Аналіз особливостей умов роботи сучасних лопаток газових турбін та огляд методів визначення параметрів їх високотемпературної міцності

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.20998/2078-9130.2024.1.312052

Ключові слова:

ресурс, чисельні методи, напружено-деформований стан, термонапружений стан, міцність, відстроювання від небезпечних резонансних режимів, руйнування від повзучості, втомне руйнування, довговічність, математична модель, ортотропія властивостей, лопатки турбіни, авіаційний газотурбінний двигун

Анотація

Предметом дослідження є сучасні методи та матеріали для виготовлення лопаток газових турбін, а також підходи та методи  оцінки показників їх динамічної та статичної міцності в умовах високотемпературного навантаження. Першою метою статті постає опис основних способів виготовлення лопаток турбін, наведення прикладів використовуваних матеріалів та особливостей їх кристалічної структури. Другою метою матеріалу є огляд підходів для забезпечення параметрів динамічної та статичної міцності монокристалічних лопаток турбін, зокрема, відстроювання від небезпечних резонансних режимів, дослідження параметрів анізотропної повзучості, високотемпературної втомної довговічності та довготривалої міцності. Задачею статті є виділення основних переваг та недоліків існуючих способів, підходів та методів оцінки та забезпечення параметрів високотемпературної міцності лопаток турбін в умовах статичних та динамічних навантажень, з метою обрання цілей подальших досліджень. Методи, що використовувалися про створенні публікації: методи аналізу та порівняння, що застосовувався при пошуку та співставленні відкритих літературних джерел інформації згідно мети статті, а також метод дедукції, що використовувався при виділені основних недоліків існуючих методів оцінки високотемпературної міцності лопаток газових турбін в умовах статичних та динамічних навантажень для намічання цілей подальших досліджень. Отримано наступні результати. Проаналізовані літературні джерела, що стосуються методів виготовлення лопаток турбін, а саме спрямованої кристалізації та монокристалічного лиття. Підкреслені переваги монокристалічних сплавів для виготовлення лопаток турбін, а саме підвищені жароміцність, жаростійкість, втомна міцність, довговічність та тріщиностійкість. Проаналізовані та описані основні сучасні методи оцінки високотемпературної міцності лопаток газових турбін з урахуванням анізотропних характеристик монокристалічних сплавів. Висновки. У наведеній публікації представлено відомості про лопатки газових турбін, зокрема, надано змістовну інформацію про методи їх виготовлення, а також матеріали, що використовуються для їх отримання. У дослідженні проаналізовано та визначено основні пошкоджуючі впливи, що діють на лопатки газових турбін в процесі їх експлуатації. У матеріалі зазначені досягнення науковців, які розробили чисельні та експериментальні методи для оцінювання впливу анізотропних характеристик монокристалічних нікелевих жароміцних сплавів на показники втомної міцності, довговічності та повзучості лопаток турбін

