Εκτίμηση χρόνου ζωής πτερυγίων στροβίλου. Μέθοδοι και εφαρμογή

Λαμπράκης, Ιωάννης; Lamprakis, Ioannis

dc.contributor.author	Λαμπράκης, Ιωάννης	el
dc.contributor.author	Lamprakis, Ioannis	en
dc.date.accessioned	2017-05-15T10:44:07Z
dc.date.issued	2017-05-15
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/44876
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.14162
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Πτερύγια στροβίλου	el
dc.subject	Θερμοκρασία	el
dc.subject	Κόπωση	el
dc.subject	Ερπυσμός	el
dc.subject	Χρόνος ζωής	el
dc.subject	Τάση	el
dc.subject	Turbine blades	en
dc.subject	Temperature	el
dc.subject	Fatigue	el
dc.subject	Creep	el
dc.subject	Stress	el
dc.subject	Life estimation	el
dc.title	Εκτίμηση χρόνου ζωής πτερυγίων στροβίλου. Μέθοδοι και εφαρμογή	el
heal.type	bachelorThesis
heal.secondaryTitle	Gas turbine blade life estimation. Methods and application	en
heal.classification	Λειτουργία αεριοστροβίλων	el
heal.classification	Θερμικές στροβιλομηχανές	el
heal.classification	Αντοχή υλικών	el
heal.dateAvailable	2018-05-14T21:00:00Z
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-01-13
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια των αναγκών του Εργαστηρίου Θερμικών Στροβιλομηχανών για τη δημιουργία ενός προγραμματιστικού εργαλείου σε περιβάλλον PROOSIS, το οποίο θα είναι σε θέση να παρέχει εκτιμήσεις για το χρόνο ζωής των πτερυγίων στροβίλου, λαμβάνοντας υπόψη τις συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα και τους μηχανισμούς γήρανσης που επενεργούν. Στην εργασία αυτή παρουσιάζονται αρχικά μεθοδολογίες για την προσέγγιση και την εκτίμηση της θερμοκρασίας μετάλλου του πτερυγίου από τη βιβλιογραφία, που ποικίλουν τόσο σε πολυπλοκότητα όσο και στον τρόπο που λαμβάνουν υπόψη και προσεγγίζουν τις ψυκτικές τεχνικές των πτερυγίων. Η εκτίμηση της θερμοκρασίας μετάλλου του πτερυγίου ή ακόμα και της παροχής ψυκτικού μέσου που απαιτείται για να διατηρείται το εύρος λειτουργίας του κινητήρα εντός των θερμοκρασιακών ορίων που τίθενται από το υλικό κατασκευής των πτερυγίων παρέχει ένα χρήσιμο εποπτικό εργαλείο, το οποίο διασφαλίζει ότι ο κινητήρας δουλεύει εντός της ασφαλούς θερμοκρασιακής ζώνης. Οι μηχανισμοί γήρανσης που θα μελετήσουμε εξαρτώνται άμεσα από τις τάσεις που ασκούνται στο πτερύγιο κάθε χρονική στιγμή της λειτουργίας του κινητήρα. Για το λόγο αυτό παρουσιάζονται μεθοδολογίες για τον τρόπο υπολογισμού των τάσεων που ασκούνται στα πτερύγια καθώς ο χρόνος ζωής των πτερυγίων εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον ορθό υπολογισμό των τάσεων αυτών. Ο υπολογισμός των τάσεων πραγματοποιείται μέσω δύο μοντέλων τα οποία παρέχουν την ευελιξία του προσδιορισμού των τάσεων ανάλογα με τα δεδομένα που είναι κάθε φορά διαθέσιμα. Στη συνέχεια διερευνάται πως η παρουσία υψηλών θερμοκρασιών σε συνδυασμό με τις χρονικά μεταβαλλόμενες τάσεις που υφίσταται το πτερύγιο κατά τη διάρκεια λειτουργίας του κινητήρα επιδρούν στο χρόνο ζωής των πτερυγίων του στροβίλου. Κύριοι μηχανισμοί γήρανσης του υλικού στην εργασία αυτή θεωρούνται ο ερπυσμός και η κόπωση των πτερυγίων. Τα φαινόμενα αυτά θα μελετηθούν διεξοδικά, ενώ θα παρουσιαστούν μεθοδολογίες για την επίδραση τους στη ζωή του πτερυγίου. Στόχος είναι αρχικά, ο προσδιορισμός της μεμονωμένης επίδρασης των δύο αυτών φαινομένων στο χρόνο ζωής των πτερυγίων και κατόπιν, η προσπάθεια προσδιορισμού της συνολικής ‘ζημιάς’ που επέρχεται από την συνύπαρξη των δύο αυτών μηχανισμών. Επιπλέον, μελετάται η εκτίμηση του χρόνου ζωής του στροβίλου με τη μέθοδο κυκλικής συναλλαγής (Cyclic Exchange Rate) της Rolls Royce. Η μέθοδος αυτή μελετάται ξεχωριστά καθώς σε αντίθεση με την προηγούμενη ανάλυση, η εφαρμογή της βασίζεται σε μεταβολές της ταχύτητας περιστροφής με κατάλληλη επεξεργασία του προφίλ ταχυτήτων και