تحلیل تنش روتور توربین گازی به کمک مکانیک آسیب پیوسته word
فهرست مطالب فصل 1: مقدمه 1 1-1 مقدمه 2 1-2 مکانیکآسیب پیوسته 4 1-3 هدف از انجام پژوهش 5 1-4 چکیده مباحث مطرح شده در این پایاننامه 5 فصل 2: مروری بر تحقیقات انجام شده 7 2-1 مکانیک آسیب پیوسته 8 2-2 اندرکنش خزش– خستگی 13 فصل 3: معادلات حاکمه 19 3-1 مقدمه 20 3-2 ماهیت و متغیرهای آسیب 20 3-3 انواع آسیب 23 3-4 مفاهیم پایه 27 3-4-1 پارامتر آسیب 27 3-4-2 مفهوم تنش مؤثر 28 3-4-3 اصل کرنش معادل 30 3-4-4 ارتباط کرنش و آسیب 30 3-4-5 آستانه آسیب 33 3-5 فرمول بندی ترمودینامیکی آسیب 35 3-5-1 ترمودینامیک آسیب 35 3-5-2 چارچوب کلی 36 3-5-3 پتانسیل حالت برای آسیب همسان 40 3-5-4 قوانین سینتیک رشد آسیب 41 3-6 معادلات الاستو-(ویسکو-)پلاستیسیته کوپل با آسیب 45 3-6-1 معادلات اساسی (ویسکو-)پلاستیسیته بدون کوپل با آسیب 45 3-6-2 معادلات کوپل بین پلاستیسیته و آسیب 47 3-7 مدلسازی اندرکنش خزش-خستگی 49 3-8 اندازهگیری آسیب 50 3-8-1 روش تغییرات مدول الاستیسیته 53 فصل 4: مدلسازی روتور 55 4-1 مقدمه 56 4-2 شرایط کارکرد و هندسه روتور 57 4-2-1 شرایط کارکرد 57 4-2-2 هندسه روتور 60 4-3 شرایط مرزی و بارهای اعمالی 64 4-4 شرایط دمایی 65 4-5 انتخاب المان و شبکهبندی مدل 68 4-6 گامهای حل 72 فصل 5: تعیین خواص مکانیکی جنس روتور 74 5-1 مقدمه 75 5-2 شناسایی جنس روتور توربین گاز 75 5-3 آزمون کشش ساده و دورهای 78 5-3-1 نتایج آزمون کشش 80 5-3-2 تعیین پارامترهای مدل سختی سینماتیکی 83 5-3-3 تعیین پارامترهای مدل آسیب 87 5-3-4 تعیین مقدار بحرانی پارامتر آسیب 91 5-4 آزمون رهایش 97 5-4-1 تعیین پارامترهای مدل ویسکوز نورتن 100 5-5 نتیجهگیری 104 فصل 6: نتایج و بررسی 105 6-1 مقدمه 106 6-2 نتایج مربوط به شبیهسازی المان محدود 106 6-2-1 وضعیت فعلی روتور 107 6-2-2 تخمین عمر باقیمانده روتور 114 6-2-3 بررسی نتایج 117 6-3 تخمین عمر به کمک آزمون رپلیکا 128 6-3-1 روش رپلیکا 128 6-3-2 انجام آزمون رپلیکا بر روی روتور توربین 129 6-3-3 مشاهده نمونههای آزمون رپلیکا توسط SEM 131 فصل 7: نتیجهگیری و پیشنهادات 135 7-1 نتیجه گیری 136 7-2 پیشنهادات 137 فهرست منابع 139 فهرست جدولها جدول 3‑1 مقدار آستانه آسیب و پارامتر آسیب بحرانی برای مواد مختلف 33 جدول 3‑2 متغیرهای حالت، مکانیزم فیزیکی تغییرشکل و متغیر ترمودینامیکی متناظر 37 جدول 3‑3 معادلات الاستو– (ویسکو-) پلاستیسیته کوپل با آسیب همسان 48 جدول 3‑4 مقایسه روشهای اندازهگیری آسیب و محاسبه پارامتر آسیب 52 جدول 4‑1 ترکیب شیمیایی روتور توربین 58 جدول 4‑2 ترکیب شیمیایی محافظ حرارتی روتور (آلیاژ X45) 59 جدول 4‑3 مشخصات روشن و خاموش شدن روتور توربین گاز 60 جدول 5‑1 ترکیب شیمیایی و درصد عناصر روتور و فولاد21CrMoV5-7 76 جدول 5‑2 خواص مکانیکی برای فولاد 21CrMoV5-7 از مرجع کلید فولاد 77 جدول 5‑3 مشخصات آزمونهای