Посилання

  1. Nemanezhyn Y. O., Ivko V. M., Torba Yu. I. Teoretychni ta eksperymental'ni metody vyznachennya kharakterystyk mitsnosti lopatok turbin pry termomekhanichnomu navantazhenni [Theoretical and experimental methods for determining the strength characteristics of turbine blades under thermomechanical loading]. Aviatsiyno-kosmichna tekhnika i tekhnolohiya – Aerospace technic and technology, 2021, no. 4 special issue 1(173), pp. 93-101. DOI: 10.32620/aktt.2021.4sup1.13 (In Ukrainian).
  2. Lepeshkin A., Remchukov S., Yaroslavtsev N., Guanghua Z., Meng Z., Fetisov M., Ilinskaya O., Fedin M., Kuleshov A. Test technique for turbine cooled blades of gas turbine engines. Journal of physics: conference series, 2021, vol. 1925, pp. 1-7. DOI: 10.1088/1742-6596/1925/1/012086
  3. Beghini M., Bertini L., Santus C., Monelli B. D., Scrinzi E., Pieroni N., Giovannetti I. High temperature fatigue testing of gas turbine blades. Procedia structural integrity, 2017, vol. 7, pp. 206-213. DOI: 10.1016/j.prostr.2017.11.079
  4. Rongqiao W., Fulei J., Dianyin H. In-phase thermal-mechanical fatigue investigation on hollow single-сrystal turbine blades. Chinese journal of aeronautics, 2013, vol. 26, no. 6, pp. 1409-1414. DOI: 10.1016/j.cja.2013.07.026
  5. Han J.-C. Recent studies in turbine blade cooling. International journal of rotating machinery, 2004, vol. 10, no. 6, pp. 443-457. DOI: 10.1155/S1023621X04000442
  6. Puspitasari P., Andoko A., Kurniawan P. Failure analysis of a gas turbine blade: a review. IOP Conference series: materials science and engineering, 2021, vol. 1034, pp. 1-9. DOI: 10.1088/1757-899X/1034/1/012156
  7. Swain B., Mallick P., Patel S., Roshan R., Mohapatra S. S., Bhuyan S., et al. Failure analysis and materials development of gas turbine blades. Materials today: proceedings, 2020, vol. 33, no. 8, pp. 5143-5146. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.02.859
  8. Ali R., Shehbaz T., Bemporad E. Investigation on failure in thermal barrier coatings on gas turbine first-stage rotor blade. Journal of failure analysis and prevention, 2018, vol. 18, pp. 1062-1072. DOI: 10.1007/s11668-018-0530-5
  9. Asadikouhanjani S., Torfeh M., Ghorbanf R. Failure analysis of a heavy duty gas turbine blade. Strength of materials, 2014, vol. 46, pp. 608-612. DOI: 10.1007/s11223-014-9589-8
  10. Couturier R., Escaravage C. High temperature alloys for the HTGR gas turbine: required properties and development needs. International Atomic Energy Agency. Technical committee meeting on gas turbine power conversion systems for modular HTGRs, 2001, pp. 163-176.
  11. Gell M., Duhl D. N., Gupta D. K., et al. Advanced superalloy airfoils. Journal of metals, 1987, vol. 39, pp. 11-15. DOI: 10.1007/BF03258033
  12. Shi D., Yang X., Li Z. Accelerated LCF-creep experimental methodology for durability life evaluation of turbine blade. Fatigue & fracture of engineering materials & structures, 2018, vol. 41, no. 5, P. 1196-1207. DOI: 10.1111/ffe.12763
  13. Cormier J., Gandin C.-A. Chapter 7 - Processing of directionally cast nickel-base superalloys: solidification and heat treatments. In (eds): Cailletaud G., Cormier J., Eggeler G., Maurel V., Nazé L. Nickel base single crystals across length scales. Elsevier, 2022, pp. 193-222. DOI: 10.1016/B978-0-12-819357-0.00015-9
  14. Kim E.-H., Park H. Ye., Lee C.-L., Par J. B., Yang S. C., Jung Y.-G. Single crystal casting of gas turbine blades using superior ceramic core. Journal of materials research and technology, 2020, vol. 9, no. 3, pp. 3348-3356. DOI: 10.1016/j.jmrt.2020.01.029
  15. Ibrahim T. K., Mohammed M. K., Al-Door W. H. A., Al-Sammarraie A. T., Basrawi F. Study of the performance of the gas turbine power plants from the simple to complex cycle: a technical review. Journal of advanced research in fluid mechanics and thermal sciences, 2019, vol. 57, pp. 228-250.
  16. Madhavan S., Jain R., Sujatha C., Sekhar A. S. Vibration based damage detection of rotor blades in a gas turbine engine. Engineering failure analysis. 2014. Vol. 46. P. 26-39. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2014.07.021
  17. Ledbetter H. M., Reed R. P. Elastic properties of metals and alloys. I. Iron, nickel, and iron-nickel alloys. Journal of physical and chemical reference data, 1973, vol. 2, no. 3, pp. 531-618. DOI: 10.1063/1.325341
