Progressus investigativus et tendentia evolutiva turbinum gascearum graviorum eorumque coatingum barrierae thermalis (1)

In campo industriae gravissimae, machinae generatrices energiae thermoelectricae, ut turbinis gasiferae gravissimae, quae propter exiguum loci spatium, brevem tempus constructionis, altam efficaciam, minorem pollutionem aliasque proprietates late in usum veniunt ad oneris culminis rete electricum, ad extractionem et transmissionem energiae, ad generationem electricitatis ex aquis marinis, ad systemata propulsiva navium praestantissimarum, ad aeronauticam et astronauticam, vocantur «margarita industrialis». Quodam sensu, gradus generalis evolutions industriae nationalis arcte coniunctus est cum gradu investigationis et evolutionis turbinum gasiferarum gravissimarum.

Anno MCMLXXXIX societas Helvetica BBC primam in mundo turbomachinam gazosam gravis usus ad generationem energiae produxit, quae initium dedit celeri progressui turbomachinarum gazosarum gravium per orbem. Recentibus annis, desiderium conservationis energiae et protectionis ambientis crescit, atque exigentiae de praestantia turbomachinarum gazosarum gravium quoque augentur, ad finem altioris efficacitatis et minorum emissionum [1]. Duo sunt principia quae efficacitatem turbomachinarum gazosarum influunt: primum est temperatus aditus turbinis, alterum est ratio compressionis compressoris. Inter haec, res magis critica est quomodo temperaturam aditus turbinis augere liceat [2]. Turbinis igitur paleae, ut partes centrales turbomachinarum gazosarum, ad augmentum temperaturae aditus turbinis praecipue tribuuntur tribus rebus: materiis metallicis resistentibus altis temperaturis, technologia refrigerandi provecta, et technologia stratorum barrierae thermalis.

His annis recentibus technologia formandi lamellas superalloy directionales vel monocristallinas, technologia stratorum thermalium barrierae et technologia refrigerationis per pelliculam gasiis vigore summo evolutae sunt [3]. Multae investigationes invenere ut structura refrigerans designata temperaturam superficiei partium calidarum (scilicet laminarum turbinis, camerrarum combustionis, etc.) minuere possit fere 500 ° C, sed adhuc non sufficit ad exigentias satisfaciendum. Tamen, ut technologia refrigerationis turbinum ulterius perficiatur, structurae refrigerationis a peritis designatae et fabricatae non solum sunt valde complexae, sed etiam difficiles ad elaborandum. Praeterea, multae superaleationes, quibus paleae turbinum gazosarum graviorum fabricantur, iam ad temperaturas limitis pervenerunt, dum composita ceramica matricis, quae meliorem resistentiam ad calorem habent, adhuc non sunt matura ad usum [4]. Per contra, technologia stratorum barrierae thermalis minorem impendium habet et praestantem isolationem thermicam. Studia ostenderunt stratum barrierae thermalis 100–500 μ m per technologiam pulveris thermalis in superficie paleae turbinis depositum posse evitare contactum directum inter gas calidum et paleam turbinis gazosae gravioris, atque temperaturam superficiei minuere fere 100–300 ℃, ita ut turbina gazosa gravior secure in servitium vocari possit [5–6].

Ideo, variis factoribus consideratis, sola methodus efficax et efficere posse ad altam efficientiam, emissionem minimam et longam vitam turbinum gasorum graviorum est technica stratorum thermalium barrierae. Haec technica late usurpatur in componentibus calidis extremis turbinum gasorum et motorum aeris. Exempli gratia, stratum thermale barrierae super superficiem paleae turbineae spargitur ut eam a gaso calido separet, temperaturam superficiei paleae minuat, vitam operativam paleae prologat, et eam ad altiorem temperaturam operari permittat, qua de causa efficiens turbinis gasorum augetur. Ab initio anni 1940 et primis annis 1950, technica stratorum thermalium barrierae magnam attentionem excitavit et a multis institutis scientificis et fabricantibus stratorum per orbem terrarum strenue promota atque evoluta est; atque desiderium technicae stratorum thermalium barrierae in industria moderna cotidie magis ac magis urget. Ideo studium stratorum thermalium barrierae pro turbinibus gasorum magni momenti practici et strategici est.

Recentibus annis, stratum quod maxime usurpatur in turbinibus gazosis ad usus gravissimos est adhuc zirconia stabilis yttrio (6–8YSZ), cuius fractio massae est 6 p.p.m. ~ 8 p.p.m.; sed stratum YSZ non solum ad transformationem phasium et sinterationem tendit, sed etiam ad corrosionem a salis fusis supra temperaturam 1200 °C. Id est, corrosio CMAS (substantiae silicaticae ut CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂) et corrosio thermica. ℃ut stratum supra temperaturam 1200 °C operari possit ℃ diutius iam, studiosi multos conatus fecerunt, inter quos novarum tegmentorum thermalium barrierae inventio et evolutio, processus praeparationis tegmentorum thermalium barrierae melioratio, et structurae tegmenti regulatio. Itaque, postquam de statu praesenti turbinum gazearum graviorum et de structura systematis, materiis, ac methodis praeparationis tegmentorum thermalium barrierae disseruimus, hoc opusculum statum investigationis tegmentorum thermalium barrierae pro turbinibus gazearum adversus corrosionem CMAS et alias proprietates claves recapitulat, ut ad investigationem tegmentorum thermalium barrierae adversus corrosionem CMAS subsidium praebere possit.

