Εκτίμηση θερμοκρασίας και απομένοντος χρόνου ζωής πτερυγίων στροβίλου

Abstract

Στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής γίνεται παρουσίαση των σύγχρονων μεθόδων εκτίμησης της θερμοκρασίας μετάλλου πτερυγίων στροβίλου ενός αεροπορικού κινητήρα ύστερα από την ψύξη τους. Συγκεκριμένα μελετώνται τρεις μέθοδοι από τη βιβλιογραφία προτεινόμενες από τους Joackim Kurzke, Ainley και Leonardo Torbidoni. Επιλέξαμε τις τρεις αυτές μεθόδους λόγω της διαφοράς που παρουσιάζουν ως προς την πολυπλοκότητα της εφαρμογής τους. Αναλυτικότερα ο Kurzke στο πρόγραμμα Gas Turb προτείνει μια απλή σχέση για την εκτίμηση της ζητούμενης θερμοκρασίας με αρκετές παραδοχές. Ο Ainley το 1955 έκανε μία πρώτη μελέτη της κατανομής της θερμοκρασίας στο πτερύγιο λύνοντας το πρόβλημα μονοδιάστατης μεταφοράς θερμότητας πάνω σε αυτό, αφού πρώτα το χώρισε σε στοιχειώδη κομμάτια κατά το ύψος του. Πολύ αργότερα, ο Τorbidoni στηριζόμενος στη δουλειά του Ainley παρουσίασε μία μέθοδο κατά την οποία το πτερύγιο χωρίζεται σε στοιχειώδη κομμάτια τόσο κατά το ύψος του, όσο και κατά το μήκος της χορδής του. Έτσι εκτιμάται η κατανομή της θερμοκρασίας κατά μήκος και καθ’ύψος αυτού. Μια ακόμη δυνατότητα που η συγκεκριμένη μέθοδος παρέχει είναι η επιλογή μηχανισμού ψύξης, μιας και μπορεί να εφαρμοστεί τόσο για ψύξη δια συναγωγής, όσο και για επιφανειακή. Εν συνεχεία, οι προαναφερθείσες μέθοδοι εφαρμόστηκαν υπολογιστικά με χρήση της ‘γλώσσας’ προγραμματισμού Fortran90. Σκοπός της εφαρμογής τους είναι να εξεταστεί η αξιοπιστία τους και η απόκλιση που παρουσιάζει η μία από την άλλη. Για το λόγο αυτό γίνεται σύγκριση τόσο με πειραματικά δεδομένα, όσο και μεταξύ τους. Για την μέθοδο του Torbidoni εκπονήθηκε επίσης παραμετρική ανάλυση, αλλάζοντας κάθε φορά και διαφορετική παράμετρο κατά τη λειτουργία της μηχανής, ώστε να φανεί η επίδραση τους στην εκτιμώμενη θερμοκρασία μετάλλου. Στη συνέχεια της παρούσας διπλωματικής γίνεται επισκόπηση των αιτιών καταπόνησης και καταστροφής των αεροπορικών εξαρτημάτων και ειδικότερα των πτερυγίων στροβίλου. Συγκεκριμένα πραγματοποιείται εκτενής ανάλυση των φαινομένων ερπυσμού και κοπώσεως. Επιπρόσθετα παρουσιάζονται οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται στην σημερινή εποχή για την εκτίμηση του απομένοντος χρόνου ζωής ενός πτερυγίου που υπόκειται σε φαινόμενα ερπυσμού και κοπώσεως. Οι Larson και Miller, Monkman και Grant, Katchanov και Rabotnov πρότειναν τρόπους εκτίμησης του χρόνου αυτού λόγω ερπυσμού με την παραδοχή πως το πτερύγιο βρίσκεται υπό την επίδραση σταθερής τάσεως και θερμοκρασίας. Όμως οι τάσεις που αναπτύσσονται σε ένα αεροπορικό εξάρτημα κατά τη διάρκεια μιας αποστολής του αεροσκάφους είναι εναλλασσόμενες και κυκλικής (επαναλαμβανόμενης) μορφής. Για το λόγο αυτό εμφανίζονται φαινόμενα κοπώσεως που οδηγούν στην αστοχία του υλικού. Στην εργασία αυτή αναλύονται λεπτομερώς οι έννοιες αυτές και ο τρόπος εφαρμογής τους στα πτερύγια στροβίλου για την αρχική εκτίμηση του απομένοντος χρόνου μέχρι τη θραύση τους. Τέλος κρίθηκε σκόπιμο για τις παραπάνω μεθόδους, τόσο της εκτίμησης θερμοκρασίας μετάλλου, όσο και χρόνου ζωής, να εφαρμοστούν σε πραγματικές αποστολές. Επιλέχθηκε ο ρότορας του στροβίλου υψηλής πίεσης του αεροπορικού κινητήρα CFM56-7B27 για πραγματικές αποστολές του αεροσκάφους Airbus Α320. Οι αποστολές αυτές εκτελέσθηκαν για διαφορετικά επίπεδα υγείας του κινητήρα και για διαφορετικές γωνίες ανόδου του αεροσκάφους ώστε να εξεταστεί το πώς οι παράγοντες αυτοί επηρεάζουν τα αποτελέσματά μας. Για την εφαρμογή αυτή γίνεται πλήρης μελέτη της γεωμετρίας ενός πτερυγίου ρότορα της συγκεκριμένης μηχανής με στοιχεία από τη βιβλιογραφία με σκοπό την καλύτερη ακρίβεια των αποτελεσμάτων.

In this Diploma Thesis a useful tool to estimate the remaining life of turbine blades of airplane engines is demonstrated. For this reason necessary is the estimation of the temperature that the blades’ metal reach during a flight and the calculation of the stresses on the blades. So there are displayed modern methods of Turbine Blades Temperature calculation. These methods, including those proposed by LEONARDO TORBIDONI, D.G AINLEY and JOACHIM KURZKE, where analyzed by using FORTRAN90. These codes give us the possibility to calculate even with a few deviation parameters such as the temperature of the surface of Turbine Blades, the temperature of gas around the Turbine Blades and the required mass flow of the cooling air which is necessary for the cooling of the Blades. These methods use real numbers and take into account the flight conditions of a Get Engine .The cooling methods used in real life to reduce the high temperature of the gas stream around the blades are also taken under great consideration in this thesis. After that the most common methods which exist in bibliography and are used in order to estimate the remaining life of the Turbine Blades and consequently of the Turbine itself are presented. The high temperature under which an Engine functions poses a high risk to the metal of its Turbine Blades. Based on the research I conducted the reasons that are responsible for the break of the blades and the time that this break will occur are analyzed with every detail and are easily understood by the reader of my Thesis. This knowledge is of great importance as it gives engineers the ability to interfere in the damage and make an attempt to fix it but most of all to replace the damaged blade and prevent the risk of a serious accident. Additionally many methods of stress calculation on a blade where presented. This was of great importance in order to estimate the remaining life of the blade. The most important part of my Diploma Thesis was the implementation of all the above in the first rotor’s blade of the High pressure turbine of Get Engine CFM56 on the wings of Airbus A320. For that reason, there were analyzed 5 flights of the plane. Hence there was extracted the remaining life of the blade in each flight due to creep and fatigue reasons.