توسعه مدل ارزیابی عمر خستگی - خزشی پره توربین گاز تحت بارهای ترمومکانیکی در چارچوب مکانیک آسیب محیط پیوسته

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه علم و صنعت ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت، تهران، ایران

چکیده

هدف از این تحقیق ارائه مدلی برای ارزیابی عمر خستگی-خزشی پره توربین گاز است. اجزای ناحیه داغ یک توربین گاز که شامل بخش توربین و محفظه احتراق است، تحت بارهای حرارتی و مکانیکی در اثر مکانیزم‌های خستگی و خزش دچار آسیب می‌شوند. آسیب به‌صورت توامان رخ می‌دهد، لذا لازم است اثرات آن‌ها و برهم‌کنش این دو مکانیزم درکنارهم مورد توجه قرارگیرد. به منظور دستیابی به این هدف، مدل ویسکوپلاستیک چبوش که قابلیت مدل‌سازی رفتار آلیاژهای نیکل را داراست به‌کار گرفته می‌شود. روابط رشدآسیب خستگی و خزشی ارائه شده توسط چبوش وکاچانوف به مدل ویسکوپلاستیک اضافه شده ودر نهایت مدل کامل بدست آمده توسط یومت به نرم‌افزارالمان محدودآباکوس معرفی می‌شود.صحت‌سنجی کدتوسعه داده شده درتحلیل وارزیابی عمر یک هندسه ساده بررسی خواهد شد. فرایندارزیابی عمر برای یک نمونه پره از طبقه انتهایی یک توربین کم فشار تحت بارهای ترمومکانیکی انجام شده و متناسب با آسیب‌های خستگی و خزشی ایجاد شده در پره،عمر آن به‌صورت میزان ساعات کارکرد، تعداد دفعات روشن شدن توربین و ساعات عملکردی معادل بیان و بحث می‌شود. مقایسه نتایج حاصل از این تحلیل با میزان عمر معمول پره‌های توربین در این کلاس کاری نشان‌گرکاربردی بودن این مدل و روش به‌کار گرفته شده می‌باشد

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Developing a CDM Based Model for Creep-Fatigue Life Assessment of a Gas Turbine Blade

نویسندگان [English]

  • Bijan Mohammadi 1
  • Seyyed Ali Hashemitabar 2
1 School of Mechanical Engineering Iran University of Science &Technology
2 Student of Master of Science, School of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

