مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

تاثیر هندسه تماس بر دامنه لغزش و فشار تماسی در خستگی سایشی ریشه پره توربین

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
صبا شیرزادی
احسان بدری‌کوهی
سعید ادیب‌نظری
دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران
چکیده
پره‌های توربین به علت کارکرد در شرایط بحرانی در معرض تنش‌های مکانیکی و حرارتی بوده و دچار آسیب‌های مختلفی از قبیل خستگی و سایش می‌شوند که منجر به کاهش عمر پره‌ها از طریق تسریع روند جوانه‌زنی و رشد ترک خواهد شد. در این مقاله با استفاده از مدل المان محدود دوبعدی، اثر سه پارامتر هندسی طول ناحیه تماس، زاویه ناحیه تماس و ضریب اصطکاک بر دامنه‌ لغزشی و فشار تماسی در ریشه‎‌ پره توربین مورد بررسی قرار گرفته است. مقایسه نتایج تحلیل با خرابی‌های مشاهده شده روی پره توربین با استفاده از میکروسکوپ الکترونی، انطباق آسیب‌های پیش‌بینی شده با آسیب‌های به وقوع پیوسته را نشان می‌دهد. نتایج حاصل از تحلیل پره نشان می‌دهد که با حرکت از لبه بالایی تماس به سمت لبه پایینی، مقدار فشار تماسی به تدریج افزایش می‌یابد و ماکزیمم فشار تماسی در نزدیکی لبه پایینی تماس اتفاق می‌افتد. براساس نتایج به‌دست آمده، در هر مرحله افزایش ضریب اصطکاک، افزایش زاویه تماس و افزایش طول ناحیه‌ تماس، مقادیر دامنه لغزش به ترتیب در حدود ۲۶%، ۱۹% و ۱۰% و فشار تماسی به ترتیب در حدود ۳۵%، ۱۵% و ۵% کاهش پیدا می‌کند. همچنین افزایش زاویه ناحیه تماس و ضریب اصطکاک به ترتیب محدوده‌ جدایش در لبه‌های تماس بالایی در دو سمت نمونه را افزایش می‌دهد. این در حالی‌ است که افزایش طول ناحیه‌ تماس تغییر قابل توجه‌ای در محدوده‌ ناحیه‌ جدایش در نزدیکی لبه‌ بالایی تماس نمونه ایجاد نمی‎‌کند.
کلیدواژه‌ها
خستگی سایشی
میکروسکوپ الکترونی
آسیب‌های فرتینگ
دامنه‌ لغزش
فشار تماسی

موضوعات

عنوان مقاله English

Effect of Contact Geometry on the Slip Amplitude and Contact Pressure in Fretting Fatigue of a Turbine Blade Root

نویسندگان English

S. Shirzadi
E. Badri-kouhi
S. Adibnazari
Department of Aerospace Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

Turbine blades are exposed to mechanical and thermal stresses due to their operation in critical conditions that lead to various damages such as fatigue and wear. These factors reduce the blades life cycle by accelerating the cracking process. In this paper, the effects of three geometric parameters including the contact length, the contact angle, and the surface friction coefficient on relative slip amplitude and contact pressure values in the turbine blade root were investigated using a two-dimensional finite element model. Comparing the results of the analysis with the actual blade damages by use of scanning electron microscopy shows acceptable consistency between predicted damage site and the actual blade damages. The results of the blade analysis indicate that by moving from the top of the contact edge to the bottom, the contact pressure increases gradually and its maximum occurs near the lower edge of the contact. According to the results, the prescribed increments in the coefficient of friction, the contact angle, and the length of contact, respectively decrease the slip amplitude by 26%, 19%, and 10% and also decrease the contact pressures by 35%, 15%, and 5%. In addition, increasing contact angle and coefficient of friction increase the opening region length at the upper edge on both sides of the blade root. While increasing the contact length has no considerable effect on the length of this region.