کشش و نتایج آن 80 جدول 5‑4 ثابتهای مدل شاباش بر حسب دما 85 جدول 5‑5 مدول یانگ، کرنش پلاستیک و آسیب محاسبه شده در دماهای مختلف 88 جدول 5‑6 مقادیر پارامتر S برای دماهای مختلف 90 جدول 5‑7 پارامتر بحرانی آسیب فولاد روتور بر حسب دماهای مختلف 92 جدول 5‑8 شرایط آزمونهای رهایش در دماهای مختلف 98 جدول 5‑9 ثابتهای مدل آسیب خزش 101 جدول 6‑1 پارامتر آسیب در ریشه چهار ردیف پرهها 113 جدول 6‑2 پارامتر آسیب در انتهای چرخه 616 برای هر ردیف از پرهها 116 فهرست شکلها شکل 3‑1 آسیب ترد [1]23 شکل 3‑2 آسیب نرم [1]24 شکل 3‑3 آسیب خزشی [1]25 شکل 3‑4 آسیب خستگی کمچرخه [1]25 شکل 3‑5 آسیب خستگی پرچرخه [1]26 شکل 3‑6 آسیب فیزیکی و مدل آسیب پیوسته ریاضی [51]27 شکل 3‑7 مفهوم سطح مقطع مؤثر [11]29 شکل 3‑8 تغییرات مدول الاستیسیته در اثر آسیب برای مس 9/99% [1]31 شکل 3‑9 تغییرات معیار تسلیم پلاستیک در اثر رشد آسیب [1]32 شکل 3‑10 تفاوت قانون جمع خطی آسیب و روش مکانیک آسیب پیوسته [3]50 شکل 3‑11 انواع روشهای اندازهگیری آسیب 51 شکل 3‑12 اندازهگیری آسیب نرم برای مس 9/99% در دمای اتاق [1]54 شکل 4‑1 تصویر شماتیک روتور توربین و جزئیات داخلی آن 58 شکل 4‑2 هندسه تقریبی روتور 61 شکل 4‑3 هندسه دیسکهای روتور توربین، الف) دیسک اول، ب) دیسک دوم و ج) انتهای روتور 62 شکل 4‑4 هندسه ریشه پره(واحدها به میلیمتر میباشد) 63 شکل 4‑5 هندسه محل ریشه پرههای توربین بر روی روتور(ابعاد به میلیمتر) 63 شکل 4‑6 هندسه روتور مورد استفاده در تحلیل المان محدود (ابعاد به میلیمتر) 64 شکل 4‑7 شرایط مرزی و بارهای اعمالی 65 شکل 4‑8 توزیع دما در روتور از زمان روشن شدن توربین تا زمان رسیدن به حالت پایدار 66 شکل 4‑9 توزیع دما در روتور برای خاموش کردن توربین تا زمان رسیدن به شرایط محیط 67 شکل 4‑10 نقاط بحرانی مسئله برای در نظر گرفتن فرایند همگرایی شبکهبندی 69 شکل 4‑11 همگرایی شبکهبندی در ریشه پره ردیف دوم 69 شکل 4‑12 همگرایی شبکهبندی در ریشه پره ردیف چهارم 70 شکل 4‑13 همگرایی شبکهبندی در محل اتصال دیسکهای توربین 70 شکل 4‑14 شبکهبندی مدل در ریشه پره ردیف دوم 71 شکل 4‑15 شبکهبندی نهایی مدل روتور 71 شکل 4‑16 المان چهارضلعی CAX8 72 شکل 4‑17 گامهای حل برای یک چرخه کاری توربین 73 شکل 5‑1 نمودار تنش-کرنش در آزمونکشش دورهای 79 شکل 5‑2 نمونه آزمونساختهشده و نمونه آزموناستاندارد 79 شکل 5‑3 نمودار نیرو-جابجایی در چهار دمای 25، 250، 450 و 550 درجه سانتیگراد 81 شکل 5‑4 یک نمونه آزمون پس از شکست 82 شکل 5‑5 نمودارهای تنش-کرنش در دماهای 25، 250، 450 و 550 درجه سانتیگراد 82 شکل 5‑6 نمودار تنش-کرنش و نمودار پیشتنش-کرنش پلاستیک 83 شکل 5‑7 انطباق منحنی معادله (5-5) بر نتایج آزمون کشش در دماهای مختلف 86 شکل 5‑8 مقایسه نتایج تحلیل المان محدود و آزمون کشش ساده در دماهای مختلف 87 شکل 5‑9 کاهش مدول یانگ در آزمون کشش به همراه باربرداری