גפי טורבינה חד-קריסטליים: פריצת דרך טכנולוגית שוברת גבולות טמפרטורה גבוהה

פיתוח של מנועי גז טורבינה לאווירונוטיקה

כשהדרישות הביצועים של מטוסים למטרות תחבורה, צבא, ייצור ואחרות עלו, המנועים הרגילים הראשונים כבר לא יכלו לענות על הצרכים של טיסה מהירה. לכן, החל משנות ה-50, מנועי הטורבינה בגז הפכו בהדרגה לזרם העיקר.

בשנת 1928, סר פרנק ויטל מבריטניה ציין בדיסרטציה להשלמת לימודיו "הפיתוח העתידי בתכנון מטוסים" בעת שסימן את האקדמיה הצבאית כי בהתחשב בידע הטכני של אותה תקופה, הפיתוח העתידי של מנועי מסדרון לא יוכל לענות על הצרכים של טיסה בגבהים גבוהים או מהירויות שמעל 800 ק"מ לשעה. הוא היה הראשון שהציע את הרעיון של מה שמכונה כיום מנוע النفاث (motor engine): אוויר מוכתם מסופק לחדר בעירה (combustion) באמצעות פיסטון מסורתי, והגזים חמים שנוצרים משמשים ישירות כדי להניע את הטיסה, מה שאפשר לראות כמנוע מסדרון עם תכנון חדר בעירה נוסף. במהלך מחקריו הבאים, הוא עזב את הרעיון להשתמש בפיסטון כבד ואפקטיבי פחות והציע להשתמש בטורבינה (turbine) כדי לספק אוויר מוכתם לחדר הבעירה, והכוח לטורבינה נגזר מגזות הפליטה החמים. בשנת 1930, הגיש ויטל בקשה לפטנט, וב-1937 פיתח את המנוע הטורבו-נפחי הראשון בעולם, שזכה לשימוש רשמי לראשונה במטוס Gloster E.28/39 בשנת 1941. מאז, מנועי הטורבינה הגזים שלטו כמקור העיקר של כוח התעופה והם סמל חשוב של רמת המדע והטכנולוגיה של אומה ושל עוצמה לאומית כוללת.

מנועי מטוסים ניתן לחלק לאربع סוגים בסיסיים לפי השימושים והמאפיינים המבנה שלהם: מנועי טורבו-ג'ט, מנועי טורבו-פַּן, מנועי טורבו-שאフト ומנועי טורבו-פרופ:

מנועי גזים הטורביניים של התעופה מכונים מנועי טורבו-ג'ט, שהם המנועים הקדומים ביותר שהשתמשו בטורבינה של גז. מנקודת מבט של אופן ייצור הכוח העומד, מנועי טורבו-ג'ט הם המנועים הפשוטים והמישירים ביותר. ההיגיון מבוסס על כוח התגובה שנוצר מהזריקת תורנדו במהירות גבוהה. עם זאת, זרימת האוויר מהירה מובילה גם להסחת הרבה חום ואנרגיה קינטית, מה שגורם להפסד אנרגיה גדול.

המנוע הטורבו-פַּן מחלק את האוויר הזורם לתוך המנוע לשני נתיבים: הדופן הפנימי והדופן החיצוני, מה שמציא את סך כל זרימת האוויר ומעלה את טמפרטורת הפליטה והמהירות של זרימת האוויר בהדופן הפנימי.

מנועי טורבושאフト וטורבופראップ לא יוצרים דחף באמצעות הזרקת זרם אוויר, ולכן הטמפרטורה והמהירות של גז העצירה מופחתות בצורה ניכרת, המizת חום תרמיתית יחסית גבוהה, והצריכה של דלק על ידי המנוע נמוכה, מה שמתאים לתעופה למרחקים ארוכים. המהירות של הפרופלר בדרך כלל לא משתנה, והדחפים השונים מתקבלים על ידי התאמת זווית השטח.

מנוע פרופנ' הוא מנוע שבינתיים בין מנועי טורבופראפ לتورבו פאן. ניתן להבדיל בין מנועי פרופנ' עם מכסה פרופלר טווח ובין מנועי פרופנ' ללא מכסה פרופלר טווח. מנוע פרופנ' הוא המנוע החוסך אנרגיה החדש ביותר המתחרה ומגביר את היעילות עבור טיסה תת-סונית.

