[تجهیزات دوار] - پره توربین - turbine blade

[P O U R I A]

پره توربین (turbine blade) قطعه‌ای است که تشکیل دهنده بخشی از توربین گاز (gas turbine) است. وظیفه پره استخراج انرژی از گاز با دمای بالا و فشار بالا تولید شده در محفظه احتراق (combustor) است. پره‌های توربین اغلب جزو قطعات محدود‌کننده توربین‌های گاز هستند. برای دوام آوردن در این محیط سخت، پره‌های توربین اغلب از مواد خاصی مانند آلیاژهای دیر گداز یا سوپرآلیاژ‌ها (superalloys) و روش‌های مختلف خنک‌کاری همانند کانال داخلی هوا (internal air channels)، خنک‌کاری لایه مرزی (boundary layer cooling)، و پوشش‌های مانع حرارتی (thermal barrier coatings) استفاده می‌کنند.

در یک موتور توربین گاز، هر بخش توربین (turbine section) از یک دیسک (disk) یا توپی یا هاب (hub) تشکیل شده است که نگه‌دارنده چندین پره توربین است. هر بخش توربین از طریق یک شافت (shaft) یا اسپول (spool) به بخش کمپرسور (compressor) متصل است که می‌تواند محوری (axial) یا سانتریفوژ (centrifugal) باشد. هوا فشرده می‌شود و دما و فشار آن در مراحل کمپرسور بالا می‌رود. سپس در اثر احتراق سوخت در محفظه احتراق، که بین مراحل کمپرسور و مراحل توربین قرار گرفته، دما و فشار تا حد زیادی بالا می‌روند. سپس گازهای خروجی دارای دما و فشار بالا از مراحل مختلف توربین عبور می‌کنند. مراحل توربین انرژی را از این جریان استخراج می‌کنند، فشار و دمای هوا را کاهش می‌دهند، و بخشی از انرژی جنبشی را به وسیله اسپول به مراحل کمپرسور انتقال می‌دهند. این فرآیند بسیار شبیه روش کار یک کمپرسور محوری است، فقط در جهت عکس آن.

دیسک و پره‌های توربین​

تعداد مراحل توربین در انواع مختلف آن متفاوت است، تعداد مراحل توربین می‌تواند اثر زیادی بر چگونگی طراحی پره‌های توربین برای هر مرحله داشته باشد. بسیاری از توربین‌های گاز دارای طرح اسپول دوقلو (twin spool) هستند، به این معنی که یک اسپول پر فشار و یک اسپول کم فشار وجود است. دیگر توربین‌های گاز از سه اسپول و اضافه کردن اسپول فشار متوسط بین اسپول فشار بالا و پایین استفاده می‌کنند. توربین فشار بالا (high pressure turbine) در معرض داغ‌ترین و پر فشارترین هوا و توربین کم فشار (low pressure turbine) در معرض هوای سردتر و کم فشارتر قرار دارد. این تفاوت در شرایط منجر به این می‌شود که طراحی پره‌های توربین فشار بالا و فشار پایین از نظر متریال و روش خنک‌کاری متفاوت باشند، حتی اگر اصول آیرودینامیک (aerodynamic) و ترمودینامیکی آن‌ها یکسان باشند.

توربین گاز دارای دو اسپول؛ اسپول سبز برای بخش کم فشار و اسپول بنفش برای بخش پر فشار​

 

[P O U R I A]

مودهای محیطی و شکست پره‌های توربین گاز


پره‌های توربین در معرض محیط بسیار خشن داخل توربین گاز قرار دارند. آنها با محیط با دمای بالا، تنش بالا و ارتعاش بالقوه بالا مواجه هستند. هر سه این عوامل می توانند منجر به شکست پره (blade failure) شوند که می‌تواند موتور را نابود کند. پره‌های توربین برای مقاومت در برابر این شرایط به دقت طراحی شده‌اند.