در دمای °C450 89 شکل 5‑10 تغییرات پارامتر S در اثر دما 91 شکل 5‑11 نمونه آزمون کشش و مدل المان محدود 92 شکل 5‑12 کانتور تنش در نمونه آزمون کشش در دمای 25 درجه سانتیگراد 93 شکل 5‑13 کانتور تنش در نمونه آزمون کشش در دمای 250 درجه سانتیگراد 93 شکل 5‑14 کانتور تنش در نمونه آزمون کشش در دمای 450 درجه سانتیگراد 93 شکل 5‑15 کانتور تنش در نمونه آزمون کشش در دمای 550 درجه سانتیگراد 93 شکل 5‑16 کانتور پارامتر آسیب در مدل المان محدود نمونه آزمون در دماهای مختلف 94 شکل 5‑17 کانتور پارامتر آسیب در مدل المان محدود و نمونه آزمون در دمای °C450 95 شکل 5‑18 مقایسه نتایج مدل المان محدود و نمونه آزمون در دمای °C450 95 شکل 5‑19 کانتور پارامتر آسیب در مدل سه بعدی برش خورده در دمای °C450 95 شکل 5‑20 مقایسه نتایج تحلیل المان محدود و آزمون کشش در دماهای مختلف 96 شکل 5‑21 نمونه آزمون شیاردار برای محاسبه پارامتر آسیب 97 شکل 5‑22 نمونهای از دستگاه آزمون رهایش با کوره 98 شکل 5‑23 منحنی کاهش نیرو در آزمون رهایش در دمای 450 درجه سانتیگراد 99 شکل 5‑24 منحنی کاهش نیرو در آزمون رهایش در دمای 525 درجه سانتیگراد 99 شکل 5‑25 منحنی کاهش نیرو در آزمون رهایش در دمای 600 درجه سانتیگراد 100 شکل 5‑26 منحنی کاهش تنش در آزمون رهایش در دمای 450 درجه سانتیگراد 102 شکل 5‑27 منحنی کاهش تنش در آزمون رهایش در دمای 525 درجه سانتیگراد 102 شکل 5‑28 منحنی کاهش تنش در آزمون رهایش در دمای 600 درجه سانتیگراد 103 شکل 5‑29 مقایسه نتایج تحلیل المان محدود و آزمون رهایش 104 شکل 6‑1 توزیع آستانه آسیب در مدل روتور در انتهای زمان شبیهسازی 107 شکل 6‑2 توزیع معیار آستانه آسیب در ریشه پره ردیف دوم 108 شکل 6‑3 توزیع معیار آستانه آسیب در ریشه پره ردیف چهارم 108 شکل 6‑4 توزیع معیار آستانه آسیب در محل اتصال دیسکهای اول و دوم توربین 109 شکل 6‑5 نقطه بحرانی روتور در ریشه پره ردیف چهارم 109 شکل 6‑6 رشد پارامتر آستانه آسیب در ریشه پره ردیف چهارم بر حسب تعداد چرخه 110 شکل 6‑7 توزیع معیار آستانه آسیب در ریشه پره ردیف چهارم پس از طی 146 چرخه 110 شکل 6‑8 توزیع پارامتر آسیب در مدل روتور در انتهای زمان شبیهسازی 111 شکل 6‑9 توزیع پارامتر آسیب در ریشه پرههای ردیف چهارم 111 شکل 6‑10 توزیع پارامتر آسیب در ریشه پرههای ردیف دوم 112 شکل 6‑11 توزیع پارامتر آسیب در ریشه پرههای ردیف اول 112 شکل 6‑12 توزیع پارامتر آسیب در ریشه پرههای ردیف سوم 112 شکل 6‑13 رشد آسیب بر حسب تعداد چرخهها در ریشه پره ردیف چهارم 114 شکل 6‑14 توزیع پارامتر آسیب در ریشه پرههای ردیف چهارم پس از طی 616 چرخه 115 شکل 6‑15 توزیع پارامتر آسیب در ریشه پرههای ردیف دوم پس از طی 616 چرخه 115 شکل 6‑16 توزیع پارامتر آسیب در ریشه پرههای ردیف اول 115 شکل 6‑17 توزیع پارامتر آسیب در ریشه پرههای ردیف سوم 116 شکل 6‑18 رشد پارامتر آسیب در ریشه پره ردیف چهارم