Forskning søger at fremme flyturbinens modstandsdygtighed over for partikler

I slutningen af ​​2015 blev to marinesoldater dræbt og 20 andre såret, efter at en MV-22 Osprey styrtede ned under præ-deployeringstræning ved Bellows Air Force Base på Hawaii. Synderen var luftbårne sand- og støvpartikler, der forårsagede brownout-forhold for flyverne og blev indtaget i flyets motorer, smeltede på grund af de høje temperaturer og nedbrydende interne komponenter, der kompromitterede flyets kraft og løfteevne.

Mindre end en måned senere, da vulkanen Momotombo brød ud, blev kommercielle flyvninger tvunget til at forblive på jorden for at undgå partikelindtagelse fra vulkanens vedvarende eksplosion.

Sand, støv og andre partikler har været en torn i øjet på flyteknologien i årtier. I 90'erne var problemet primært centreret om erosion, men bedre belægninger på motorerne har løst det problem.

Nu er problemet mere relateret til de høje temperaturer, der genereres i nyere turbinemotorer, hvilket giver mulighed for øget ydeevne og kraft. Til deres skade smelter disse højere temperaturer imidlertid partikler, når de indtages i motoren, hvilket kan tilstoppe turbinen.

Naval Postgraduate School (NPS) fysikstuderende og Meyer Scholar Løjtnant Erick Samayoa og hans rådgiver Dr. Andy Nieto, NPS Assistant Professor of Mechanical and Aerospace Engineering (MAE) – med hjælp fra andre NPS MAE Assistant Research Professor Troy Ansell og UC San Diego NanoEngineering Professor Jian Luo - fandt ud af, at ultrahøj temperatur keramik (UHTC'er) kan være sandfobisk. Med andre ord klæber smeltet sand ikke til dem.

Deres undersøgelse, finansieret af Strategic Engineering and Research Development Program (SERDP), var den første til at se på potentialet ved at bruge UHTC'er i flyturbiner. SERDP er en fælles indsats af Department of Defense (DoD), Environmental Protection Agency (EPA) og Department of Energy (DoE). Dette projekt var en del af et samarbejde mellem NPS, U.S. Army Lab, Stony Brook University og materialefirmaet Oerlikon Metco.

Mens forskellige virksomheder har udviklet filtre til at reducere sandindtag, er det næsten umuligt at holde hver partikel ude af en turbine, og desværre er de mindste partikler dem, der smelter lettest. Anden forskning har undersøgt måder at bremse sand og andre partikler i at smelte ved hurtigt at størkne dem igen gennem indførelsen af ​​modreaktion, men dette har ikke forhindret partikler i at sætte sig fast på motoren i første omgang.

NPS-teamet besluttede derfor at se på problemet fra et materialesynspunkt. Før han kom til NPS for omkring fire år siden, arbejdede Nieto på U.S. Army Research Laboratory (ARL) og tog sin forskning og partnerskab med ARL med sig til NPS.

Ansell bragte til holdet billeder af forskellige partikler, der blev udsat for ultrahøje temperaturer, fanget med et transmissionselektronmikroskop for at se, om og hvordan de interagerede med UHTC'erne. Luo leverede de keramiske materialer og hjalp med at analysere resultaterne ved hjælp af sin ekspertise inden for højentropi keramik.

Samayoa siger, at hele dette projekt var en tung læringskurve, siden han var fysikstuderende, men forskningen passede godt ind i hans mål. Og kvaliteten af ​​hans arbejde viste, hævdede Nieto, og sagde, at den forskning, Samayoa udførte, ville være egnet til en ph.d. studerende.

Udfordringen med at simulere den varme, der udsendes af moderne gasdrevne turbiner, øger kompleksiteten af ​​forskning ved hjælp af UHTC. Forskerne havde brug for at finde en måde at teste materialer ved den temperatur, hvilket krævede, at holdet erhvervede den varmeste ovn, NPS nogensinde har haft. Da forskerholdet var i gang, udviklede forskerholdet et projekt for at teste UHTC'erne ved forskellige temperaturer i forskellige tidsrum.

"Vi var de første, der endda eksperimenterede ved disse højere temperaturer for noget materiale til disse applikationer," siger Nieto. "Det var fuldstændig uventet, at efterhånden som du ville gå højere i temperatur, ville du faktisk få en vis grad af kemisk inertitet fra disse ultrahøj temperatur keramik, hvor de ikke interagerede med det smeltede sand. Det åbner op for en mulig vej fremad i, hvordan vi designer disse motorer."

Forskerne offentliggjorde deres resultater i tidsskriftet Materialia , i december 2021. + Udforsk yderligere

Bygg ikke din model på sand