En amerikansk marin MV-22B fiskgjuse landar i Babadag Training Area, Rumänien, i denna 2015 fotoillustration, och sparkar upp moln av potentiellt farliga partiklar i processen. Forskning vid NPS som använder det senaste inom Ultra High Temperature Ceramics har potential att öka resiliensen hos turbinmotorer mot partikelintag, vilket är avgörande för DOD-flygplan som arbetar i sandiga och salta miljöer. Kredit:U.S. Marine Corps fotoillustration av Sgt. Paul Peterson
I slutet av 2015 dödades två marinsoldater och 20 andra skadades efter att en MV-22 Osprey kraschade under utbildning före utplaceringen vid Bellows Air Force Base på Hawaii. Boven var luftburen sand och dammpartiklar som orsakade utbrottsförhållanden för flygarna och som fördes in i flygplanets motorer och smälte på grund av de höga temperaturerna och försämrade interna komponenter som äventyrade flygplanets kraft och lyftkraft.
Mindre än en månad senare, när vulkanen Momotombo bröt ut, tvingades kommersiella flygningar stanna på grund för att undvika partikelintag från vulkanens kvardröjande explosion.
Sand, damm och andra partiklar har varit en nagel i ögonen på flygplanstekniken i decennier. På 90-talet var frågan främst centrerad kring erosion, men bättre beläggningar på motorerna har löst det problemet.
Nu är problemet mer relaterat till de höga temperaturer som genereras i nyare turbinmotorer, vilket möjliggör ökad prestanda och kraft. Till deras nackdel smälter emellertid dessa högre temperaturer partiklar när de förs in i motorn, vilket kan täppa till turbinen.
Naval Postgraduate School (NPS) fysikstudent och Meyer Scholar Lt. Erick Samayoa och hans rådgivare Dr. Andy Nieto, NPS Assistant Professor of Mechanical and Aerospace Engineering (MAE)—med hjälp av andra NPS MAE Assistant Research Professor Troy Ansell och UC San Diego NanoEngineering Professor Jian Luo - fann att ultrahög temperatur keramik (UHTC) kan vara sandfobisk. Med andra ord, smält sand fastnar inte på dem.
Deras studie, finansierad av Strategic Engineering and Research Development Program (SERDP), var den första som tittade på potentialen med att använda UHTC i flygplansturbiner. SERDP är en gemensam ansträngning av Department of Defense (DoD), Environmental Protection Agency (EPA) och Department of Energy (DoE). Detta projekt var en del av ett samarbete mellan NPS, U.S. Army Lab, Stony Brook University och materialföretaget Oerlikon Metco.
Medan olika företag har utvecklat filter för att minska sandintaget är det nästan omöjligt att hålla alla partiklar utanför en turbin, och tyvärr är de minsta partiklarna de som smälter lättast. Annan forskning har undersökt sätt att bromsa sand och andra partiklar från att smälta genom att snabbt stelna dem genom införandet av motreaktion, men detta har inte hindrat partiklar från att fastna på motorn i första hand.
NPS-teamet bestämde sig därför för att se på problemet ur materialsynpunkt. Innan han kom till NPS för ungefär fyra år sedan arbetade Nieto på U.S. Army Research Laboratory (ARL) och tog med sig sin forskning och partnerskap med ARL till NPS.
Ansell tog med sig bilder av olika partiklar exponerade för ultrahöga temperaturer som fångats med ett transmissionselektronmikroskop för att se om och hur de interagerade med UHTC:erna. Luo tillhandahöll de keramiska materialen och hjälpte till att analysera resultaten med sin expertis inom högentropi keramik.
Samayoa säger att hela projektet var en tung inlärningskurva eftersom han var fysikstudent, men forskningen passade väl in i hans mål. Och kvaliteten på hans arbete visade, hävdade Nieto, och sa att forskningen som Samayoa utförde skulle vara lämplig för en doktorsexamen. student.
Utmaningen att simulera värmen från moderna gasdrivna turbiner ökar komplexiteten i forskningen med UHTC. Forskarna behövde hitta ett sätt att testa material vid den temperaturen, vilket kräver att teamet skaffar den hetaste ugnen NPS någonsin har haft. Väl igång utvecklade forskargruppen ett projekt för att testa UHTC vid olika temperaturer under olika lång tid.
"Vi var de första som ens experimenterade vid dessa högre temperaturer för något material för dessa applikationer," säger Nieto. "Det var helt oväntat att när du skulle gå högre i temperatur, skulle du faktiskt få en viss grad av kemisk tröghet från dessa ultrahöga temperaturkeramer där de inte interagerade med den smälta sanden. Det öppnar en möjlig väg framåt i hur vi designar dessa motorer."
Forskarna publicerade sina resultat i tidskriften Materialia , i december 2021. + Utforska vidare
