دراسة تأثير طريقة الإنتاج على الخواص الخزفية لغرف احتراق التوربينات الغازية V94.2
تعتبر
توربينات الغاز V94.2 ذات القدرة المقدرة 159 ميجاوات وكفاءة 34.9٪ واحدة من توربينات الغاز من الدرجة الثقيلة، والتي تحظى بشعبية كبيرة بين مستخدمي محطات الطاقة في محطات الطاقة الحرارية. تحتوي هذه التوربينات، التي تتناسب مع شكل توربينات أحادية المحور، على غرفتي احتراق، وهي على شكل صورة ظلية تحتوي كل منها على 8 شعلات. تبلغ درجة حرارة السائل الداخل 1060 درجة مئوية، والغطاء الداخلي لغرفة الاحتراق مصنوع من السيراميك، ويمكن استبداله بسهولة. في هذا البحث يتم خلط مادة الموليت مع الألومينا الأنبوبية بنسبة معينة وتحبيب مع محلول نانو السيليكا والمواد المضافة الضرورية، وبعد التشكيل يتم نقلها إلى نفق التجميد عند درجة حرارة 75 درجة مئوية تحت الصفر وأخيراً لمدة 10 ساعات عند درجة حرارة 75 درجة مئوية تحت الصفر. درجة حرارة 1550 درجة مئوية تمر بمرحلة التلبيد. الخصائص الفيزيائية والميكانيكية والحرارية للعينات مثل الكثافة ونسبة المسامية المفتوحة وقوة الانحناء عند درجة حرارة الغرفة ودرجات الحرارة المرتفعة، وكذلك
تم قياس معامل التمدد الحراري للعينات المنتجة بطريقة التجميد بالتزامن مع عينة الطوب المنتجة بالطريقة التقليدية. أظهرت النتائج أن طريقة الإنتاج لها تأثير مهم على خواص الطوب. وبلغت مقاومة الانحناء للعينات المنتجة بطريقة الصب الحر عند درجة حرارة 1200 و1400 درجة مئوية 10.9 و6.8 ميجا باسكال على التوالي، وبالنسبة للطابوق المنتج بالطريقة التقليدية بلغت 8.7 و5.6 ميجا باسكال. أظهرت مقاومة الصدمة الحرارية لعينتين بعد 30 دورة من 1020 درجة مئوية للماء البارد أن متوسط طول الشقوق في العينات المنتجة بطريقة الصب بالتجميد هو 15 ملم، بينما يصل إلى 50 ملم في الطريقة التقليدية، وهو سبب المفاصل هي الموليت بين الجسيمات التي تشكل الطوب. تم إجراء جميع الاختبارات في جامعة ووهان، الصين، وهي عضو في ILAC ومعتمدة من شركة Tavanir.
الكلمات المفتاحية – الألومينا، توربينات الغاز V94.2، غرفة السيراميك، الموليت.
مقدمة
اليوم، تُستخدم تقنية sol-gel في تصنيع الأجزاء أو الطلاءات (الأغشية) أو الألياف أو الجسيمات أو المواد المركبة بأشكال دقيقة وجودة سطحية عالية. ومع ذلك، فإن العيب الرئيسي لهذه الطريقة هو الانكماش الكبير جدًا للجيل الذي يتكون أثناء عملية التجفيف. يعد استخدام طريقة الصب بالتجميد طريقة للتغلب على هذا العيب في طريقة sol-gel وتصنيع الأجزاء بدونها
التشقق أو الانكماش قريب من الصفر [1]. تظهر الدراسات الاستقصائية أن بعض الشركات ذات السمعة الطيبة التي تنتج الأجزاء الهندسية المعقدة مثل سيمنز وجنرال موتورز تستخدم حاليًا هذه الطريقة لإنتاج منتجاتها [2، 3، 4]. الإنتاج بالطريقة التقليدية هو أن يتم خلط المواد الخام مع التحبيب وبنسب معينة بعد وزنها بالغراء، وبعد تشكيلها بالضغط، يتم نقلها إلى المجفف وتخبز أخيرًا لتحقيق القوة المطلوبة. مصنوع
يحتوي كل توربين على غرفتي احتراق (أنبوب اللهب) يبلغ قطرهما الداخلي 2.3 متر (الشكلان 1 و2). تحتوي هذه الحاويات على نوعين من الإصدار 3 و5. كما هو موضح في الشكل 2، يحتوي الإصدار 3 على صفين من السيراميك المقوس و9 صفوف من السيراميك المحزز التي يحملها أصحابها. في الإصدار 5، تم استخدام ثلاثة أنواع من السيراميك.
