در حال بررسی...توربین های گازی
توربین های گازی بطور گسترده به منظور تولید برق و نیروی پیشرانش هواپیما مورد استفاده قرار می‌گیرند. طبق قوانین ترمودینامیک، هر چه دمای یک موتور بیشتر باشد، بهره‌وری بالاتری دارد. بر این اساس، تقاضا برای افزایش دمای عملیاتی توربین‌ها رو به رشد است.
تیمی از محققان دپارتمان علوم و مهندسی مواد در دانشگاه A&M تگزاس، به همراه محققان آزمایشگاه ملی ایمز وابسته به ناسا، یک چارچوب برای هوش مصنوعی ایجاد کرده‌اند که قادر به پیش‌بینی آلیاژهایی با آنتروپی بالا (HEA) است. این آلیاژ می‌تواند در برابر دمای بسیار بالا و محیط‌های اکسیدکننده مقاومت کند. این روش می‌تواند زمان و هزینه‌های یافتن آلیاژها و زمان صرف‌شده برای تجزیه و تحلیل تجربی موردنیاز را کاهش دهد.
در شرایط طولانی‌مدت و در دمای بالا، پره‌های توربین می‌توانند دچار شکست فاجعه‌بار ناشی از ذوب یا اکسیدشدن شوند. متاسفانه، مواد پره‌های توربین کنونی به حد عملیاتی خود رسیده‌اند.
پیشرفت‌های مهندسی مانند پوشش‌دهی و خنک‌کاری نیاز به تغییر مواد مورداستفاده برای توربین‌ها را به تاخیر انداخته‌است. با این حال، انتظار می‌رود حجم سفرهای هوایی طی دهه آینده دو برابر شود و توربین های گازی در حال تبدیل‌شدن به یک فناوری غالب برای تولید برق هستند. بنابراین، توربین‌ها برای کاهش مصرف سوخت و محدود کردن انتشار دی‌اکسیدکربن به بهره‌وری بالاتری نیاز دارند.
توربین های گازی با تبدیل انرژی شیمیایی به حرکت مکانیکی عمل می‌کنند، اما توسط آستانه دمایی محدود می‌شوند. گام بعدی تحول در فناوری توربین، تغییر موادی است که برای ساخت قطعات استفاده می‌شود، مانند پره‌ها، به طوری که آنها بتوانند در دماهای بالاتر بدون اکسیدشدن مخرب کار کنند.
هنگام بررسی انواع مختلف آلیاژ برای توربین‌ها، ملاحظه قابل‌توجهی در مورد آلیاژها با آنتروپی بالا وجود دارد. این آلیاژها، نمونه‌های غلیظی هستند که عنصر غالب مشخصی ندارند. ویژگی منحصر به فرد این نوع آلیاژها این است که در دماهای بالاتر پایدارتر می‌شوند و برای استفاده در محیط‌های سخت مناسب هستند.
با وجود توانایی آنها در مقاومت در برابر درجه حرارت بالا، این آلیاژها با آنتروپی بالا در برابر زنگ‌زدگی یا اکسید شدن حساس هستند. این آلیاژها می‌توانند ترکیبات زیادی داشته باشند و به طور فزاینده انواع اکسیدها را گسترش دهند. پیدا کردن ترکیبی که بتواند در برابر اکسیداسیون مقاومت کند، نیاز به آزمایش‌های گسترده با هزینه‌های بسیار بالا دارد.
برای اجتناب‌کردن از خطا و هزینه‌های شناخت HEA، محققان یک چارچوب هوش مصنوعی ایجاد کردند که قادر به پیش‌بینی رفتار اکسیداسیون HEA بود. این چارچوب، با ترکیب ترمودینامیک محاسباتی، یادگیری ماشین و مکانیک کوانتومی، می‌تواند بطور کمی اکسیداسیون HEA ترکیبات شیمیایی دلخواه را پیش‌بینی کند. زمان لازم برای آزمایش محاسباتی آلیاژها به شدت کاهش می‌یابد و از سال‌ها به چند دقیقه می‌رسد. آزمایش بسیار سریع و کارآمد، به نوبه خود منجر به کاهش نیاز به آزمایش‌های تجربی با منابع فشرده می‌شود.
هنگام جستجوی یک فضای ترکیبی بزرگ، آزمایش‌گرها باید صدها تنوع از یک ماده بسیار پیچیده را بررسی کنند، آنها را اکسید کرده و سپس عملکردشان را مشخص کنند که ممکن است هفته‌ها، ماه‌ها یا حتی سال‌ها طول بکشد.
با استفاده از این چارچوب، محققان رفتار اکسیداسیون ترکیبات آلیاژی متعدد را پیش‌بینی کردند. آنها سپس نتایج حاصل را برای آزمایشگاه ملی ایمز فرستادند تا آنها را آزمایش و تایید کنند. این چارچوب، به‌طور دقیق، مقاومت آلیاژ در برابر اکسیداسیون را نشان می‌دهد. رویکرد ارائه‌شده در این تحقیق، برای درک رفتار اکسیداسیون آلیاژهایی با آنتروپی بالا و همچنین ارائه دیدگاه‌هایی در مورد مواد مقاوم در برابر اکسیداسیون و خوردگی برای کاربردهای دیگر، کلی و کاربردی است.
ابزارهای توسعه‌یافته در این تحقیق به طور بالقوه می‌توانند فرآیند کشف مواد برای محیط‌های سخت را با استفاده از ابزارهای هوش مصنوعی برای ردیابی سریع تعداد نجومی آلیاژها در مدت زمان بسیار کوتاه تغییر دهند.
آلیاژها با آنتروپی بالا که از طریق این چارچوب یافت می‌شوند، کاربردهای بالقوه‌ای دارند. این نوع آلیاژها در توربین های گازی جهت تولید نیروی پیشران و توان، مبدل‌های حرارتی و بسیاری موارد دیگر که به موادی برای مقاومت در برابر شرایط عملیاتی شدید نیاز دارند، مورداستفاده قرار می‌گیرند.
تحقیق مشترک دانشگاه تگزاس A&M و آزمایشگاه ملی ایمز، در قالب برنامه کارایی توربین پیشرفته مواد غیرقابل نفوذ با دمای فوق‌العاده بالا آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته انرژی پشتیبانی دولت آمریکا شد. بنیاد ملی علوم و وزارت انرژی آمریکا نیز از این تحقیق حمایت کرده‌است.
منبع:
#توربین گاز صنعتی #توربین گاز هوایی #پره توربین گازی
