Afterburner liner low cycle fatigue life computation

Abstract

Askeri uçakların gaz türbinli motorları art yakıcı kullanımında son derece zorlu ısıl ve mekanik koşullar altında çalışırlar. Hızlı ısıl geçişler, yüksek sıcaklıklar ve çevrimsel mekanik yükler gibi zorlu çalışma koşullarına maruz kalan motor sıcak bölümünün kritik bileşeni art yakıcı gömleği düşük çevrimli yorulma (LCF) hasarına mukavim olmalıdır. Yapısal bütünlüğün sağlanması, arıza riskinin en aza indirilmesi ve bakım planlamasının optimize edilmesi için güvenilir LCF ömür tahmini büyük önem taşımaktadır. Bu tez çalışmasında, art yakıcı gömleklerinin düşük çevrimli yorulma (LCF) ömrü; deneysel testler, sonlu elemanlar analizi (FEA) ve gerinim tabanlı yorulma ömrü tahmin yöntemleri kullanılarak kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Çalışmanın odak noktalarından biri, termal korumayı artırmalarına rağmen önemli gerilme yığılmalarına yol açarak yorulma ömrünü olumsuz etkileyen efüzyon soğutma deliklerinin etkisidir. Ayrıca, ısıl bekleme sürelerinin (yüksek sıcaklıklarda uzun süreli çalışmanın) sürünme-yorulma etkileşimi yoluyla hasarı hızlandırıcı etkisi de deneylerle belirlenmiştir. Temsili motor koşulları altında yapılan termo-mekanik FEA simülasyonlarıyla gömlek üzerindeki gerilme-gerinim tepkisi analiz edilmiş, çatlak oluşumuna yatkın kritik bölgeler belirlenmiş ve gerinim esaslı modellerle yorulma ömrü tahmin edilmiştir. Elde edilen sonuçlar hem efüzyonla soğutma deliklerinin geometrik etkilerinin hem de yüksek sıcaklıklarda bekleme süresi gibi operasyonel faktörlerin bileşen ömrünü önemli ölçüde azalttığını göstermektedir. Bu araştırma, art yakıcı gömleklerinin yorulma davranışının değerlendirilmesine yönelik kapsamlı bir çerçeve sunmakta; bu sayede gelişmiş tasarım stratejilerine, daha doğru ömür tahminlerine ve daha güvenli, daha verimli motor işletimine katkı sağlamaktadır.

Military aircraft gas turbine engines operate under extreme thermal and mechanical conditions during afterburner use. The afterburner liner, a critical component of the engine's hot section exposed to severe operating conditions such as rapid thermal transients, high temperatures, and cyclic mechanical loads, must be resistant to low-cycle fatigue (LCF) damage. Reliable prediction of low-cycle fatigue (LCF) life is crucial for ensuring structural integrity, minimizing the risk of failure, and optimizing maintenance planning. This thesis presents a comprehensive investigation into the low-cycle fatigue (LCF) life estimation of afterburner liners, employing experimental testing, finite element analysis (FEA), and strain-based fatigue prediction methods. Emphasis is placed on the effect of effusion cooling holes, which, while enhancing thermal protection, introduce significant stress concentrations that diminish fatigue-life. Furthermore, the damage-accelerating effect of thermal hold times—prolonged exposure to high temperatures—through creep–fatigue interaction has been experimentally demonstrated. Thermo-mechanical FEA simulations are conducted to capture the stress-strain response of the liner under representative engine conditions. Critical regions prone to crack initiation are identified, and fatigue life is estimated based on strain-based models. The results demonstrate that both the geometric effects of effusion cooling holes and operational factors like hold-time at elevated temperatures significantly reduce component life. This research provides a comprehensive framework for assessing the fatigue behavior of afterburner liners, contributing to improved design strategies, more accurate life prediction, and safer, more efficient engine operation.