ارزیابی تأثیر مدل‌های محاسبه زمان شکست در تخمین عمر خزشی محفظه احتراق موتور V94.2

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 واحد ارتقاء، دپارتمان احتراق، شرکت توربوتک، تهران، ایران

2 دپارتمان احتراق-شرکت توربوتک-تهران-ایران

3 واحد مهندسی، دپارتمان احتراق، شرکت توربوتک،تهران، ایران

4 واحد مهندسی، دپارتمان احتراق، شرکت توربوتک، تهران، ایران

5 مدیر دپارتمان احتراق، شرکت توربوتک، تهران، ایران

6 مدیر عامل، شرکت توربوتک، تهران، ایران

چکیده

توربین گاز V94.2 از پرکاربردترین توربین گاز‌های مورد استفاده در بخش تولید برق کشور است. در این پژوهش پس از معرفی مختصر و بیان پیشینه پژوهشی در زمینه بررسی آسیب و تخمین عمر در این توربین گاز به تحلیل جامع آیروترمال و ترمومکانیکال در ابعاد و شرایط کاری واقعی محفظه احتراق پرداخته شده است. با توجه به اینکه خزش از پدیده‌های تعیین‌کننده در عمر این محفظه احتراق است، در ادامه به بررسی فرایند تخمین عمر خزشی پرداخته شده است. یکی از مراحل مهم در تخمین عمر خزش، پیش‌بینی زمان شکست قطعه به ازای تنش و دمای هر نقطه از قطعه است. لذا در این پژوهش، ابتدا با شبیه‌سازی جریان سیال در نرم‌افزار فلوئنت شکل شعله، میدان سرعت و فشار و توزیع دما در نقاط مختلف محفظه احتراق استخراج و صحه‌گذاری شده است. با استفاده از نتایج شبیه‌سازی و پس از تحلیل تنش با در نظرگیری اثر خزش در محفظه احتراق به بررسی دو روش پرکاربرد پارامتر لارسون- میلر و شربی- دورن برای محاسبه زمان شکست خزشی پرداخته شده است. آسیب خزشی پس از 40 هزار ساعت کارکرد محفظه احتراق در بار کامل با دو روش مذکور محاسبه شده است. از نواحی بحرانی آسیب خزشی تشخیص داده شده، گره‌های بحرانی محدودکننده عمر محفظه احتراق با هر دو روش مذکور استخراج شد. نتایج نشان می‌دهد انتخاب روش پیش‌بینی زمان شکست نقش مهمی در تشخیص ناحیه بحرانی آسیب، تغییرات آسیب و تخمین عمر خزشی دارد. به‌طوری که تفاوت در آسیب تشخیص داده شده از دو روش می‌تواند تا سه برابر تغییر کند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Effect of Time Rupture Prediction Model on Creep Life Estimation of V94.2 Engine Combustor

نویسندگان [English]

  • Seyyedeh Fateme Mousavi 1
  • Mahdi Baghaee 2
  • Ghazaleh Ahmadi 1
  • Reza Golestani 3
  • Sina Sani 4
  • MohammadAli Soroudi 5
  • Hiwa Khaledi 6
1 Department of Combustion Chamber, Turbotec co., Tehran, Iran,
2 Department of Combustion Chamber- Turbotec Co- Tehran- Iran
3 Department of Combustion Chamber, Turbotec co., Tehran, Iran
4 Department of Combustion Chamber, Turbotec co., Tehran, Iran
5 Department of Combustion Chamber, Turbotec co., Tehran, Iran
6 Turbotec co., Tehran, Iran
چکیده [English]