המנועים האזרחיים לאווירונאוטיקה עברו יותר מחצי מאה של פיתוח. המבנה של המנוע התפתח מהמנוע הטורבייני המוקד מתקופת ההתחלה למנוע זרימה אקסיוני עם גלגל אחד, מהמנוע הטורבו-ג'ט הדו-סיבובים למנוע טורבו-פאנ் עם יחס חילוף נמוך, ובנוסף למנוע טורבו-פאנ் עם יחס חילוף גבוה. המבנה הופתע כל הזמן בהתייחסות להיעילות וה뢰ליביליות. טמפרטורת הכניסה לטורבינה הייתה רק 1200-1300K בדור הראשון של מנועי הטורבו-ג'ט בשנות ה-40 ו-50. היא עלה בכ-200K עם כל שדרוג מטוס. עד שנות ה-80, טמפרטורת הכניסה לטורבינה של מטוסי קרב מתקדמים דור רביעי הגיעה ל-1800-2000K[1].

עקרון המניפת אוויר מרכזיות הוא שהטורבינה מובילה את הגז להסתובב במהירות גבוהה, כך שגז זה יוצר כוח מרכזיות. בגלל זרימת הלחץ של הגז בתוך הטורבינה, מהירותו והלחץ שלו של הגז לאחר העברתו דרך הטורבינה גדלים, ואוויר מضغوط נוצר באופן מתמשך. יש לו מימד אקסי קטן ויחס לחץ חד-ממד גבוה. מניפה אקסיאלית של אוויר היא מניפה בה זרימת האוויר זורמת בעיקר מקבילה לציר הטורבינה הסיבובית. המניפה האקסיאלית מורכבת מרבים של שלבים, כל שלב כולל שורה של לוחות גלגל וסידרה עוקבת של לוחות סטטור. הגלגל הוא הלוחות הפועלים והגלגל, והסטטור הוא הדגמה. האוויר מאיץ לראשונה על ידי לוחות הגלגל, מאט ומכווץ בדרכי הלוחות הסטטור, ומשתנה ברובים רב-שלביים עד שהיחס הכולל של הלחץ מגיע לרמה הנדרשת. למניפה אקסיאלית יש קוטר קטן, מה שמאפשר שימוש תורתי מרובי שלבים כדי להשיג יחס לחץ גבוה יותר.   

מנועי טורבופן משתמשים בדרך כלל בפרמטרי תכנון כמו יחס חילוף, יחס לחץ של המנוע, טמפרטורת הכניסה לטורבינה ויחס לחץ הערפל כפרמטרי תכנון:

יחס חילוף (BPR): יחס מסת הגז שזורמת דרך צינורות היציאה למסת הגז שזורמת דרך הצינורות הפנימיים במנוע. הרוטור בחזית מנוע הטורבוジェט נקרא בדרך כלל דחיסת לחץ נמוך, והרוטור בחזית מנוע הטורבופן נקרא בדרך כלל ערפל. הגז הדחוס העובר דרך דחיסת הלחץ הנמוך עובר את כל חלקיו של מנוע הטורבוเจט; הגז העובר דרך הערפל מתחלק לצינורות הפנימיים והחיצוניים. מאז התגלותו של מנוע הטורבופן, יחס החילוף גדל, והטרנד זה מורגש במיוחד במנועי טורבופן אזרחיים.

יחס לחץ המנוע (EPR): יחס הלחץ הכולל ביציאת הסירוג ללחץ הכולל בכניסת הדחיסה.

טמפרטורת כניסה לטורבינה: הטמפרטורה של גז העישון מחדר השרפה כאשר הוא נכנס לטורבינה.

יחס דחיסה של המניפר: גם ידוע כיחס הדחיסה, היחס בין לחץ הגזים ביציאה מהדוחס לבין לחץ הגזים בכניסה.

שני יעילויות:

יעילות תרמית: מדד ליעילות בה המנוע מתרגם את אנרגיית החום הנוצרת משריפה לאנרגיה מכנית.

יעילות תקועה: מדד לגודל החלק מאנרגיה מכנית שנוצרת על ידי המנוע שמשתמשת להתקדמות התעופה.

פיתוח בלחי טורבינה 2

פיתוח איטרטיבי

כדוגמה, ניקח את מנוע הטורבו-搾. ערך הלהבים מהווה עד 35% והוא חלק קריטי בייצור מנועי מטוסים. במנוע יש בין 3,000 ל-4,000 להבים תעופתיים, שניתנים לחלק לשנייה קטגוריות: להבי מפוחת, להבי דחיסה ולהבי טורבינה. ערך הלהבים של טורבינה הוא הגבוה ביותר, מגיע ל-63%. גם כן, אלו הם הלהבים הקשים והיקר יותר לייצור במנועי טורבו-搾 [2].