απλών εμπειρικών σχέσεων. Η σχετική απλότητα της μεθόδου παρέχει μία χρήσιμη εναλλακτική στον προσδιορισμό του χρόνου ζωής ,ωστόσο η χρήση της περιορίζεται σε κινητήρες της εν λόγω εταιρίας. Τέλος, συντάχθηκε κώδικας βασισμένος στις μεθοδολογίες που αναπτύχθηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια στο πρόγραμμα PROOSIS. Ο κώδικας είναι γραμμένος σε μορφή ανεξάρτητων συναρτήσεων, οι οποίες υλοποιούν τις μεθοδολογίες που θα επεξηγηθούν αναλυτικά στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής. Η προγραμματιστική λογική που έχει ακολουθηθεί επιτρέπει την ενσωμάτωση επιμέρους τμημάτων του κώδικα σε υπάρχοντα Component του PROOSIS ενώ διευκολύνει σημαντικά τη συντήρηση και εξέλιξη του προγραμματιστικού εργαλείου. Όπου κρίνεται απαραίτητο παρέχονται επιπλέον πληροφορίες για τον τρόπο λειτουργίας των συναρτήσεων με επεξηγήσεις, ενώ πραγματοποιείται και επικύρωση (Validation) τους με παραδείγματα από τη βιβλιογραφία.	el
heal.abstract	This diploma thesis has been carried out at the Laboratory of Thermal Turbomachines with the aim to develop a gas turbine blade life estimation tool in the object-oriented environment PROOSIS. The tool estimates blade life by determining the total damage caused by creep and fatigue using calculated values of blade temperatures and stresses at specified engine operating conditions. The turbine blade temperature distribution along its span and chord is calculated by considering one-dimensional steady state heat transfer from the hot gasses to the coolant accounting for the blade and cooling channel geometries, the presence of thermal barrier coating and the form of cooling. Alternatively, the maximum blade temperature can be established by simply specifying a number of factors representing cooling technology level. The calculation of blade stresses accounts for both centrifugal and gas bending moments. Either the maximum value can be established through a simplified approach or a span wise distribution can be obtained at the leading edge, trailing edge and blade back locations by considering the blade and coolant channel geometries. The fatigue damage fraction is established through a series of steps including the re-arrangement of blade stress profile, the use of cycle counting methods, the selection of life approach (high or low cycle fatigue) and the implementation of an appropriate fatigue damage accumulation rule. Similarly, the creep damage fraction calculation requires the selection of a creep parameter and the use of a damage accumulation rule. The life of the blade is then determined from the total blade damage which is the sum of these fractions. In addition, the cyclic exchange rate (CER) method developed by Rolls-Royce plc for its own engines is also implemented. This estimates component life from the engine rotational speed profile and semi-empirical relations. The blade temperature, stress and life estimation methods are programmed in PROOSIS in the form of independent functions for improved maintenance, extensibility and flexibility purposes allowing their use in the form of an integrated tool or as part of a multi-disciplinary calculation. A PROOSIS compatible database is also created that includes material properties of the most commonly used turbine blade materials. Finally, the tool is validated against publicly available information.	en
heal.advisorName	Αρετάκης, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Μαθιουδάκης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Γιαννάκογλου, Κυριάκος	el
heal.committeeMemberName	Αρετάκης, Νικόλαος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ρευστών. Εργαστήριο Θερμικών Στροβιλομηχανών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	280 σ.
heal.fullTextAvailability	true