با توجه به این که مراحل توربین می‌توانند تا سرعت ده‌ها هزار دور در دقیقه (RPM) بچرخند، پره‌های توربین در معرض استرس نیروی گریز از مرکز و نیروهای سیال قرار گرفته که می‌تواند منجر به شکست (fracture)، تسلیم (yielding) و یا خزش (creep) شود. علاوه بر این مرحله اول (مرحله‌ای که درست بعد از محفظه احتراق قرار دارد)، در یک توربین مدرن با دمای حدود 1370 درجه سانتی‌گراد مواجه می‌شود که از دمای حدود 820 درجه سانتی‌گراد در توربین‌های گازی اولیه بسیار بالاتر است. توربین موتورهای جت نظامی مدرن، مانند SNECMA M88، می‌توانند دمای تا 1590 درجه سانتی‌گراد را ببینند. این دماهای بالا پره را ضعیف و آن را بیش‌تر در معرض شکست خزشی قرار می‌دهد. دمای بالا همچنین می‌تواند پره‌ها را آماده شکست خوردگی (fatigue failure) کند. در نهایت ارتعاشات موتور و توربین به خودی خود می‌تواند باعث شکست خستگی شود.

 

[P O U R I A]

متریال مورد استفاده در پره توربین

یک عامل محدود کننده کلیدی در موتورهای جت اولیه، کارایی مواد در دسترس برای بخش داغ (محفظه احتراق و توربین) موتور بود. نیاز به مواد بهتر، موجب تحقیقات زیادی در زمینه آلیاژها (alloys) و تکنیک‌های تولید شده و این تحقیقات منجر به یک لیست طولانی از مواد و روش‌های جدید گردید که ساخت توربین‌های گاز مدرن را ممکن کرده است.

توسعه سوپر آلیاژها (superalloys) در دهه 1940 و روش‌های جدید پردازش مانند ذوب القایی در خلاء (vacuum induction melting) در دهه 1950 تا حد زیادی باعث افزایش قابلیت دمای پره‌های توربین شد. روش‌های پردازش بیش‌تر مانند پرس ایزواستاتیک گرم (hot isostatic pressing) باعث بهبود آلیاژهای مورد استفاده برای پره‌های توربین و افزایش کارایی پره‌های توربین شده است. پره‌های توربین مدرن اغلب از سوپر آلیاژهای بر پایه نیکل استفاده می‌کنند که دارای کروم، کبالت، و زیرکونیوم نیز هستند.

گذشته از بهبود آلیاژها، یک قدم بزرگ، توسعه روش‌های تولید انجماد جهت‌دار (directional solidification) یا DS و تک کریستال (single crystal) یا SC بود. این روش‌ها با تنظیم با مرز دانه‌ها (grain boundaries) در یک جهت (در DS) و یا با از بین بردن همه مرز دانه‌ها (در SC)، تا حد زیادی به افزایش مقاومت در مقابل خستگی و خزش کمک می‌کنند.

یکی دیگر از بهبودهای عمده در فن‌آوری مواد پره توربین، توسعه پوشش‌های سد حرارتی (thermal barrier coatings) یا TBC بود. در جایی که DS و SC باعث بهبود مقاومت‌های خزش و خستگی می‌شوند، TBCها هم مقاومت خوردگی (corrosion resistance) اکسیداسیون (oxidation resistance) را بهبود می‌دهند که هر دو این‌ها با افزایش دما نگرانی‌های بیش‌تری ایجاد می‌کنند. اولین TBCهای اعمال شده در دهه 1970، پوشش آلومینید (aluminide) بودند. پوشش‌های بهبود یافته سرامیکی در دهه 1980 رواج یافتند. این پوشش‌ها قابلیت پره توربین را حدود 90 درجه سانتی‌گراد افزایش دادند و همچنین باعث بهبود عمر پره شدند، به صورتی که در برخی موارد عمر پره‌های توربین تقریبا دو برابر می‌شود.

