Die Forschung versucht, die Widerstandsfähigkeit von Flugzeugturbinen gegenüber Partikeln zu verbessern

Ende 2015 wurden zwei Marines getötet und 20 weitere verletzt, nachdem eine MV-22 Osprey während eines Trainings vor dem Einsatz auf der Bellows Air Force Base in Hawaii abgestürzt war. Schuld daran waren in der Luft schwebende Sand- und Staubpartikel, die für die Flieger zu Stromausfällen führten und in die Triebwerke des Flugzeugs aufgenommen wurden, aufgrund der hohen Temperaturen schmolzen und interne Komponenten verschlechterten, was die Leistung und den Auftrieb des Flugzeugs beeinträchtigte.

Weniger als einen Monat später, als der Vulkan Momotombo ausbrach, mussten kommerzielle Flüge am Boden bleiben, um die Aufnahme von Partikeln durch die anhaltende Explosion des Vulkans zu vermeiden.

Sand, Staub und andere Partikel sind der Flugzeugtechnik seit Jahrzehnten ein Dorn im Auge. In den 90er Jahren konzentrierte sich das Problem hauptsächlich auf Erosion, aber bessere Beschichtungen der Motoren haben dieses Problem gelöst.

Jetzt hängt das Problem eher mit den hohen Temperaturen zusammen, die in neueren Turbinentriebwerken erzeugt werden, was eine erhöhte Leistung und Leistung ermöglicht. Zu ihrem Nachteil schmelzen diese höheren Temperaturen jedoch Partikel, wenn sie in den Motor aufgenommen werden, was die Turbine verstopfen kann.

Physikstudent der Naval Postgraduate School (NPS) und Meyer Scholar Lt. Erick Samayoa und sein Berater Dr. Andy Nieto, NPS-Assistenzprofessor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik (MAE) – mit Hilfe des anderen NPS-MAE-Assistenzforschungsprofessors Troy Ansell und der UC San Diego NanoEngineering-Professor Jian Luo – fand heraus, dass Ultrahochtemperaturkeramik (UHTCs) sandphob sein könnte. Mit anderen Worten, geschmolzener Sand bleibt nicht an ihnen haften.

Ihre vom Strategic Engineering and Research Development Program (SERDP) finanzierte Studie war die erste, die das Potenzial der Verwendung von UHTCs in Flugzeugturbinen untersuchte. SERDP ist eine gemeinsame Anstrengung des Verteidigungsministeriums (DoD), der Umweltschutzbehörde (EPA) und des Energieministeriums (DoE). Dieses Projekt war Teil einer Zusammenarbeit zwischen NPS, dem US Army Lab, der Stony Brook University und dem Materialunternehmen Oerlikon Metco.

Während verschiedene Unternehmen Filter entwickelt haben, um die Sandaufnahme zu reduzieren, ist es fast unmöglich, alle Partikel aus einer Turbine fernzuhalten, und leider sind die kleinsten Partikel diejenigen, die am leichtesten schmelzen. Andere Forschungen haben nach Möglichkeiten gesucht, das Schmelzen von Sand und anderen Partikeln zu verlangsamen, indem sie durch die Einführung einer Gegenreaktion schnell wieder verfestigt werden, aber dies hat nicht von vornherein verhindert, dass Partikel am Motor haften bleiben.

Das NPS-Team entschied sich daher, das Problem vom Materialstandpunkt aus zu betrachten. Bevor Nieto vor etwa vier Jahren zu NPS kam, arbeitete er beim US Army Research Laboratory (ARL) und brachte seine Forschung und Partnerschaft mit ARL mit zu NPS.

Ansell brachte dem Team Bilder von verschiedenen Partikeln, die ultrahohen Temperaturen ausgesetzt waren, die mit einem Transmissionselektronenmikroskop aufgenommen wurden, um zu sehen, ob und wie sie mit den UHTCs interagierten. Luo stellte die keramischen Materialien zur Verfügung und half bei der Analyse der Ergebnisse mit seiner Expertise in Hochentropie-Keramik.

Samayoa sagt, dass dieses ganze Projekt eine schwere Lernkurve war, da er Physikstudent war, aber die Forschung passte gut zu seinen Zielen. Und die Qualität seiner Arbeit zeigte sich, behauptete Nieto, und sagte, dass die von Samayoa durchgeführte Forschung für einen Doktortitel geeignet sei. Schüler.

Zur Komplexität der Forschung mit UHTC kommt noch die Herausforderung hinzu, die von modernen gasbetriebenen Turbinen abgegebene Wärme zu simulieren. Die Forscher mussten einen Weg finden, Materialien bei dieser Temperatur zu testen, was das Team dazu zwang, den heißesten Ofen zu erwerben, den NPS je hatte. Nach der Inbetriebnahme entwickelte das Forschungsteam ein Projekt, um die UHTCs bei unterschiedlichen Temperaturen über unterschiedliche Zeiträume zu testen.

„Wir waren die ersten, die bei diesen höheren Temperaturen überhaupt mit Materialien für diese Anwendungen experimentiert haben“, sagt Nieto. „Es war völlig unerwartet, dass diese Ultrahochtemperatur-Keramiken bei höheren Temperaturen tatsächlich ein gewisses Maß an chemischer Trägheit erhalten, wenn sie nicht mit dem geschmolzenen Sand interagieren. Dies eröffnet einen möglichen Weg nach vorne, wie wir entwickeln diese Motoren.“

Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift Materialiaim Dezember 2021.

Bereitgestellt von der Naval Postgraduate School