בשנות ה-70, ארצות הברית הייתה הראשונה להשתמש בלהבי קירור כיווני PWA1422 במנועי מטוסים צבאיים וพลili.

אחרי שנות ה-80, יחס הדחף-למשקל של המנועים מהדור השלישי עלה ליותר מ-8, והלames התורבינה החלו להשתמש בSX הדור הראשון, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 ו-Sin's DD3. יכולת ההישג הטמפרטורת שלו גבוהה ב-80K מאשר זו של התהודה המיטבית של ניקל עם קפיאה כיוונית PWA1422. יתרונות. יחד עם טכנולוגיית הקירור החד-דרכית של סרט דק, טמפרטורת פעולת הלames הגיעה ל-1600-1750K.

הטורבו搾ן הדור הרביעי משתמש בSX הדור השני PWA1484, RenéN5, CMSX-4 ו-DD6. על ידי הוספת אטומי Re וטכנולוגיהנולוגיה של קירור תחת לחץ גבוה רב-דרכי, טמפרטורת פעולת הלames הגיעה ל-1800K-2000K. ב-2000K ובמשך 100 שעות, העוצמה העומדת היא 140MPa.

ה-SX הדור השלישי שפותח לאחר שנות ה-90 כולל את RenéN6, CMRX-10 ו-DD9, שיש להם יתרון מובהק בעוצמה של זריבה לעומת ה-SX הדור השני. תחת הגנה של ערוצי קירור מורכבים ועטיפות חסימת חום, הטמפרטורה בכניסת הטורבינה שהיא יכולה לעמוד בה מגיעה ל-3000K. התרכובת המטאלית שמשתמשים בה בבתי השטח מגיעה ל-2200K, והעוצמה העמידה ל-100 שעות מגיעה ל-100MPa.

בזמן זה מתפתחים הדור הרביעי של SX מיוצג על ידי MC-NG[4], TMS-138, וכו', והדור החמישי של SX מיוצג על ידי TMS-162, וכו'. ההרכב שלו מאופיין בהוספת יסודות נדירים חדשים כמו Ru ו-Pt, מה שמשפר באופן משמעותי את הביצועי הזריבה בטמפרטורות גבוהות של SX. הטמפרטורה הפועלת של הסплавים בטמפרטורות גבוהות של הדור החמישי הגיעה ל-1150°C, שזה קרוב לטמפרטורה התיאורטית המרבית לפועל של 1226°C.

3 פיתוח ספליות חד-אילם ניקל בסיס

3.1 מאפייני הרכב ורכיב שלב של סופרליגים חד גבישים מבוססי ניקל

על פי סוג האלמנטים המטרקס, ניתן לחלק סגסוגות בטמפרטורה גבוהה לבניין ברזל, ניקל וקובלט, ולחלק אותם עוד במקרו-בניינים של ליטול, זיוף ושל מתכת אבקה. סגסוגות מבוססות ניקל יש ביצועים טובים יותר בטמפרטורה גבוהה מאשר שני סוגי הסגסוגות האחרות בטמפרטורה גבוהה ויכולות לעבוד במשך זמן רב בסביבות קשות בטמפרטורה גבוהה.

הרכבים תומכי חום מבוססי ניקל מכילים לפחות 50% Ni. המבנה ה-FCC שלהם גורם להם להיות תאימות גבוה עם כמה מהאלמנטים התוספים. מספר האלמנטים התוספים שנוספו במהלך תהליך העיצוב מזדמן לעלות על 10. הקטגוריה של האלמנטים התוספים מתחלקת כדלקמן: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo ו-W הם אלמנטים מסדר ראשון, המשמשים כאלמנטים יציבים לאוסניט; (2) Al, Ti, Ta ו-Nb בעלי רדיוס אטומי גדול יותר, המעודדים את היווצרותן של פאזה מחזקת כמו תרכובת Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), והם אלמנטים מסדר שני; (3) B, C ו-Zr הם אלמנטים מסדר שלישי. הגודל האטומי שלהם הרבה קטן מגודלו של אטום הניקל, והם נצמדים בקלות לקצוות הגרעין של הפאזה γ, מה שממלא תפקיד במחזקת קצוות הגרעין [14].

