Finite element modeling of material fatigue and cracking problems for steam power system HP devices exposed to thermal shocks

• Autorzy: Pawlicki J. , Marek P. , Zwoliński J.

Identyfikatory

DOI

10.1515/meceng-2016-0024

Warianty tytułu

PL

Analiza rozwoju pęknięć w elementach urządzeń energetyki cieplnej pracujących w warunkach zmiennych temperatur

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents a detailed analysis of the material damaging process due to lowcycle fatigue and subsequent crack growth under thermal shocks and high pressure. Finite Element Method (FEM) model of a high pressure (HP) by-pass valve body and a steam turbine rotor shaft (used in a coal power plant) is presented. The main damaging factor in both cases is fatigue due to cycles of rapid temperature changes. The crack initiation, occurring at a relatively low number of load cycles, depends on alternating or alternating-incremental changes in plastic strains. The crack propagation is determined by the classic fracture mechanics, based on finite element models and the most dangerous case of brittle fracture. This example shows the adaptation of the structure to work in the ultimate conditions of high pressure, thermal shocks and cracking.

PL

W pracy przedstawiono szczegółową analizę rozwoju pęknięć w wyniku niskocyklicznego zmęczenia materiału w warunkach szoków cieplnych i oddziaływania ustalonych obciążeń statycznych. Przeprowadzono analizę przebiegu procesu pękania na przykładzie korpusu zaworu redukcyjnego pary w elektrowni węglowej i wału wirnika turbiny parowej. Głównym czynnikiem w obydwu przypadkach są mniej lub bardziej gwałtowne powtarzalne cykle zmian temperatury .W przypadku inicjacji pęknięcia po stosunkowo małej liczbie cykli zmian obciążenia mechanizm zmęczenia zależy od naprzemiennej lub naprzemienno-przyrostowej zmiany odkształceń plastycznych. Propagację pęknięcia w głąb materiału wyznaczono metodami klasycznej mechaniki pękania na podstawie modeli MES i najbardziej niebezpiecznego modelu pękania kruchego. Przedstawiono przypadek przystosowania się konstrukcji do pracy w warunkach szoków cieplnych i pękania.

Słowa kluczowe

EN

thermal shock; low cycle fatigue; crack growth under thermal shocks; adaptation to thermal shocks; leak but not burst

PL

szok termiczny; zmęczenie niskocyklowe; wzrost pęknięć pod wpływem szoków termicznych; przystosowanie się do szoków termicznych; wyciek ale nie rozerwanie

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Archive of Mechanical Engineering
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. LXIII, nr 3
• Strony: 413--434
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys.

Twórcy

autor

Pawlicki J.

• Institute of Aeronautics and Applied Mechanics, Warsaw University of Technology

autor

Marek P.

• Institute of Aeronautics and Applied Mechanics, Warsaw University of Technology

autor

Zwoliński J.

• Institute of Aeronautics and Applied Mechanics, Warsaw University of Technology