تا رسیدن به مقدار بحرانی شکست 117 شکل 6‑19 کانتور تنش ونمیزز در زمان شروع رشد آسیب در روتور 118 شکل 6‑20 کانتور تنش ونمیزز در زمان شروع رشد آسیب در ریشه پرههای ردیف چهارم 118 شکل 6‑21 کانتور تنش ونمیزز در روتور برای چرخه 512 119 شکل 6‑22 کانتور تنش ونمیزز در ریشه پرههای ردیف چهارم برای چرخه 512 119 شکل 6‑23 توزیع کرنش پلاستیک تجمعی در ریشه پرههای ردیف چهارم برای چرخه 512 120 شکل 6‑24 کانتور تنش ونمیزز در روتور برای چرخه 616 120 شکل 6‑25 کانتور تنش ونمیزز در ریشه پرههای ردیف چهارم برای چرخه 616 121 شکل 6‑26 توزیع کرنش پلاستیک تجمعی در ریشه پرههای ردیف چهارم برای چرخه 616 121 شکل 6‑27 نمودار تنش ونمیزز بر حسب زمان در نقطه A برای چرخهی اول 122 شکل 6‑28 نمودار تنش ونمیزز بر حسب زمان در نقطه A برای چرخههای مختلف 123 شکل 6‑29 نمودار کرنش پلاستیک تجمعی بر حسب زمان در نقطه A برای چرخههای مختلف 123 شکل 6‑30 نمودار کرنش اصلی ماکزیمم الاستیک بر حسب زمان در نقطه A برای چرخههای مختلف 124 شکل 6‑31 نمودار کرنش اصلی ماکزیمم کل بر حسب زمان در نقطه A برای چرخههای مختلف 125 شکل 6‑32 تغییرات دما بر حسب زمان در نقطه A برای چرخههای مختلف 125 شکل 6‑33 نمودار مولفه تنش بر حسب زمان در نقطه A 126 شکل 6‑34 نمودار مولفه تنش ونمیزز بر حسب زمان در نقطه A 126 شکل 6‑35 نمودار مولفه تنش بر حسب زمان در نقطه A 127 شکل 6‑36 نمودار مولفه تنش بر حسب زمان در نقطه A 127 شکل 6‑37 تعیین رشد آسیب خزش به کمک آزمون رپلیکا 129 شکل 6‑38 مکان آزمونهای رپلیکا: الف و ب) شیار ردیف اول پرهها (نمونه 1و 2) ، ج) شیار بین ردیفهای اول و دوم پرههای توربین (نمونه 3) و د) بر روی سطح انتهای روتور (نمونه 4) 130 شکل 6‑39 نتایج آزمون رپلیکا: الف و ب) شیار ردیف اول پرهها (نمونه 1و 2) ، ج) شیار بین ردیفهای اول و دوم پرههای توربین (نمونه 3) و د) بر روی سطح انتهای روتور (نمونه44) 131 شکل 6‑40 تصویر نمونه 4 در انتهای روتور با بزرگنمایی الف) 3000 و ب) 15000 132 شکل 6‑41 تصویر نمونه 2 با بزرگنمایی (الف) 3000 و (ب) 4000 133 شکل 6‑42 تصویر نمونه 3 روتور با بزرگنمایی 3000 134 فهرست نشانههای اختصاری
1-1 مقدمه توربینهای گاز یکی از اجزای بسیار مهم برای تولید انرژی در صنایعی نظیر هوافضا، دریانوردی، نفت و نیروگاههای حرارتی میباشند و کاربرد آنها در صنایع مختلف روزبهروز در حال گسترش میباشد. بنابراین مطالعه و بررسی ابعاد مختلف توربین گاز به منظور استفاده بهینه و توسعه آن، امروزه در مراکز تحقیقاتی دنیا اهمیت ویژهای پیدا کرده است. با توجه به اینکه توربینهای گاز در شرایط کاری در برابر دما و نیروهای بسیار زیاد قرار میگیرند، دارای عمر محدودی هستند. بنابراین نیاز است که بتوان عمر اجزای آن را پیشبینی نمود. توانایی در انجام تخمین عمر ما را قادر به استفاده بهینه از تجهیزات مهندسی میکند که دارای مزایای اقتصادی بسیار