הפאזות של הרכבים תומכי חום חד-קריסטליים מבוססי ניקל הן בעיקר: פאזה γ, פאזה γ', פאזה קרבית ופאזה טופולוגית סגורה (TCP).

שלב γ: שלב γ הוא שלב אוסטניט עם מבנה גבישי של FCC, שהוא פתרון מוצק שנוצר מרכיבים כגון Cr, Mo, Co, W ו- Re הממוסלים בניקל.

שלב γ': שלב γ הוא תרכובת בין מתכת של FCC, שנוצרת כשלב שלטון ושומרת על קוהרנציה מסוימת ואי התאמה עם שלב המטרקס, ועשירה באל, טי, טה וחומרים אחרים.

שלב קרביד: החל מהדור השני של SX מבוסס ניקל, כמות קטנה של C מוסיפה, וכתוצאה מכך מופיעה קרבידים. כמות קטנה של קרבידים מפוזרת במתריס, אשר משפרת את ביצועי הטמפרטורה הגבוהה של הסיגסוגות במידה מסוימת. הוא מחולק באופן כללי לשלושה סוגים: MC, M23C6 ו- M6C.

フェイズ TCP: במקרה של זדקנות שירות, יסודות רפויים מוגזמים כמו Cr, Mo, W ו-Re מעודדים את התהודה של הפאזה TCP. TCP בדרך כלל נוצר בצורה של לוח. המבנה הלוחי משפיע לרעה על הפלואיטיות, הזחלות והמאפיינים של עייפות. הפאזה TCP היא אחת מקורות השברים של ההפרכת[ZC1] .

מנגנון חזקון

העוצמה של הסופר-אליפי הניקל מגיעה מהצמדת מספר מנגנוני חזקון, כולל חזקון פתרון, חזקון תהודה וטיפול תרמי כדי להגדיל צפיפות דיסלוקציות לפתח תת-מבנה של דיסלוקציות שיאפשר חזקון.

חזקון פתרון הוא להעלות את העוצמה הבסיסית על ידי הוספת יסודות פתורים שונים, כולל Cr, W, Co, Mo, Re ו-Ru.

השונות ברדיוס האטומי גורמת להיפוך מסוים של הרשת האטומית, אשר מונעת תנועה של דיסלוקציות. חזקון פתרון גדל עם הגידול בהבדל הגודל האטומי.

העוצמה של פתרון מוצק יש גם את ההשפעה להפחית את אנרגיית השגיאה של ערימה (SFE), בעיקר על ידי עיכוב חצי-קפיצה של דיסלוקציות, שהיא moden התפורמות העיקרי של קריסטלים לא אידיאליים בטמפרטורות גבוהות.

קבוצות אטומיות או מבנים מיקרוסקופיים עם סדר קצר טווח הם מנגנון נוסף שמשתמש בעוצמה באמצעות פתרון מוצק. אטומים Re בSX מתחלקים באזור המתח המתוח של ליבה של דיסלוקציה בפרצוף γ/γ', מה שמוצר "אטמוספירה קוטרל", שמעכב בצורה יעילה תנועה של דיסלוקציות ופרושת שברים. (אטומים פתורים מתרכזים באזור המתח המתוח של דיסלוקציות צלעות, מפחיתים את הפירוד הרשתי, יוצרים מבנה גז קוריוליס, ומייצרים תוצאה חזקה של עוצמת פתרון מוצק. התוצאה גדלה עם עליית ריכוז האטומים הפתורים והגדלת ההבדל בגודל.)

Re, W, Mo, Ru, Cr, ו-Co מחזקים את הפאזה γ בצורה יעילה. חיזוק התערובת המוצקה של המטריצה γ משחק תפקיד חשוב מאוד בעוצמת הפליאה של סגסוגות ניקל לבתים גבוהים.

