کنترل خوردگی توربین های گازی با طراحی نسل جدیدی از پوشش های کامپوزیتی

صنعت نظامی یکی از مهم ترین صنایع هر کشور است که سالانه حجم زیادی از بودجه آن را به خود اختصاص می دهد. برای مثال، طبق آمار منتشر شده کشور چین در سال 2019 رقمی معادل با 261 میلیارد دلار صرف بودجه نظامی خود کرده است، در حالی که این رقم برای هند حدود 61 میلیارد دلار است.

این کسری بودجه برای کشوری مثل هند نگران کننده است، چرا که آمادگی جنگی این کشور را در مناطقی مانند مناطق مرزی بین هند و چین که شاهد درگیری های زیادی است، کاهش می دهد. به علاوه در صورتی که هزینه تعمیر و نگه داری این ابزارآلات افزایش یابد، وضعیت را نسبت به گذشته دوچندان دشوار می سازد. بنابراین باید اقدامات موثری انجام شود تا خسارت های وارد شده به تجهیزات را کاهش دهد.

یکی از مهم ترین مشکلاتی که با گذشت زمان مشاهده می شود، بحث خوردگی در توربین گازی است. در حالی که آلیاژهای تیتانیوم و سوپرآلیاژهای نیکل به طور معمول در کاربردهای توربین گازی مورد استفاده قرار می­ گیرند، با پیشرفت های اخیر کامپوزیت های ترکیب سرامیکی به دلیل پایداری دمایی بسیار بالاتر (تا ۴۰۰ درجه فارنهایت)، می ­توانند جایگزینی مناسبی را ارائه دهند.

موتور فن توربوجت

علم تریبولوژی به دلیل توانایی که در جهت بهبود کاربری تسلیحات داشته است، به خوبی شناخته شده است. یکی از کاربردهای این علم، استفاده از مواد فعال بر روی پوشش های سطحی در جهت مهندسی بهینه آن ها و افزایش مقاومت آن ها در مقابل سایش و خوردگی است. این مواد ضمن افزایش عمر سرویس این اجزا، میزان مصرف انرژی آن ها را نیز کاهش می دهند.

موسسه NAL به مدت زیادی با وزارت دفاع کشور هند همکاری داشته است. این شرکت هم اكنون در توسعه تکنولوژی­ های جدید با هدف كاهش هزینه­ ها و زمان مرتبط با طراحی، نمونه سازی، ساخت و نگهداری سیستم­های هوافضا متمرکز شده است.

یکی از دستاوردهای کلیدی این موسسه، تدوین برنامه ای است که از آن با نام «برنامه مواد و فرایندهای توربین گازی» یا GTMAP) gas turbine materials and processes) یاد می شود. این برنامه با هدف توسعه تخصص در مواد و ساخت و در نتیجه امکان توسعه تکنولوژی­ های قوی توربین گازی برای نیروی هوایی هند ایجاد شده است.

یکی از این اهدافی که اخیرا در تدوین این برنامه دنبال می شود، تلاش برای توسعه و به کارگیری پوشش ­های سختی است که به منظور بهبود وضعیت عملکرد و کاهش پدیده خوردگی در توربین ­های گازی مورد استفاده قرار گیرند. انتظار می­ رود که این پوشش ­ها هم در کمپرسور و هم در قسمت­ های توربین فشار قوی یک موتور بتوانند سایش و فرسایش شدید را تحمل کند.   

چرا خوردگی فرسایشی در توربین های گازی یک معضل مهم تلقی می شود؟

مبنای عملکرد توربین های گازی بدین صورت است که پس از ورود هوا به کمپرسور و فشرده سازی آن، مخلوط سوخت و هوا به درون محفظه اشتعال وارد شده و از انرژی حرارتی تولید شده برای تبدیل به انرژی مکانیکی استفاده می شود. بخشی از این انرژی صرف چرخاندن کمپرسور خود توربین می شود و باقی آن در جهت راه اندازی واحدهای مکانیکی و الکتریکی دیگر مانند مولدها، توربوفن ها، توربوجت ها و … مصرف می شود.

اما در هنگام جابه جایی این گازهای داغ، فرسایش قطعات ناشی از ذرات موجود در هوا مانند ماسه، گرد و غبار، خاکسترهای معلق تولید شده و … اجتناب ناپذیر است. تمامی این عوامل دست به دست هم می دهند تا به اجزای مختلف توربین مانند تیغه ها و پره های چرخان آسیب برسانند.

