Heavy duty gas turbine compressor blades - Ansys sviluppata in ANSYS APDL . Dopo il rilascio del...

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    29-Jun-2020
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  • 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.

    Heavy duty gas turbine compressor blades – FEM Analysis and Validation. Ansaldo Energia Ansaldo Energia – prodotto TG Canale meridiano Flusso di progetto Procedura Hot to cold – H2C Verifica statica del profilo 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. Slide Number 9 Validazione su morsa Slide Number 11 Slide Number 12 Slide Number 13 Slide Number 14 Confronto Campbell calcolato e sperimentale Grazie per l’attenzione.