Rzeszów/Katowice. Jak ułożyć w piecu odlewniczym formę podczas produkcji turbin do silników samolotów, aby te elementy były najbardziej wytrzymałe? Optymalne rozwiązanie opatentowali właśnie naukowcy z Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach i Politechniki Rzeszowskiej.
Turbiny, będące częścią na przykład silników samolotów czy generatorów elektrycznych, wykorzystuje się jako źródło energii do wytworzenia ciągu w silnikach lub prądu w generatorach w elektrowni. Określony rodzaj energii powstaje dzięki strumieniowi gazów napędzającemu specjalne łopatki turbiny. Są one narażone na mechaniczne uszkodzenia i działanie wielu niekorzystnych czynników, takich jak reaktywne gazy o różnym składzie czy wysoka temperatura.
Dlatego naukowcy, we współpracy z firmami produkującymi części turbin, poszukują rozwiązań pozwalających otrzymywać jeszcze trwalsze elementy, odporne na działanie czynników zewnętrznych.
„Zadanie nie jest łatwe. Kształt łopatki, jak również materiał, z którego jest wykonana, najczęściej są opatentowane. Modyfikacje związane z wdrożeniem zmian tych parametrów mogłyby więc okazać się bardzo kosztowne dla producentów. Nie skupiamy się więc na wprowadzaniu zmian w tym zakresie. Staramy się natomiast proponować pewne ulepszenia w procesie produkcji” – powiedział w środę dr Jacek Krawczyk z Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach, współautor rozwiązań dla branży lotniczej i energetycznej.
Jak wyjaśnia naukowiec, na łopatki turbiny oddziałują bezpośrednio gazy powstające w komorze spalania silnika. Panuje tam wysoka temperatura rzędu 1300-1400 st. C, do tego skład gazów zwykle różni się w zależności od miejsca, w którym aktualnie znajduje się samolot – inne warunki panują w przestrzeni powietrznej nad oceanem, inne nad pustynią.
W związku z tym łopatki muszą być wykonane z materiału odpornego na działanie chociażby wysokich temperatur, obciążeń środowiskowych czy mechanicznych. Także ich kształt powinien pasować do konstrukcji silnika i przy tym sprzyjać maksymalnej wydajności turbiny oraz wydłużeniu czasu eksploatacji.
„Wspólnie z naukowcami z Politechniki Rzeszowskiej badaliśmy łopatki o określonym kształcie, wykonane z nadstopu niklu. Wiedzieliśmy, że w procesie produkcji powstają pewne defekty, które mają znaczenie dla trwałości i jakości produktu” – relacjonował dr Jacek Krawczyk.
Okazało się, że dla trwałości łopatek pośrednie znaczenie ma kąt, pod jakim umieszczone są w piecu podczas wytapiania.
„Łopatki, o których rozmawiamy, powstają w wyniku stosowania techniki Bridgmana kierunkowej krystalizacji. Na podstawie badań oraz z uwzględnieniem wymaganych parametrów otrzymywania potrafimy wskazać, pod jakim kątem względem kierunku krystalizacji powinny być ustawione w piecu odlewniczym formy na łopatki, aby niepożądanych defektów było jak najmniej” – powiedział naukowiec z Uniwersytetu Śląskiego.
Podczas procesu krystalizacji pojawia się pewien wymuszony kierunek, w którym wzrastają dendryty, czyli określone struktury kryształów tworzących łopatki. Badacze odkryli, że największa ilość zmian kierunku rdzeni owych dendrytów ma miejsce w częściach cienkościennych łopatek, co przekłada się bezpośrednio na ich mniejszą wytrzymałość.
„Chcieliśmy doprowadzić do tego, aby kierunki wzrostu rdzeni dendrytów były równoległe do powierzchni ścianki cienkościennego fragmentu łopatki. Dzięki temu jesteśmy w stanie otrzymać produkt, którego najcieńsze fragmenty są bardziej odporne na zużycie eksploatacyjne, na czym nam najbardziej zależało” – wskazał dr Jacek Krawczyk.
Można tego dokonać dzięki określeniu wartości kąta nachylenia rdzeni dendrytów względem powierzchni formy odlewniczej. To właśnie sposób określenia tej wartości w odlewach monokrystalicznych został opatentowany.
„W prototypowych łopatkach, w zależności od ich wielkości, geometrii czy zastosowanego materiału, dzięki naszemu rozwiązaniu można sprawdzać, jak ułożone są dendryty w stosunku do płaszczyzny ścianek. Na tej podstawie ustala się ułożenie formy w piecu względem kierunku krystalizacji podczas produkcji właściwego elementu, aby otrzymać docelowo trwalszy produkt” – dodał dr Krawczyk.
Rozwiązanie powstało w wyniku realizacji projektu w ramach konkursu INNOTECH Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, którego wyniki wdrożono w jednej z firm produkujących łopatki do turbin dla przemysłu lotniczego.
Autorami rozwiązań są naukowcy związani z Wydziałem Nauk Ścisłych i Technicznych Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach: dr hab. Włodzimierz Bogdanowicz, prof. UŚ, dr Jacek Krawczyk oraz mgr inż. Anna Tondos, a także naukowcy z Politechniki Rzeszowskiej: prof. dr hab. inż. Jan Sieniawski i mgr inż. Kamil Gancarczyk.
(PAP)
