Специалисты разработали устройство для очистки воздуха, поступающего в компрессор газотурбинной установки. Оно состоит из воздухоприемника, воздухораспределителей и газопроницаемой сетки из нетканого материала, мягкого металла и композита. К сетке подведен привод, который автоматически двигает ее, стряхивая налипшие снег и лед. Привод приходит в движение по запрограммированному сигналу: когда сопротивление воздуха становится выше установленного значения.

Выглядит работа устройства так: сначала воздух из окружающей среды всасывается через воздухоприемник, затем его поток выравнивается воздухораспределителем и направляется на сетку. Как только на ее поверхности нарастает лед, система включает привод — и специальный трос приводит всю сетку в движение. Наледь осыпается, а ее остатки удаляются при помощи дренажной системы. По словам политехников, такая конструкция компактна и проста в сравнении с аналогами.

В планах ученых — защита диссертации по разработке, после чего устройство будет внедрено в производство.

Больше новостей об энергетике читайте на сайте журнала Энергия+: https://e-plus.media/news/

Статья с результатами опубликована в журнале «Новые огнеупоры». Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России и при финансовой поддержке РФФИ, грант № 19-48-590007.

Редкоземельные элементы (РЗЭ) достаточно распространены в мире, однако крайне редко находятся в концентрированном виде. Чаще всего их обнаруживают в составе минералов вперемешку с другими элементами, откуда их очень сложно отделить. Редкоземы – важные компоненты многих современных электронных устройств, даже их небольшое количество в сплавах и других соединениях улучшает их свойства. В металлургии добавки редкоземельных элементов продлевают жизнь металлическим конструкциям, их применяют в автомобильной, военной и ракетно-космической промышленности.

Применение соединения РЗЭ с диоксидом циркония перспективно в качестве теплозащитного покрытия для лопаток газотурбинного двигателя. Такое соединение отличается высокой температурой плавления, низкой теплопроводностью, высокой стабильностью и хорошим сопротивлением к спеканию при рабочих температурах до 1400 ℃.

Для исследования ученые синтезировали порошок цирконатов редкоземельных элементов из концентрата разных оксидов (Zr-РЗЭ). Для сравнения также синтезировали порошок LaZr2O7, содержащий один элемент-стабилизатор, и порошок ZrO2-8Y2O3, который используется в настоящее время для изготовления теплозащитных конструкций.

Методом искрового плазменного спекания политехники уплотнили порошковые соединения для получения слоистого материала. Для этого нагрели импульсным постоянным током при скорости 80 °С/мин и поставили нагрузку сверху в два этапа - 15 МПа и 30 МПа. У полученных образцов керамики определили удельную поверхность, плотность, пористость и фазовый состав. От данных физических свойств зависит качество полученного материала, его долговечность и сопротивляемость высоким температурам.

– После искрового плазменного спекания при температуре 1050 ℃ пористость керамики составила 50%, то есть уплотнения почти не произошло. После повышения температуры до 1400 °С была получена плотная керамика, пористость которой составила около 1 %. Однако теплозащитное покрытие должно иметь пористость 15-20% для снижении теплопроводности. Поэтому была выбрана температура 1220 °С, которая оказалась оптимальной для получения керамики с требуемой пористостью 14 %, – объясняет доцент кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» Пермского Политеха, доктор технических наук Максим Каченюк.

Ученые выяснили, что образец на основе цирконатов РЗЭ имеет относительно низкий коэффициент теплового расширения по сравнению с металлической основой, это приводит к высоким тепловым напряжениям. Решить такую проблему можно, изготовив покрытие из нескольких слоев. Для этого политехники получили керамическое покрытие из двух слоев (ZrO2-8Y2O3 и цирконат).

Определение теплопроводности образцов, состоящих как из одного слоя, так и из двух, показало, что самое низкое значение теплопроводности при 400 °С имеет керамика на основе цирконатов РЗЭ (1,79 Вт/(м·К)). Теплопроводность образцов La2Zr2O7 и ZrO2-8Y2O3 несколько выше и составляет 2,06 и 2,4 Вт/(м·К) соответственно. Двухслойная керамика также показала низкую теплопроводность.

Таким образом, ученые ПНИПУ доказали, что применение редкоземельных элементов является перспективным способом получения керамического слоя теплозащитного покрытия, способного выдерживать до 1400 ℃. Исследование будет полезно для защиты деталей горячего тракта газотурбинной установки от воздействия высоких температур.

Аустенитные хромо-никелевые стали  более устойчивы к разрушению и не подвергаются водородной коррозии даже при высокой температуре и давлении водорода. Это обуславливает их выбор как отличное покрытие для газотурбинных установок. Однако поведение таких сталей в водородсодержащей среде до конца не изучено.