השפעת הקשוחות על ידי תרכובות מושפעת מהחלק המכריע והגודל של הפאזה γ'. מטרת אופטימיזציה של הרכבה של סגסוגות טמפרטורות גבוהות היא בעיקר להגדיל את החלק המכריע של הפאזה γ' לשפר את התכונות המכניות. סגסוגות טמפרטורות גבוהות מסוג SX יכולות להכיל 65%-75% של הפאזה γ', מה שגורם לכוח גלגול טוב. זה מייצג את הערך המקסימלי שימושי של השפעת הקשוחות של הח/γ', ועולה יתירה תשיג ירידה משמעותית בכוח. כוח הגלגול של סגסוגות טמפרטורות גבוהות עם חלק גדול של הפאזה γ' מושפע מהגודל של חלקיקי הפאזה γ'. כאשר הגודל של הפאזה γ' קטן, דיסלוקציות נוטות לעלות סביבו, מה שגורם לירידה בכוח גלגול. כאשר הדיסלוקציות נאלצות לחתוך את הפאזה γ', כוח הגלגול מגיע למקסימום שלו. ככל שהחלקיקים של הפאזה γ' גדלים בגודלם, הדיסלוקציות נוטות להתפתל ביניהם, מה שגורם לירידה בכוח הגלגול [14].

יש שלושה מנגנוני עזיבה עיקריים באמצעות תהליך שחרור גשם:

עוזבת אי-התאמה התאמה של הרשת: הPHA γ' מתפזרת ומתחילה להיראות באופן קוהרנטי במטריצה של הפאזה γ. שניהם הם מבני FCC. אי-ההתאמה של הרשת מראה את יציבותה והמצב המטוס של החיבור הקוהרנטי בין שתי הפאזות. המקרה הטוב ביותר הוא שהמטריצה והפאזה השוכנת יש להם את אותו מבנה קריסטלי ופרמטרי רשת בגאומטריה זהה, כך שיוכלו להכנס יותר פאזות שוכנות לפאזה γ. טווח אי-ההתאמה של סגולי ניקל הוא 0~±1%. Re ו-Ru מופרדים בפזת γ בצורה ברורה. עליית Re ו-Ru מגדילה את אי-ההתאמה של הרשת.

עוזבת סדר: חיתוך דיסלוקציה יגרום לאי-סדר בין המטריצה והפאזה השוכנת, מה שדורש יותר אנרגיה

מנגנון חציית מיקום: נקרא מנגנון אורובן (Orowan bowing), זהו מנגנון חזק שבו שלב המטמע במטריצה metallurgical מפריע למיקום בתנועה להמשיך להתקדם. עקרון בסיסי: כאשר המיקום התזז פוגש בחלקיק, הוא לא יכול לעבור דרכו, מה שגורם להתנהגות חצייה, צמיחה של קו המיקום והכוח המניע הנדרש גדל, מה שגורם לתופעת החיזוק.

3.3 פיתוח שיטות יציקה של סגסוגת תרמית גבוהה

העוגן המוקדם ביותר שנעשה לשימוש בסביבות טמפרטורה גבוהה יכול לעלות עד למציאת ניקרום בשנת 1906. הופעתה של מנועי דחיסה טורביניים ומנועי טורבינה גזית תרמה לפיתוחה המשמעותי של עוגנים בטמפרטורות גבוהות. חלקי הטורבינה של הדור הראשון של מנועי טורבינה גזית יוצרו על ידי חימום והכאה, מה שהביא בהכרח להגבלות של הזמן ההוא. כיום, חלקי טורבינה עשויים בעיקר ע"י יציקה לפי מודל, במיוחד באמצעות התверדות כיוונית (DS). שיטת DS נמצאה לראשונה על ידי קבוצת ורסנידר של פרט אנד ויטני בארצות הברית בשנות ה-70 [3]. במהלך עשרות שנים של פיתוח, החומר העדיף לחלקי טורבינה השתנה מקריסטלים שוווני-גודל לקריסטלים עמודתיים, ולאחר מכן אופטימיזציה לחומרי עוגן ב-Temperature גבוהה מסוג קריסטל יחיד.

הטכנולוגיהכנולוגיה DS משמשת לייצור מרכיבי סגסוגת אלומיניום SX עם ליבה עמודית, מה שמשפר באופן משמעותי את הפלסטיות וההתנגדכאות להטפות תרמיות של סגסוגת חום גבוהה. הטכנולוגיה DS מבטיחה שהעמודים המינרליים שנוצרו יקבלו כיוון [001], שהוא מקביל לציר התאוצה העיקרי של החלק, במקום כיוון קריסטל אקראי. על פי העקרון, יש לוודא שהתקפוק של המתכת נוזלית בתוך הקסט הוא תמיד במצב של 'רק התגבש'.

הקסט של קריסטלים עמודיים צריך לקיים שני תנאים: (1) זרימת חום חד-כיוונית מבטיחה שהממשק בין המתכת התוהה והנוזלת בנקודה של צמיחה נע בכיוון אחד; (2) אין להיות גרעינים לפני הכיוון התנועה של הממשק בין המתכת התוהה והנוזלת.

