مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

تعیین طول ترک در یک نمونه محل اتصال پره به دیسک در توربین گاز به کمک آزمون فراصوتی آرایه فازی تجربی

نویسندگان
محمد حسین سورگی 1
حسین صحاف نائینی 2
1 دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران
2 دانشگاه شهید بهشتی
چکیده
ماشین‌های دوار، به خصوص توربین‌های گازی و کمپرسور‌های محوری، نقش بسیار حیاتی و مهمی را در صنایع تولید و انتقال انرژی ایفا می‌کنند؛ لذا، باید به‌موقع نسبت به تشخیص و تعیین اندازه عیوب احتمالی در آن‌ها اقدام شود، تا از بروز هزینه‌های بسیار سنگین تعمیرات جلوگیری به عمل آید. در مقاله حاضر، یک نمونه محل اتصال پره به دیسک توربین گاز، که از مهم‌ترین و حساس‌ترین بخش‌های یک توربین گاز می‌باشد، به کمک روش آزمون‌غیر‌مخرب فراصوتی آرایه فازی مورد بازرسی قرار گرفته است. در نمونه ساخته شده، طی دو مرحله، ترک‌هایی با طول‌های 4 و 8 میلی‌متر ایجاد شده و تاثیر طول آن بر نتایج بازرسی، مورد ارزیابی واقع شده است. مقایسه سیگنال های دریافتی در زوایای مختلف برای هر طول ترک، با سیگنال دریافتی از نمونه سالم در همان زوایا، به عنوان مقیاس و شاخصی برای تعیین طول ترک مورد استفاده قرار گرفته است. از افزایش دامنه سیگنال ناشی از ترک و کاهش دامنه سینگال مربوط به دیواره پشت ترک، به ازای افزایش زاویه در آزمون فراصوتی آرایه فازی برای استخراج شاخصی جدید جهت تعیین طول ترک استفاده شده است. نتایج تجربی نشان می دهد که با استفاده از شاخص استخراج شده، می‌توان طول ترک موجود در محل اتصال پره به ریشه روی دیسک روتور توربین را، که دارای هندسه پیچیده کاجی شکل می‌باشد، با خطای کمتر از 10% تخمین زد.
کلیدواژه‌ها
آزمون‌غیر‌مخرب فراصوتی
آرایه فازی
توربین گاز
محل اتصال پره به دیسک

موضوعات

عنوان مقاله English

Experimental Crack Length Evaluation in a Gas Turbine Blade-Disc Connection Using Phased Array Ultrasonic Testing

نویسندگان English

Mohammadhossein Soorgee 1
Hossein Sahhaf Naeini 2
1 Faculty of Mechanical and Energy Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
2 Shahid Beheshti University
چکیده English

Turbomachinery, specially gas turbines and axial compressors, play an important and vital role in energy producing and transmission industries. Thus, probable defects must be detected and measured in a timely manner, in order to prevent expensive costs of repair and maintenance. In this paper, a gas turbine blade-disc connection model, that is one of the most important and sensitive gas turbine parts, has been inspected using phased array ultrasonic non-destructive testing method. In manufactured mockup specimen, a crack with 4 and 8 millimeters length, has been created in two steps, followed by the length effect study on inspection results. Comparison of acquired signals in different angles for each crack length with acquired signals got from the healthy model in the same angles, has been employed for crack sizing purposes. The increase in the amplitude of crack reflected signals and the decrease in the amplitude of signals related to the wall behind the crack versus increase in the inspection angle, in ultrasonic phased array testing, has been utilized for extracting a novel feature for crack length estimation. Experimental results show that it is possible to evaluate the crack length in the complicated fir-tree geometry of the disc connection area to the blade, with the amount of error less than 10%, using the extracted feature.