زیادی میباشد. یکی از اجزای بسیار مهم و اساسی توربین گاز، روتور آن میباشد که در معرض تنشها و دماهای بسیار زیاد قرار دارد. این شرایط کاری بحرانی دما و تنش بالا باعث میگردد که مکانیزمهای تخریب مختلفی بر روی روتور اعمال شده و در نتیجه روتور به مرور زمان دچار زوال و افت خواص شود. در زمینه علل واماندگی[1] روتور، تحقیقات متعددی صورت گرفته است و مهمترین مکانیزمهای تخریب آن از جمله خزش، خستگی، اکسیداسیون و خوردگی از لحاظ ریزساختاری و فیزیکی بررسی شدهاند. همچنین اثر متقابل این واماندگیها که میتواند ناشی از اثر همزمان دو یا بیشتر این عوامل باشد، بررسی شده است. بر اساس نتایج حاصل، اندرکنش خزش-خستگی[2] از جمله مهمترین علل واماندگی در روتور توربین گاز میباشد. این پدیده که ناشی از شرایط کاری سخت دما بالا و تنشهای زیاد میباشد عمر روتور را محدود میکند. ترکیب تنش و دمای زیاد باعث بروز پدیده خزش شده و گرادیانهای شدید دمایی باعث خستگی حرارتی میگردند. بنابراین مهمترین مکانیزمهای تخریبی که در زوالروتور و در نتیجه کاهش عمر آن نقش دارند عبارتند از خستگی حرارتی، خزش و اندرکنش آنها. بر خلاف سایر قطعات توربین مانند پرهها و اتصالات، واماندگی روتور در حین عملیات میتواند خسارات جبرانناپذیر و سنگینی را به کل مجموعه توربین وارد کند. بنابراین سازندگان و کاربران توربینها همواره در تلاش بودهاند تا بتوانند عمر مفید روتور را تشخیص داده و در زمان مناسب اقدام به تعمیر و در صورت لزوم تعویض آن کنند. علاوه بر این، تعویض روتور میتواند هزینههای سنگینی را متوجه نیروگاهها کند. با توجه به این مطالب،روشن میشود که تخمین دقیقتر عمر روتور به منظور استفاده بهینه از آن همواره از موارد مورد تحقیق پژوهشگران بوده و میتواند کمک شایان توجهی به کاهش هزینهها در صنعت کند. بنابراین آگاهی کامل و دقیق از مکانیزمهای شکست و از کار افتادگی قطعات توربین به خصوص روتور، یک ضرورت محسوب میشود و میتواند با تخمین بهینه عمر، منجر به صرفهجویی اقتصادی قابل ملاحظهای شود. از این دیدگاه، اهمیت بحث تخمین عمر روتور توربین گاز روشن میشود. لازم به ذکر است که پیشرفتهای چشمگیر در زمینه تکنولوژی ساخت توربینهای گاز موجب شده است که قسمتهای مهم و دوار اجزای نیروگاهها مانند روتور و اجزای توربین، تحت بارهای کاری و دماهای بسیار بالاتری نسبت به گذشته بهکار گرفته شوند که این امر بر ضرورت گسترش تحقیقات جدید در این زمینه دلالت دارد. 1-2 مکانیکآسیب پیوسته[3]آسیب ماده یک فرایند فیزیکی است که طی آن ماده تحت بارگذاری دچار کاهش و زوال خصوصیات مکانیکی میشود و در نهایت میشکند. تضعیف ماده ناشی از پیدایش و رشد ریزترکها[4] و ریزحفرهها[5] در بافت ماده است. علم مکانیکآسیب، علم مطالعه متغیرهای مکانیکی دخیل در این فرایندها در ماده تحت بارگذاری میباشد. بر خلاف ماهیت ناپیوستهی آسیب، تئوری مکانیک آسیب پیوسته میکوشد تا رشد و گسترش این ناپیوستگیها را در یک چارچوب پیوسته مدلسازی کند که این کار را با تعریف یک متغیر داخلی در محیط پیوسته انجام میدهد[1].