مدل‌سازی، تخمین رشد ترک خستگی و تحلیل مودال پره کمپرسور توربین گاز

نوع مقاله : مکانیک جامدات

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، واحدپرند، دانشگاه آزاد اسلامی، پرند، ایران

2 نویسنده مسئول: دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، واحدپرند، دانشگاه آزاد اسلامی، پرند، ایران

چکیده

در این پژوهش، به کمک نرم‌افزار المان محدود ANSYS تحلیل مکانیک شکست و تخمین عمر خستگی باقی‌مانده پره ترک‌دار ردیف 16 بخش کمپرسور توربین گاز زیمنس V94.2 تحت تنش‌های مکانیکی و حرارتی ناشی از دوران، توزیع فشار و دما در بار 100 درصد در حالت پایا مورد بررسی قرار می‌گیرد. در این راستا، با مدل‌سازی تقارن محوری قطاع مجموعه دیسک و پره با نسبت 1 به 79، اعمال بارگذاری‌های ترمومکانیکی، شرایط مرزی و شرایط اولیه، مکان‌هایی از پره که دارای تنش‌های بالایی هستند شناسایی شده‌اند. سپس، با مدل‌سازی ترک با ابعاد مختلف در دو ناحیه بر روی ایرفویل پره کمپرسور به کمک نرم‌افزار ANSYS ضرایب شدت تنش برای ترک‌ها به‌دست می‌آیند. همچنین، با استفاده رابطه پاریس و استخراج نمودار نرخ رشد ترک برحسب ضریب شدت تنش، عمر باقی‌مانده در رشد ترک خستگی برای ترک‌هایی با ابعاد مشخص در این دو ناحیه تخمین زده می‌شوند. در پایان، با انجام تحلیل مودال فرکانس‌های کاری پره به‌دست آمده و با استخراج دیاگرام کمپل، فرکانس تداخل ارتعاشی پره نیز به‌دست آمده‌است. نتایج نشان‌دهنده آن است که برای دو ناحیه ترک اول و دوم بر روی سطح فشاری با افزایش فاصله از ریشه پره کمپرسور عمر باقی‌مانده پره ترک دار افزایش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Modeling, Fatigue Crack Growth Assessment and Modal Analysis for a Gas Turbine Compressor Blade

نویسندگان [English]

  • Behzad Raoofi 1
  • Ahmad Mamandi 2
1 Department of Mechanical Engineering, Parand Branch, Islamic Azad University, Parand, Iran
2 Corresponding author: Associate Professor, Department of Mechanical Engineering, Parand Branch, Islamic Azad University, Parand, Iran
چکیده [English]

In this study, the fracture mechanics analysis for the 16th stage of a Siemens V94.2 gas turbine compressor blade under mechanical and thermal stresses due to rotation, pressure and temperature distributions in the full load steady state condition is studied using ANSYS finite element software. Modeling a symmetric sector of a balde-disk assembly with a ratio of 1 to 79 with applying thermomechanical loading, boundary conditions and initial conditions, locations with high stress levels on the blade airfoil are recognized. Then, using ANSYS software to model cracks with different sizes in two specified locations on the airfoil, the stress intensity factors are calculated. Moreover, by applying Paris relation, crack growth rate with respect to the stress intensity factors are obtained to estimate remaining life in the fatigue crack growth for the cracks with initial dimensions in these two locations. Finally, doing modal analysis, the operating frequencies of the blade have been calculated and according to obtained Campbell diagram, the interacting frequencies for the blade are also specified. The obtained results show that for these two cracks locations on the pressure side of the blade airfoil, by increasing the distance from the root of the compressor blade, the remaining life of the cracked compressor blade increases, accordingly.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Gas turbine
  • Compressor cracked blade
  • Fatigue life estimation
  • Fracture mechanics
  • Modal analysis

Smiley face

مراجع

[1] Chand S, Garg S. Crack propagation under constant amplitude loading. Engineering Fracture Mechanics. 1985;21(1):1-30.##
[2] Pugno N, Ciavarella M, Cornetti P, Carpinteri A. A generalized Paris’ law for fatigue crack growth. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2006;54(7):1333-49.##
[3] Kubiak J, Urquiza G, Rodriguez J, González G, Rosales I, Castillo G, et al. Failure analysis of the 150 MW gas turbine blades. Engineering Failure Analysis. 2009;16(6):1794-804.##
[4] Witek L. Experimental crack propagation analysis of the compressor blades working in high cycle fatigue condition. Fatigue of Aircraft Structures. 2009.##
[5] Farrahi G, Tirehdast M, Abad EMK, Parsa S, Motakefpoor M. Failure analysis of a gas turbine compressor. Engineering Failure Analysis. 2011;18(1):474-84.##
[6] Torabi A, Bayati M. Analysis of the Exhaustion and Presentation of a New Way to Repair the Gas Turbine Compressor Disk. Electric Power Generation Conference. 2012;3:125-145 (In Persian).##
[7] Poursaeidi E, Bakhtiari H. Fatigue crack growth simulation in a first stage of compressor blade. Engineering Failure Analysis. 2014;45:314-25.##
[8] Booysen C, Heyns PS, Hindley MP, Scheepers R. Fatigue life assessment of a low pressure steam turbine blade during transient resonant conditions using a probabilistic approach. International Journal of Fatigue. 2015;73:17-26.##
[9] Plesiutschnig E, Fritzl P, Enzinger N, Sommitsch C. Fracture analysis of a low pressure steam turbine blade. Case Studies in Engineering Failure Analysis. 2016;5:39-50.##
[10] Mamandi A, Rajabi M. Fracture Mechanics Analysis and Fatigue Crack Growth Life Assessment for a Gas Turbine Blade Using FEM. Journal of Mechanical Engineering, University of Tabriz. 2016;46(2):125-39.##
[11] Fernandes R, El-Borgi S, Ahmed K, Friswell MI, Jamia N. Static fracture and modal analysis simulation of a gas turbine compressor blade and bladed disk system. Advanced Modeling and Simulation in Engineering Sciences. 2016;3(1):1-23.
[12] Rani S, Agrawal AK, Rastogi V. Failure investigations of a first stage Ni based super alloy gas turbine blade. Materials Today: Proceedings. 2018;5(1):477-86.##
[13] Yakui Z, Shuxiang G. Research on the fatigue performance of TC6 compressor blade under the CCF effect. International Journal of Aerospace Engineering. 2018;2018.##
[14] Zeng J, Chen K, Ma H, Duan T, Wen B. Vibration response analysis of a cracked rotating compressor blade during run-up process. Mechanical Systems and Signal Processing. 2019;118:568-83.##
[15] Torshizi SM, Nikravesh SY, Jahangiri A. Failure analysis of gas turbine generator cooling fan blades. Engineering Failure Analysis. 2009;16(5):1686-95.##
[16] Dowling N. Mechanical Behavior of Materials: Engineering Methods for Deformation, Fracture, and Fatigue; Pretice-Hall. Inc; 1993.##
مکانیک هوافضا
دوره 18، شماره 1 - شماره پیاپی 67
شماره پیاپی 67، فصلنامه بهار
خرداد 1401
صفحه 1-19

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 11 فروردین 1399
  • تاریخ بازنگری: 11 مرداد 1399
  • تاریخ پذیرش: 11 مهر 1400
  • تاریخ انتشار: 01 اردیبهشت 1401

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار