در حال بررسی...تولیدکنندگان اصلی پره توربین
وقتی صحبت از زمان عملیاتی موتور جت به میان می‌آید، وضعیت تعمیر و نگهداری پره‌های توربین در عمق موضوع نهفته است. تولیدکنندگان اصلی موتور، تمرکز خود را بر روی افزایش دوام به ویژه برای پره‌های توربین پرفشار عمدتا از طریق بهبود مواد پره گذاشته‌اند.
بنابر اعلام شرکت استانداردآیرو، در گذشته، برخی از موتورها با مشکلات تعمیر و نگهداری به دلیل خرابی پره‌های توربین پرفشار مواجه شده‌اند. این نوع خرابی‌ها معمولا تا زمان بازرسی برنامه‌ریزی‌شده توسط بوروسکوپ شناسایی نمی‌شدند.
در سال‌های اخیر، تولیدکنندگان اصلی موتور از طریق پیشرفت‌های قابل‌توجهی که در روند تجزیه و تحلیل عملکرد موتور خود برای ایجاد الگوریتم‌هایی جهت تشخیص یک خرابی بالقوه و قریب‌الوقوع حاصل شده، به سمت استفاده بیشتر از مدل‌های پیش‌دستانه رفته‌اند. در توربین پرفشار که داغ‌ترین قسمت موتور با دمای بالا است، خرابی پره‌ها بیشتر رخ می‌دهد. این امر، باعث ایجاد برخی از چالش‌های نگهداری می‌شود.
علاوه بر آن، تولیدکنندگان اصلی، کار قابل‌توجهی را برای طراحی پره‌ها با مواد آلیاژی پیشرفته برای کاهش خطر شکست انجام داده‌اند. در طرح‌های جدید، پوشش‌های سد حرارتی پیشرفته و طرح‌های گذرگاه‌های خنک‌کاری داخلی گنجانده شده‌است.
” بخوانید: تکامل پره‌های ثابت و متحرک خنک‌کاری‌شده توربین‌های گاز “
بیشتر مواد آلیاژی پیشرفته مختص تولیدکنندگان اصلی موتور هستند. این گونه مواد، سوپر آلیاژهای مبتنی بر نیکل و تک کریستالی هستند و در طول فرآیند ریخته‌گری برای بهبود استحکام حرارتی بالا به‌طور جهت‌دار جامد می‌شوند. همچنین در سال‌های اخیر پیشرفت‌هایی با پوشش‌های مانع حرارتی، با آلومینا برای مقاومت در برابر اکسیداسیون و خوردگی بالاتر صورت گرفته‌است. خنک‌کاری داخلی نیز با طراحی قطعات ریخته‌گری در طول توسعه پره بهبود یافته‌است.
با وجود تغییرات طراحی، برخی از پره‌های توربین پرفشار هنوز در معرض محیط‌هایی با شرایط شدید گرم و سخت قرار دارند که باعث خرابی یا سایش زودرس آنها می‌شود. از جمله اهداف مهندسی برای پره‌های توربین، یافتن راه‌حلی برای محافظت از پره‌ها در برابر شرایط محیطی آب و هوای گرم و سخت و همچنین افزایش زمان عملیاتی آنها است.
در رابطه با وزن پره‌ها، نمونه‌های جدیدتر بطور کلی سبک‌تر از پره‌های قبلی هستند. با این حال، این امر به دلیل اینکه احتمال وجود عدم تعادل در سامانه وجود دارد، می‌تواند به صورت پویا مشکل ایجاد کند. برخی از تولیدکنندگان اصلی سعی کرده‌اند با افزودن دمپرها در دیسک توربین پرفشار با این مشکل مقابله کنند.
با نگاهی به وضعیت پیش‌رو، تلاش بر استفاده از سرامیک و سایر مواد برای پره‌های توربین است که می‌توانند در برابر دمای بالا مقاومت کنند که این حداقل چند سال دیگر زمان می‌برد. تاکید فعلی بر بهبود طراحی‌های خنک‌کاری داخلی پره‌های توربین، همراه با مواد و پوشش‌های پیشرفته‌تر است که در نسل بعدی موتورهای جت گنجانده خواهد شد. این مسائل برخی از تفاوت‌های کلیدی بین این موتورها و آنچه که جایگزین خواهند شد را نمایان می‌کنند. پیشرفت‌های پره تا چه حد به زمان بیشتر عملیاتی آن کمک کرده، هنوز مشخص نیست.
به دلیل تنوع گسترده در پیشرفت‌های طراحی که در بین تولیدکنندگان اصلی متفاوت است، تخصیص یک عدد برای نشان‌دادن زمان عملیاتی، کار راحتی نیست. اما یک هدف مناسب، افزایش زمان عملیاتی به ۱۰ هزار تا ۱۲ هزار سیکل حول یک شاپ ویزیت برنامه‌ریزی‌شده عملکردی است. تعداد بیشتری از موتورها بدون حادثه یا خرابی زودرس پره توربین پرفشار به شاپ ویزیت برنامه‌ریزی‌شده می‌رسند.