کلیدواژه‌ها English

Ultrasonic Non-Destructive Testing
Phased Array
Gas Turbine
Blade-Disc Connection area
[1] M. Tahan, E. Tsoutsanis, M. Muhammad, Z. A. Karim, Performance-based health monitoring, diagnostics and prognostics for condition-based maintenance of gas turbines: A review, Applied energy, Vol. 198, pp. 122-144, 2017.
[2] A. Chaibakhsh, S. Amirkhani, A Simulation Model for transient behaviour of Heavy-duty Gas Turbines, Applied Thermal Engineering, 2017.
[3] B.-S. Yang, V. T. Tran, An intelligent condition-based maintenance platform for rotating machinery, Expert Systems with Applications, Vol. 39, No. 3, pp. 2977-2988, 2012.
[4] S. Qu, C. Fu, C. Dong, J. Tian, Z. Zhang, Failure analysis of the 1st stage blades in gas turbine engine, Engineering Failure Analysis, Vol. 32, pp. 292-303, 2013.
[5] S. Rani, A. K. Agrawal, V. Rastogi, Failure investigations of a first stage Ni based super alloy gas turbine blade, in International Conference on Processing of Materials, Minerals and Energy, 2016.
[6] A. Kolagar, N. Tabrizi, M. Cheraghzadeh, M. Shahriari, Failure analysis of gas turbine first stage blade made of nickel-based superalloy, Case studies in engineering failure analysis, Vol. 8, pp. 61-68, 2017.
[7] Y.-W. Chen, G.-C. Tsai, The Crack of Turbine Blade Effect on the Dynamic Behavior of Turbine, Journal of Applied Mathematics and Physics, Vol. 2, No. 06, pp. 384, 2014.
[8] X. Yang, S. Chen, S. Jin, W. Chang, Crack orientation and depth estimation in a low-pressure turbine disc using a phased array ultrasonic transducer and an artificial neural network, Sensors, Vol. 13, No. 9, pp. 12375-12391, 2013.
[9] M. Nurbanasari, Abdurrachim, Crack of a first stage blade in a steam turbine, Case Studies in Engineering Failure Analysis, Vol. 2, No. 2, pp. 54-60, 2014.
[10] S. Yang, B. Yoon, Y. Kim, Using phased array ultrasonic technique for the inspection of straddle mount-type low-pressure turbine disc, Ndt & E International, Vol. 42, No. 2, pp. 128-132, 2009.
[11] Z. Bai, S. Chen, L. Jia, Z. Zeng, Phased array ultrasonic signal compressive detection in low-pressure turbine disc, NDT & E International, Vol. 89, pp. 1-13, 2017.
[12] L. Getsov, A. Semenov, I. Ignatovich, Thermal fatigue analysis of turbine discs on the base of deformation criterion, International Journal of Fatigue, Vol. 97, pp. 88-97, 2017.
[13] R. Mishra, J. Thomas, K. Srinivasan, V. Nandi, R. R. Bhatt, Failure analysis of an un-cooled turbine blade in an aero gas turbine engine, Engineering Failure Analysis, Vol. 79, pp. 836-844, 2017.
[14] D. E. Bray, R. K. Stanley, Nondestructive evaluation: a tool in design, manufacturing and service: CRC press, 1996.
[15] C. G. K. N. J Prasad, Non-Destructive Testing and Evaluation of Material: Tata McGraw-Hill Education, 2011.
[16] P. S. Firouzabadi, A. Najafi, Development Approaches of Ultrasonic and Eddy Current Non Destructive Inspection In Gas and Steam Turbine, Iranian Journal of Society of Mechanical Engineering, Vol. 26, No. 115, pp. 79-92, 2017. (in Persian فارسی)
[17] L. W. S. Jr., Fundametals of Ultrasonic Phased Arrays: Springer Cham Heidelberg New York Dordrecht London, 2015.
[18] N. Xu, Z. Zhou, Numerical simulation and experiment for inspection of corner-shaped components using ultrasonic phased array, NDT & E International, Vol. 63, pp. 28-34, 2014.
[19] S. Yareiee, M.-R. Sayyed Noorani, A. Ghanbari, Simulation of Waves Propagation via Linear Phased Array Probe with Improved Design (in Ultrasonic Inspection Tests), Modares Mechanical Engineering, Vol. 16, No. 6, pp. 353-361, 2016. (in Persian فارسی)
[20] Y. Hojjat, S. Ansari, M. R. Karafi, Present a procedure and fabrication of linear phased array ultrasonic for focusing waves in low frequency, Iranian Journal of Manufacturing Engineering, Vol. 2, No. 4, pp. 47-56, 2016. (in Persian فارسی)
[21] Y. Hojjat, S. Ansari, M. R. Karafi, Numerical study of the geometric parameters effect on acoustic pressure of focal point of a linear phased array ultrasonic transducer, Iranian Journal of Manufacturing Engineering, Vol. 3, No. 1, pp. 33-40, 2016. (in Persian فارسی)
[22] M. Asadizadeh, Gas Turbine Structure: Mapna Group Operation and Maintenance. (in Persian فارسی)
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 18، شماره 9
دی 1397
صفحه 19-25