Skip to main content
SUPERVISOR
Saeed ZeiaeiRad,Ahmad KermanPour
سعيد ضيائي راد (استاد مشاور) احمد کرمانپور (استاد راهنما)
 
STUDENT
Hossein Sepehri Amin
حسين سپهري امين

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.
چکيده در اين پروژه علل شکست پره هاي کمپرسور فشار قوي توربين هاي گازي نيروگاه هسا از جنبه هاي متالورژيکي و مکانيکي مورد بررسي قرار گرفته است.. پنج مورد شکست زودهنگام در قسمت فشار قوي کمپرسور نيروگاه گازي هسا رخ داده است. از ميان اين شکست ها، سه مورد مربوط به رديف نهم، يک مورد رديف دهم و يک مورد رديف دوازدهم بوده است. از آنجا که دو مورد اخير شکست مربوط به رديف نهم بوده و اطلاعات بيشتري از جمله پره هاي شکسته شده رديف نهم در دست بود، پروژه حاضر بر روي پره هاي رديف نهم از جنس آلياژ Ti-6Al-4V متمرکز شده است. سطوح مقاطع شکست پره ها، پره هاي ترک خورده، و قسمتهاي مختلف آلياژ پره ها و نيز آلياژ ديسک مورد بررسي هاي مختلف متالورژيکي قرار گرفت. آناليز شيميائي، آزمون کشش، سختي سنجي، زبري سنجي، بررسي هاي ميکروسکوپي نوري و الکتروني، و آزمون هاي شکست نگاري انجام گرديد. همچنين بر اساس شرايط حاکم بر کمپرسور در حالت پاياي سرويس، شرايط تنش حاکم بر سيستم کام-زبانه پره و ديسک در اثر نيروي گريز از مرکز به روش عددي المان محدود مورد بررسي قرار گرفت و توزيع تنش در ريشه پره ارزيابي گرديد. از مجموع بررسي هاي انجام شده مکانيزم خستگي سوهشي [1] به عنوان مکانيزم حاکم بر تخريب پره هاي کمپرسور مشخص گرديد. اين مکانيزم در شرايطي حاکم است که دو سطح در تماس با يکديگر در معرض جابجائي نسبي بسيار کم (معمولا" کمتر از 50 ميکرون) و شرايط بارگذاري نوساني قراردارند. از اين رو براي آشنائي بيشتر با اين مکانيزم، ابتدا در فصل دوم به معرفي آن و ارائه خصوصيات مختلف پرداخته شده و نيز مشخصا" خستگي سوهشي آلياژهاي تيتانيم (جنس پره کمپرسور مورد نظر) تشريح گرديده است. به عنوان يکي از دلائل مؤثر در تشديد شرايط تنشي حاکم بر پره هاي شکسته شده، به نظر مي‌رسد در مرحله اورهال کمپرسور و نصب پره هاي کمپرسور، فاصله و لقي کافي در کام ديسک در نظر گرفته نشده طوري که اين پره در حين سرويس، دچار تنش هاي تماسي بيشتري قرار گرفته است. علاوه بر آن، وجود پوشش نرم باعث بالا رفتن ضريب اصطکاک شده که باعث سايش شديد ريشه پره و ديسک شده است. اين وضعيت باعث گرديده است که مکانيزم خستگي سوهشي براي اين پره با سرعت زيادي فعال شود. بر اساس مطالعات و بررسي هاي انجام شده و نظر به تحقيقات گسترده اي که در حال حاضر در کمپاني هاي سازنده اين توربين ها از جمله Pratt Whitney کانادا در حال انجام مي‌باشد، علاوه بر لزوم کنترل بيشتر و دقيقتر در مرحله نصب پره ها روي ديسک و همچنين نصب تجهيزات مناسب جهت کنترل دقيق‌تر عملکرد دريچه‌هاي اطمينان [2] کمپرسور، دو پيشنهاد مشخص براي افزايش مقاومت پره‌هاي تيتانيمي کمپرسور به خستگي سوهشي ارائه شده است. اين پيشنهادات عبارتند از: استفاده از عمليات سطحي و پوشش دهي مناسب روي پره ها (نظير ساچمه پاشي و استفاده از پوشش DLC و يا پوشش نيتراسيون پلاسمائي)، اعمال تنش هاي فشاري (نظير روش جلادهي با پلاستيسيته کم

ارتقاء امنیت وب با وف بومی