Fe analysis of a steam turbine HP rotor blade stage concerning material effort, dynamic properties and creep damage assessment

• Autorzy: Borkowski P. , Głowacki D. , Nowakowska A. , Pawlicki J. , Zwoliński J.

Identyfikatory

DOI

10.1515/meceng-2016-0009

Warianty tytułu

PL

Analiza MES wysokoprężnego stopnia turbiny parowej dotycząca wytężenia materiału, własności dynamicznych i oceny trwałości ze względu na pełzanie

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper is concerned with the 1st stage of HP rotor blade assembly steam turbine TK 120. The methodology was focused on the selection of mechanical properties and the way of the rotor disc modeling and estimating the degree of damage caused by creep. Then the dynamic interference between the frequencies of excitation and the natural frequencies was assessed. Static calculations were performed for the cyclic sectors consisting of the disc, disc blades, spacers and shrouding, including loads as temperature, mass forces from the angular velocity and the pressure on the blades. Then, the creep analysis using a Norton’s model and the modal analysis were performed. Static analysis gave information concerning the distributions of displacements, stress and strain components. In the creep analysis, the creep displacements and stress relaxation versus time were determined and the estimated degree of damage caused by creep was evaluated at each part of the rotor disc. In the modal analysis, the natural frequencies and modes of vibrations corresponding to the nodal diameters were found. The results of modal analysis were shown in the SAFE graph. Numerical calculations have shown that the rotor disc was a well-designed structure and did not reveal any dynamic interference.

PL

Praca dotyczyła pierwszego stopnia wysokoprężnej części wirnika turbiny parowej TK 120. Przedstawiono metodykę doboru właściwości mechanicznych, sposobu modelowania wirnika, szacowania stopnia zużycia spowodowanego pełzaniem oraz oceny interferencji dynamicznych pomiędzy częstościami wymuszeń a częstościami drgań własnych. W obliczeniach statycznych modelu tarczy wirnika z łopatkami, przekładkami i bandażem wykorzystano cykliczną symetrię, z uwzględnieniem temperatury, sił masowych od wirowania i ciśnienia na łopatkach. Następnie przeprowadzono analizę pełzania według modelu Nortona oraz analizę modalną. W obliczeniach statycznych wyznaczono rozkłady przemieszczeń, odkształceń i naprężeń. W analizie pełzania wyznaczono przemieszczenia pełzania i relaksację naprężeń w czasie oraz oszacowano stopień zużycia ze wzgledu na pełzanie w poszczególnych częściach wirnika turbiny. W analizie dynamicznej wyznaczono częstości i postacie drgań własnych odpowiadajace poszczególnym średnicom węzłowym. Wyniki analizy modalnej przedstawiono na wykresie SAFE. Obliczenia numeryczne wykazały, że wirnik jest konstrukcją dobrze zaprojektowaną i nie wykazującą interferencji dynamicznych.

Słowa kluczowe

EN

steam turbine; structural analysis; creep analysis; modal analysis; finite element method; FEM

PL

turbina parowa; analiza strukturalna; analiza pełzania; analiza modalna; metoda elementów skończonych; MES

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Archive of Mechanical Engineering
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. LXIII, nr 1
• Strony: 163--185
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Borkowski P.

• Warsaw University of Technology, Institute of Aeronautics and Applied Mechanics, Nowowiejska 24, 00-665 Warszawa, Poland

autor

Głowacki D.

• Warsaw University of Technology, Institute of Aeronautics and Applied Mechanics, Nowowiejska 24, 00-665 Warszawa, Poland

autor

Nowakowska A.

• Warsaw University of Technology, Institute of Aeronautics and Applied Mechanics, Nowowiejska 24, 00-665 Warszawa, Poland

autor

Pawlicki J.

• Warsaw University of Technology, Institute of Aeronautics and Applied Mechanics, Nowowiejska 24, 00-665 Warszawa, Poland

autor

Zwoliński J.

• Warsaw University of Technology, Institute of Aeronautics and Applied Mechanics, Nowowiejska 24, 00-665 Warszawa, Poland

Bibliografia

• [1] Singh M.: SAFE Diagram, Technology Report ST 16, Dresser- Rand Company, 1984.
• [2] Ansys Theory Reference, ANSYS Inc., USA, 1984.
• [3] Charakterystyki stali. Stale do pracy w temperaturach podwyższonych i obniżonych (The characteristics of steel. Steels for use at elevated and reduced temperatures). Seria D. Tom 1, Wyd. Ślask, Gliwice 1984 (in Polish).
• [4] Mazaheri M., Djavanroodi F., Nikbin K.M.: Creep life assessment of an overheated 9Cr-1Mo steel tube, International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2010, 87, 746-752.
• [5] www.keytometals.com, 2014.
• [6] Chmielniak T. Kosman G., Rusin A.: Pełzanie elementów turbin cieplnych (Creep of thermal turbines components). WNT, Warszawa, 1990 (in Polish).
• [7] Le May I., Furtado H.C.: Creep damage assessment and remaining life evaluation, International Journal of Fracture 97, 1999, 125-135.
• [8] Jelwan Jad, Chowdhury M, Pearce G.: Creep life design criterion and its applications to pressure vessel codes, Materials Physics and Mechanics 11, 2011, 157-182.
• [9] Hormozi R., Biglari F., Nikbin K.: Experimental and numerical creep-fatigue study of Type316 stainless steel failure under high temperature LCF loading condition with different hold time, Engineering Fracture Mechanics 141, 2011, 19-43.
• [10] Mazur Z., Rossette A.H.: Steam turbine rotor discs failure evaluation and repair process implementation, Engineering Failure Analysis 56, 2015, 545-554.
• [11] Abu A.O., Eshati S., Laskaridis P., Singh R.: Aero-engine turbine blade life assessment using the Neu/Sehitoglu damage model, International Journal of Fatigue, 61, 2014, 160-169.
• [12] Reyhani M. R., Alizadeh M., Fathi A., Khaledi: Turbine blade temperature calculation and life estimation – a sensitivity analysis H. Propulsion and Power Research, 2(2), 2013, 148-161.
• [13] Orlando J.A. Goncalves Filho: Benchmark for finite element analysis of stress redistribution induced by creep damage. Computational Materials Science 33, 2005, 419-428.
• [14] Naumenko K., Kostenkob Y.: Structural analysis of a power plant component using a stressrange-dependent creep-damage constitutive model Materials Science and Engineering A 510-511, 2009, 169-174.

Uwagi

PL

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