Entwicklung eines Verfahrens zur Lebensdauervorhersage für Schaufel-Scheibe-Verbindungen bei Gasturbinen

Abstract

Rotoren von Gasturbinen unterliegen im Betrieb komplexen mechanischen und thermischen Beanspruchungen. Dabei steht bei der Lebensdauerberechnung von An- und Abfahrvorgängen die Verbindung zwischen Schaufel und Scheibe, kurz Schaufel-Scheibe-Verbindung, im Mittelpunkt des Interesses. Insbesondere in der Scheibe kommt es zu hohen Ermüdungs- bzw. Kriechermüdungsbeanspruchungen, die an den hochbelasteten Stellen zu elastisch-plastischen Wechselverformungen führen können. Für eine Lebensdauervorhersage sind die verfügbaren konventionellen Berechnungsansätze unbrauchbar, da die wesentlichen Einflüsse auf die Schädigung nur unzureichend oder gar nicht berücksichtigt werden. Ein Ausweg bietet sich in der Entwicklung eines Berechnungsverfahrens auf der Basis von inelastischen FE-Analysen. Dabei werden komplexe Werkstoffmodelle benötigt, die das statische, zyklische und viskoplastische Werkstoffverhalten berücksichtigen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein derartiges fortschrittliches Berechnungskonzept zu entwickeln und durch LCF-Versuche an bauteilähnlichen Modellkörpern für Schaufel-Scheibe-Verbindungen zu verifizieren. Durch Vergleich der rechnerischen Vorhersagen mit Experimenten wurden die Berechnungskonzepte auf ihre Tauglichkeit hin überprüft. Dabei konnte mit dem Schädigungsparameter von Smith, Watson und Topper auf der Basis der größten Hauptspannung sowie der größten Hauptdehnung eine gute Übereinstimmung von rechnerischen Vorhersage und Experiment erzielt werden. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass eine zutreffende Charakterisierung der Reibungsverhältnisse eine unabdingbare Voraussetzung für eine treffsichere Lebensdauervorhersage von Schaufel-Scheibe-Verbindungen darstellt. Mit dem im Rahmen dieser Arbeit erarbeiteten und verifizierten Berechnungsverfahren ist es möglich, die Lebensdauer von Schaufel-Scheibe-Verbindungen bei Gasturbinen zuverlässig zu berechnen.

Rotors of gas turbines are highly stressed in service due to complex mechanical and thermal loads. Life assessment with respect to start-up and shutdown procedures are focussed on the connection between the blade and the disc, usually termed blade-disc-connection. In particular the disc maybe damaged considerably due to fatigue and creep-fatigue loadings, which probably cause elastic-plastic cyclic deformations. For a detailed life prediction the available simple methods are not sufficient since important factors influencing the damage mechanism are not taken into consideration completely or are fully neglected. A solution is offered by developing a life assessment method based on inelastic Finite Elements (FE) analyses. Complex constitutive laws are necessary to cover the static, cyclic and viscoplastic material behaviour. The objective of the present thesis is to develop such an advanced calculation method including the verification using low cycle fatigue (LCF) tests with component-like specimens representative of blade-disc-connections. The quality of the proposed life assessment concepts were validated by a detailed comparison of the cycles at crack initiation in the experiments and numerical life prediction. The best agreement between simulation and experiment was obtained using the damage parameter of Smith, Watson and Topper based on the maximum principal stress and strain, respectively. Additionally it was noticed, that a suitable characterization of the friction behaviour is a stringent requirement for a precise life prediction of blade-disc-connections. In summary, a new reliable concept for life prediction of blade-disc-connections has been developed and experimentally verified.