Способность управлять турбинными лезвиями при более высоких температурах повышает эффективность и уменьшает энергетические затраты. Например, энергетические компании оценивают, что повышение рабочей температуры на 1 процент на единственном электрическом предприятии поколения может сэкономить до $20 миллионов в год.
Чтобы достигнуть самых высоких температур 1 832 градусов по Фаренгейту в двигателях, металлические турбинные лезвия покрыты керамическими покрытиями теплового барьера и активно охлажденным воздухом, который вместе позволяет рабочие температуры, превышающие точку плавления металла. Добавляя к этим чрезвычайным условиям, во время высокотемпературной операции, вращение лезвия вызывает термомеханические усилия всюду по компонентам лезвия.Из-за трудности контролирующих двигателей в операции большинство производителей проводит испытание лезвий или после полета или полагается на моделируемые тесты, чтобы дать им данные по тому, как различные покрытия на лезвиях выступают. До сих пор создание точного моделирования было вне досягаемости, но команда знала, что, если бы они могли бы построить его, промышленность прибыла бы, звоня.
«В то время как идея казалась невозможной, у нас была команда согласных сотрудников с дополнительными навыками, а также превосходных студентов, которые были мотивированы, чтобы взять проблему», сказал Сита Рэгэвэн, адъюнкт-профессор механической и космической разработки в Университете Центральной Флориды и соавторе на документе команды, обрисовывающем в общих чертах новую технику в июльском выпуске Коммуникации Природы.Исследовательская группа преуспела в том, чтобы развивать новое средство на месте для использования в Продвинутом Источнике Фотона Аргонна, который впервые точно моделирует эти чрезвычайные турбинные условия двигателя. В частности, Флоридская команда разработала улучшенную систему печи, и немецкая команда разработала новую систему хладагента, чтобы добавить к механической системе тестирования в Секторе 1 APS, где высокоэнергетический рентген (E~86 keV) смог проникнуть через все слои покрытого испытательного лезвия.
Это идет вне любых других возможностей на месте позволить влиянию температуры, напряжения и тепловых градиентов быть изученным вместе. Это позволяет впервые ученым рассмотреть микроструктуру и внутреннее напряжение и в основании и в тепловой системе покрытия барьера во время реальных условий работы и в режиме реального времени.
Команда захватила изображения с высоким разрешением развития напряжений и надежд в будущих экспериментах, чтобы точно определить, когда и где дефекты начинаются. Это допускало бы точную оценку продолжительности жизни на материале и улучшить процесс для применения керамических покрытий термобарьера. Это могло помочь промышленности несколькими способами.
Это могло потенциально улучшить качество плазменных приложений брызг и уменьшить стоимость более дорогого более высокого качественного электронного луча физическое смещение пара, EBPVD, заявления.«Этот комплексный подход позволяет нам моделировать условия двигателя, таким образом, изготовления становятся интересующимися», сказал Джон Алмер, соавтор на публикации и ученые из APS. «Я ожидал бы, что APS будет оставаться единственным местом в мире с этими возможностями в течение по крайней мере следующих нескольких лет, если не дольше».Уже вооруженные силы и две компании Fortune 500 проявили интерес к проведению подобных будущих экспериментов в APS.Предложенная модернизация APS, чтобы стать национальным самым ярким высокоэнергетическим синхротроном дала бы промышленности еще больше вариантов.
Фактор 100 увеличений яркости луча рентгена позволил бы исследование большего количества типов покрытий и чувствительности увеличения к микроструктурной эволюции дефектов. Добавленная последовательность в рентгене показала бы меньшие особенности в дефектах, потенциально от сегодняшней особенности на 200 микронов до приблизительно особенности на 200 миллимикронов.«Производители сказали нам, что они были бы очень признательны за это», добавил Алмер.
По своей природе Коммуникации, команда обрисовала в общих чертах первый тест системы и сообщила о ранее невидимых отношениях между внутренними напряжениями и термомеханическими условиями работы, позволенными этим новым методом эксперимента. В частности, определенные условия работы были определены, который вызвал серьезные градиенты, а также нежеланные растяжимые напряжения в слоях покрытия. Это ранее неизвестное существенное поведение будет использоваться, чтобы утвердить моделирования этих условий работы, гарантировать, что безопасные операционные окна сохраняются.
Кроме того, эта информация может использоваться, чтобы улучшить процесс смещения во время производства, обновить материалы покрытия и допускать использование покрытий при более высоких температурах, которые могли привести к более широкому принятию.«Продуктивные усилия этого сотрудничества приносят высокотемпературное системное тестирование материалов к следующему уровню», сказал Джон Окэзинский, соавтор и физик помощника в Научном Подразделении рентгена Аргонна. «Это также облегчит уникальное понимание термо механических государств, особенно в тепло выращенном окисном слое».Эта работа финансировалась Национальным научным фондом и немецким Научным Фондом.
APS – Офис САМКИ Научного Пользовательского Средства.