V94.2 gas turbine is one of the most widely used gas turbines for power generation in Iran. In this study, a brief literature review of damage analysis and life estimation of V94.2 combustor is presented accompanied with aerothermal and thermomechanical analyses in the real operation condition. Since creep failure is one of the limiting factors in the life time of combustion chambers, creep life prediction is insvestigated in this paper. Creep time rupture prediction is one of the most important steps of the creep life calculation. Therefore, first, aerothermal and structural analyses are performed considering the effect of the creep failure on the combustion chamber. Next, creep time rupture is calculated using two well-known methods: Larson-Miller and Sherby-Dorn parameters. These parameters for IN617 are extracted as a function of stress based on creep experimental data. The accumulated creep damages of 40’000 hours of full-load operation in the combustion chamber are reported for both above methods. Critical nodes limiting the component life are diagnosed from the detected critical creep damage region. According to the results, the creep rupture time prediction technique plays a vital role in the specification of critical creep damage region, temporal damage variation and consequently, creep life estimation. Therefore, the calculated damage from one technique can be three times greater than the results from the other technique.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Creep life assessment
  • Combustion Chamber
  • V94.2 gas turbine
  • Time-temperature parameter

مراجع

  1. SIEMENS AG, “The SGT-2000E series– designed for reliable, robust, and flexible power generation”,
  2. Baghaee, M., Golestani, R., Mousavi, F., Soroudi, M., Alizadeh, M., “Experimental investigation of wear damage in the combustion chamber of V94.2 gas turbine”. 2021, 29th Annual International Conference of the Iranian society of Mechanical engineers. Tehran, Iran. (In Persian)
  3. Hepworth, John K., John D. Wilson, James M. Allen, George H. Quentin, and George Touchton. "Life assessment of gas turbine blades and vanes." 1997, In Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air, 78712, p. V004T14A060. American Society of Mechanical Engineers.
  4. Rafsanjani, H. Mirzaei, and A. Rezaei Nasab. "Risk assessment of failure modes of gas diffuser liner of V94. 2 siemens gas turbine by FMEA method." In Journal of Physics: CobBnference Series, 364, no. 1, p. 012137. IOP Publishing, 2012.
  5. Bohrenkämper, Gerhard, Herbert Bals, Ursel Wrede, and René Umlauft. "Hot-gas-path life extension options for the V94. 2 gas turbines." In Turbo expo: power for land, sea, and air, 78569, p. V003T02A003. American Society of Mechanical Engineers, 2000.
  6. Mehdizadeh, Mohsen, Masumeh Rayatpour, and Zahra Lalegani. "Failure Analysis of a V94. 2 Gas Turbine Inner Casing." Journal of Failure Analysis and Prevention 21, no. 5 (2021): 1752-1763.90
  7. Hassan, H.M., Javed, A., Khoja, A.H., Ali, A., Sajid, M.B. "Numerical investigation of non-uniform flow in twin-silo combustors and impact on axial turbine stage performance." In Power and Energy, 235, issue 7 (2021), 1-13.
  8. Namayandeh, M.J., Mohammadimehr, M., Mehrabi, M. "Temperature distribution of ceramic panels of a V94.2 gas turbine combustor under realistic operation condition." In Advances in Material Research, 8, No. 2 (2019), p. 117-135.
  9. Heimerl GJ. “Time-temperature parameters and an application to rupture and creep of aluminum alloys”. 1954 Jun 1.
  10. Sundararajan G. “The monkman-grant relationship”. Materials Science and Engineering: A. 1989 Jun 1; 112:205-14.
  11. Wilshire B, Scharning PJ, Hurst R. “A new approach to creep data assessment”. Materials Science and Engineering: A. 2009 Jun 15; 510:3-6.
  12. Larson, F.R., “A time-temperature relationship for rupture and creep stresses”, 1952,  ASME, 74, pp.765-775.