  18. Luan X., Qin H., Liu F., Dai Z., Yiand Y., Li Q. The mechanical proprties and elastic anisotropies of cubic Ni3Al from first principles calculations. Crystals, 2018, vol. 8, no. 8, pp. 307-317. DOI: 10.3390/cryst8080307
  19. Fatmi M., Ghebouli M. A., Ghebouli B., Chihi T., Boucetta S., Heiba Z. K. Study of structural, elastic, electronic, optical and thermal properties of Ni3Al. Romanian journal of physics, 2011, vol. 56, pp. 935-951.
  20. Yu R., Zhu J., Ye H. Q. Calculations of single-crystal elastic constants made simple. Computer physics communications, 2010, vol. 181, no. 3, pp. 671-675. DOI: 10.1016/j.cpc.2009.11.017
  21. Hemberger D., Filsinger D., Bauer H.-J. Investigations on maximum amplitude amplification factor of real mistuned bladed structures. Proceedings of the ASME turbo expo 2012: turbine technical conference and exposition, 2012, vol. 7, pp. 1041-1052. DOI: 10.1115/GT2012-68084
  22. Sanliturk K. Y., Ewins D. J., Stanbridge A. B. Underplatform dampers for turbine blades: theoretical modeling, analysis, and comparison with experimental data. Journal of engineering for gas turbines and power, 2001, vol. 123, no. 4, pp. 919-929. DOI: 10.1115/1.1385830
  23. Ewins D. J. Control of vibration and resonance in aero engines and rotating machinery - an overview. International journal of pressure vessels and piping, 2010, vol. 87, no. 9, pp. 504-510. DOI: 10.1016/j.ijpvp.2010.07.001
  24. Duong L., Murphy K. D., Kazerounian K. Guided tuning of turbine blades: a practical method to avoid operating at resonance. Journal of vibration and acoustics, 2013, vol. 135, no. 5, pp. 1-5. DOI: 10.1115/1.4024761
  25. Zinkovskii A. P., Merkulov V. M., Derkach O. L., Tokar I. G., Savchenko K. V. Doslidzhennya napruzhenoho stanu mizhpazovykh vystupiv dyska robochoho kolesa kompresora z urakhuvannyam vplyvu vidtsentrovykh syl ta rozladu chastot kolyvan' lopatok [Stress state analysis of compressor blade-disk joint with the influence of centrifugal forces and blade mistuning]. Aviatsiyno-kosmichna tekhnika i tekhnolohiya – Aerospace technic and technology, 2021, no. 4 special issue 1(173), pp. 47-54. DOI: 10.32620/aktt.2021.4sup1.07 (In Ukrainian)
  26. Nemanezhyn Y., Lvov G., Torba Y. Numerical simulation of the natural frequencies dependence of turbine blade vibrations on single-crystal anisotropy. In: Tonkonogyi, V., Ivanov, V., Trojanowska, J., Oborskyi G., Pavlenko I. (eds). Advanced manufacturing processes V. InterPartner 2023. Lecture notes in mechanical engineering. Springer. Cham, 2024, pp. 485-497. DOI: 10.1007/978-3-031-42778-7_45
  27. Xu R., Li Y., Yu H. Creep behavior and deformation mechanism of a third-generation single crystal Ni-based superalloy at 980 °C. Metals, 2023, vol. 13, no. 9, pp. 1-14. DOI: 10.3390/met13091541
  28. Knowles D. M., MacLachlan D. W. Anisotropic creep of single crystal superalloys. In: Murakami, S., Ohno, N. (eds). IUTAM symposium on creep in structures. Solid mechanics and its applications. Springer. Dordrecht, 2001, vol. 86, pp. 31-40. DOI: 10.1007/978-94-015-9628-2_4
  29. Grishchenko A. I., Semenov A. S., Getsov L. B. Modeling inelastic deformation of single crystal superalloys with account of γ/γ' phases evolution. Materials physics and mechanics, 2015, vol. 24, no. 4. pp. 325-330.
  30. Semenov A. S., Getsov L. B. Thermal fatigue fracture criteria of single crystal heat-resistant alloys and methods for identification of their parameters. Strength of materials, 2014, vol. 46, pp. 38-48. DOI: 10.1007/s11223-014-9513-2
  31. Cailletaud G. A micromechanical approach to inelastic behavior of metals. International journal of plasticity, 1992, vol. 8, no. 1, pp. 55-73. DOI: 10.1016/0749-6419(92)90038-E
  32. Nouailhas D., Freed A. D. A viscoplastic theory for anisotropic materials. Journal of engineering materials and technology – transactions of the ASME, 1992, vol. 114, pp. 97-104. DOI: 10.1115/1.2904149
  33. Besson J., Cailletaud G., Chaboche J.-L., Forest S. Non-linear mechanics of materials. Springer. Verlag. Dordrecht, 2010, no. 1, 433 p. DOI: 10.1007/978-90-481-3356-7
  34. Hill R. A theory of the yielding and plastic flow of anisotropic metals. Proceedings of royal society of London. Series A, 1948, vol. 193, p. 281-297. DOI: 10.1098/rspa.1948.0045
  35. Nissley D. M., Meyer T. G., Walker K. P. Life prediction and constitutive models for engine hot section anisotropic materials program. NASA technical reports server, 1992, 316 p.