کلیدواژه‌ها English

Fretting fatigue
SEM
Fretting Damage
Slip Amplitude
Contact pressure
Hattori T, Kien VT, Yamashita M. Fretting fatigue life estimations based on fretting mechanisms. Tribology International. 2011;44(11):1389-1393. [Article] [DOI:10.1016/j.triboint.2010.10.020]
Kermanpur A, Sepehri Amin H, Ziaei-Rad S, Nourbakhshnia N, Mosaddeghfar M. Failure analysis of Ti6Al4V gas turbine compressor blades. Engineering Failure Analysis. 2008;15(8):1052-1064. [Article] [DOI:10.1016/j.engfailanal.2007.11.018]
Shi L, Wei DS, Wang YR, Tian AM, Li D. An investigation of fretting fatigue in a circular arc dovetail assembly. International Journal of Fatigue. 2016;82(Pt 2):226-237. [Article] [DOI:10.1016/j.ijfatigue.2015.07.025]
ASTM International. ASTM E2789-10(2015) standard guide for fretting fatigue testing [Internet]. West Conshohocken: ASTM International; 2015 [Unknown cited]. Available from: https://www.astm.org/Standards/E2789.htm. [Article]
Hills DA, Nowell D. Mechanics of fretting fatigue. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers; 1994. pp. 9-122. [Article] [DOI:10.1007/978-94-015-8281-0_2]
Rajasekaran R, Nowell D. Fretting fatigue in dovetail blade roots: Experiment and analysis. Tribology International. 2006;39(10):1277-1285. [Article] [DOI:10.1016/j.triboint.2006.02.044]
Kanth PS. 2D & 3D FE analysis of fir-tree joints in aeroengine discs [Dissertation]. Toronto: University of Toronto; 1998. [Article]
Ruiz C, Boddington PHB, Chen KC. An investigation of fatigue and fretting in a dovetail joint. Experimental Mechanics. 1984;24(3):208-217. [Article] [DOI:10.1007/BF02323167]
Ruiz C, Nowell D. Designing against fretting fatigue in aeroengines. European Structural Integrity Society. 2000;26:73-95. [Article] [DOI:10.1016/S1566-1369(00)80043-6]
Papanikos P, Meguid SA, Stjepanovic Z. Three-dimensional nonlinear finite element analysis of dovetail joints in aeroengine discs. Finite Elements in Analysis and Design. 1998;29(3-4):173-186. [Article] [DOI:10.1016/S0168-874X(98)00008-0]
Conner BP, Nicholas T. Using a dovetail fixture to study fretting fatigue and fretting palliatives. Journal of Engineering Materials and Technology. 2003;128(2):133-141. [Article] [DOI:10.1115/1.2172272]
Golden PJ. Development of a dovetail fretting fatigue fixture for turbine engine materials. International Journal of Fatigue. 2009;31(4):620-628. [Article] [DOI:10.1016/j.ijfatigue.2008.03.017]
Golden PJ, Nicholas T. The effect of angle on dovetail fretting experiments in Ti‐6Al‐4V. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 2005;28(12):1169-1175. [Article] [DOI:10.1111/j.1460-2695.2005.00956.x]
Golden PJ, Calcaterra JR. A fracture mechanics life prediction methodology applied to dovetail fretting. Tribology International. 2006;39(10):1172-1180. [Article] [DOI:10.1016/j.triboint.2006.02.006]
Poursaeidi E, Salavatian M. Fatigue crack growth simulation in a generator fan blade. Engineering Failure Analysis. 2009;16(3):888-898. [Article] [DOI:10.1016/j.engfailanal.2008.08.016]
Hahn Y, Cofer JI. Design study of dovetail geometries of turbine blades using abaqus and isight. ASME Proceedings Structures and Dynamics Parts A and B. 2012;7:11-20. [Article] [DOI:10.1115/GT2012-68566]
Anandavel K, Prakash RV. Effect of three-dimensional loading on macroscopic fretting aspects of an aero-engine blade-disc dovetail interface. Tribology International. 2011;44(11):1544-1555. [Article] [DOI:10.1016/j.triboint.2010.10.014]
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 19، شماره 10
مهر 1398
صفحه 2409-2418