  13. Orr RL, Sherby OD, Dorn JE. “Correlations of rupture data for metals at elevated temperatures”. Institue of Engineering Research, Univ. of Calif., Berkeley; 1953 Jul 1.
  14. Manson SS, Haferd AM. “A linear time-temperature relation for extrapolation of creep and stress-rupture data”. Lewis Flight Propulsion Lab., NACA; 1953 Mar 1.
  15. Manson SS, Brown WF. “Time-temperature-stress relations for the correlation and extrapolation of stress-rupture data.” inproceedings-American society for testing and materials 1953 Jan 1 ( 53, pp. 693-719). 100 barr harbor dr, w conshohocken, PA 19428-2959: amer soc testing materials.
  16. Swaminathan VP, Lowden P. “Gas turbine blade life assessment and repair guide”. Electric Power Research Inst., Palo Alto, CA (USA); Southwest Research Inst., San Antonio, TX (USA); Liburdi Engineering Ltd., Hamilton, ON (Canada); 1989 Nov 1.
  17. Sani, S., Mohammadi, M., Baghaee, M., Soroudi, M.A., Alizadeh, M., “Numerical Investigation of the Effect of Thermal Barrier Coating on Heat Transfer and Wall Temperature in V94.2 Gas Turbine Combustor”, Ninth Fuel and Combustion Conference of Iran, FCCI-2022-0089, Feb. 8 - 10, 2022.
  18. Mohammadi, M., Baghaee, M., Sani, S., Soroudi, M.A., Khaledi, H., “Effects of New Cooling Hole Arrays and Thermal Barrier Coating on the Insert Ring of V94.2 Gas Turbine Combustor”, Ninth Fuel and Combustion Conference of Iran, FCCI-2022-0089, Feb. 8 - 10, 2022.
  19. Panne, Tobias, Widenhorn, Axel and Aigner, Manfred. “Comparison of combustion models and reaction mechanisms for flox combustion”. Proceedings of ASME Turbo Expo Orlando, Florida, USA.
  20. Lörstad, Daniel, Ljung, Anders and Abou-Taouk, Abdallah. “Investigation of SIEMENS SGT-800 industrial gas turbine combustor”. Proceedings of ASME Turbo Expo Seoul, South Korea.
  21. Gauthier, Dr. Pierre Q. “Comparison of temperature fields and emissions predictions using both and FGM combustion model, with detailed chemistry, and a simple eddy dissipation combustion model with simple global chemistry”. Proceedings of ASME Turbo Expo Charlotte, NC, USA.
  22. Yadav, Rakesh, De, Ashoke and Jain, Sandeep. “A hybrid flamelet generated manifold model for modeling partially premixed turbulent combustion flames”. Proceedings of ASME Turbo Expo Charlotte, NC, USA.
  23. Pohl, Stephanie, Frank, Gabriele and Pfitzner, Michael. “Heat transfer in reacting cooling films, part I: Influence and validation of combustion modelling in CFD simulations”. Proceedings of ASME Turbo Expo Düsseldorf, Germany.
  24. Yang, Suo, et al. “Comparison of Flamelet/Progress-Variable and Finite-Rate Chemistry LES Models in a Preconditioning Scheme”. AIAA, 2017, Grapevine, Texas.
  25. Ahmadi, G., Peinke, J., Kassem, H., Stoevesandt, B., Heinz, S. Wall bounded turbulent flows up to high Reynolds numbers: LES resolution assessment. In AIAA Sci-Tech 2019. San Diego, California, USA.
  26. Pope, S.B. “Turbulent Flows”. Cambridge University Press. 2000.
  27. Sani, S., Ahadi, A., Safari, N., Mohammadi, M., Soroudi, M., Alizadeh M., “Numerical simulation of reacting flow in V94.2 engine combustion chamber and investigation of the effect of turbulent combustion mode on flame stability”, Ninth Fuel and Combustion Conference of Iran, FCCI-2022-0092, Feb. 8 - 10, 2022. (In Persian)
  28. Norton, F.H. “The creep of steel at high temperatures” ,1929 (No. 35). McGraw-Hill Book Company, Incorporated.
  29. Special Metals Corporation. INCONEL ALLOY 617, Publication Number SMC-029, 2005 Mar 05.
  30. Robinson, E.L., “Effect of temperature variation on the creep strength of steels”, 1938,  ASME, 60, pp.253-259.

 

 

 

 

 

 

 

سوخت و احتراق
دوره 15، شماره 1 - شماره پیاپی 38
اردیبهشت 1401
صفحه 53-70

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 31 فروردین 1401
  • تاریخ بازنگری: 01 خرداد 1401
  • تاریخ پذیرش: 04 تیر 1401

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار