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弾性クリープ解析によるガスタービンホイールの寿命予測

目的

発電用ガスタービンホイールについて、実働運転条件での各部の温度および応力・ひずみ応答をFEM解析により求め、設計条件における疲労寿命評価を行うことを目的とした。

方法

(1)タービンホイールについて実働運転状態における熱境界条件を設定して熱伝導解析を行った。さらにこの温度条件のもとで設計圧力と回転数の履歴を付与して弾性クリープ解析を行い、ホィール各部の応力・ひずみ応答を求めた(図1)。
(2)もっとも条件の厳しい部位においては運転サイクル毎のクリープ損傷量と疲労損傷量を算出し、線形損傷則および延性消耗則を適用して、タービンホイールの寿命の推定を行った。

試験装置・ソフト

非線形汎用有限要素コード ABAQUS

結果

・使用材料(超合金)のクリープ構成式としてdε/dt=a*σ^n(T)*exp(-b/T)型の定式化を行うことにより広い温度領域にわたって非常に良好な応力と定常クリープ歪速度の関係が得られた(図2)。
・このクリープ構成式を用いてFEM弾性クリープ解析を実施し、タービンホイールの実働運転状態における各部の応力・ひずみ応答の履歴が得られた(図1)。
・毎運転サイクルにおける応力範囲による疲労損傷と、定常運転中の保持応力によるクリープ損傷が累積し、その累積値がある一定値になると寿命と考える線形損傷和則を適用して、実機の寿命が設計寿命を確保できると推定された(図3)。

お客様の成果

FEM解析を活用したクリープ疲労条件下での寿命推定手法を提案したことで、顧客の設計開発のリードタイム短縮およびコストダウンに貢献すると共に、保守時期の適正化や安全性の確保にも役立った。

イメージ ※クリックすると拡大します。

  • 図1 定常回転数におけるタービンホィールの相当応力分布
  • 図2 使用した超合金材料のクリープ構成式モデルと実測値の比較
  • 図3 寿命計算に用いた最大応力部の応力の時刻歴

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