Skip to main content
SUPERVISOR
Saeed ZeiaeiRad,Ahmad KermanPour
سعید ضیائی راد (استاد مشاور) احمد کرمانپور (استاد راهنما)
 
STUDENT
Hossein Sepehri Amin
حسین سپهری امین

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1384

TITLE

Failure Analysis of Titanium Compressor Blades of Gas Turbines
The present project focuses on the failure analysis of high pressure gas turbine compressor blades in Hesa power plant. Five cases of premature failures happened in high pressure section of the compressor in Hesa power plant, three of which happened in the 9 th , one in the 10 th , and one in the 12 th stage of compressor. Since the latest failures happened in the 9 th row, and more information was available about them, the project focuses on the 9 th stage of compressor with Ti-6Al-4V blades. Fracture surfaces, cracked blade, different parts of the blade alloy, and also the disk alloy were metallurgically investigated. Chemical analysis, tensile test, hardness test, optical and electron microscopy and fractography analysis were performed on the samples. Also considering the steady working condition of the compressor, the stresses due to centrifugal forces in the dovetail of the blade and the disk were analyzed using numerical finite element method, and the stress distribution was studied. Fretting fatigue seems to be the dominant mechanism in the failure of the compressor blades. This mechanism is dominant when the two surfaces have very limited (less than 50 micron) relative movement, and undergo alternating loads. In order to become more familiar with this mechanism, its different characteristics, specifically fretting fatigue of Ti alloys, have been explained in the second chapter of this report. It seems that one of the main effective factors on the increasing the sever localized stress in the dovetail of blade and sever wear in this region is unsuitable overhaul of compressor and the lack of enough gap and distance in dovetail of the blade and disk, leading the root of blade to undergo more stresses during the service. In addition, the soft coating increases friction coefficient which leads to severe wear in the blade root and disk. This situation has led the fretting fatigue mechanism to be activated rapidly in this blade. According to the studies performed by different turbine producing companies such as Pratt Whitney in Canada, in addition to the need to control the installation of the blades on the disk, and also providing required equipments to carefully control the compressor’s bleeding valves, two suggestions have been offered to increase the resistance of Ti blades to fretting fatigue, which are as follows: Using suitable surfacing process and coating on the blades (such as sand blasting and using DLC or plasma nitration coatings), application of compression stresses (such as Low plasticity burnishing, LPB), or both.
در این پروژه علل شکست پره های کمپرسور فشار قوی توربین های گازی نیروگاه هسا از جنبه های متالورژیکی و مکانیکی مورد بررسی قرار گرفته است.. پنج مورد شکست زودهنگام در قسمت فشار قوی کمپرسور نیروگاه گازی هسا رخ داده است. از میان این شکست ها، سه مورد مربوط به ردیف نهم، یک مورد ردیف دهم و یک مورد ردیف دوازدهم بوده است. از آنجا که دو مورد اخیر شکست مربوط به ردیف نهم بوده و اطلاعات بیشتری از جمله پره های شکسته شده ردیف نهم در دست بود، پروژه حاضر بر روی پره های ردیف نهم از جنس آلیاژ Ti-6Al-4V متمرکز شده است. سطوح مقاطع شکست پره ها، پره های ترک خورده، و قسمتهای مختلف آلیاژ پره ها و نیز آلیاژ دیسک مورد بررسی های مختلف متالورژیکی قرار گرفت. آنالیز شیمیائی، آزمون کشش، سختی سنجی، زبری سنجی، بررسی های میکروسکوپی نوری و الکترونی، و آزمون های شکست نگاری انجام گردید. همچنین بر اساس شرایط حاکم بر کمپرسور در حالت پایای سرویس، شرایط تنش حاکم بر سیستم کام-زبانه پره و دیسک در اثر نیروی گریز از مرکز به روش عددی المان محدود مورد بررسی قرار گرفت و توزیع تنش در ریشه پره ارزیابی گردید. از مجموع بررسی های انجام شده مکانیزم خستگی سوهشی [1] به عنوان مکانیزم حاکم بر تخریب پره های کمپرسور مشخص گردید. این مکانیزم در شرایطی حاکم است که دو سطح در تماس با یکدیگر در معرض جابجائی نسبی بسیار کم (معمولا" کمتر از 50 میکرون) و شرایط بارگذاری نوسانی قراردارند. از این رو برای آشنائی بیشتر با این مکانیزم، ابتدا در فصل دوم به معرفی آن و ارائه خصوصیات مختلف پرداخته شده و نیز مشخصا" خستگی سوهشی آلیاژهای تیتانیم (جنس پره کمپرسور مورد نظر) تشریح گردیده است. به عنوان یکی از دلائل مؤثر در تشدید شرایط تنشی حاکم بر پره های شکسته شده، به نظر می‌رسد در مرحله اورهال کمپرسور و نصب پره های کمپرسور، فاصله و لقی کافی در کام دیسک در نظر گرفته نشده طوری که این پره در حین سرویس، دچار تنش های تماسی بیشتری قرار گرفته است. علاوه بر آن، وجود پوشش نرم باعث بالا رفتن ضریب اصطکاک شده که باعث سایش شدید ریشه پره و دیسک شده است. این وضعیت باعث گردیده است که مکانیزم خستگی سوهشی برای این پره با سرعت زیادی فعال شود. بر اساس مطالعات و بررسی های انجام شده و نظر به تحقیقات گسترده ای که در حال حاضر در کمپانی های سازنده این توربین ها از جمله Pratt Whitney کانادا در حال انجام می‌باشد، علاوه بر لزوم کنترل بیشتر و دقیقتر در مرحله نصب پره ها روی دیسک و همچنین نصب تجهیزات مناسب جهت کنترل دقیق‌تر عملکرد دریچه‌های اطمینان [2] کمپرسور، دو پیشنهاد مشخص برای افزایش مقاومت پره‌های تیتانیمی کمپرسور به خستگی سوهشی ارائه شده است. این پیشنهادات عبارتند از: استفاده از عملیات سطحی و پوشش دهی مناسب روی پره ها (نظیر ساچمه پاشی و استفاده از پوشش DLC و یا پوشش نیتراسیون پلاسمائی)، اعمال تنش های فشاری (نظیر روش جلادهی با پلاستیسیته کم

ارتقاء امنیت وب با وف بومی