Ученые Пермского Политеха в ходе работы исследовали четыре образца никелевого сплава, которые подвергали различным процессам гидрирования (насыщения водородом). Перед тем, как образец сплава испытали водородом, политехники изучили его в чистом виде. Далее тестировали образцы при 850℃ в среде чистого аргонного газа, в среде с 35% содержания аргона и 65% водорода и наконец, в среде 100% водорода.

– Процесс гидрирования образцов монокристаллического сплава осуществляли следующим образом. Образцы жаропрочных сплавов загружали в трубчатую печь, затем проводили продувку инертным газом или водородом в течение 15 минут для полного удаления воздуха из зоны реакции. При заданном расходе водорода или водородсодержащего газа осуществляли нагрев до требуемой температуры и выдержку в течение заданного времени. После этого нагрев выключали и охлаждали образцы сплавов до температуры атмосферы, – объясняет профессор кафедры химических технологий, доктор технических наук ПНИПУ Владимир Пойлов.

В ходе испытаний ученые выяснили, что водородсодержащие газы при высоких температурах приводят к образованию отложений различной структуры и состава на поверхности сплава. При низком содержании кислорода образуется плотный микроструктурный оксидный слой, богатый кобальтом и никелем. В атмосфере, содержащей 65% водорода, на поверхности формируется слой с высоким содержанием алюминия в составе. При 100%-ной атмосфере водорода на поверхности сплава образовываются наросты.

Чтобы эффективно определить, какое количество водорода содержится в образцах, ученые провели их термический анализ. Так как при достижении температуры плавления происходит удаление водорода из сплава, то по измененной массе можно определить, сколько водорода принимает никелевый сплав при гидрировании. Для этого образцы до и после испытаний нагревали до температуры 1600°C со скоростью нагрева 20°C/мин. Было выяснено, что количество поглощенного водорода составляет от 0,08 до 0,14%, что является допустимым количеством газа в сплаве. Большее насыщение водородом может разрушительно влиять на материал.

Данные, полученные в ходе исследования, подтверждают оптимальность использования никелевых сплавов в водородосодержащей среде. Их применение в качестве основного материала или покрытия для газотурбинных установок перспективно и эффективно. Работа ученых Пермского Политеха значительно повлияет на качество разработки новых композиций сплавов, устойчивых к водородной коррозии. Это позволит улучшить технические и экономические характеристики эксплуатации газотурбинных установок.

– Самым простым примером адиабатического охлаждения является фонтан. Вокруг фонтана всегда прохладно, так как воздух охлаждается за счет того, что отдает свое тепло каплям воды, а те, в свою очередь, частично испаряются. Водяной пар при этом смешивается с воздухом. Таким образом, сумма теплоты в воздухе не поменялась, но произошло ее перераспределение: от воздуха теплота перешла к пару. Пар при этом относительно холодный. На этом принципе основана работа оросительных камер, по сути своей напоминающие фонтаны, только лишь спрятанных в некий корпус, – объясняет аспирант кафедры «Общая физика» Пермского Политеха Алексей Костыря.

По мнению исследователей, осуществить адиабатическое охлаждение  воздуха возможно методом непосредственного впрыска воды в воздушный поток. Однако при технической реализации такого охлаждения важно, чтобы капли жидкости не попали во входное устройство установки. Из-за этого может возникнуть опасность образования влажной пыли, которая быстро образует плотный слой и резко повышает гидравлическое сопротивление. Ученые предлагают решить данную проблему, организовав полное испарение капли во время ее нахождения в оросительной камере.

В ходе работы рассматривалось испарение капли, движущейся равномерно в потоке сухого воздуха. Воздух обтекает каплю с определенной постоянной скоростью. Так как он не насыщен влагой, то вода из капли непрерывно испаряется и отводится набегающим воздушным потоком. Ученые определили зависимость уменьшения радиуса капли от времени контакта с воздухом. И выяснили, что изменение размера капли при начальном радиусе 1 мм составило 0,75% за 10 секунд.

Исследователи отмечают, что оросительная камера в газотурбинной установке ограничена в объеме, поэтому для внедрения технологии с полным испарением капли необходимо выбирать меньшие радиусы капель. В связи с этим необходимо применять мелкодисперсный (вплоть до туманообразования) распыл воды. Осуществление такого распыла возможно с помощью использования форсунок или ультразвука.

Ученые доказали, что применение технологии охлаждения воздуха для газотурбинной установки результативна и перспективна. Ее реализация сократит отрицательное воздействие повышенных температур наружного воздуха на экономическую эффективность энергетических установок, основанных на газотурбинных технологиях.