ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОСТАТОЧНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДИСКА ТУРБИНЫ НА ОСНОВЕ ПЛАСТИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ

ФИО

Шлянников Валерий Николаевич

Surname Name

Valery Shlyannikov

Организация

Казанский научный центр РАН

Область наук

Машиностроение. Энергетика

Название доклада

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОСТАТОЧНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДИСКА ТУРБИНЫ НА ОСНОВЕ ПЛАСТИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ

Project title

A PLASTIC STRESS INTENSITY FACTOR APPROACH TO TURBINE DISK STRUCTURAL INTEGRITY ASSESSMENT

Резюме

Настоящая работа иллюстрирует эффективность оценок остаточной долговечности элементов конструкции с эксплуатационными повреждениями на основе параметров нелинейной механики трещин. В основу решений положен введенный авторами пластический коэффициент интенсивности напряжений (КИН), учитывающий эффекты стеснения при разрушении во взаимно перпендикулярных направлениях. Объектом исследований выступал диск паровой турбины с эксплуатационным повреждением в шпоночной канавке в форме уголковой несквозной трещины. Появление и развитие трещины обусловлено циклами пуска-останова турбины из холодного состояния.

Ключевые слова

упруго-пластический анализ

Тезисы

Методология прогнозирования остаточной долговечности построена по классическому сценарию, первым пунктом которого являлся упруго-пластический анализ напряженно-деформированного состояния диска для эксплуатационных условий нагружения. В результате получено, что в зоне шпоночной канавки напряжения на 10-15% превышают предел текучести материала диска. В этой связи расчет параметров сопротивления разрушению осуществлялся в упруго-пластической постановке. Для последовательных положений фронта трещины в диске турбины при циклическом нагружения найдены распределения пластического КИН по фронту четверть эллиптической трещины. Аппроксимация этих распределений введена в модель прогнозирования скорости роста трещины и остаточной долговечности, основанной на концепции зоны процесса разрушения. С использованием основных свойств материала при статическом и малоцикловом деформировании, проведен расчет длительности стадии развития трещины от исходных до критических размеров в диске паровой турбины. Сопоставление результатов расчетов в упругой и упруго-пластической постановке показало различие в оценках остаточной долговечности диска с очевидным преимуществом применения пластического КИН в качестве обобщенной меры повреждения.

Summary of the project

This study based on a new fracture mechanics parameter is concerned with assessing the integrity of cracked steam turbine disk which operate under startup-shutdown cyclic loading conditions. Damage accumulation and growth in service have occurred on the inner surface of slot fillet of key. In order to determine elastic-plastic fracture mechanics parameters full-size stress-strain state analysis of turbine disk was performed for a quote-elliptical part-through cracks under considering loading conditions. As a result distributions of elastic and plastic stress intensity factors along crack front in slot fillet of key of turbine disk depending on surface crack form are defined. An engineering approach to the prediction of carrying capacity of cracked turbine disk which is sensitive to the loading history at maintenance is proposed. The predictions of the rate of crack growth and residual lifetime of steam turbine disk are compared for elastic and elastic-plastic solutions. It is shown that the previously proposed elastic crack growth models provide overestimate the lifetime with respect to the present one. An advantage to use the plastic stress intensity factor to characterize the fracture resistance as the self-dependent unified parameter for a variety of turbine disk configurations rather than the magnitude of the elastic stress intensity factors alone is discussed. As the predicted crack growth rate according to nonlinear fracture mechanics approach is much faster that elastic modelling, this indicates that the plastic material properties have a significant effect on the damage accumulation and growth in a critical zone of turbine disc. It should be pointed out that the elastic solution is not accounted for the stress-strain state redistributions at the plastic zone close to the crack tip. The implications due to this limitation may give non-conservative predictions of crack growth rate for this case as the actual stress and strain may be higher than predicted by elastic solution. As the purpose for analysing the edge crack in the turbine disc considered at the operation was to estimate the crack growth rate under extreme situation, the residual fatigue life should be determined based on the elastic-plastic solution.

Keywords

elastic-plastic analysis