Entwicklung eines Lebensdauerkonzeptes für Schaufel-Welle-Verbindungen stationärer Turbinen aus Nickelbasis- und 10 %-Chromlegierungen

Abstract

Im Bereich von Gas- und Dampfturbinen sind die Rotoren, besonders während der Anfahr- und Abschaltphasen, hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Dies führt zu elastisch-plastischen Ermüdungs- bzw. Kriechermüdungsbeanspruchungen, welche im Bereich der Schaufelanbindung an den Rotor deutlich ausgeprägt zu finden sind. Ziel dieser Arbeit war daher, ein Berechnungsverfahren auf Basis inelastischer Finite Elemente-Analysen bei betriebsnaher Beanspruchung zu entwickeln. Hierbei bestand die Neuerung für Gasturbinen aus Nickelbasislegierungen darin, dass der wechselseitige Einfluss benachbarter Schaufeln sowie die Thermoschutzschicht im Kontaktbereich zwischen Schaufel und Scheibe berücksichtigt wurden. Darüber hinaus wurde dieses Lebensdauerkonzept zur Anwendung auf martensitische 10 %-Chromstähle von Dampfturbinen erweitert. Dies ist insofern wichtig, da sich aufgrund des zyklisch ständig entfestigenden Werkstoffverhaltens kein stabiler Zustand berechnen und auswerten lässt. Zunächst wurde je eine Modellkörpergeometrie entwickelt, die die wesentlichen lokalen Beanspruchungen in realen Gas- bzw. Dampfturbinen richtig wiedergeben. Die Nachrechnung der an diesen Modellkörpern durchgeführten zyklischen Versuche wurde unter Anwendung eines viskoplastischen Stoffgesetzes durchgeführt und diente zur Verifikation des Lebensdauerkonzeptes. Dadurch wurde für die Gasturbinenkonfiguration ein stabiler Zustand erreicht, der mit Hilfe des Schädigungsparameters nach Smith, Watson und Topper ausgewertet wurde. Entsprechend den Versuchsergebnissen konnte durch diese Berechnungsmethode gezeigt werden, dass die Beschichtung der Schaufelfüße keinen Einfluss auf die Lebensdauer bei zyklischer Beanspruchung darstellt. Aufgrund der ständigen zyklischen Entfestigung bis zum Anriss und der stärkeren Kriechneigung des bei der Dampfturbine eingesetzten martensitischen Stahles X12CrMoWVNbN10-1-1 kann in zyklischen Finite Elemente-Berechnungen kein stabiler Zustand erreicht werden. Daher wurde die Weiterentwicklung des Lebensdauerkonzeptes für dieses Werkstoffverhalten erforderlich. Unter Ausnutzung eines im viskoplastischen Stoffgesetz implementierten Ermüdungsschädigungsparameters und dessen Extrapolation auf einen werkstoff- und temperaturabhängigen Grenzwert, konnte die Anrisslastwechselzahl von typischen Dampfturbinenwerkstoffen vorhergesagt werden. Der Vergleich mit derzeit eingesetzten Auslegungsmethoden zeigt, dass das entwickelte Lebensdauerkonzept eine deutliche Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit unter betriebsnaher Beanspruchung von Turbinen bietet.

In the area of gas and steam turbines, rotors are exposed to high mechanical and thermal loads, in particular during start-up and shut-down procedures. This leads to elastic-plastic fatigue and creep-fatigue loads, especially in the region of the blade-connection to the rotor. Therefore, the aim of the present work was the development of a calculation method based on inelastic finite element analyses under servicelike conditions. On this occasion the innovation for gas turbines made of nickel-based alloys was the consideration of the mutual influence of adjoining blades as well as the thermal barrier coating in the contact region of blade and disc. Furthermore, this concept of life assessment was enhanced to the application to martensitic 10Cr steels. This is important because a stable condition cannot be calculated and evaluated due to cyclic continuously softening materials behaviour. As a first step a model specimen geometry was developed, which addresses the fundamental local stress-strain-situation in real gas and steam turbines, respectively. The verification of the concept for life assessment was carried out by recalculation of cyclic tests made with these model specimens using a viscoplastic material description. That way, a stabilized condition can be achieved, which can be evaluated by means of the damage parameter by Smith, Watson and Topper. According to the experimental results it also could be shown with this calculation method that the coating of blade roots has no influence on the lifetime under cyclic load. Due to continuous cyclic softening up to crack initiation and the minor creep resistance of the martensitic steel X12CrMoWVNbN10-1-1 a stable condition cannot be achieved in cyclic finite element calculations. Therefore, a further development of the life assessment for this special material behaviour became necessary. Using a fatigue damage parameter, which is implemented in the viscoplastic material model and its extrapolation on a material and temperature dependent limit, the cycles up to failure could be predicted for typical steam turbine materials. The comparison with currently used design methods shows a noticeable improvement of accuracy of predicted lifetime under servicelike stress-strain-conditions of turbines.