پره توربین دارای پوشش حرارتی​

اکثر پره‌های توربین به وسیله ریخته‌گری دقیق (investment casting) یا فرآیند فوم فدا شونده (lost-wax processing) تولید می‌شوند. این فرایند شامل ساخت یک قالب منفی (negative die) دقیق از شکل پره است که با موم پر شده و شکل پره را تشکیل می‌دهد. اگر پره توخالی و به عنوان مثال دارای مسیرهای خنک‌کاری داخلی باشد، یک هسته سرامیکی به شکل گذرگاه در داخل موم وارد می شود. پره مومی با مواد مقاوم در برابر حرارت پوشیده می‌شود و یک پوسته تشکیل می‌دهد. سپس پوسته با آلیاژ پره پر می‌شود. این مرحله می‌تواند برای مواد DS و یا SC پیچیده‌تر باشد، اما فرآیند یکی است. در صورتی که یک هسته سرامیکی در وسط پره وجود داشته باشد، در یک حلال حل می‌شود و پره را خالی می‌کند. پره‌ها با TBC پوشش داده می‌شوند و سپس حفره‌های خنک‌کننده بر حسب نیاز ماشین‌کاری می‌شوند تا یک پره کامل توربین ایجاد شود.

 

[P O U R I A]

فهرست مواد پره توربین

توجه: این لیست شامل تمام آلیاژهای مورد استفاده در پره‌های توربین نمی‌شود.

• U -500: در 1960دهه از این ماده به عنوان متریال مرحله اول که حساس‌ترین مرحله است، استفاده شد. در حال حاضر از آن در مراحل بعدی با سطح توقع پایین‌تر استفاده می شود.
• Rene 77
• Rene N5
• Rene N6
• PWA1484
• CMSX-4
• CMSX-10
• Inconel
• IN-738: شرکت GE، IN-738 را از سال 1971 تا سال 1984 به عنوان ماده پره مرحله اول استفاده کرد و پس از آن این ماده جای خود را به GTD -111 داد و در حال حاضر به عنوان متریال مرحله دوم استفاده می‌شود. این آلیاژ به طور خاص برای توربین‌های زمینی طراحی شده و در توربین‌های گاز هواپیما کاربرد چندانی ندارد.
• GTD-111: پره‌های GTD-111 که به صورت جهت‌دار منجمد (directionally solidified) شده‌اند و در بسیاری از توربین‌های گاز هوایی شرکت GE در مرحله اول قرار می‌گیرند. پره‌های ساخته شده از GTD-111 که چند محوری هستند در مراحل بعدی استفاده می‌شوند.

EPM -102 که GE به آن MX4 و P&W به آن PWA 1497 می‌گویند، یک سوپرآلیاژ تک کریستال است که به طور مشترک توسط ناسا، GE هوایی و پرات اند ویتنی برای حمل و نقل شهری با سرعت بالا (High Speed Civil Transport) یا HSCT توسعه یافته است. با این که برنامه HSCT لغو شد، آلیاژ آن هنوز توسط GE و P&W در حال استفاده است.


خنک‌کاری پره توربین

برای نسبت فشار مشابه، در دمای بالا راندمان حرارتی حداکثر می‌شود. اما دمای بالا می‌تواند به آسیب به توربین منجر شود. بنابراین خنک‌کاری پره ضروری می‌شود.


خنک‌کاری قطعات را می‌توان با خنک‌کاری با هوا (air cooling) یا مایع (liquid cooling) به دست آورد. به نظر می‌رسد که خنک‌کاری با مایع به دلیل ظرفیت حرارتی ویژه بالا و شانس خنک‌کاری تبخیری جذاب‌تر باشد؛ اما می‌تواند مشکل نشتی، خوردگی، خفگی (choking) و مانند آن ایجاد کند. از طرف دیگر خنک‌کاری با هوا اجازه می‌دهد که هوا را بدون هیچ مشکلی به جریان اصلی تخلیه کنیم. مقدار هوای مورد نیاز برای این منظور 1 تا 3 درصد از جریان اصلی است و دمای پره را می توان 200 تا 300 درجه سانتی‌گراد کاهش داد. انواع بسیاری از روش‌های خنک‌کاری در پره‌های توربین گاز مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ جابه‌جایی (convection)، فیلم (film)، خنک‌کاری تبخیری (transpiration cooling)، خنک‌کاری نفوذی (cooling effusion)، خنک‌کاری پین فین (pin fin cooling) و مانند آن که زیر بخش‌های خنک‌کاری داخلی و خارجی قرار می‌گیرند. در حالی که همه روش‌ها اختلافات خود را دارند، همه آن‌ها از هوای خنک‌تر که اغلب از کمپرسور گرفته می‌شود، به دفع حرارت از پره‌های توربین می‌پردازند.