Creep damage analysis and life prediction of a superalloy turbine blade

Abstract

Gaz türbinli motorlarda bileşenlerin servis ömürlerinin belirlenmesi üreticiler ve kullanıcılar için hayati önem taşımaktadır. Orijinal ekipman üreticileri (büyük gaz türbin motoru üreticileri), üniversiteler ve diğer kurumlar bu konudaki araştırmalarını ve yatırımlarını her geçen gün artırmaktadır. Bir gaz türbini motor komponentinin hizmet ömrü hesaplama çalışmaları, parça değişim sürelerini belirleyerek olası kazaları önleyen farklı olgular ve bunların etkileşimlerinden oluşur. Bu çalışmada, Nikel baz alaşımlı bir türbin kanadının sürünme olgusu ve ömür tahmini araştırılmaktadır. Bu amaçla öncelikle, malzeme plastisite ve sertleşme modelleri sayısal benzetimler olarak hazırlanarak malzeme test sonuçları ile karşılaştırılmaktadır. İkinci olarak, sürünme davranışının mekanik modellemesi sonlu elemanlar simülasyon modelleri ile hazırlanarak malzeme sürünme testi sonuçları ile karşılaştırılmaktadır. Bu bağlamda, iki farklı sürünme malzeme modeli kullanılarak sürünme davranışı kıyaslanmaktadır. İki farklı sürünme malzeme modeli kullanılmasının amacı, tekrarlı yüklerin plastisite etkilerinin parçalar üzerindeki ömür etkilerini incelemek ve karşılaştırmaktır. Böylece Norton ve Kombine Zamanla Sertleşen Malzeme Modelleri seçilerek sonlu elemanlar test numune analiz modelinde tanımlanmaktadır. % Hata oranı veya başka bir ifadeyle malzeme modelleme doğruluğu test sonuçları ile karşılaştırılarak grafiklerle gösterilmektedir. Çalışmanın son aşamasında ise nihai olarak belirlenen sürünme malzeme modeli 3 boyutlu türbin tasarımı analiz modeline tanımlanarak sonlu elemanlar simülasyon ortamında analiz edilmektedir. Analiz sonucunda, bir motor görev profili sonunda yapı üzerinde elde edilen gerilme ve gerinimler, kalıcı uzamalar ve ömür değerleri hesaplanarak motor testleri sonrası taranan ölçüm verileri ile karşılaştırılmaktadır.

In gas turbine engines, the determination of the service life of components has vital importance for manufacturers and users. OEM's (major gas turbine engine manufacturers), universities and other institutions increase their research and investments on this subject day by day. Service life calculation studies of a gas turbine engine components consist of different phenomena and their interactions such as low cycle fatigue, high cycle fatigue, thermo-mechanical fatigue, creep and oxidation. In this study, the creep damage calculation and life prediction of a turbine blade with a Ni-Based Alloy is investigated. For this purpose, firstly, material plasticity and hardening models are prepared as numerical simulations and compared with material test results. Secondly, mechanical modelling of creep behavior is prepared with finite element simulation 2d models and compared with material creep test results. In this respect, creep behavior is investigated with using of two different creep material models. The purpose of using two different creep material models is determining the plasticity effects of cyclic loads on the parts. Thus, Norton and Combined Time Hardening Material Models are selected and they are defined to the fea test specimen analysis model. % Error or material modelling accuracy is compared with test results and shown in graphics. In the last stage of the study, 3d blade design is examined throughout a gas turbine engine mission profile. The selected creep material model is defined analyzed in fea environment. As a result of the analysis, stress and strains, permanent elongations are calculated and compared with scanned-measurement data after engine test. Creep damage calculation is completed according to engine maintenance interval.