الشكل 1: رسم تخطيطي لتوربين الغاز V94.2 مع غرفة الاحتراق
في القسم الأول تم تركيب صف من السيراميك الكبير الحجم على شكل قوس، وفي القسم الثالث تم تركيب صف من السيراميك المحزز صغير الحجم. لكن في الجزء الثاني، تم استخدام الإصدارين 3 و5، اللذين يشتملان على غالبية السيراميك القابل للاستهلاك، بأخاديد كبيرة، وهي متماثلة تمامًا في كلا الإصدارين.
الشكل 2: غرفة احتراق توربينات الغاز V94.2
ويبين الشكل 3 المخطط التخطيطي للطوب في كلا الإصدارين. لكي يدخل الهواء إلى غرفة الاحتراق، يجب أن يكون هناك حوالي 4 ملم من المساحة الفارغة بين السيراميك. كما يوجد في الجزء العلوي من غرفة الاحتراق 8 شعلات تنتج غازًا ساخنًا
الشكل 3: رسم تخطيطي لسيراميك غرفة الاحتراق لتوربينات الغاز V94.2 (1) صفين علويين من الإصدار 3 – (2) مشترك بين الإصدارين 3 و5 – (3) الصف الأوسط من الإصدار 5 – (4) الصف العلوي من الإصدار 5
المواد الخام وطريقة الاختبار
تم استخدام الموليت بتحبيبات مختلفة من شركة Treibacher والألومينا الأنبوبية من شركة Alteo كمصدر لـ AL203. ويبين الجدول 1 التحليل الكيميائي للمواد الخام المستخدمة. يتم خلط الألومينا الأنبوبية بأحجام حبيبية مختلفة من أقل من 45 ميكرون إلى 2.5 مم والموليت بحجم حبيبات 0.5-1.7 مم مع محلول نانو سيليكا ومواد مضافة مختلفة للتشكيل
الجدول 1: التركيب الكيميائي للمواد الخام المستخدمة
في طريقة الصب بالتجميد، يتم خلط المواد الخام ذات النسب والحبيبات المختلفة مع هلام السيليكا والمواد المضافة المختلفة في الخلاط وتصب في القالب بعد وزنها. بعد عملية التشكيل، يذهب إلى نفق التجميد عند -75 درجة مئوية عن طريق طاولة الاهتزاز والمكبس، وخلال التوقف لمدة ساعتين، يتم تفكيك القالب. يمر الجزء الذي يتم إزالته من القالب المجفف بعملية التلبيد عند درجة حرارة حوالي 1550 درجة مئوية لمدة 10 ساعات في فرن مكوك لتحقيق القوة اللازمة. تم قياس خصائص مختلفة مثل BD، MOR، HMOR، معامل يونغ، التمدد الحراري، التوصيل الحراري، XRF + XRD (في وقت واحد) ومقاومة الصدمات الحرارية في جامعة ووهان، الصين، من عينات تم إنتاجها عن طريق التجميد والطرق التقليدية.
