چکیده

توربوماشین‌ها، شامل توربین‌ها، کمپرسورها و پمپ‌ها، اجزای کلیدی در بسیاری از صنایع مانند هوافضا، تولید انرژی و خودروسازی هستند. در دهه‌های اخیر، فناوری سامانه‌های میکرو الکترومکانیکی (Micro-Electro-Mechanical Systems) یا ممز (MEMS) توجه بسیاری را برای ساخت توربوماشین‌های کوچک‌تر و کارآمدتر به خود جلب کرده است.

با این حال، پیاده‌سازی یک توربوماشین کامل با فناوری MEMS با چالش‌های متعددی روبه‌رو است. این مقاله به بررسی مهم‌ترین چالش‌های مواد، تولید، دینامیک سیالات، یاتاقان‌بندی، تأثیرات مقیاس و محدودیت‌های عملکردی در ساخت توربوماشین‌های MEMS می‌پردازد.

۱. مقدمه

توربوماشین‌ها، سیستم‌هایی هستند که با استفاده از انرژی سیال، کار مکانیکی تولید یا تبدیل می‌کنند. فناوری ممز (MEMS) امکان کوچک‌سازی و یکپارچه‌سازی قطعات مکانیکی، الکترونیکی و سیالاتی را در مقیاس میکرومتر فراهم کرده است. هدف از ترکیب توربوماشین‌ها با MEMS، ساخت میکروتوربین‌ها، میکروکمپرسورها و میکروپمپ‌ها برای کاربردهایی مانند تولید توان در مقیاس کوچک، سیستم‌های خنک‌کاری و پیشرانه‌های فضایی است

اما چالش‌های فنی و علمی متعددی در مسیر توسعه این فناوری وجود دارد که تاکنون مانع ساخت یک توربوماشین کامل با فناوری MEMS شده است. در این مقاله، این چالش‌ها به‌تفصیل بررسی می‌شوند.

۲. چالش‌های مواد و ساخت توربوماشین‌های ممز

۲.۱. محدودیت‌های مواد در ممز

• توربوماشین‌های معمولی از آلیاژهای مقاوم به حرارت و تنش مانند اینکونل و تیتانیوم ساخته می‌شوند، در حالی که فناوری MEMS عمدتاً به سیلیکون و پلیمرها متکی است.
• سیلیکون در برابر دما و تنش مکانیکی بالا مقاوم نیست، درحالی‌که توربین‌های گازی معمولاً در دماهای بالاتر از ۱۲۰۰ سلسیوس کار می‌کنند.
• آلیاژهای فلزی در فرآیندهای استاندارد MEMS به‌راحتی قابل استفاده نیستند و نیاز به روش‌های تولید خاص دارند.

۲.۲. محدودیت‌های فرآیند تولید

• ممز عمدتاً از لیتوگرافی نوری، اچینگ شیمیایی و لایه‌نشانی برای ساخت قطعات استفاده می‌کند، اما این روش‌ها برای ایجاد پره‌های سه‌بعدی و پیچیده توربوماشین‌ها محدودیت دارند.
• فرآیندهای MEMS معمولاً امکان تولید قطعاتی با استحکام مکانیکی بالا و تلورانس‌های کم را ندارند.
• برای ساخت ساختارهای توربوماشین، روش‌هایی مانند لیتوگرافی سه‌بعدی، پرینت سه‌بعدی فلزی و ماشین‌کاری دقیق (Micro-Machining) نیاز به توسعه بیشتر دارند.

۳. چالش‌های آیرودینامیکی و دینامیک سیالات در توربوماشین‌های ممز

۳.۱. افزایش تأثیرات لزجت و جریان‌های آشفته

• در مقیاس میکرو، اثرات لزجت و لایه مرزی بیشتر شده و باعث کاهش راندمان جریان هوا یا گاز درون توربوماشین می‌شود.
• در توربوماشین‌های بزرگ، جریان سیال عمدتاً تراکم‌پذیر و آشفته است، اما در مقیاس MEMS، اثر لایه مرزی و نیروهای ویسکوزیته غالب می‌شوند که عملکرد پره‌ها را کاهش می‌دهد.

