Fatigue failure analysis of a turbine blade
Türbin kanatları yorulma arıza analizi
- Tez No: 458886
- Danışmanlar: PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Uçak Mühendisliği, Aircraft Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 99
Özet
Havacılıkta en önemli kısım olan türbinler, yüksek güvencede olmalarını ve arızalarını minimuma getirmek gerekir, çünkü arızalar yüksek maaliyetler ve hatta can güvenliğine tehlikelerine sebep olabilir. Bu arızaların büyük kısmı türbin kanatlarında oluşuyor. Bir türbin kanatı, bir gaz türbininin türbin bölümünü oluşturan en önemli parçadır. kanatlar, yakıcı bölümü tarafından üretilen yüksek sıcak ve yüksek basınçlı gazdan enerji çekmeye sorumluluğundadır. Türbin kanatları genellikle gaz türbinlerinin sınırlayıcı bileşenidir. Türbin kanatları Arızaları yorulma, yabancı obje çarpması, krozyon, erozyon, sulfidasyon, titreşim ve … olarak biliniyor. Gaz türbin motorlarının kanatlarındaki arızalar, yüksek sıcaklıkta ve yüksek hızda dönme koşullarında türbini çalıştırması ve … nedeniyle ortaya çıkar ve çeşitli mekanizmalara neden olur. Araştırmalar, gaz türbinlerinde arızalarının % 28'inin türbin kanatları ve rotor bileşenleri nedeniyle olduğuna ve türbin kanatları soğutma sistemi, türbinlerin toplam hasarlarını %62'ye kadar düşürebileceğine ilişkin istatistikleri göstermektedir. Türbin kanatları en çok yorulma neden ile arizaya maruz kalır. Yorulma arızaları üç kategoriye bölünür: yüksek çevrimli yorulma, düşük çevrimli yorulma ve termo-mekanik yorulma. Ama gerçek bir motoru, gerçek şartlar altında test etmek ve incelemek zor ve mali olarak pahalı olduğu için, yorulma arızaları incelemek ve bu arızaları azaltmak için farklı çalişmalar ve farklı yöntemler geliştirmiş. Modern türbin kanatları sıklıkla krom, kobalt ve renyum içeren nikel bazlı süperalaşımlar üretiliyor. Nikel bazlı süperalaşımlardan biri günümüzde yaygın olarak kullanılan Inconel 718'dir ve daha düşük maliyet ve daha yüksek performans ve kolay imalat özeliklerine sahipdir. Bu malzeme 700°C gibi yüksek sıcaklıklarda çalışabilir. Inconel 718, yüksek sıcaklığa kadar korozyon direnci ile birlikte uzun süre dayanıklılık ve tokluğu sahipdir. Yorulmaya karşı yüksek dirençle iyi bir sürünme ve yırtılma gücünü birleştirir. Bu çalışmada, birinci evre türbin kanatları genel olarak arıza sebeblerinden biri olan yorulma için analiz yaptım. öncelikle türbin kanatları üç boyutlu olarak modellenmiş ve sonrası ANSYS programı kulanarak analizler yapilmış. Farklı Kanat profil tasarımları ve farklı malzemeleri göz önüne bulundurarak, Inconel 718'den yapılmış bir model tasarlandı. CATIA V5R21 yazılımı kulanarak, tasarım için seçilen patentlerde bulunan boyutlara göre üç boyutlu model hazırlandı. Hazırlanan model 860 mm disk çapı ve 30 mm disk kalınlığı ve 85 mm kanat uzunluktadır. Malzeme özellikleri, belirtilen referansları ve bir özel metodu kulanarak, stres ve gerilim özelikleri farklı sıcaklıklarda hesaplandı ve diğer mekanik ve yorulma özelliklerle beraber ANSYS yazılımda modelendi. Bu model farklı çalışma şartlar altında analiz yaptıktan sonra analiz sonuçlarını karşılaştırarak arıza sebepleri araştırıldı. Asıl amaç, gaz türbin motorunun ömrü ve performansında etkili olan tasarımdakı onemli parametreleri elde edebilmek ve en uygun tasarımı yapmaktır. Genel olarak türbin kanatları üzerinde 3 farklı yük etki eder. Bunlar sıcak hava basıncı, yüksek sıcaklıktan kaynaklı termal yükler ve dönme etkisinden yaratılan merkez kaç küvvetidir. Gerçek şartlar altında analiz yapmak için GasTurb12 programından, üç farklı ısı ve iki farklı yükseklik için bu yükler elde edildi. ANSYS yazılımı kulanarak, farklı gerçek yükleme durumlarında ANSYS yorulma araçı kularanak, yorulma ömrü, çevrim olarak hesaplandı. Ayrıca her yük kanat ömrunu nasıl etkilediğini araştirmak için farklı yüklemeler belirlendi. Bu durumlarda üç yükden her birini değiştirerek, toplan 9 yükleme belirlendi. Sabit bir yükleme göz önüne alarak, dönme hızı 2000 RPM, hava basıncı 200 kPa ve sıcaklıkın 150 derecelik değişimleri ve bu yükleme değişimlerin, kanat ömrünü nasıl değiştirdiği araştırıldı. Her yükleme durumu için sıcaklık dağılımı, von-mises stres dağılımı ve toplam deformasyon, ve yüksek çevrimli ve düşük çevrimli yorulma ömrü hesaplandı. Sonuç olarak tasarlanan türbin kanadı için arızalar kanatın disk'e bağlantı kısmında oluşiyor ve kanat ömrünü azaltiyor ve buna sebep olan en önemli neden, yüksek sıcaklıklardır. Basınc ve dönme hızı kanat üzerindeki stresler ve yorulma ömrunde, bu yükler artarak azaltdığına rağmen ama bu azalma sıcaklıktan sebep olan stres ve yorulma ömrüne göre azdır. Inconel 718'den yapılan kanatlarda, kanat yüzeyi 1000 decelik ısıya kadar dayana bilir ama bağlantı kısmı 500 derecelik ısıya dayana bilir ve bundan fazlası kanat ömrünü düşüriyor. Netice olarak yorulma arızasına dayanıklı ve yüksek ömürlu tasarım için kanat ve disk bağlantı kısmı dikkate almak gerekir. Farklı tasarımlar kulanila bilir ve ya bağlanti kısmında malzemeni güçlendire bilir yada daha güçlu ve dayanıklı malzemer kulanila bilir ve ya soğutma sistemi kulanarak, kanatda oluşan yorulma arızları önlenebilir.
