbinler genellikle tozlu, pislikli ortamlarda çalışır.En son derece metallerden zarar vermek daha hassastır.Bir tek pebble, bir CFRP kompresör bıçağına kadar uzanan bir test, ancak henüz yük yükleme altında olan ve aynı zamanda yıkıcı bir etki için gerekenleri test edebilir; en düşük yapısal epoxy sistemleri ve sakrifamental önde gelen koruyucular için daha düşük maliyetli bir şekilde şarj edilebilir.

Onarım ve Alan Hizmetleriability

Metal türbinlerin temel avantajı, kaynak, taşlama ve rebalance bileşenleri basit aletlerle yeniden yapılandırma yeteneğidir. Buna karşılık, kompozit onarımlar temiz oda koşulları, kontrollü nez ve belirli tedavi döngüleri için kullanılabilir modüller için, onarımlar için, lojistik zincir ağırlık ve maliyetle çalışan birimler için, bu tür onarımlar geliştirilebilir.

Future Outlook: All-Lightweight Portre Türbine Doğru

Önümüzdeki gibi, malzeme bilimi, üretim teknolojisi ve hesaplama tasarımı, birçok mevcut sınırlamayı aşmak için vaat ediyor. Makine öğrenme algoritmaları, on binlerce makineli ve yorgunluk testlerinde şimdi, alaşım elemanları ve fiber yönelimleri seçimine rehberlik ediyor, on yıllar boyunca gelişim döngülerinin azaltılması, düşük enerjili rotalar ve biyo-derleştirici reçine sistemleri gibi, çevresel ayak izi azaltmak için gelişmenin keşfini hızlandırıyor.

Önümüzdeki 5-10 yıl içinde beklenen özel olarak TiAl Türbin bıçaklarının taşınabilir birimlerinde ticari tanıtımını içerir, seramik-matrix kompozit shrouds in motorlar için 500 kW'ın altındaki motorlarda, mevcut tüm çelik tasarımlarında% 50 azaltımı sağlarken, 5000-spools'da özelleşmiş olan gaz türbini üreticileri, bu teknolojileri aktif olarak hızlandırılabilir görev testleriyle işbirliği yapmaktadır.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Özel gaz türbinleri için hafif malzemeler geliştirilmesi, her malzeme ailesi, performanstan ödün vermeden kilo tasarruf sağlayan çok boyutlu bir meydan okumadır. Son zamanlarda, karbon-fiber kompozitleri ve titanyum alaşımlarından seramik matrisler ve nano-mühendislik kaplamalarına kadar, her malzeme ailesi, performanstan ödün vermeden kilo tasarruf sağlayan eşsiz özelliklerdir. Son zamanlardaki malzemeler, daha düşük maliyetli enerji sistemleri, daha hızlı operasyonel kullanım için daha hızlı bir şekilde dağıtım sağlar.

Daha fazla bilgi ve yöntem üzerinde tartışılmış, aşağıdaki kaynaklara danışın: NASA'nın seramik matrisi kompozit programı:0)(NASA CMC Research))[ GE Aviation's Manufacturing gelişmeler][DNTT:2).