تاثير هندسه تماس بر دامنه لغزش و فشار تماسي در خستگي سايشي ريشه پره توربين

Effect of Contact Geometry on the Slip Amplitude and Contact Pressure in Fretting Fatigue of a Turbine Blade Root

پره هاي توربين به علت كاركرد در شرايط بحراني در معرض تنش هاي مكانيكي و حرارتي بوده و دچار آسيب هاي مختلفي از قبيل خستگي و سايش مي شوند كه منجر به كاهش عمر پره ها از طريق تسريع روند جوانه زني و رشد ترك خواهد شد. در اين مقاله با استفاده از مدل المان محدود دوبعدي، اثر سه پارامتر هندسي طول ناحيه تماس، زاويه ناحيه تماس و ضريب اصطكاك بر دامنه لغزشي و فشار تماسي در ريشه پره توربين مورد بررسي قرار گرفته است. مقايسه نتايج تحليل با خرابي هاي مشاهده شده روي پره توربين با استفاده از ميكروسكوپ الكتروني، انطباق آسيب هاي پيش بيني شده با آسيب هاي به وقوع پيوسته را نشان مي دهد. نتايج حاصل از تحليل پره نشان مي دهد كه با حركت از لبه بالايي تماس به سمت لبه پاييني، مقدار فشار تماسي به تدريج افزايش مي يابد و ماكزيمم فشار تماسي در نزديكي لبه پاييني تماس اتفاق مي افتد. براساس نتايج به دست آمده، در هر مرحله افزايش ضريب اصطكاك، افزايش زاويه تماس و افزايش طول ناحيه تماس، مقادير دامنه لغزش به ترتيب در حدود 26%، 19% و 10% و فشار تماسي به ترتيب در حدود 35%، 15% و 5% كاهش پيدا مي كند. همچنين افزايش زاويه ناحيه تماس و ضريب اصطكاك به ترتيب محدوده جدايش در لبه هاي تماس بالايي در دو سمت نمونه را افزايش مي دهد. اين در حالي است كه افزايش طول ناحيه تماس تغيير قابل توجه اي در محدوده ناحيه جدايش در نزديكي لبه بالايي تماس نمونه ايجاد نمي كند.

Turbine blades are exposed to mechanical and thermal stresses due to their operation in critical conditions that lead to various damages such as fatigue and wear. These factors reduce the blades life cycle by accelerating the cracking process. In this paper, the effects of three geometric parameters including the contact length, the contact angle, and the surface friction coefficient on relative slip amplitude and contact pressure values in the turbine blade root were investigated using a two-dimensional finite element model. Comparing the results of the analysis with the actual blade damages by use of scanning electron microscopy shows acceptable consistency between predicted damage site and the actual blade damages. The results of the blade analysis indicate that by moving from the top of the contact edge to the bottom, the contact pressure increases gradually and its maximum occurs near the lower edge of the contact. According to the results, the prescribed increments in the coefficient of friction, the contact angle, and the length of contact, respectively decrease the slip amplitude by 26%, 19%, and 10% and also decrease the contact pressures by 35%, 15%, and 5%. In addition, increasing contact angle and coefficient of friction increase the opening region length at the upper edge on both sides of the blade root. While increasing the contact length has no considerable effect on the length of this region.