1 Status et tendentia evolutions turbinum gazearum graviorum

Postquam prima mundi turbina gasosa anno 1920 prodierat, turbinēs gasōsas in campo industrialī celeriter coepērunt evolvere. Recentibus annīs magnitūdō mercātūs globalis turbinum gasōsārum gravium continuō crescit; cūrā maiōre nātiōnēs in studium atque īnventiōnem turbinum gasōsārum gravium incumbunt, et impendia pecūniāria atque operam hominum continuō augent; itaque gradus technīcus turbinum gasōsārum gravium semper melior fit. Gradus technīcus turbinum gasōsārum gravium a temperātūra ad ostium turbinis determinātur, quae secundum intervallum temperātūrae in classes E, F et H dīvidī potest [7]. Inter hās, classis E potestātem habet 100–200 MW, classis F 200–300 MW, classis autem H plus quam 300 MW.

1.1 Status praesēns turbinum gasōsārum gravium indigenārum

In annis 1950, turbinas gazosas gravioris structurae in Sinis a societatibus externis introducendas erat [General Electric (GE), Siemens Germaniae, Mitsubishi Heavy Industries (MHI) Iaponiae], deinde autonome designandas, evolvendas et fabricandas. In hac aetate, technologia turbinum gazosarum gravioris structurae in nostro regno celeriter evoluta est. In annis 1980, gravis penuria olei et gasi in Sinis orta est, atque propterea progressus technologiae turbinum gazosarum gravioris structurae in statum declivem coactus est. Usque ad annum 2002, cum transmissio gasi ab occidente ad orientem et cum evolutio atque introductio gasis naturalis in nostro regno fierent, problema olei et gasi solutum est, atque turbines gazosae gravioris structurae in nostro regno tandem novam progressionis rotam incepere [8]. Nunc fabri catio sinica turbinum gazosarum gravioris structurae praecipue in Shanghai Electric, Dongfang Electric, Harbin Electric aliisque societatibus innititur.

Anno 2012, in «863» magnis operibus in campo energiae, turbinis gasosi gravis R0110, a Shenyang Leing Company et a maioribus universitatibus Sinensibus elaboratus, feliciter perfecit operationem experimentalem sub onere per tempus 72 horarum, quod signat felicem productionem primi turbinis gasosi gravis iuris intellectualis sui, cuius onus fundamentale est 114,5 MW. Efficiens thermalis est 36%. Ex eo tempore, Sinae factae sunt quintus orbis terrarum populus qui vim habet ad turbines gasosos graves per se investigandos atque elaborandos. Anno 2014, Shanghai Electric partem in Ansaldo (Italia) emit, quod monopolium externum in industria turbinum gasosorum rumpit, atque hoc quoque Sinarum localizationem initialis turbinum gasosorum gravium classis E/F effecit. Anno 2019, ductu China Re-Combustion, technica coniuncta plurium institutorum feliciter fabricavit primam lamellam mobilem, primam lamellam staticam, et camaram combustionis turbine gasosi classis F, potestatis 300 MW, quod indicat Sinarum facultatem initialem ad componentia calida turbinum gasosorum gravium fabricanda; eodem anno, Shanghai Electric et Ansaldo turbini gasoso gravi classis H GT36 feliciter elaboraverunt, quod primus turbine gasosus gravis classis H in nostra patria elaboratus est. Anno 2020, in opere «973», primus turbine gasosus gravis classis F, potestatis 50 MW (vocatus G50), a China Dongfang Electric et ab Universitate Xi’an Jiaotong per se elaboratus, feliciter perfecit operationem experimentalem sub onere pleno stabiliter [9], quod significat Sinarum facultatem initialem ad turbinem gasosum gravem classis F per se elaborandum. Mensis Iunii anni 2022, Jiangsu Yonghan in elaboratione lamellarum turbine gasosi gravis 300 MW post primum experimenti successum participavit, quod signat ulteriorem successum investigationis et elaborationis turbine gasosi gravis 300 MW in Sinis. Tamen, quamvis gradus technologiae turbine gasosi gravis in Sinis celeriter crescat, turbines gasosi classis E/F adhuc praecipue in mercatu turbine gasoso domestico utuntur. Inter hos, efficentia cycli simplicis in turbine gasoso gravi maxime perfecto in mercatu domestico est 42% ad 44%, et efficentia cycli combinati est 62% ad 64% [10].