מכיוון שהשבר של הלהב בדרך כלל קורה במבנה חלש בטמפרטורה גבוהה על גבולות הגראין, כדי להסיר את גבולות הגראין, משתמשים במold תверדנין עם מבנה "מגזר קריסטל" במהלך תהליך התверדנות המכוון. הגודל החתך של המבנה הזה הוא קרוב לגודל הגראין, כך שרק גראין אחד מיטבי שגדל נכנס לתוך腫ה של המודל של הקאסטינג, ואז ממשיך לגדול בצורה של קריסטל יחיד עד שכל הלהב מורכב מגראין אחד בלבד.

מגזר הקריסטל ניתן לחלק לשני חלקים: בלוק ההתחלה והספירלה:

בתחילת תהליך ה-DS, החלקיקים מתחילים להצטבר בתחתית הבלוק ההתחלתי. בשלב מוקדם של צמיחת החלקיקים, מספרם גדול, גודלם קטן וההבדל בהכוונה גדול. התנהגות הצמיחה התחרותית בין החלקיקים מובילה את התהליך, והשפעת חסימת הגאומטריה של הקיר הצדדי חלשה. בזמן זה, השפעת אופטימיזציה של הכיוון ברורה; כאשר הגובה של החלקיקים בתוך הבלוק ההתחלתי גדל, מספרם יורד, גודלם עולה וההכוונה שלהם קרובה יותר. התנהגות הצמיחה התחרותית בין החלקיקים יורדת, והשפעת חסימת הגאומטריה של הקיר הצדדי מובילה, מה שמבטיח שהכיוון הקריסטי יכול להיאופת גם כן, אך השפעת אופטימיזציה של ההכוונה חלשה יותר. על ידי הפחתה ברדיוס של הבלוק ההתחלתי וגדילת הגובה שלו, ניתן לאופטם בצורה יעילה את הכיוון של החלקיקים שנכנסים לחלק הספירלי. עם זאת, הרחבת אורכו של הבלוק ההתחלתי תקצר את המרחב האפקטיבי לצמיחה של המหลק, ותעלה את זמן הייצור והעלות ההכנה. לכן, יש לתכנן באופן סביר את המבנה הגאומטרי של הבסיס.

המשימה העיקרית של הספירלה היא לבחור בצורה יעילהystals בודדים, והיכולת להיטיב את כיוון הגרעינים חלשה. כאשר התהליך DS מתבצע בספירלה, התעלה המוקדמת מספקת מקום לצמיחה של ענפי הדנדריטים, והדנדריטים המשניים של הגרעינים מתקדמים בכיוון של הקו הליקואיס. יש לגרעינים מגמה חזקה לפתח צדדית, וכיוון הגרעינים נמצא במצב摆荡, עם תוצאה חלשה של אופטימיזציה. לכן, בחירת הגרעינים בספירלה תלויה בעיקר בהגבלות הגיאומטריות, יתרון הצמיחה התחרותית ויתרון ההרחבה החללית של הגרעינים בסגמנטים הספירליים [7], במקום היתרון הצמיחתי של הכיוון המועדף של הגרעינים, שיש לו אקראיות גבוהה [6]. לכן, הסיבה העיקרית לכישלון בחירת הקריסטל היא שהספירלה לא מילאה את תפקיד בחירת הקריסטל היחיד. על ידי הגדלת הקוטר החיצוני של הספירלה, הפחתה של המרווח, הקוטר של פני השטח הספירליים והפחתה של זווית ההתחלה, ניתן לשפר באופן משמעותי את תוצאת בחירת הקריסטל.

הכנת חלקי טורבינה בקריסטל יחיד ריקים דורשת יותר מ-12 שלבים (הכנת ליגת מסת, הכנה של קליפה מממברנה בקריסטל יחיד, הכנה של ליבה קרמית בעיצוב מורכב, יציקת מסת, תверדות כיוונית, טיפול תרמי, טיפול על פני השטח, הכנה של תכשיט חסם תרמי וכו'). התהליך המורכב זה פגיע למגוון חסרונות, כמו גרגירי זרים, כתמים, גבולות גרעין קטנים, קריסטיים עם קווים ישרים, סטייה בכיוון, רקריסטליזציה, גבולות גרעין גדולים וכשל בחירת קריסטל.