Titolo presentazione

Heavy duty gas turbine compressor
blades – FEM Analysis and Validation.
Silvia Bruzzone
Ansaldo Energia
Innovation and Product Development
Mechanical Integrity of Turbomachinery
Ansaldo Energia
COMPANY
PRODUCTS AND
SERVICES
ANSALDO ENERGIA
POWER PLANTS
Ansaldo Energia – prodotto TG
GAS TURBINE PORTFOLIO
Model
Power [MW]
Class
AE64.3A
75
F
Reliability
> 98%
AE94.2
185
E
AE94.2K
170
E
AE94.3A
310
F
Ansaldo Energia
independent technology
Widely
proven
models
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”.
RISULTATO PROGETTO AERO
Profili rotorici e statorici AERO
Canale meridiano AERO
Necessità di sviluppare una procedura che calcoli la geometria “indeformata”, che sottoposta ai carichi di
funzionamento, si sovrapponga alla geometria “deformata” di progetto.
Flusso di progetto
GRIGLIA 3D HOT (X,Y,Z)
TARGET AERO-MECCANICO
NO DISCO
NO ANCORAGGIO
NO UNGHIETTA
PUNTI AERO
FRONTE DI PARETO
MESH ANSYS MAPPATA
HOT
*.txt
Il calcolo completo
soddisfa il target
meccanico
GRIGLIA 3D COLD (X,Y,Z)
*.txt
CAM
CAD e BLUEPRINT
input
disegnazione
AIRFOIL
CAD
Lama CAD
provvisoria
posizionata su
ancoraggio e
disco per calcolo
completo
STRUTTURISTA
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’
3
2
2’
1
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 STATICHE SU TENSIONI MEDIE E PUNTUALI
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
Verifica dinamica del profilo
Esistono due livelli di verifica:
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.
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…)
Verifica delle caratteristiche
dinamiche del materiale
E1
Modulo di Young ricavato da prove
di trazione:
- Provini estratti da diverse pale
- Test eseguiti da diversi laboratori
5%
E3
5%
E2
Dispersione elevata !
Lab.1
Lab.3
Lab.2
Determinazione del modulo di Young dinamico mediante impact test, secondo normativa ASTM E1876 -09 per barre
prismatiche con rapporto di forma (L/D≥20):
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)
Dispersione ridotta !
Validazione su morsa
VIBROMETRO LASER DOPPLER A
SCANSIONE PSV-400-M4
Range in frequenza
DC - 2.5 MHz
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.
Massima velocità misurabile 10 m/s
Massima risoluzione
CASSE
0.02 µms-1/√Hz
Il segnale generato è stato inviato ad un amplificatore audio e
quindi alle casse, poste dietro il profilo serrato in morsa (lato
ventre).
VIBROMETRO
MORSA
Validazione su morsa
M1
M4
M2
M5
M3
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 TimingLa 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.
Validazione in cella
-Estensimetria/TelemetriaPer 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
Confronto Campbell
calcolato e sperimentale
ESEMPIO DI CAMPBELL DA ESTENSIMETRIA
Ottimo accordo!
Grazie per l’attenzione.

Download Report