1.2 Status quo turbinarum gazearum graviorum apud exteras nationes

Etsi recentibus annis scientia, technologia, et oeconomicus orbis celeriter evolverunt, tamen gradatim progressus est status technologicus turbinarum gazearum graviorum; magna tamen pars mercatus turbinarum gazearum graviorum per totum orbem adhuc a societatibus Americanis GE, Iaponicis MHI, Gallicis Alstom, et Germanicis Siemens dividitur. Cum technologia industrialis evolveret, ars turbinum gazearum graviorum maturior facta est, atque focus investigationis ac evolutionis paulatim a campo turbinarum gazearum aviationis ad campum turbinarum gazearum graviorum translatum est; itaque turbinas gazearum classium E, F, G, H, et J iam evolverunt.

Hoc tempore, in mercatu turbinum gazearum gravium, multa producta Mitsubishi Iaponiae apud populum magis sunt gratia. Inter haec, turbina gazearum typi JAC, quae a Mitsubishi Heavy Industries fabricantur, habentur pro maxime efficacibus turbinibus gazearum orbis terrarum, et efficacia generationis electricae in ciclo coniuncto ad 64% aut etiam plus ascendere potest. Turbina gazearum M701J, quae est turbina gazearum ad generationem electricae maxime efficax caloris in orbe terrarum, habet potestatem in ciclo simplici 470 MW et potestatem in ciclo coniuncto 680 MW. Praeterea, turbina gazearum M501J adhuc habet efficaciam caloris 55% sub condicionibus oneris 50%, et eius praestatio valde optima est.

Turbina gasosa gravis classis SGT5-9 000HL, 50 Hz, a Siemens Germaniae excogitata et fabricata, est potentissima turbina gasosa gravis cum maxima potestate electrica unius unitatis in toto orbe. Haec turbina gasosa gravis usque ad 840 MW electricitatis in modo cycli combinati generare potest, et eius efficentia cycli combinati usque ad 63% ascendit; tamen non est efficacissima turbina gasosa in modo cycli combinati.

Mense Octobri anni 2019 societas GE turbinem gazosam robustam 7HA.03 in lucem emisit, cuius potestas maxima in cyclo combinato paulo minor est quam turbinis gazosi robusti classis SGT5-9000HL apud Siemens, attingens 821 MW; tamen efficacia maxima in cyclo combinato aestimatur ad 63,9 % pervenire. Anno 2022 turbo gazosa 7HA.03 primum in operationem commercialem venit, cum efficacia generationis electricae in cyclo combinato superans 64 % et cum velocitate incrementi oneris usque ad 75 MW/min. Turbo gazosa 7HA.03 emissiones minuere potest ad 70 %. Ut ulterius emissiones carbonii ex generatione electrica per combustionem gasorum diminuantur, turbo gazosa 7HA.03 apud GE nunc admittit combustionem hydrogenii ad 50 % voluminis et habet potestatem nettam 430 MW in cyclo simplici. Usus unius «tractus» («one-tow») turbine 7HA.03 robustae generare potest usque ad 640 MW; at vero usus duorum «tractuum» («two-tow») turbine 7HA.03 robustae generare potest usque ad 1 282 MW.

Hodie temperātūra aditūs turbinum gassārum gravissimārum, quae in mundo sunt peritissimae, est tam alta quam 1600 ° °C [11]. Quidam periti praedīxērunt temperātūram maximam aditūs turbinum gassārum futūrōrum ad 1700 ℃ascendere posse, et efficāciam cyclī simplicis et cyclī combinātī ad 44% ~ 45% et 65% respective pervenīre posse [10].

In summa, quamquam gradus technicus turbinum gazearum graviorum in Sinis magnopere profectus est comparatus ad praeteritum, adhuc magnus interventus est in gradu technologiae fabricandae et manutentionis comparatus ad nationes evolutas, ut in Tabula 1 ostenditur. Propter hoc, fabricatores et investigatores domestici primum omnium clare intellegere debent statum evolutionis turbinum gazearum graviorum in Sinis, augere momenti rationem investigationis et evolutionis turbinum gazearum graviorum, simul cum subsidio politices nationalis, continue augere investitionem pecuniae in investigationem technologiae turbinum gazearum graviorum, atque in praecipuis viribus omnium partium insisteremus ad plenam evolutionem turbinum gazearum graviorum. Conaremur interventum inter gradum technicum turbinum gazearum graviorum in nostra patria et gradum technicum aliarum nationum evolutarum minuere. Itaque gradus technicus turbinum gazearum graviorum in Sinis adhuc immensum spatium habet ad evolvendum, et eius futura tendentia evolutionis principaliter ad haec quattuor spectat: scilicet parametri alti, praestantia alta, pollutio parva, et magnitudo magna [12].