تحلیل خزش و خستگی پره های توربین گازی
تحلیل خزش و خستگی پره های توربین گازی در شبیه سازی آباکوس
تحلیل خزش خستگی توربین: استفاده روز افزون از توربین گازی در صنعت، توجه محققان را به بهبود عملکرد و افزایش قابلیت اطمینان اجزای آن جلب کرده است. پره‌های توربین از جمله اساسی‌ترین و با ارزش‌ترین اجزای توربین‌ها محسوب می‌شوند و به واسطه شرایط پیچیده تنشی و حرارتی، همواره در معرض زوال و خرابی‌های غیرقابل پیش‌بینی هستند. این خرابی‌های ناگهانی به واسطه آسیب رساندن به سایر بخش‌های توربین می‌توانند باعث خارج شدن توربین از مدار تولید شوند. علاوه بر این، تعویض این پره‌ها می‌تواند هزینه‌های سنگینی را متوجه نیروگاه‌ها کند. به همین دلیل تحلیل خزش و خستگی پره‌های توربین گازی به کمک نرمافزارهای CAE امری بسیار مهم می‌باشد.
سازندگان و کاربران پره‌ها همواره در تلاشند تا عمر مفید قطعات را تشخیص داده و در زمان مقتضی اقدام به تعمیر و یا تعویض آنها کنند. لذا همواره موضوع اصلی در تخمین عمر قطعات صنعتی افزایش راندمان و بهره‌وری و افزایش سود و کاهش خسارات مالی است. در این امر نرمافزارهای شبیه‌سازی عددی اجزا محدود (FEA) و دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) نقش پر رنگی در تحلیل خزش و خستگی پره‌های توربین گازی ایفا می‌کنند.
پره‌های متحرک توربین گاز از حساس‌ترین قطعات توربین می‌باشند. زیرا آنها تحت بارگذاری دمایی و تنشی بالایی در هنگام سرویس قرار دارند. پره‌های متحرک متاثر از عواملی مانند خستگی و خزش هستند. این عوامل باعث محدود شدن عمر آنها می‌شود و در هنگام طراحی ، ساخت و بازرسی توربین‌های گازی باید به این نکته توجه کافی داشت. برای جلوگیری از شکست ناگهانی پره‌های متحرک در حین کار و به تبع آن جلوگیری از وارد آمدن خسارات سنگین به مجموعه توربین گازی، تخمین عمر این قطعات امری بسیار ضروری و حیاتی است.
گازهای داغ اطراف پره اکسید کننده‌اند و دارای مواد مخربی نظیر سولفات و کلرید هستند. این مواد هم خورنده هستند و هم به دلیل سرعت بالا ایجاد سایش می‌کنند. تحت شرایط بارگذاری مرکب، در دماهای بالا و بارگذاری تناوبی، در قطعات اثر خزش و خستگی دیده می‌شود. خزش و خستگی موجب آسیب و کاهش خواص ماده و نهایتا کوتاه شدن عمر قطعات خواهد شد. با استفاده از تحلیل خزش و خستگی پره‌های توربین گازی می توان درک بهتری از رفتار مکانیکی پره های توربین گاز در شرایط عملکردی آنها داشت.
روش های تخمین عمر پره های توربین گاز
در کل سه روش محاسباتی، غیرمخرب (NDT) و مخرب برای تحلیل خزش و خستگی پره‌های توربین گازی و تخمین عمر آنها مورد توجه و استفاده هستند. روش‌های مخرب و غیرمخرب بعضا عنوان شده است که دارای دقت بالاتری از روش‌های محاسباتی هستند، اما هزینه‌های بالایی که این روش‌ها به کارفرما وارد می‌کنند، استفاده از روش‌های محاسباتی نظیر شبیه‌سازی‌های عددی اجزا محدود را در صدر روش‌های مورد توجه تخمین عمر پره‌ها قرار داده است.