The aim of this research is to propose a procedure for predicting the creep-fatigue life of gas turbine blade. Components in gas turbine hot section such combustion chamber and turbine get damaged under effect of thermomechanical loadings. These damages developed via fatigue and creep together, thus it is necessary to identify their interaction with each other. Chaboche’s elasto-viscoplastic model which is an appropriate model for simulating the behavior of nickel alloys is used. Damage evolution rules for fatigue and creep which introduced by Chaboche and Kachanov, respectively, added to viscoplastic model and implemented in ABAQUS by developing an appropriate UMAT. After verification of developed subroutine, the creep-fatigue life of a rotor blade in last stage of a low-pressure turbine was assessed. The predicted life has presented in three ways as (1) the operating hours, (2) the number of starts and (3) the equivalent operation hours which are the common ways of announcing gas turbines life. Comparison the obtained results with common gas turbine lifetimes represents the capability and practicality of proposed model.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Gas turbine
  • Thermomechanical loading
  • Continuum Damage Mechanics
  • Life assessment
  • Equivalent Operation Hour
[1] J.S. Duncan, Airplane Flying Handbook, FAA-H-80833A, U.S. Department of Transportation, Oklahoma, 2016.
[2]  S. Majumdar, Low-Cycle Fatigue and Creep Analysis of Gas Turbine Engine Components, J. AIRCRAFT, 12(4) (1975) 376-382.
[3]  T. Goswami, Creep-Fatigue Life Prediction - A Ductility Model, High Temperature Materials and Processes, 14(2) (1995) 101-114.
[4] W.Z. Zhuang, N.S. Swansson, Thermo-Mechanical Fatigue Life Prediction: A Critical Review, DSTO Aeronautical and Maritime Research Laboratory, Australia, 1998.
[5]  R. Hagmeijer, A. de Boar, H.J. ten Hoeve, N.H. Huisman, J.C. Kok, G.A. Kool, M.F. Koolloos, W.P. Visser, S. Woldendrop, W.B. de Wolf, Toward Integrated Analysis of Gas Turbine Components for Life Prediction, National Aerospace Laboratory NLR, Netherlands, 2000.
[6]  M.R. Reyhani, M. Alizadeh, A. Fathi, H. Khaledi, Turbine blade temperature calculation and life estimation - a sensitivity analysis, Propulsion and Power Research, .161-841 )3102( )2(2
[7]  L.M. Kachanov, Introduction to continuum damage mechanics, Martinus Nijhoff Publishers, US, 1986.
[8] J.L. Chaboche, Constitutive Equations for Cyclic Plasticity and Cyclic Viscoplasticity, International Journal of Plasticity, 5 (1989) 274-302.
[9]  J. Lemaitre, J.L. Chaboche, Mechanics of Solid Materials, Cambridge University Press, Cambridge, 1998.
[10] J.L. Chaboche, F. GALLERNEAU, An overview of the damage approach of durability modelling at elevated temperature, Fatigue Fract Engng Mater Struct, 24 (2001) 405-418.
[11] T.W. Kim, D.H. Kang, J.T. Yeom, N.K. Park, Continuum damage mechanics-based creep–fatigue-interacted life prediction of nickel-based superalloy at high temperature, Scripta Materialia, 57 (2007) 1149-1152.
[12] D. Shi, X. Hu, X. Yang, J. Liu, Continuum damage mechanism-based life prediction for Ni-based superalloy under complex loadings, Materials at High Temprature, 30(4) (2013) 287-294.
[13] R.Z. Wang, X.C. Zhang, J.G. Gong, X.M. Zhu, S.T. Tu, C.C. Zhang, Creep-fatigue life prediction and interaction diagram in nickel-based GH4169 superalloy at 650 °C based on cycle-by-cycle concept, International Journal of Fatigue, 97(12) (2017) 114-123.
[14] J.L. Chaboche, A review of some plasticity and viscoplasticity constitutive theories, International Journal of Plasticity, 24 (2008) 1642-1693.
[15] A. AMBROZIAK, P. KŁOSOWSKI, THE ELASTOVISCOPLASTIC CHABOCHE MODEL, TASK QUARTERLY 10, 1 (2006) 49-61.
[16] J.L. Chaboche, P.M. LESN, A NON-LINEAR  CONTINUOUS FATIGUE  DAMAGE  MODEL, Fatigue. Fract. Engng. Mater. Struct., 11(1) (1988) 1-17.
[17] F. Shen, G.Z. Voyadjis, W. Hu, Q. Meng, Analysis on the fatigue damage evolution of notched specimens with consideration of cyclic plasticity, Fatigue & Fracture of Engineering Meterial & Structure, 38 (2015) 2-14.
[18]  V. Velay, G. BERNHART, D. DELAGNES, L. PENAZZI, A continuum damage model applied to high temperature fatigue lifetime prediction of a martensitic tool steel, Wiley-Blackwell, 28(11) (2005) 1009-1023.
[19] J.T. Yeom, S.J. Williams, I.S. Kim, N.K. Park, Unified  Viscoplastic Models for Low Cycle Fatigue Behavior of Waspaloy, METALS AND MATERIALS International, 7(3) (2001) 233-240.
[20] J.T. Yeom, S.J. Williams, N.K. Park, Low-cycle fatigue life prediction for Waspaloy, MATERIALS AT HIGH TEMPERATURES, 19(3) (2002) 153-161.
[21] J.H. Lee, TOTAL OPERATING ACTIVITIES OF GAS TURBINE COMPONENTS - TOTAL EQUIVALENT OPERATING HOURS(TEOH), THE AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS, Three Park Avenue, New York, N.Y. 10016-5990, 1999.