Bibliografia

• [1] M. Malesa, K. Malowany, J. Pawlicki, M. Kujawinska, P. Skrzypczak, A. Piekarczuk, T. Lusa, and A. Zagorski. Non-destructive testing of industrial structures with the use of multi-camera Digital Image Correlation method. Engineering Failure Analysis, 2016. doi: 10.1016/j.engfailanal.2016.02.002.
• [2] J.A. König. Shakedown of elastic-plastic structures, volume 7. Elsevier, 2012.
• [3] S. Pycko. Variable loading and imposed displacements in the shakedown theory. IFTR Reports, 1993.
• [4] T.J. Lu and N.A. Fleck. The thermal shock resistance of solids. Acta materialia, 46(13):4755–4768, 1998.
• [5] Z. Zwoliński and Bielawski G. Optimizational approach to the elasto-plastic analysis. In Abstr., I European Solid Mech. Conf. Munich, 1991.
• [6] A.Weroński. Zmęczenie cieplne metali (Thermal fatigue of metals). WNT (Scientific-Technical Publishers), Warszawa, 1983. (in Polish).
• [7] Z. Orłoś. Naprężenia cieplne (Thermal stress). PWN (Polish Scientific Publishers),Warszawa, 1991. (in Polish).
• [8] S. Wiśniewski and T.S. Wiśniewski. Wymiana ciepła (Heat exchange). WNT (Scientific-Technical Publishers), Warszawa, 1994. (in Polish).
• [9] S. Kocańda and A. Kocańda. Niskocyklowa wytrzymałość zmęczeniowa metali (Low cycle fatigue strength of metals). PWN (Polish Scientific Publishers), Warszawa, 1989. (in Polish).
• [10] S. Kocańda. Zmęczeniowe niszczenie metali (Fatigue destruction of metals). WNT (Scientific-Technical Publishers), Warszawa, 1978. (in Polish).
• [11] M.H. Aliabadi and D.P. Rooke. Numerical fracture mechanics, volume 8. Springer Science & Business Media, 1991.
• [12] C.R.F. Azevedo and A. Sinátora. Erosion-fatigue of steam turbine blades. Engineering Failure Analysis, 16(7):2290–2303, 2009.
• [13] A.Z. Rashid, J. Purbolaksono, A. Ahmad, and S.A. Ahmad. Thermal fatigue analysis on cracked plenum barrier plate of open-cycle gas turbine frame. Engineering Failure Analysis, 17(2):579–586, 2010.
• [14] F. Szmytka, M. Salem, F. Rézaï-Aria, and A. Oudin. Thermal fatigue analysis of automotive diesel piston: Experimental procedure and numerical protocol. International Journal of Fatigue, 73:48–57, 2015.
• [15] X. Su, M. Zubeck, J. Lasecki, C.C. Engler-Pinto, C. Tang, H. Sehitoglu, and J. Allison. Thermal fatigue analysis of cast aluminum cylinder heads. SAE Technical Paper 2002-01-0657, 2002. doi: 10.4271/2002-01-0657.
• [16] W. Wunderlich and M. Hayashi. Thermal cyclic fatigue analysis of three aluminum piston alloys. International Journal of Material and Mechanical Engineering, (1):57–60, 2012.
• [17] G. Krzesiński, T. Zagrajek, P. Marek, and P. Borkowski. Metoda elementów skończonych w mechanice materiałów i konstrukcji. Rozwiązywanie wybranych zagadnień za pomocą systemu ANSYS (Finite element method in mechanics of materials and structures. Solving some problems with ANSYS system). Oficyna Wydawnicza Politechnki Warszawskiej (Publishing House of Warsaw University of Technology), 2015. (in Polish).
• [18] T. Zagrajek, G. Krzesiński, J. Pawlicki, J. Zwoliński, F. Dul, P. Marek, D. Głowacki, P. Borkowski, K. Rogowski, P. Wymysłowski, K. Kozakiewicz, B. Dec, K. Draszyński, and M.Żak. Monitorowanie zużycia eksploatacyjnego i optymalizacja procesu naprawczego wirników turbin parowych (Monitoring wear and tear and optimize the process of repair of steam turbine rotors). Sprawozdanie z wykonania prac analityczno-modelowych projektu POIG 1.3.1-14.074/12 (Report on the implementation of analytical and modeling project), 2013. (in Polish).
• [19] F. Dul and J. Pawlicki. Modeling of hydrodynamic bearing oil film properties for power turbine rotordynamics prediction. Journal of Power Technologies, 2017. (Submitted for publication).
• [20] P. Borkowski, D. Głowacki, A. Nowakowska, J. Pawlicki, and J. Zwoliński. FE analysis of a steam turbine HP rotor blade stage concerning material effort, dynamic properties and creep damage assessment. Archive of Mechanical Engineering, 63(1):163–185, 2016.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.