مکانیزم‌های خرابی پره‌های توربین و تحلیل خزش خستگی توربین
مکانزیم‌های خرابی متعددی در کاهش عمر پره‌های توربین موثر هستند. از میان آنها می‌توان به
- خزش (Creep)
- خستگی (Fatigue)
- خوردگی (Corrosion)
- اکسیداسیون و
- سایش (Erosion) اشاره کرد.
از این رو در تخمین عمر پره‌ها باید حتی الامکان تمامی این پارامترها را مدنظر قرار داد.
مدل های پیش بینی عمر خزشی
برای پیش‌بینی عمر خزشی مدلهای لارسن-میلر، مانکمن-گرانت، کول-کاستیلو ، دوبز-میلیکا ، مانسون-هافرد، شربی-درن معروف‌ترین و پر استفاده‌ترین مدلهای موجود هستند.
مدل های پیش‌بینی عمر خستگی
مدلهای کافین-مانسون ، برن-اشتاین ، زامریک ، کاناساکی و راسل هم مدلهای معروف در حوزه پیش‌بینی عمر خستگی می‌باشند..
پیش‌بینی عمر خزش-خستگی متقابل در تحلیل خزش خستگی توربین
در این زمینه هم مدلهای مختلف بر مبنای قوانین پایستگی انرژی و پاستگی اندازه حرکت نظیر لینگ چن ، مدلهای بر پایه ویسکوزیته گوسوامی برای ایجاد ارتباط بین داده‌های خزش و خستگی مواد در دمای بالا، مدل تکامل تدریجی آسیب شاباش و بسیاری از مدلهای دیگر در سال‌های اخیر توسعه داده شده‌اند.
فرضیات و سوالات در تحلیل خزش خستگی توربین
جهت شبیه‌سازی و تحلیل مسائل شبیه‌سازی و تحلیل خزش و خستگی پره‌های توربین گازی برخی سوالات و فرضیات اولیه لازم است پرسیده شود.
- آیا پره خنک شونده است؟ (اگر نیست می‌توان از فرض همدمایی پره در حالت شرایط کارکرد پایدار، برای تعیین شرایط کاری و مرزی مناسب بهره برد)
- اجرای آنالیز استاتیکی جهت تعیین توزیع تنش‌ها در پره
- تعیین نواحی و مقاطع بحرانی به کمک تحلیل استاتیکی
- اجرای آنالیز خزشی جهت تعیین حداقل نرخ کرنش خزشی روی پره
- تعیین عمر خستگی پره به کمک تعریف خواص پلاستیک ماده، و یک سیکل کاری سرعت دورانی روتور
- تخمین عمر در حالت خزش و خستگی خالص
- تخمین عمر خزش-خستگی متقابل به کمک یکی از مدلهای مدنظر
- آیا پره‌ها دچار خوردگی یا سایش اولیه شده‌اند؟
- جنس پره و بهترین مدلهای موادی برای تعریف آن در نرم افزار
- شرایط دقیق بارگذاری
کاربرد توربین گاز در صنعت
مهمترین کاربرد توربین‌های گازی در صنعت نیروگاهی، انرژی ، نفت و گاز و هوافضا می‌باشد.
نرم افزارهای مورد استفاده در تحلیل خزش خستگی توربین
در طراحی و تحلیل خزش و خستگی پره های توربین گازی نرم‌افزار هایCAD و CAE زیر بیشتر از سایر نرم‌افزارها مورد استفاده بوده‌اند. هرچند هر شرکتی بنا به سیاست و استراتژی کاری می‌تواند از نرمافزارهای مشابه نیز بهره ببرد.
- نرم افزار کتیا (مدل سازی هندسی)
- نرم افزار یونی گرافیک (مدل سازی هندسی)
- آباکوس (تحلیل اجزا محدود)
- انسیس (تحلیل اجزا محدود)
- تخمین عمر و تحلیل خستگی MSC-Fatigue
- تخمین عمر و تحلیل خستگی Fe-safe
چناچه پیرامون تحلیل خزش و خستگی پره های توربین گازی و رفع ایرادات و نواقص آن سوالی دارید، می توانید با کارشناسان ما ارتباط بگیرید.