Οι κινητήρες των αεροπλάνων μπορούν να φτάσουν σε θερμοκρασίες άνω των 1.600 βαθμών Κελσίου. Όσο θερμαίνονται, τόσο πιο αποδοτικοί γίνονται όσον αφορά στην κατανάλωση καυσίμου, αλλά αυτή η απόδοση περιορίζεται από τις θερμοκρασιακές ανοχές των μεταλλικών εξαρτημάτων μέσα στον στρόβιλο, πριν αρχίσουν να παραμορφώνονται.
Μια ομάδα που περιλαμβάνει ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Penn State των ΗΠΑ, παρήγαγε πρόσφατα μέσω τρισδιάστατης εκτύπωσης ένα εξάρτημα αεριοστροβίλου χρησιμοποιώντας κεραμικά, τα οποία είναι πιο ανθεκτικά στη θερμότητα από τα συμβατικά μέταλλα. Το εξάρτημα που προέκυψε έχει πολύπλοκα χαρακτηριστικά εσωτερικής ψύξης που του επιτρέπουν να αντέχει σε υψηλότερες θερμοκρασίες και, ως εκ τούτου, να αυξάνει την απόδοση καυσίμου.
Οι ερευνητές παρουσίασαν τις μεθόδους και τα αποτελέσματα τους στο συνέδριο ASME 2023 Turbomachinery, που διεξήχθη από 26 έως 30 Ιουνίου 2023 στη Βοστώνη στις ΗΠΑ.
«Υπάρχει αρκετός όγκος έρευνας όσον αφορά στη χρήση κεραμικών υλικών σε αεριοστροβίλους, αλλά δεν έχουν προκύψει πολλά χρησιμοποιήσιμα σε πραγματικές συνθήκες εξαρτήματα, κυρίως επειδή η κατασκευή τους είναι ιδιαίτερα δύσκολη», δήλωσε ο Stephen Lynch, μέλος της ομάδας μελέτης, αναπληρωτής καθηγητής μηχανολογίας στο Penn State. «Η νέα μέθοδος τρισδιάστατης εκτύπωσης κεραμικών εξαρτημάτων είναι μοναδική ως προς το ότι θα μπορούσε να δημιουργήσει σύνθετα εξαρτήματα πολύ εύκολα και με μικρό κόστος».
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τεχνικές βελτιστοποίησης σχεδιασμού και μια νέα τεχνική τρισδιάστατης εκτύπωσης -γνωστή και ως additive manufacturing- για να παράγουν πιο ανθεκτικά στη θερμότητα πτερύγια, χρησιμοποιώντας κεραμικό υλικό που προέρχεται από πολυμερές. Τα πτερύγια του αεριοστροβίλου έχουν σχήμα πετάλου και ανακατευθύνουν συνεχώς το ζεστό αέριο μέσα στον κινητήρα του αεριοστροβίλου για την εξαγωγή ενέργειας. Αυτή η ενέργεια χρησιμοποιείται εν μέρει για την τροφοδοσία του υπόλοιπου κινητήρα, ενώ η υπόλοιπη μετατρέπεται σε ώση για ένα αεροσκάφος ή ισχύ για την περιστροφή μιας ηλεκτρικής γεννήτριας.
«Δουλέψαμε με συνεργάτες στο Colorado School of Mines και στο Πανεπιστήμιο του Wyoming που είχαν ενσωματώσει κεραμικές ίνες σε κεραμικά εξαρτήματα που παρήχθησαν με τη μέθοδο της τρσδιάστατης εκτύπωσης», είπε ο Lynch, εξηγώντας ότι αυτά τα κεραμικά που προέρχονται από πολυμερές, δημιουργούνται με το ψήσιμο μιας βάσης που μοιάζει με πλαστικό σε έναν κλίβανο. «Το προσαρμόσαμε για να δημιουργήσουμε αυτά τα πτερύγια αεριοστροβίλου, αλλά επίσης αξιοποιήσαμε την ελευθερία σχεδιασμού της τρισδιάστατης εκτύπωσης για να δημιουργήσουμε εσωτερικά χαρακτηριστικά που βελτιώνουν δραματικά την αποτελεσματικότητα του αέρα ψύξης μέσα στο πτερύγιο».
Χρησιμοποιώντας τρισδιάστατη εκτύπωση σε συνδυασμό με κεραμικά που προέρχονται από πολυμερές, οι ερευνητές μπόρεσαν να δημιουργήσουν τα ακριβή σχήματα που απαιτούνται για να αντέχουν περισσότερη θερμότητα και να έχουν καλή απόδοση κατά τη λειτουργία του αεριοστροβίλου.
«Διαπιστώσαμε ότι με το σωστό σχέδιο για το εξάρτημα, το σχήμα του κεραμικού πτερυγίου που εκτυπώσαμε τρισδιάστατα, μπορεί να αποδώσει εξίσου καλά με τα μεταλλικά εξαρτήματα», είπε ο Lynch. «Ελπίζουμε ότι αυτή η τεχνολογία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη κεραμικών εξαρτημάτων με παρόμοια απόδοση με τα μεταλλικά μέρη σε κινητήρες αεριοστροβίλου, αλλά με αντοχή σε υψηλότερες θερμοκρασίες για μεγαλύτερη απόδοση καυσίμου».
Με πληροφορίες από techxplore.com
