Väsymisen ja virumisen merkitys ilmailukäytön kaasuturbiinien turbiininsiipien materiaaleissa

Abstract

Kaasuturbiini on moottorityyppi, joka on laajasti käytössä ilmailussa ja energiantuotannossa. Kaasuturbiinin laajan käytön vuoksi sen tehotiheyttä ja hyötysuhdetta pyritään jatkuvasti kasvattamaan. Kaasuturbiinin toimintaperiaatteen vuoksi tämä vaatii polttokammiosta turbiiniin siirtyvän kaasun lämpötilan korottamista. Turbiinin lämpötilan korotus on erityisen tärkeää ilmailukäytön kaasuturbiineissa, koska niiden massa ja koko halutaan minimoida, eikä niissä voida siksi hyödyntää monia teollisuuskäytön turbiineissa hyötysuhteen kasvattamiseksi käytettyjä keinoja.

Kaasuturbiinin osista korkeapaineturbiinin siivet toimivat vaativimmissa olosuhteissa. Niihin kohdistuu jatkuva vetojännitys sekä erilaisia syklisiä mekaanisia ja termisiä rasituksia, ja siivet toimivat pitkäjaksoisesti hyvin korkeassa lämpötilassa. Näistä syistä väsyminen ja viruminen ovat tärkeimpiä siipien elinikää rajoittavia tekijöitä. Korkeasyklinen väsyminen pyritään eliminoimaan täysin materiaalivalinnalla ja turbiinisuunnittelulla sen vaarallisuuden vuoksi, joten matalasyklinen väsyminen termisten syklien seurauksena on yleisin syy siipien käytöstä poistoon. Korkean lämpötilan vuoksi siivet viruvat aina moottorin ollessa käynnissä, joten mikäli siivet eivät hajoa väsymisen vuoksi, liiallinen viruminen johtaa lopulta niiden käytöstä poistoon.

Siipien viruminen on merkittävin turbiinin käyttölämpötilaa rajoittava tekijä, koska virumisnopeus kasvaa merkittävästi lämpötilan kasvaessa. Nikkelipohjaisten superseosten ja suunnatusti jähmetettyjen ja erilliskiteisten siipien kehityksen ansiosta modernien turbiinien siivet kestävät virumista erittäin hyvin, ja niiden pintalämpötila voi olla käytön aikana jopa yli 1100°C. Tämä on kuitenkin lähellä nikkelipohjaisten superseosten sulamispisteitä, joten uusien, korkeamman turbiinilämpötilan mahdollistavien materiaalien kehitys on tarpeen. Eräs lupaava materiaaliryhmä ovat Mo-Si-B-seokset, joiden korkea sulamislämpötila ja mekaaniset ominaisuudet voisivat mahdollistaa useita satoja asteita nykyistä korkeamman turbiinin lämpötilan. Näiden seosten virumisen ja korroosion kesto eivät kuitenkaan vielä riitä kestämään turbiinin vaativia olosuhteita, joten jatkokehitys on tarpeen ennen kuin näitä seoksia voidaan käyttää turbiinin siivissä.