پره‌های توربین بازطراحی شده در واقع زمان بیشتری عملیاتی را سپری می‌کنند که برای مثال می‌توان به یک نمونه موتور ترنت ۷۰۰۰ محصول رولزرویس اشاره کرد که نیروی پیشران خانواده ایرباس A330neo را تامین می‌کند. بنابر اعلام رولزرویس، برای این موتور، تولیدکننده اصلی یک بسته افزایش دوام پره توربین پرفشار جدید که زمان عملیاتی آن را دو برابر می‌کند، توسعه داده و در خدمت عملیاتی قرار گرفته‌است. این شرکت اکنون در حال توسعه بسته دوم مربوط به بخش داغ موتور است که در آینده تا ۳۰ درصد بهبود خواهد یافت.
تولیدکننده اصلی، اولین بسته افزایش دوام خود را برای پره توربین پرفشار ترنت ۱۰۰۰ نصب‌شده بر روی بوئینگ ۷۸۷ در دست توسعه دارد. این بسته برای بیش از دو برابر کردن زمان عملیاتی موتور طراحی شده و در مراحل پایانی صدور گواهینامه است. فاز اول این بسته از سه ماهه چهارم سال جاری در ناوگان ترنت ۱۰۰۰ در دسترس خواهد بود و بسته دوم بهبودهای بخش داغ قرار است در سال ۲۰۲۶ عرضه شود. بسته دوم برای بهبود دوام تا ۳۰ درصد طراحی شده‌است.
بهبود پره‌های توربین پرفشار در هر دو موتور باعث افزایش ۴۰ درصدی در جریان هوای خنک‌کاری و کاهش دمای عملیاتی پایدار تا ۴۵ درجه فارنهایت و در نهایت افزایش عمر پره‌ها می‌شود. شکل پره بدون تغییر باقی می‌ماند، اما سوراخ‌های خنک‌کاری بیشتری وجود دارد که اندازه برخی از آنها بزرگ‌تر شده‌است.
رولزرویس همچنین در حال معرفی مجموعه‌ای از فناوری‌ها برای ارائه یک درصد بهبود بیشتر در مصرف سوخت و کاهش آلایندگی دی‌اکسیدکربن در ترنت XWB-84 است که نیروی پیشران ایرباس A350-900 را تامین می‌کند. برای موتور ترنت XWB-97 نصب‌شده بر روی هواپیماهای ایرباس A350-1000 و A350F، این شرکت در حال کار بر روی یک سری بسته‌های فناوری است که دوام و کارایی را در تمام عملیات‌ها بهبود می‌بخشد و همچنین زمان عملیاتی را تا دو برابر افزایش می‌دهد.
شرکت موتورهای هوایی MTU و شرکای آن نیز نسبت به نسل موتورهای فعلی و قدیمی، در تلاش برای افزایش زمان عملیاتی هستند. برای دستیابی به افزایش زمان عملیاتی، طراحی پره باید علاوه بر توسعه مواد، بدون کاهش کارایی آیرودینامیکی انجام شود. شرکت MTU بر روند توسعه مواد نظارت کرده و در صورت بهبود در مواد جدید از آن استفاده خواهد کرد. سرامیک یک نمونه است و احتمالا ابتدا در پره‌های توربین پرفشار مورد استفاده قرار می‌گیرد. پره‌های توربین به ویژه در برابر برخورد جسم خارجی آسیب‌پذیر هستند و از این نظر به مفهوم توربوفن دنده‌ای اشاره می‌شود که دارای توربین‌های پرسرعت و کم‌فشار برای حداقل مصرف سوخت است.
عملیات در محیط‌های نامناسب، دماهای گرم، گرد و غبار و هوای آلوده از جمله چالش‌های اصلی تعمیر و نگهداری پره‌های توربین در موتورهای نسل جدید با نسبت فشار کلی و دمای احتراق بالا هستند. محیط‌های سخت به‌ویژه برای ایرفویل‌ها با خنک‌کاری در توربین پرفشار چالش‌برانگیز است.
در رابطه با آلیاژهای فلزی جدید، توسعه آنها عمدتا بر بهبود بارهای مکانیکی و حرارتی مجاز متمرکز است که دوام آنها با طراحی تضمین می‌شود. جالب توجه است، صرفه‌جویی در وزن همیشه از مزایای پره‌های توربین بازطراحی شده نیست.