النتائج والمناقشة
أظهرت نتائج حيود الأشعة السينية للعينات بعد الخبز عند درجة حرارة 1550مئوية وجود الموليت المتكافئ بنسبة 3:2 وطور الكوراندوم في كلا العينتين. كانت كمية الطور غير المتبلور أو الزجاجي في العينات A وB 3.93% و4.97% على التوالي. وترد الخصائص الفيزيائية والميكانيكية للعينات في الجدول 2
تعتمد الكثافة الظاهرية للعينات على معلمات مثل نوع وكمية المراحل ومسامية العينات. تبلغ الكثافة الظاهرية للعينتين A وB 2.92 و2.90 جرامًا لكل سنتيمتر مكعب، على التوالي، ولا يوجد فرق كبير. تظهر قوة الانحناء لعينتين في درجة حرارة الغرفة ودرجة الحرارة المرتفعة (1200 و1400 درجة مئوية) أن كلا العينتين تتمتعان بمقاومة جيدة للقوى المطبقة. ومع ذلك، يمكن ملاحظة أن قوة العينات A عند درجات حرارة 1200 درجة مئوية و1400 درجة مئوية تبلغ 10.9 و6.8 ميجا باسكال، على التوالي، وبالنسبة للعينة B تبلغ 8.7 و5.6 ميجا باسكال. وهذا يعني أن العينة (أ) تظهر مقاومة أكبر ضد الضغوط المطبقة عند درجات الحرارة المرتفعة
تم قياس مقاومة الصدمات الحرارية للعينات من 1020 درجة مئوية إلى الماء البارد الجاري. أظهرت النتائج أنه بعد 30 دورة، لم تتعرض العينة (أ) لأي فشل وكان متوسط طول الشق أقل من 15 ملم، بينما كان متوسط طول الشق في العينة (ب) أقل من 50 ملم. والسبب في ذلك هو الاختلاف في طريقة الإنتاج. وفي طريقة الصب بالتجميد يتم استخدام جزيئات النانو سيليكا وتقوم هذه الجزيئات بتكوين طبقة رقيقة حول الجزيئات التي تتكون منها القطعة، وبعد التسخين تتحول إلى مرحلة الموليت [5، 6]. تعمل مرحلة الموليت الناتجة، كمرحلة ربط بين الجزيئات، على زيادة مقاومة الصدمات الحرارية للجزء بسبب خصائصه مثل الليونة العالية، ومقاومة الزحف الجيدة، ومقاومة الصدمات الحرارية العالية [7، 8، 9].
جدول 2: نتائج قياس الخواص الفيزيائية الناتجة بطريقة التجميد (أ) والإنتاج بالطريقة التقليدية (ب)
خاتمة:
تتميز العينة المنتجة بطريقة الصب بالتجميد بخصائص فيزيائية جيدة مثل الكثافة ونسبة المسامية المفتوحة وقوة الانحناء عند درجة حرارة الغرفة ودرجات الحرارة المرتفعة ومعامل التمدد الحراري ومعامل التوصيل الحراري، وهي تشبه العينات بالطريقة التقليدية ولكن فهي تتمتع بمقاومة أعلى للصدمات الحرارية مقارنة بالطريقة التقليدية. وبالنظر إلى طول عمر هذه الغرف الخزفية في غرفة الاحتراق في توربينات الغاز، فإنها تعتبر معلمة فعالة للغاية
مرجع
[1] Gilissen, R., Erauw, JP, Smolders, A., (2000) Gelcasting، تقنية الشكل القريب من الشبكة، 21، PP. 251-257
[2] غروت، هـ.، هيلوس، أ، وتيرتيلت، م. (2010). طريقة عنصر الدرع الحراري وقالب لإنتاجه، تبطين الغاز الساخن وغرفة الاحتراق براءة اختراع أمريكية، US2010/013645 A
[3] غروت، هـ، هيلوس، أ، وتيرتيلت، م. (2007). كتلة درع حراري لتبطين غرفة الاحتراق وتوربينات الغاز براءة اختراع أمريكية، US 2007/0000252 Al
[4] غروت، هـ.، هيلوس، أ، وتيرتيلت، م. (2007). قالب لإنتاج عنصر درع حراري من السيراميك، براءة الاختراع الأمريكية رقم 2007/0007426 A1
[5] غانيش، آي. وفيريرا، JMF (2009). السيراميك الدولية، 35، 2007-2015 (2009).
[6] لي، وي، وسوزو، جي بي.. (2008). جي يورو. سيرام. شركة نفط الجنوب، 28، ص. 405-471
[7] كيم، بي إم، تشو، واي كيه، يون، ستيفنز، SYRHC بارك. (2009). السيراميك العالمية
[8] شنايدر، إتش. ووهليلون، ك. (1981). السيراميك الدولية، 7، ص 130-136.
[9] ديفيس، الترددات اللاسلكية. و باسك، JA. (1971).
أكاسيد درجة الحرارة العالية الجزء الرابع (المحرر AM Alper) الصحافة الأكاديمية، PP. 37-72