  36. Meric L., Poubanne P., Cailletaud G. Single crystal modeling for structural calculations: part I – model presentation. Transactions of the ASME. Journal of engineering materials and technology, 1991, vol. 113, no.1, pp. 162-170. DOI: 10.1115/1.2903374
  37. Vladimirov I. N., Reese, S., Eggeler G. Constitutive modelling of the anisotropic creep behaviour of nickel-base single crystal superalloys. International journal of mechanical sciences, 2009, vol. 51, no. 4, pp. 305-313. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2009.02.004
  38. Fedelich B. A microstructural model for the monotonic and the cyclic behaviour of single crystals of superalloys at high temperatures. International journal of plasticity, 2002, vol. 18, no. 1, pp. 1-49. DOI: 10.1016/S0749-6419(00)00045-0
  39. Liu D., Li H., Liu Y. Numerical simulation of creep damage and life prediction of superalloy turbine blade. Mathematical problems in engineering, 2015, vol. 2015, pp. 1-10. DOI: 10.1155/2015/732502
  40. Zhang G., Zhao Y., Xue F., et al. Creep-fatigue interaction damage model and its application in modified 9Cr-1Mo steel. Nuclear engineering and design, 2011, vol. 241, no. 12, pp. 4856-4861. DOI: 10.1016/j.nucengdes.2011.08.076
  41. Yu Q. M., Yue Z. F., Wen Z. X. Creep damage evolution in a modeling specimen of nickel-based single crystal superalloys air-cooled blades. Materials science and engineering: A, 2008, vol. 477, no. 1-2, pp. 319-327. DOI: 10.1016/j.msea.2007.05.080
  42. Patoor E., Lagoudas D. C., Entchev P. B., Brinson L. C., Gao Xi. Shape memory alloys. Part I: general properties and modeling of single crystals. Mechanics of materials, 2006, vol. 38, no. 5-6, pp. 391-429. DOI: 10.1016/j.mechmat.2005.05.027
  43. Xia W., Zhao X., Yue L., Zhang Z. Microstructural evolution and creep mechanisms in Ni-based single crystal superalloys: a review. Journal of alloys and compounds, 2020, vol. 819, pp. 2-32. DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.152954
  44. Getsov L. B., Semenov A. S., Besschetnov V. A., et al. Long-term strength determination for cooled blades made of monocrystalline superalloys. Thermal engineering, 2017, vol. 64, pp. 280-287. DOI: 10.1134/S0040601517040048
  45. Nemanezhyn Y. O., Lvov G. I., Torba Yu. I. Otsinka vplyvu anizotropnykh vlastyvostey monokrystalichnykh lopatok turbin aviatsiynykh hazoturbinnykh dvyhuniv na yikh dovhotryvalu mitsnist' [Evaluation of the influence of anisotropic properties of single-crystal turbine blades of aircraft turbofan engines on their long-term strength]. Aviatsiyno-kosmichna tekhnika i tekhnolohiya – Aerospace technic and technology, 2024, no. 4 special issue 2(198), pp. 39-51. DOI: 10.32620/aktt.2024.4sup2.06 (In Ukrainian).
  46. Von Mises R. Mechanics of plastic shape change of crystals. ZAMM - Journal of applied mathematics and mechanics, 1928, vol. 8, no. 3, pp. 161-185. DOI: 10.1002/zamm.19280080302 (in German).
  47. Kolagar A. M., Tabrizi N., Cheraghzadeh M., Shahriari M. S. Failure analysis of gas turbine first stage blade made of nickel-based superalloy. Case studies in engine failure analysis, 2017, vol. 8, pp. 61-68. DOI: 10.1016/j.csefa.2017.04.002
  48. Gao H. F., Fei C. W., Bai G. C., Ding L. Reliability-based low-cycle fatigue damage analysis for turbine blade with thermo-structural interaction. Aerospace science and technology, 2016, vol. 49, pp. 289-300. DOI: 10.1016/j.ast.2015.12.017
  49. Huo J., Sun D., Wu H., Wang W., Xue L. Multi-axis low-cycle creep/fatigue life prediction of high-pressure turbine blades based on a new critical plane damage parameter. Engineering failure analysis, 2019, vol. 106. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2019.104159
  50. Bychkov N. G., Lukash V. P., Nozhnitsky Y. A., Perchin A. V., Rekin, A. D. Investigations of thermomechanical fatigue for optimization of design and production process solutions for gas-turbine engine parts. International journal of fatigue, 2008, vol. 30, no. 2, pp. 305-312. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2007.01.046

##submission.downloads##

Опубліковано

2024-11-18

Як цитувати

Неманежин, Є. (2024). Аналіз особливостей умов роботи сучасних лопаток газових турбін та огляд методів визначення параметрів їх високотемпературної міцності. Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Серія: Динамiка та мiцнiсть машин, (1), 52–61. https://doi.org/10.20998/2078-9130.2024.1.312052

Номер

№ 1 (2024): Вісник Національного технічного університету "ХПІ" Серія: "Динаміка та міцність машин"

Розділ

Статті