پژوهشگران دانشگاه پلیتکنیک سنپترزبورگ با نام پتر کبیر، سامانههای نوآورانهای برای خنککاری پرههای توربین گاز بر اساس ساختار شبکهای ژیروید (gyroid) توسعه دادند. این ساختارها با استفاده از روش تولید افزایشی، یعنی آلیاژسازی لایهای پودرهای فلزی با لیزر، ساخته شدهاند.
توربینهای گاز نقش محوری در کارکرد نیروگاهها ایفا میکنند و بازدهی آنها بهطور مستقیم با دمای گاز در ورودی توربین مرتبط است. افزایش این دما به ازای هر ۱۰۰ درجه سانتیگراد، تقریبا ۲ یا 3 درصد به بازدهی میافزاید. اما همزمان بارهای حرارتی و مکانیکی شدیدی بر پرهها اعمال میکند. از این رو، سامانه خنککاری، دوام و اطمینانپذیری توربین را تعیین میکند.
ویژگیهای ساختار شبکهای ژیروید
ساختار شبکهای ژیروید که شبیه سامانههای پیچیده بیولوژیکی هستند، دارای ویژگیهایی شامل سطح بزرگ، توزیع یکنواخت جریان حرارتی و توانایی کاهش ارتعاشات هستند. برای مدت طولانی به دلیل هندسه پیچیده، امکان استفاده از آنها وجود نداشت، اما چاپ سهبعدی ایجاد چنین ساختاری را آسانتر کردهاست.
در جریان تحقیقات انجامشده، پژوهشگران از چاپگر سهبعدی برای چاپ نمونههایی از کانالها با عناصر تعبیهشده ژیروید استفاده کرده و آنها را در شرایط آیرودینامیکی آزمایش کردند. به این صورت، ضریب انتقال حرارت ۸.۳ برابر افزایش یافت و دامنه خنککاری دیواره تقریبا دو برابر شد (۱.۹۳ برابر). علاوه بر این، دما بهطور یکنواختتری توزیع شد که خطر گرمای بیش از حد و ایجاد شکستگیها را کاهش داد.
افزایش انتقال حرارت و بهبود کارایی
بازدهی بالای این سامانه به دلیل شکل ویژه ژیروید حاصل شدهاست. سطح سهبعدی مینیمال با انحناهای گسترده و مساحت توسعهیافته، باعث افزایش انتقال حرارت و بهبود کارایی میشود. چنین سازههایی جریان را متلاطم و انتقال حرارت را تسهیل میکنند، اما همزمان مقاومت هیدرولیکی را افزایش میدهند. شبیهسازیها و آزمایشها نشان دادند که نتایج بهینه زمانی به دست میآید که شبکه دارای چگالی متوسط باشد. در این حالت، خنککاری پرههای توربین گاز بهطور قابلتوجهی بهبود مییابد و افت فشار در سطح مجاز باقی میماند.
برای توصیف وابستگیهای شناساییشده، مدلهای ریاضی مبتنی بر رگرسیون چندجملهای ساخته شد. دقت این مدلها بیش از ۹۶ درصد بود و امکان پیشبینی پارامترهای ساختاری آینده بدون محاسبات طولانی و پرهزینه را فراهم کرد. دادههای آزمایش صحت این رویکرد را تایید کردند. اختلاف بین شبیهسازی و آزمایشها بیش از ۱.۵درصد نبود.
در مرحله نهایی تحقیقات، تیم پژوهشی نمونه اولیه پره توربین گاز با کانالهای ژیروید یکپارچه را که با روش آلیاژسازی لیزری انتخابی تولید شده بود، ارائه داد. اولین آزمایشها نشان داد که سامانه خنککاری جدید در مقایسه با سامانه قدیمی بازدهی بالاتری دارد و در عین حال به مصرف هوای کمتری نیاز دارد.
این پژوهش راه را برای ساخت نسل جدید توربینها در بخشهای انرژی و هوافضا هموار میکند. اکنون امکان عملکرد در دماهای بالاتر فراهم شده که باعث بهبود بازدهی نیروگاه و کاهش مصرف سوخت میشود.
منبع:
