%34تخفیف

تحلیل تنش روتور توربین گازی به کمک مکانیک آسیب پیوسته

تعداد 154 صفحه  درword

کارشناسي ارشد در رشته‌ مهندسي مکانيک (طراحي کاربردي)

 

 

تحلیل تنش روتور توربین گازی

به کمک مکانیک آسیب پیوسته

 

در این پایان­نامه، مدل متحد لومتر بر مبنای مکانیک آسیب پیوسته برای مدل‌سازی رفتار تنش-کرنش یک نمونه روتور توربین گاز استفاده شده است. قانون آسیب متحد که برای مدل‌سازی اندرکنش خزش-خستگی بکار می‌رود، بر اساس جزءکرنش پلاستیک تجمعی ناشی از آسیب خزشی و آسیب خستگی کم‌چرخه می‌باشد. به کمک آزمون‌های کشش دوره‌ای و رهایش، پارامترهای مدل آسیب متحد، مدل ویسکوز نورتن و ثابت‌های مدل سختی سینماتیکی غیرخطی ماده روتور تعیین شدند. همچنین به منظور اعتبارسنجی روش المان محدود، آزمون‌های انجام شده به صورت کاملاً یکسان توسط نرم‌افزار المان محدود ABAQUS مدل‌سازی گردید. رفتار تنش-کرنش روتور توربین گاز به کمک نرم‌افزار المان محدود ABAQUS مدل‌سازی گردید و رشد آسیب در نقاط بحرانی محاسبه شد. آزمون رپلیکا نیز در چهار نقطه از سطح روتور انجام شد و به کمک SEM، شکل‌گیری حفره‌های خزشی بررسی شد. بر اساس تحلیل مکانیک آسیب پیوسته، اندرکنش خزش-خستگی بررسی شد و عمر روتور تخمین زده شد.

فهرست مطالب

عنوان

صفحه

فصل 1: مقدمه   1

1-1 مقدمه  2

1-2 مكانيك آسيب پیوسته  4

1-3 هدف از انجام پژوهش  5

1-4 چکیده مباحث مطرح شده در این پایان‌نامه  5

فصل 2: مروري بر تحقيقات انجام شده   7

2-1 مکانیک آسیب پیوسته  8

2-2 اندرکنش خزش– خستگي  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: نتيجه‏گيري و پيشنهادات   135

7-1 نتیجه گیری  136

7-2 پيشنهادات  137

فهرست منابع   139

فهرست جدول‌ها

عنوان و شماره

صفحه

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

عنوان

صفحه

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 آزمون کشش دوره‌ای  79

شکل ‏5‑2 نمونه‌ آزمون ساخته شده و نمونه آزمون استاندارد  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

پارامتر ماده برای مدل سختی همسان

پارامتر ماده برای مدل سختی سینماتیکی

متغیر آسیب

آسیب بحرانی

نرخ آسیب

چگالی سطح ناپیوستگی‌های ماده در صفحه‌ای عمودی بر جهت

مدول الاستیسیته

مدول الاستیسیته ماده‌ی آسیب دیده

تابع پتانسیل اتلاف

نیرو

F

تابع پتانسیل اتلاف کارسختی سینماتیکی

تابع پتانسیل اتلاف آسیب

تابع تسلیم

سطح آستا‌نه آسیب

ثابت‌های قانون توانی نورتن

بردار نرمال سطح

پارامتر آسیب متناظر با چگالی چگالی سطحی ریزترک‌ها و ریزحفره‌ها

کرنش پلاستیک تجمعی

نرخ کرنش پلاستیک تجمعی

کرنش پلاستیک تجمعی آستانه

شار حرارتی

آسیب ناشی از کرنش پلاستیک تجمعی

متغیر تنش سختی همسان

پارامتر ماده برای مدل سختی همسان

پارامترهای ماده برای مدل آسیب

چگالی انتروپی

s

دما

زمان

پیش‌تنش سینماتیکی تک‌محور

تانسور پیش‌تنش

پارامتر ماده برای مدل سختی سینماتیکی

نرخ رهایی انرژی آسیب

ضریب انبساط حرارتی

تانسور پیش‌کرنش

دلتا کرانکر

سطح مقطع

سطح مقطع موثر

حجم المان مشخصه

کرنش آستانه آسیب

کرنش گسیختگی

کرنش

کرنش الاستیک

کرنش پلاستیک

نرخ کرنش پلاستیک

پارامتر ماده برای مدل سختی سینماتیکی

ضریب پلاستیک

نسبت پواسون

چگالی ماده آسیب دیده

چگالی

تنش

تنش موثر

تنش انحرافی

تنش ون‌میزز معادل

تنش هیدرواستاتیک

تنش گسیختگی

تنش نهایی

تنش ویسکوز

تنش تسلیم

چگالی انرژی ذخیره‌شده

نرخ چگالی انرژی ذخیره‌شده

آنتا‌لپی آزاد مخصوص گیبس

تابع انرژی پتا‌نسیل الاستیک

تابع انرژی پتا‌نسیل پلاستیک

تابع انرژی پتانسیل گرمایی

نقد و بررسی‌ها

هنوز بررسی‌ای ثبت نشده است.

اولین کسی باشید که دیدگاهی می نویسد “تحلیل تنش روتور توربین گازی به کمک مکانیک آسیب پیوسته”

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

قبلا حساب کاربری ایجاد کرده اید؟
گذرواژه خود را فراموش کرده اید؟
Loading...
enemad-logo