Возможность работы лопаток турбины при более высоких температурах повышает эффективность и снижает затраты на электроэнергию. Например, по оценкам энергетических компаний, повышение рабочей температуры на 1 процент на одном объекте выработки электроэнергии может сэкономить до 20 миллионов долларов в год.
Для достижения в двигателях самых высоких температур в 1832 градуса по Фаренгейту металлические лопатки турбины покрыты керамическими термобарьерными покрытиями и активно охлаждаются воздухом, что в совокупности позволяет работать при температурах, превышающих точку плавления металла. В дополнение к этим экстремальным условиям, во время высокотемпературной работы вращение лопасти вызывает термомеханические напряжения во всех компонентах лопасти.Из-за сложности мониторинга работающих двигателей большинство производителей испытывают лопасти либо после полета, либо полагаются на имитационные испытания, чтобы получить данные о том, как работают различные покрытия на лопатках.
До сих пор создание точного моделирования было недоступно, но команда знала, что, если они смогут его построить, индустрия придет.«Хотя идея казалась невозможной, у нас была команда желающих сотрудничать с дополнительными навыками, а также отличные студенты, которые были мотивированы принять вызов», — сказала Сита Рагхаван, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники в Университете Центральной Флориды. и соавтор статьи команды, описывающей новую технику, в июльском номере журнала Nature Communication.
Исследовательской группе удалось разработать новую установку на месте для использования в усовершенствованном источнике фотонов в Аргонне, которая впервые точно имитирует эти экстремальные условия газотурбинного двигателя. В частности, команда из Флориды разработала улучшенную топочную систему, а немецкая команда разработала новую систему охлаждающей жидкости для добавления к системе механических испытаний в Секторе 1 APS, где можно было использовать рентгеновские лучи высокой энергии (E ~ 86 кэВ). чтобы проникнуть во все слои испытательного лезвия с покрытием.
Это выходит за рамки любых других возможностей на месте и позволяет одновременно изучать влияние температуры, напряжения и температурных градиентов. Это впервые позволяет ученым наблюдать микроструктуру и внутреннюю деформацию как основы, так и системы термобарьерного покрытия в реальных условиях эксплуатации и в реальном времени. Команда сделала снимки с высоким разрешением эволюционирующих штаммов и надежды на будущие эксперименты, чтобы определить, когда и где начинаются дефекты.
Это позволит точно оценить срок службы материала и улучшить процесс нанесения керамических термобарьерных покрытий. Это может помочь отрасли несколькими способами.
Потенциально это может улучшить качество плазменного напыления и снизить стоимость более дорогих и высококачественных приложений для физического осаждения из паровой фазы электронным пучком (EBPVD).«Этот комплексный подход позволяет нам моделировать условия двигателя, чтобы заинтересовать производителей», — сказал Джон Алмер, соавтор публикации и ученые из APS. «Я ожидаю, что APS останется единственным местом в мире с такими возможностями, по крайней мере, в ближайшие пару лет, если не дольше».
Военные и две компании из списка Fortune 500 уже проявили интерес к проведению аналогичных будущих экспериментов на APS.Предлагаемая модернизация APS до самого яркого в стране высокоэнергетического синхротрона предоставит промышленности еще больше возможностей. Увеличение яркости рентгеновского луча в 100 раз позволило бы изучить больше типов покрытий и повысить чувствительность к микроструктурной эволюции дефектов.
Дополнительная когерентность в рентгеновских лучах позволит выявить более мелкие детали в дефектах, потенциально от сегодняшних 200-микронных до примерно 200-нанометровых.«Производители сказали нам, что они будут очень признательны за это», — добавил Алмер.В Nature Communications команда описала первое испытание системы и сообщила о ранее невиданных взаимосвязях между внутренними деформациями и термомеханическими рабочими условиями, доступными благодаря этой новой методике экспериментов. В частности, были выявлены конкретные рабочие условия, которые вызывали сильные градиенты, а также нежелательные деформации растяжения в слоях покрытия.
Это ранее неизвестное поведение материала будет использоваться для проверки моделирования этих условий эксплуатации, чтобы гарантировать сохранение безопасных рабочих окон. Кроме того, эта информация может быть использована для улучшения процесса осаждения во время производства, инновационных материалов для покрытий и обеспечения возможности использования покрытий при более высоких температурах, что может привести к более широкому применению.«Продуктивные усилия этого сотрудничества выводят испытания систем высокотемпературных материалов на новый уровень», — сказал Джон Окасински, соавтор и помощник физика из отдела рентгеновских исследований Аргонны. «Это также будет способствовать уникальному пониманию термомеханических состояний, особенно в термически выращенном оксидном слое».
Эта работа финансировалась Национальным научным фондом и Немецким научным фондом. APS — это учреждение для пользователей Управления науки Министерства энергетики США.