Termomechaniczne zniszczenie drugiego stopnia w małej turbinie gazowej zasilanej biogazem

• Autorzy: Sławiński Daniel

Identyfikatory

DOI

10.36119/15.2020.2.1

Warianty tytułu

EN

Thermomechanical failure of a second rotor stage in small gas turbine of biogas powered

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Impulsowy tryb pracy oraz zasilanie różnego typu paliwami powodują, nawet w małych turbinach gazowych, częste awarie. W pracy pokazano skutki awarii drugiego stopnia w turbinie gazowej oraz przeanalizowano przyczyny jej powstania. Jako główną przyczynę wskazano nadmierny wzrost temperatury spowodowany zmianą paliwa. Zastosowano nieliniową analizę numeryczną, którą poprzedzono obliczeniami termodynamicznymi turbiny oraz wizualnymi oględzinami skutków awarii. Symulacje wykorzystujące metodę elementów skończonych wykonano na geometrii nieuszkodzonej łopatki przy odwzorowaniu obciążenia w trakcie zasilania paliwem rekomendowanym przez producenta oraz zmienionym. Odwzorowano numerycznie skutki przytarcia łopatki o górne uszczelnienia. Obliczenia termodynamiczne wykazały wzrost temperatury w stopniu o 70 K przy zastosowaniu zmienionego paliwa. Przemieszczenia końca łopatki wykazały możliwość wystąpienia przytarcia. Wielkość wydłużenia łopatki przy zwiększeniu ciśnienia w stopniu lub wzroście prędkości obrotowej nie stanowi tak dużego zagrożenia, jak wydłużenia spowodowane zwiększeniem temperatury. Dla zachowania długotrwałej i bezpiecznej pracy małej turbiny gazowej warunkiem koniecznym jest ścisłe przestrzeganie wytycznych producenta odnośnie do składu paliwa. Jeżeli w trakcie pracy turbiny gazowej prawdopodobnym jest, że może być ona zasilana różnego typu paliwami, to konstrukcja powinna posiadać odpowiednie zapasy wytężenia oraz tolerancje pasowania.

EN

The impulse mode of operation and the supply of various types of fuels cause frequent failures even in the small gas turbines. The paper presents the ravages of second rotor stage failure in a gas turbine. The excessive thermal elongation rise caused by fuel change was indicated as the main cause. We applied nonlinear numerical analysis, preceded by thermodynamic calculations of the turbine and visual inspection of the effects of failure. Simulations were performed on undamaged blade geometry under load resulting from combustion: nominal fuel and the changed fuel. Thermodynamic calculations demonstrated a 70 K increase in temperature using the changed fuel. The blade tip displacements demonstrated the possibility of abrasion. The amount of elongation of the blade with increasing pressure or rotation speed does not pose as much danger as the elongations caused by the increase in temperature. To maintain long-term and safe operation of a gas turbine, it is necessary to strictly observe the manufacturer’s guidelines regarding fuel composition. If during the operation of a gas turbine it is likely that it can be powered by various types of fuels, then the structure should have adequate effort reserves and working tolerances.

Słowa kluczowe

PL

turbina gazowa; łopatka; awaria

EN

gas turbine; blade; failure

• Wydawca: Ośrodek Informacji "Technika instalacyjna w budownictwie''
• Czasopismo: Instal
• Rocznik: 2020
• Tom: nr 2
• Strony: 20--24
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., fot., rys.

Twórcy

autor

Sławiński Daniel

• Instytut Maszyn Przepływowych Polskiej Akademii Nauk, Gdańsk

Bibliografia

• [1] Banaszkiewicz M., Numerical investigations of crack initiation in impulse steam turbine rotors subject to thermo-mechanical fatigue, Appl. Therm. Eng. 138 (2018) 761-773.
• [2] Badur J., Bryk M., Accelerated start-up of the steam turbine by means of controlled cooling steam injection, Energy 173 (2019) 1242-1255.
• [3] Witek L., Wierzbińska M., Poznańska A., Fracture analysis of compressor blade of a helicopter engine, Eng Fail Anal 16 (2009) 1616-1622.
• [4] Banaszkiewicz M., Rehmus-Forc A., Stress corrosion cracking of 60 MW steam turbine rotor, Eng Fail Anal 51 (2015) 55-68.
• [5] Kargarnejad S., Djavanroodi F., Failure assessment of Nimonic 80A gas turbine blade, Eng Fail Anal 26 (2012) 211-219.
• [6] Salam I., Taugir A., Creep-fatigue failure of an aero engine turbine blades, Eng Fail Anal 9 (2002) 335-347.
• [7] Kazempour-Liacy et al, Corrosion and failure analysis of a forced draft fan blade, Eng Fail Anal 18 (2011) 1193-1202.
• [8] Witek L., Bednarz A., Stachowiak F., Fatigue analysis of compressor blade with simulated foreign object damage, Eng Fail Anal 58 (2015) 229-237.
• [9] Witek L., Numerical stress and crack initiation analysis of the compressor blades after foreign object damage subjacted to high-cycle fatigue, Eng Fail Anal 18 (2011) 2111-2125.
• [10] Kumari S., Satyanarayana D.V.V., Failure analysis of gas turbine rotor blades, Eng Fail Anal 45 (2014) 234-244.
• [11] Maktouf W., Sai K., An investigation of premature fatigue failures of gas turbine, Eng Fail Anal 47 (2015) 89-101.
• [12] Carter T. J., Common failures in gas turbine blades, Eng Fail Anal 12 (2005) 237-247.
• [13] Qu S., Fu C. M. et al, Failure analysis of the 1st stage blades in gas turbine engine, Eng Fail Anal 32 (2013) 292-303.
• [14] Kim H., Study of the fracture of the 1st stage blade in an aircraft gas turbine, Eng Fail Anal 16 (2009) 2318-2324.
• [15] Mokaberi A., Derakhshandeh-Haghighi R., Fatigue fracture analysis of gas turbine compressor blades, Eng Fail Anal 58 (2015) 1-7.
• [16] Barella S. et al, Failure analysis of third stage gas turbine blade, Eng Fail Anal 18 (2011) 386-393.
• [17] Wang R., Jiang K., Jing F., Thermomechanical fatigue failure investigation on a single crystal nickel superalloy turbine blade, Eng Fail Anal 66 (2016) 284-295.
• [18] Beghini M., Bertini L. et al, High temperature fatigue testing of gas turbine blades, Procedia Structural Integrity 7 (2017) 206-213.
• [19] Mishra R. K. et al, Failure of an un-cooled turbine blade in an aero gas turbine engine, Eng Fail Anal 79 (2017) 836-844.
• [20] Rani S., Agrawal A. K., Failure analysis of first stage INC738 gas turbine blade tip cracking in thermal power plant, Case Stud Eng Fail Anal 8 (2017) 1-10.
• [21] Kocańda S. Zmęczeniowe niszczenie metali [Fatigue failure of steel], Warszawa; WNT 1972 [in polish].
• [22] Ziółkowski P., Badur J., Ziółkowski P. J., An energetic analysis of a gas turbine with regenerative heating using turbine extraction at intermediate pressure - Brayton cycle advanced according to Szewalski’s idea, Energy 185 (2019) 763-786.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).