در این موارد، نقش مهندسی سطح در جهت بهبود راندمان آیرودینامیکی اجزا اهمیت پیدا می کند. فرسایش سطوح باعث ایجاد اشکال در پروفیل سطح آن ها می شود و این موضوع منجر به کاهش قدرت موتور، واماندگی کمپرسور و در موارد حادتر خرابی کامل تیغه ها خواهد شد!

ساییده شدن پوشش تیغه ­های توربین به دلیل کرنش شعاعی و لرزش

چه اقدامات پیشگیرانه ای را در جهت افزایش مقاومت فرسایشی این توربین ها می توان انجام داد؟

در حالت ایده آل، یک پوشش باید هرگونه تنش ناشی از فرسایش را دفع و غیر متمرکز کند، در حالی که همزمان از اشاعه ترک و لایه لایه شدن پوشش جلوگیری کند. پوشش­ های تک فاز مانند TiN و TiAlN مقاومت فرسایشی بالایی را در برابر برخوردهای لحظه ­ای نشان می ­دهند، اما این پوشش ­ها به دلیل چقرمگی پایین و تنش بالای اعمالی در حین سرویس، مقاومت فرسایشی ضعیفی را در هنگام برخورد ارائه می کنند.

برای حل این مشکل، موسسه NAL راهکارهای نوآورانه ای را در جهت افزایش مقاومت خوردگی پره های توربین گازی ارائه داده است. یکی از این نوآوری ها، استفاده از پوشش های نسل دوم کامپوزیتی است که ترکیب مناسبی از اجزای چقرمه فلزی و سخت سرامیکی به صورت لایه لایه دارند.

این پوشش های انعطاف پذیر که با استفاده از روش کند و پاش مگنترون ایجاد شده اند، بسیار سبک هستند و خواص آیرودینامیکی تیغه ها را تحت تاثیر قرار نمی دهند. یک پوشش نازک با ضخامت کمتر از ۱۰ میکرون، تنها ۵ میلی­ گرم بر سانتی­متر مربع جرم به تیغه کمپرسور اضافه کرده و جبرانی جرم را به حداقل می ­رساند.

بررسی خواص پوشش ها در شرایط عملی

نتایج بررسی بسترهای پوشش داده شده با استناد به استاندارد ASTM G76 پیشرفت های قابل توجهی را در عملکرد فرسایشی پره های توربین از خود نشان دادند.

هنگامی که از پوشش های Ti/TiN بر روی بستر Ti6Al4V استفاده شد، با آزمایش پره در سرعت های مختلف و دمای کاری 400 درجه سانتیگراد ملاحظه شد که مقاومت فرسایشی پره ها به بیش از 10 برابر افزایش یافته است!

با استفاده از این آزمایش ها می توان پوشش هایی تولید کرد که بهترین مقاومت فرسایشی را در محیط از خود نشان دهند.

انتخاب مواد مقاوم در برابر فرسایش در آزمایشگاه با استفاده از آزمایشگر فرسایش Ducom Air Jet و استقرار آن بر روی یک تیغه توربین برای آزمایش در این زمینه

چشم اندازی بلند مدت جهت بهبود مقاومت خوردگی توربین های گازی

با پیشرفت روزافزون علم تریبولوژی و توسعه پوشش های هوشمند، انتظار می رود که کامپوزیت های سرامیکی به طور گستره تری در پوشش دهی ادوات توربین گازی به کار گرفته شوند. در حالی که هم اکنون آلیاژهای نیکل تیتانیوم و سوپرآلیاژهای نیکل در ساخت پره های این توربین ها مورد استفاده قرار می گیرند، اما کامپوزیت های سرامیکی به دلیل پایداری بهتر در دماهای بالا گزینه ایده آل تری به نظر می رسند.

با این حال، تحقیقات بر روی استفاده از سرامیک ها و کامپوزیت های سرامیکی همچنان ادامه دارد و موسسه NAL برنامه ای اساسی را در خصوص طراحی و بهینه سازی توربین های گازی برای استفاده در محیط های متفاوت در دستور کار قرار داده است. محیط دریایی جایی است که جت های جنگنده هم در معرض خوردگی و هم فرسایش قرار دارند. مهم ترین علت خوردگی مربوط به محصولات احتراق ایجاد شده در توربین های فشار قوی است. در حالی که در آزمایش های قبلی این پوشش­ ها تا سرعت ۱۰۰ متر بر ثانیه مورد آزمایش قرار گرفتند، با این حال باید تست با سرعت 300-400 متر بر ثانیه به صورت موفقیت آمیز اجرا شود.

منبع

www.azom.com