میتوان گفت اگر مکانیک شکست[6] که علم بررسی و مدلسازی ناپیوستگیها است را بتوان در چارچوب مکانیک پیوسته کلاسیک بیان نمود، به سمت مکانیک آسیب پیوسته رهنمون میشویم. در واقع هدف از گسترش مکانیک آسیب پیوسته پر نمودن فاصله موجود بین مکانیک پیوسته کلاسیک و مکانیک شکست میباشد. در دهههای اخیر تحقیقات زیادی بر روی مدل کردن فرآیند آسیب صورت گرفته، و تاکنون مدلهای آسیب پیوستهی متنوعی برای توصیف چنین پدیده ای در چارچوب مکانیک آسیب، ارایه شده است. با وجود اینکه اصول و مفاهیم پایه مکانیک آسیب سابقهای طولانی دارد، اما گسترش آن به خصوص برای مواد نرم در دهههای اخیر رخ داده است و از این جهت یک زمینهی نسبتاً نو در علوم مکانیک به شمار میرود. در حال حاضر، مکانیک آسیب به عنوان یکی از مناسب ترین روشها برای ارزیابی شکست در مواد نرم شناخته شده است[2]. 1-3 هدف از انجام پژوهش هدف از انجاماین پژوهش، تحلیل تنشهایمکانیکیوحرارتی براییک نمونه روتور توربین گاز میباشد. روتور توربین گاز در شرایط کاری تحتگرادیانهایشدیددماییوتنشهای بسیار زیاد قرار میگیرد که منجر به ایجاد مکانیزمهای زوال در روتور میشوند. میتوان از پدیده خزش در اثر ترکیب دما و تنشهای زیاد و همچنین پدیده خستگی حرارتی در اثر تغییرات دما به عنوان مهمترین مکانیزمهای آسیب در روتور نام برد. با توجه به اینکه دو پدیده خزش و خستگی همزمان رخ میدهند، بنابراین ضروری است در تحلیل تنش روتور اثرات این دو پدیده بهطور همزمان در نظر گرفته شوند. در این پژوهش از تئوری مکانیک آسیب پیوسته برای تحلیل تنش استفاده شده است، زیرا این تئوری توانایی این را دارد که اندرکنش خزش-خستگی را در نظر بگیرد. باتوجهبههندسهپیچیده روتورو بارگذاریمختلط آن، در این پژوهش برای تحلیل تنشهایمکانیکیوحرارتی روتور، از نرم افزار المان محدود ABAQUS استفاده شده است. همچنین با توجه به اینکه برای تحلیل تنش، نیاز به تعیین خصوصیات مکانیکی روتور موردنظر میباشد، با انجام آزمایشهای مختلف بر روی ماده موردنظر، خصوصیات مکانیکی ماده تعیین شدهاند. 1-4 چکیده مباحث مطرح شده در این پایاننامه پس از بیان مقدمات و هدف از انجام این پایان نامه، در فصل دوم به بررسی پژوهشهای انجام شده در زمینه مکانیک آسیب و مدلهای ارایه شده برای در نظر گرفتن اندرکنش خستگی و خزش پرداخته شده است. در فصل سوم، مفاهیم اساسی مکانیک آسیب و قوانین حاکم بر پدیده آسیب معرفی شدهاند و معادلات حاکم بر مسئله نیز بیان شدهاند. سپس به بررسی اجمالی روشهای اندازهگیری آسیب و نحوه استخراج پارامترهای لازم برای ماده موردنظر پرداخته شده است. در فصل چهارم، شرایط کاری و هندسه روتور توربین گاز بیان شده است و چگونگی مدلسازی آن در نرمافزار ABAQUS شرح داده شده است. جهت کپی مطلب از ctrl+A استفاده نمایید نماید |