۳.۲. نسبت بالای اصطکاک درون کانال‌ها

• در مقیاس میکرو، نسبت سطح به حجم بسیار بالاست که باعث افزایش اصطکاک و اتلاف انرژی در کانال‌های جریان می‌شود.
• این موضوع می‌تواند بازده کمپرسورها و توربین‌های MEMS را به‌شدت کاهش دهد.

۴. چالش‌های مکانیکی و یاتاقان‌بندی

۴.۱. عدم وجود یاتاقان‌های مناسب برای ممز

• توربوماشین‌های بزرگ از یاتاقان‌های مکانیکی، مغناطیسی یا هوایی برای کاهش اصطکاک استفاده می‌کنند.
• در مقیاس میکرو، ساخت یاتاقان‌هایی که بتوانند سرعت‌های چرخشی بالا (بیش از یک میلیون دور در دقیقه) را تحمل کنند، یک چالش بزرگ است.
• روش‌هایی مانند یاتاقان‌های هوایی ممز و یاتاقان‌های مغناطیسی میکروسکوپی در حال تحقیق هستند، اما هنوز به سطح عملکردی مورد نیاز نرسیده‌اند.

۴.۲. تنش‌های مکانیکی و خستگی مواد

• پره‌های توربین‌های گازی در معرض تنش‌های مکانیکی و حرارتی شدیدی هستند.
• در مقیاس MEMS، محدودیت‌های استحکام مواد و میکروترک‌های ایجاد شده در فرآیند ساخت می‌توانند منجر به خرابی زودهنگام شوند.

۵. محدودیت‌های توان و کاربردهای عملی

۵.۱. نسبت توان به حجم در میکروتوربوماشین‌ها

• یکی از اهداف MEMS برای توربوماشین‌ها، توسعه منابع توان قابل حمل است.
• با این حال، راندمان پایین و محدودیت‌های احتراق در مقیاس کوچک باعث شده‌اند که توان خروجی این دستگاه‌ها بسیار کمتر از انتظار باشد.

۵.۲. چالش‌های احتراق در توربین‌های گازی ممز

• احتراق در میکروتوربین‌ها چالش‌برانگیز است زیرا اختلاط هوا و سوخت در حجم کوچک به‌سختی انجام می‌شود.
• اتلاف حرارتی سریع در ابعاد کوچک باعث کاهش بازده احتراقی و در نتیجه توان خروجی کمتر می‌شود.

۶. آینده توربوماشین‌های ممز و راه‌حل‌های بالقوه

۶.۱. استفاده از مواد جدید

• سرامیک‌های مقاوم به دما و آلیاژهای پیشرفته با روش‌های نانوفابریکیشن ممکن است جایگزین مناسبی برای سیلیکون در MEMS باشند.

۶.۲. توسعه روش‌های تولید جدید

• فناوری‌هایی مانند پرینت سه‌بعدی فلزی در مقیاس میکرو، لیتوگرافی نانو و نانومواد ترکیبی می‌توانند موانع تولید را کاهش دهند.

۶.۳. ترکیب ممز با فناوری‌های دیگر

• ترکیب MEMS با فناوری‌هایی مانند یاتاقان‌های مغناطیسی هوشمند، سیستم‌های کنترل تطبیقی و هوش مصنوعی می‌تواند به بهبود عملکرد توربوماشین‌های کوچک کمک کند.

۷. نتیجه‌گیری

توسعه توربوماشین‌های مبتنی بر MEMS هنوز با چالش‌های متعددی مواجه است. محدودیت‌های مواد، فرآیند تولید، آیرودینامیک، یاتاقان‌بندی و احتراق در مقیاس میکرو از مهم‌ترین موانع هستند. با این حال، تحقیقات در زمینه مواد جدید، روش‌های ساخت پیشرفته و مدل‌سازی سیالات در مقیاس میکرو می‌تواند در آینده مسیر را برای تولید توربوماشین‌های MEMS هموار کند. اگر این چالش‌ها حل شوند، این فناوری می‌تواند کاربردهای جدیدی در پیشرانه‌های فضایی، سیستم‌های خنک‌کننده، و منابع انرژی میکرو پیدا کند.

در این رابطه: دریافت پایان‌نامه‌های دکترا دانشگاه ETH زوریخ در حوزه توربوماشین‌ها