تحليل مكانيك شكست و تخمين عمر رشد ترك خستگي پره توربين گاز با استفاده از روش المان محدود

Fracture Mechanics Analysis and Fatigue Crack Growth Life Assessment for a Gas Turbine Blade Using FEM

در اين مقاله تحليل مكانيك شكست و تخمين عمر خستگي پره ترك‌دار بخش داغ توربين كمپرسور گاز انجام شده است. در ابتدا با استفاده از نرم‌افزار المان محدود ANSYS تحليل تنش پره بدون ترك تحت بارگذاري‌هاي حرارتي و مكانيكي شامل دوران، توزيع دما و فشار بر روي ايرفويل پره براي حالت پاياي 100 درصد انجام شده است. از نتايج اين تحليل، مناطق داراي تنش بالا و مستعد رشد ترك در پره شناسايي مي‌گردند. سپس با مدل‌سازي ترك در اين نواحي، عمر رشد ترك خستگي تخمين زده مي‌شود. براي اين منظور، ابتدا در نرم‌افزار ANSYS براي ترك‌هايي با ابعاد مختلف مقدار ضرايب شدت تنش محاسبه مي‌شود. سپس با استفاده از اين مقادير و نيز نمودار نرخ رشد ترك (da/dN) برحسب ضريب شدت تنش ماده (KI)، نرخ رشد ترك سيكلي براي ترك‌هايي با نسبت ابعاد مختلف (a/c) محاسبه مي‌گردد. در انتها با انتگرال‌گيري عددي، تعداد سيكل خستگي (Nf) تا رسيدن به عمق ترك بحراني (af) براي پره توربين محاسبه مي‌گردد.

In this paper, the fracture analysis and fatigue crack growth life assessment for a gas turbine blade of the hot gas path is studied. At first, applying FEM analysis using ANSYS software, the stress analysis for the turbine balde with no crack in the case of of steady state full load condition has been performed. In this way, thermomechanical loadings, i.e., rotational speed, temperature and pressure distributions are all included in the analysis. From the outcome results the critical regions on the blade airfoil surfaces having high stresses are recognized. Then, after modeling the crack in these regions the fatigue crack growth life assement analysis has be done. To do this, using ANSYS software the crack stress intensity factors (KI) for the cracks with different dimensions has been calculated. Having on hand the obtained values for KI in conjucture with the specified graph for the crack growth rate, i.e., (da/dN) vs. the.crack intensity factor for the blade material, the cyclic crack growth rate for the cracks with different dimension ratios (a/c) can be obtained. Finally, using numerical integration method, the number of cyles Nf to reach the critical crack depth value (af) for the turbine balde has been calculated.