新合金旨在提高氢涡轮机效率

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1884 年，船舶工程师查尔斯·帕森利用煤炭为他的开创性发明——多级蒸汽涡轮机提供动力，从而产生电力。这场技术革命标志着全球发电和用电的新纪元。如今，人类日益增长的电力和能源需求需要更高效的涡轮机和环保燃料。
为了通过突破性材料技术满足近期的能源需求，德克萨斯农工大学的工程师们计划开发一种燃气轮机材料系统，该系统可以使用氢燃料代替天然气运行。这将包括高性能合金、防护涂层和冷却系统。
材料科学与工程系教授、该资助项目首席研究员唐·利普金博士说：“美国制定了到 2035 年实现能源脱碳的雄心勃勃的目标。”
“我们需要更清洁、更高效的先进燃气轮机材料解决方案；也就是说，燃气轮机可以在更高的温度下工作，并使用氢气代替天然气，以免产生二氧化碳。”
涡轮机将机械能转化为电能。在这些机器中，叶片连接到中心轴上。当这些叶片像风扇叶片一样旋转时，轴就会旋转，从而转动发电机并产生电能。在帕森的涡轮机中，叶片是由煤加热的水产生的蒸汽推动的。
20 世纪 30 年代，燃煤发电厂逐渐开始使用天然气，以提高发电效率并减少二氧化碳排放。在燃气轮机中，点燃压缩气体产生的压力使叶片转动，产生电力而不是蒸汽。
下一代先进涡轮机的目标是更加高效，并用碳足迹最小的氢气取代天然气。然而，这些目标又带来了另外两个问题。
“非常高效的涡轮机需要在更高的温度下运行，大约 3000 华氏度或更高，我们需要能够在这些更高温度下运行的先进涡轮机的材料解决方案，”利普金说。
“另一个问题是，当你在空气中燃烧氢气时，产生的蒸汽比燃烧天然气时更多。大多数涡轮机材料在暴露于高温和非常潮湿的环境中时都会出现加速损坏的迹象。”
制造涡轮机的材料是主要由镍和钴组成的超级合金，还有少量其他元素，例如铬、铝、钨、钼和铌。
镍基高温合金的主要问题是它们在 2400 F 时开始熔化。因此，工程师们正在研究一种称为耐火高熵合金 (RHEA) 的新型材料系统，其中许多材料的熔化温度高于 3500 F。
在美国高级研究计划署能源部 (ARPA)-E 的 ULTIMATE 计划第一阶段中，德克萨斯 A&M 大学材料科学家 Raymundo Arróyave 博士确定了多种有前景的 RHEA。
“为了解决这个看似不可能的问题，我们利用了我们团队首创的先进合金设计工具，”与易卜拉欣·卡拉曼博士共同担任该项目首席研究员的阿罗亚夫说。“发现能够承受这些极端环境的新合金就像在多维大海中找到一根针。”
下一步，利普金和他的团队将测试 A&M 团队开发的带有定制涂层的 RHEA 是否能同时耐受高温、氧化和潮湿。他们正在创建一个与氢燃料燃气轮机最热部分非常相似的实验装置。
简单来说，高压氢气和空气将被挤压通过小型火箭喷嘴状管道并点燃。此过程会产生高温、高速的气体和蒸汽，它们以超音速从喷嘴喷出并撞击 RHEA 试样。
该团队将在有和无冷却的模拟氢气涡轮机环境中研究 RHEA 材料系统（包括基材合金、抗氧化涂层和热障涂层）的弹性。
利普金说：“我们实现能源领域碳减排目标的一种方法是保持整体能源生产基础设施完好无损，但改用燃烧氢气而不是天然气作为燃料。”
“没有一种解决方案可以适用于美国所有的能源基础设施；它将是可再生能源和不可再生能源的混合。”