Heavy duty gas turbine compressor blades – FEM Analysis and Validation.

Silvia Bruzzone Ansaldo Energia Innovation and Product Development Mechanical Integrity of Turbomachinery

ANSALDO ENERGIA POWER PLANTS

COMPANY PRODUCTS AND SERVICES

Ansaldo Energia

Model Power [MW] Class Reliability

> 98%

AE64.3A F 75

AE94.2

AE94.2K

E

E

185

170

AE94.3A F 310

Widely proven models

Ansaldo Energia independent technology

GAS TURBINE PORTFOLIO

Ansaldo Energia – prodotto TG

Canale meridiano

La progettazione di nuovi componenti per TG o TV prevede la ricerca di una configurazione “ottima” dal punto di vista aerodinamico, termico e meccanico in condizione di funzionamento,ovvero in condizione “deformata”.

Necessità di sviluppare una procedura che calcoli la geometria “indeformata”, che sottoposta ai carichi di funzionamento, si sovrapponga alla geometria “deformata” di progetto.

RISULTATO PROGETTO AERO

Canale meridiano AERO Profili rotorici e statorici AERO

Flusso di progetto GRIGLIA 3D HOT (X,Y,Z)

*.txt PUNTI AERO

MESH ANSYS MAPPATA HOT GRIGLIA 3D COLD (X,Y,Z)

*.txt

AIRFOIL CAD

Il calcolo completo soddisfa il target

meccanico

CAM

CAD e BLUEPRINT

Lama CAD provvisoria

posizionata su ancoraggio e

disco per calcolo completo

STRUTTURISTA

input disegnazione

FRONTE DI PARETO

TARGET AERO-MECCANICO NO DISCO NO ANCORAGGIO NO UNGHIETTA

Procedura Hot to cold – H2C

“La procedura di H2C si basa su un algoritmo iterativo che prevede di valutare step by step la differenza fra la deformata di riferimento e la deformata calcolata, partendo da una geometria indeformata di tentativo, corretta, di volta in volta, del delta calcolato fra le due geometrie calde, fino al raggiungimento della precisione richiesta.”

1

1’

2

3 2’

delta_n < ε

L’intera procedura iterativa è stata

sviluppata in ANSYS APDL

Dopo il rilascio del profilo COLD definitivo si può procedere con la modellazione CAD 3D e con i calcoli FEM sul modello completo di

settore palettato.

Verifica statica del profilo

Analisi termica e termomeccanica del settore palettato (ciclico) in condizione di funzionamento. - Materiale elastico - Non linearità quali contatti e large deflections.

VERIFICHE A LCF SULLA BASE DELLE CONDIZIONI DI ESERCIZIO

DEL COMPONENTE

L’output nodale del calcolo Ansys, postprocessato da

routine «in house» sviluppate in Matlab, fornisce la stima di vita a fatica del componente.

Mappa del numero di cicli di vita a fatica

VERIFICHE STATICHE SU TENSIONI MEDIE E PUNTUALI

Pala incastrata su morsa – il valore a calcolo viene validato mediante impact test della pala fissata in morsa - rappresenta principalmente la validazione del modulo di Young dinamico del materiale.

Verifica dinamica del profilo

Pala a 3000 rpm in cella di sovravelocità – l’intero stadio viene montato in macchina e portato in rotazione fino a 3000 rpm a temperatura ambiente e in condizione di vuoto – Il diagramma di Campbell sperimentale valida la metodologia di calcolo (impostazione dei contatti fra pala e disco, utilizzo di large deflections, spin softening…)

Esistono due livelli di verifica:

dove: E = modulo di Young (Pa) L = lunghezza (m) b = larghezza (m) f = frequenza propria (Hz) t = spessore (m) T1 = (1.000 + 6.585 (t/L)2) m = massa (Kg)

Lab.3 Lab.1 Lab.2

E3 E1 E2 5% 5%

Dispersione elevata !

Modulo di Young ricavato da prove di trazione: - Provini estratti da diverse pale - Test eseguiti da diversi laboratori

Determinazione del modulo di Young dinamico mediante impact test, secondo normativa ASTM E1876 -09 per barre prismatiche con rapporto di forma (L/D≥20):

Verifica delle caratteristiche dinamiche del materiale

Dispersione ridotta !

Validazione su morsa

Range in frequenza DC - 2.5 MHz

Massima velocità misurabile 10 m/s

Massima risoluzione 0.02 µms-1/√Hz

Per l’individuazione delle frequenze di risonanza è stata utilizzata l’eccitazione di tipo “Sine Chirp” con ampiezza e range in frequenza funzione della pala e della massima frequenza da misurare, utilizzando una griglia di misura non eccessivamente fitta.

Per la definizione precisa di ogni forma modale è stata utilizzata una griglia di misura decisamente più fitta in modalità “Fast Scan”, ed una eccitazione a onda sinusoidale alla frequenza di risonanza.

Il segnale generato è stato inviato ad un amplificatore audio e quindi alle casse, poste dietro il profilo serrato in morsa (lato ventre).

VIBROMETRO LASER DOPPLER A SCANSIONE PSV-400-M4

MORSA VIBROMETRO

CASSE

Validazione su morsa

M1 M2 M3

M4 M5 M6

Verifica metodologica del calcolo dinamico

Matrice di rigidezza con spin softening

Soluzione dell’analisi modale

Con il contributo dello stress stiffening

Validazione in cella -Tip Timing-

La validazione del comportamento dinamico in funzione della velocità di rotazione avviene in cella di sovravelocità dove, mediante pale strumentate con estensimetri e il tip timing sull’intera cerchiata, viene ricavato il diagramma di Campbell sperimentale.

Il Tip Timing è una tecnica non intrusiva che rileva gli scostamenti dei tempi di transito di ogni paletta per ciascuna rotazione mediante sensori di prossimità posizionati a breve distanza (37 mm) dalla sommità delle palette. La deformazione della pala viene stimata a partire dalla misura dei tempi di arrivo mediante confronto con un disco di riferimento non vibrante (sensore tachimetrico o disk reference).

Si valutano le deformate modali e si sceglie un punto lungo la corda della pala dove ciascun modo presenti una deformata ampia.

Ciascuna pala entra in risonanza ad un diverso valore di velocità di rotazione.

Lettura solo durante l’attraversamento delle risonanze. Permette di valutare l’intera cerchiata.

Per scongiurare il distacco dell’estensimetro per forza centrifuga si sceglie una sezione prossima all’ancoraggio.

Tramite macro in APDL ANSYS si estraggono, da tale sezione, per ogni modo, le tensioni dei nodi di pelle e le si normalizzano al valor massimo.

L’estensimetro privilegia la lettura dei modi 1-2-4.

L’estensimetro privilegia la lettura dei modi 3-5.

ESEMPIO DI POSIZIONAMENTO

ESTENSIMETRI

Validazione in cella -Estensimetria/Telemetria-

Confronto Campbell calcolato e sperimentale

ESEMPIO DI CAMPBELL DA ESTENSIMETRIA

Ottimo accordo!

Grazie per l’attenzione.