وزن ایرفویل توربین عمدتا توسط پروفیل آیرودینامیکی و برای یک توربین با سرعت بالا نیز توسط بار گریز از مرکز هدایت می‌شود. بنابراین ایرفویل‌های موتورهای توربوفن دنده‌ای شرکت MTU در توربین کم‌فشار سه مرحله‌ای احتمالا سبک‌تر از موتورهای نسل قبلی نیستند. اما تعداد آنها کمتر است که در نتیجه وزن کل ایرفویل‌ها کمتر است، در مقایسه با توربین‌های کم‌فشار دیگر دارای پنج مرحله هستند. پره‌های توربین نسل بعدی به احتمال زیاد مسیر توسعه تکاملی را دنبال خواهند کرد که کارایی و دوام آیرودینامیکی را بهبود می‌بخشد.
اکسیداسیون و سولفیداسیون پره ثابت و متحرک که منجر به خستگی حرارتی مکانیکی می‌شود، از جمله چالش‌های دوام پیش‌روی سازندگان و بهره‌برداران موتورها است. بنابر اعلام هانی‌ول، برای کاهش این چالش‌ها، از مواد جدید با شیمی سولفور بسیار کم برای بهبود اکسیداسیون پره‌های توربین استفاده می‌شود. همچنین، پوشش‌های مانع حرارتی برای محافظت از پره‌های ثابت و متحرک در برابر شرایط گرم‌تر توربین رایج‌تر شده‌اند.
پره‌های جدید توربین به استفاده از پوشش‌های مانع حرارتی، طراحی‌های پیچیده‌تر خنک‌کاری مقاوم در برابر گرد و غبار و بهبود ویژگی‌های آیرودینامیکی نیاز دارند. فرسایش ذرات کوچک، به‌ویژه از شن و ماسه، یک مشکل بزرگ‌تر از آسیب جسم خارجی است. برای کاهش آن، بکارگیری سامانه‌های فیلتر ذرات موتور برای برخی از کاربردهای موتور در نظر گرفته شده‌است.
شرکت هانی‌ول مانند سایر تولیدکنندگان اصلی موتور، شاهد استفاده از فلز به جای سرامیک اما در قسمت‌های توربین غیردوار است. مزیت قابلیت حرارتی مواد بالاتر و افزایش بهره‌وری توربین از کاهش فاصله نوک پره است.
با نگاهی رو به جلو، اهداف هانی‌ول برای پره‌های توربین شامل افزایش بازدهی آیرودینامیکی و بهبود اثربخشی خنک‌کاری ایرفویل، در عین حال کاهش اتلاف و حفظ یک طراحی برای رویارویی با زمان طولانی عملیاتی است. پیشرفت‌ها در مواد نیز یکی از جنبه‌های کلیدی نقشه راه فناوری است.
شرکت CFM اینترنشنال به پیشرفت‌های فناوری در آینده اشاره می‌کند. بنابر اعلام این شرکت، یک پره توربین پرفشار بهبودیافته در موتورهای CFM56-5B برای خانواده ایرباس A320ceo و موتورهای CFM56-7B برای خانواده بوئینگ نسل بعدی بی۷۳۷ معرفی شده‌است. طراحی مجدد که منجر به افزایش ضخامت دیواره، بهینه‌سازی بارگذاری دم چلچله‌ای و تشدید تلرانس‌های تولید برای دوام بیشتر شد. پره حتی از نمونه قبلی خود قابل اعتمادتر است و در مقایسه با پیکربندی قبلی، زمان عملیاتی را تا ۲۵ درصد در محیط‌های عملیاتی خاص بهبود می‌بخشد.
در تحولی دیگر، در پره توربین پرفشار بروزشده برای موتور لیپ CFM اینترنشنال، از فناوری ریخته‌گری و خنک‌کاری جدید برای بهبود دوام و زمان عملیاتی به خصوص برای محیط‌های گرم و دارای گرد و غبار استفاده می‌شود.
پره نسبت به طراحی موجود، بهبود دوام بیش از ۵۰ درصدی را نشان داده که منجر به زمان عملیاتی برابر با CFM56 در همان منطقه می‌شود. این طرح برای موتورهای Leap-1A برای خانواده ایرباس A320neo و موتورهای Leap-1B برای خانواده بوئینگ B737MAX معرفی شد. شرکت سازنده موتور قادر است تا طراحی این پره با یک ریگ مخصوص جذب گرد و غبار را که مشتریان در محل آن مشاهده می‌کنند، تایید کند.
این شرکت با همکاری زمین‌شناسان، گرد و غبار را مهندسی کرده که محتوای مواد معدنی و توزیع اندازه ذرات مشاهده‌شده در مناطق مختلف را تکرار می‌کرد. سال گذشته، آزمایش‌های گسترده‌ای روی پره Leap-1A انجام شد و این فرآیند در مسیر عرضه آن به کاربران در سال جاری قرار دارد. برای موتور Leap-1B، آزمایش طراحی بهبودیافته توسط این شرکت در ۲۹ فوریه آغاز شد که از قضا، به علت کبیسه‌بودن امسال هر چهار سال یکبار روی تقویم ظاهر می‌شود.
منبع:
