Numerical investigation on fatigue crack propagation for gas turbine engine parts

Abstract

Gaz türbinli motor geliştirme programının kritik aşamalarından biri de parçaların ömür yönetimidir. Ömür yönetimi süreci, hem yorulma (çatlak başlangıcı) hem de kırılma mekaniği (çatlak ilerlemesi) açısından çatlakların araştırılmasını içerir. Çatlağın başlangıcından nihai kırılmaya kadar olan tüm bu süreç, motor parçalarının ağır koşullar altında çalışması ve gerilme şiddet faktörlerinin (SIF) karmaşıklığı göz önüne alındığında, kırılma mekaniği hesaplarının uygulanmasında yoğun çaba gerektirir. Bu çalışmada, gaz türbinli motor bileşenleri için kırılma mekaniği teorisi ve sayısal çözümler üzerindeki uygulaması incelenmiştir. Çatlak ilerleme algoritmaları ve akış şemaları oluşturulmuştur. Nihayetinde, bu çalışma özgün bir yazılım geliştirme sürecine de öncülük etmiştir. Yapılan hesaplara; çevrimsel çatlak büyümesi, integral adım aralığı, çatlak dibindeki plastik bölge, yüzey ve derinlikte ilerleme hızı farklılığı ve ortalama gerilme (Walker) etkileri dâhil edilmiştir. Yüzey yarı eliptik çatlak ve kompakt test (CT) numune çatlağı için elde edilen kırılma mekaniği sonuçları, ticari olmayan bir kırılma mekaniği yazılımı hesaplamaları ile karşılaştırılmıştır. CT numune tipi çatlak modeli, çatlak yayılma ömrünü yüzey yarı eliptik çatlak tipinden daha iyi tahmin ettiği gözlemlenmiştir. Özgün bir çalışma algoritması oluşturularak, çatlak boyutu, gerilme yoğunluk faktörü ve çatlak ömür sayısı açısından makul sonuçlar elde edilmiştir. Sonuçlardaki farklılıklar tartışılmış ve sonuçların doğruluğunun iyileştirilmesi için daha ileri adımlar belirlenmiştir.

One of the critical phases of gas turbine engine development program is life management of the parts. Life management process involves investigation of cracks in terms of both fatigue and fracture mechanics. This whole process, from the initiation of the crack to the final fracture, requires excessive effort on the application of the fracture mechanics due to fact that engine parts operating under severe conditions and the complexity of Stress Intensity Factors (SIF). In this study, fracture mechanics theory for gas turbine engine components and its application on numerical solutions are investigated. Crack growth algorithms, flowcharts are created. Finally, this study also leads to software development process. Fracture mechanics results are compared for surface semi-elliptical crack and compact test (CT) specimen crack with non-commercial fracture mechanics software calculations in terms of cyclic crack growth, integration interval, plastic zone, constraint loss and mean stress effect (Walker). The CT specimen type crack model predicts crack propagation life better than the surface semi-elliptical crack type. An in-house working algorithm is created and affordable results in terms of crack dimension, stress intensity factor and final cycle number are obtained. Difference in results are discussed and accordingly, further actions are taken for improvement in the results accuracy.