Özet (Çeviri)
As a part of aviation, gas turbines need insurances but they actually face to many failures in different stages such as vibration, fatigue, foreign object damage, corrosion, erosion, sulphidation. Turbine blades are the most component that face to failures and affect on the lifetime and the performance of turbines. Several reasons cause failures on blades, several hostile environment factors, the amount of fatigue stress a blade can tolerate, mechanical design problems, temperature and it's cycling, the amplitudes and frequency of vibratory stress, quality control problems within blades or vanes and delivery system problems for the cooling air and turbine section domestic object damage. Although experimental test and analysis of these failures for a real gas turbine in real work condions are very hard and expensive, many research and methods has been improved to analysis fatigure failures and increase turbine life. In This Study, the main goal is analysing HCF and LCF failures in different operate condition for a model based on real designs with Inconel 718 material and investigate failure reasons, to achieve a solution on design of turbine blade with higher life and decreased failure possibility. 3D model of blade and its assembley to disk has been created and using ANSYS software, a finite element model for LCF and HCF analysis prepared. Using this model and discussing on results and comparing to each other, best design parameters would be defined. In General, three loads are acting on turbine blade that cause in high stresses. These loads are hot air pressure, thermal loads caused by hot air, and resulting centrifugal force from rotation of turbine. I get these loads for real gas turbine performance conditions from GasTurb12 software for different conditions. Also to inspect effect of each load on turbine blade life, other loading cases has defined as changing just one load and taking the other two loads constant. Analysis performed in ANSYS and results for these conditions obtained. By studying on results it can be concluded that fir-tree region of blade, which is connection part of blade to disk, is the source of failure caused by high temperature on that part. Blade surface can resist up to 1000C without any fatigue failure, but dovetail of blade can stand up to 500C. In order to improve design life in high loaded conditions with very high temperature, different materials or very efficient cooling system can be used.
Benzer Tezler
- Disk kanatçık sistemlerindeki düzensizlik davranışının ANSYS programı ile istatistiksel olarak incelenmesi
Statistical investigation of mistuning behaviour of bladed disc systems with ANSYS program
ONUR AĞDACI
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VEDAT ZİYA DOĞAN
- Inconel 718 alaşımının katı partikül erozyon davranışının incelenmesi
Solid particle erosion of inconel 718 alloy
BERK BİRCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
- Application of structural modification method to nonlinear vibration analysis of bladed disks
Yapısal değişiklik yönteminin kanatçıklı disklerin doğrusal olmayan titreşim analizinde uygulanması
BURCU ŞAYİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ENDER CİĞEROĞLU
- CODAG ile tahrik edilen askeri bir geminin sevk sistemi eksenel ve burulma titreşim analizi
Axial and torsional vibration analysis of a naval vesel propulsion system driven by CODAG
ABDULLAH GÖKTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Deniz Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN AZMİ ÖZSOYSAL
- Gaz türbin kanatçıklarındaki kısmi düzensizliğin cevap yüzeyi yöntemiyle istatistiksel analizi
Statistical analysis of partial mistuning approach of gas turbine engine bladed disk by using response surface method
ABDUS SAMET KIZILASLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RAHMİ GÜÇLÜ