La Progettazione di Componenti di Turbine Aeronautiche

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1 Politecnico di Milano, Seminario nell ambito del corso Comportamento Meccanico dei Materiali La Progettazione di Componenti di Turbine Aeronautiche G. Pasquero - Avio S.p.A. 1

2 Turbofan (330 KN, 5100 Kg, Φ 3 m, L 4.5 m) 2

3 PALA TURBINA HP 3

4 Progettazione di Componenti di Turbine Progetto di una paletta e di un disco Requisiti di progetto Scelta del materiale Scelta della geometria, macro e di dettaglio Calcolo della durata (missioni, carichi, resistenza dei materiali) Verifiche sperimentali Esperienze Progettazione probabilistica/robusta 4

5 Progettazione di una paletta rotore turbina Requisiti di Progetto Efficienza aerodinamica Efficacia del raffreddamento per minimizzare l aria spillata Peso Durata a fatica/creep in ambiente ossidante -corrosivo Costo Scelta del materiale/rivestimento Parametri importanti : Temperatura massima di esercizio Resistenza a fatica e creep Costo 5

6 Progettazione di una paletta rotore turbina Scelta della geometria La superficie esterna del profilo è determinata dall aerodinamica. La geometria dei canali interni da considerazioni di scambio termico. Gli spessori, i raggi di raccordo, l attacco pala-disco, il tegolo,... vengono dimensionati per ottenere tensioni compatibili con la resistenza a fatica/creep del materiale. Fenomeni che limitano la durata Creep Fatica LCF, HCF, fretting Ossidazione/Corrosione Usura 6

7 Processo di calcolo della durata (weak link) Missione Carichi (t) Temperature (t) Tensioni (t) Qualità lavorazioni Qualità materiale Durata Resistenza del materiale 7

8 Prova di durata di certificazione (FAR) hot day block test cycle. Ciclo di 6 ore da ripetere 25 volte (150 ore) Missioni Velocità di Rotazione Tempo 8

9 Calcolo a Creep L impostazione del progetto viene fatta considerando gli stress centrifughi stazionari 9

10 Calcolo a Fatica Carichi da considerare Verifica a LCF-Fatica termica carico centrifugo panorami termici disuniformi e variabili nel tempo flessione Verifica ad HCF carichi statici vibrazioni 10

11 Diagramma di Campbell frequenza i EO tors2 tors1 j EO flex1 min max velocità di rotazione 11

12 Stress alterni in ogni modo di vibrare (HCF) Deformata Spostamenti Stress alterni 12

13 Verifica ad HCF, per ogni risonanza (T) Stress alterno LdF 1E7 cicli, verificato sperimentalmente con prove al banco su pale vere (shaker) Fonti di in certezza - poche pale strumentate con S/G - affidabilità delle misure - occasionali strisciamenti con liner - FOD Curva di progetto 50% B Curva minima (-3σ) A UTS Tutti i nodi del modello FE per ogni modo, tarato su telemetria Stress medio Margine ad HCF = (B-A)/B 13

14 Prova motore con telemetria Alla paletta vengono applicati estensimetri da alta temperatura e termocoppie, che vengono alimentati/letti da una batteria+elettronica rotante e inviati a un antenna radio rotante Registratore fisso 14

15 Diagramma di Campbell (Telemetria) 15

16 Prove di HCF su pale al banco 16

17 Rottura per LCF-fretting Gennaio velivolo B777 Emirates - motore Trent800 (RR) - palette Fan Causa: fatica-fretting a seguito di erosione del rivestimento sull attacco pala-disco 17

18 Cricche per HCF 18

19 Progettazione di un disco turbina Criteri di Progetto Velocità di esplosione (F.A.R. - J.A.R.) Peso Durata a LCF (creep, HCF) Costo Scelta del materiale Parametri importanti : Temperatura massima di esercizio Resistenza statica, a fatica, sensibilità ai difetti Costo I materiali ultraresistenti ottenuti con metallurgia delle polveri si sono rivelati inizialmente troppo sensibili ai difetti. La sensibilità ai difetti a partire dagli anni 90 ha determinato una svolta nell introduzione dei nuovi materiali (DT) 19

20 Progettazione di un disco turbina Scelta della geometria La macro-geometria viene scelta per soddisfare il requisito della velocità di esplosione con il minimo peso, mantenendo le tensioni nominali massime entro limiti suggeriti dall esperienza per non pregiudicare la durata a fatica. I dettagli vengono disegnati per limitare le tensioni locali massime (esempio di raffinatezza : il doppio raggio sul fondo dente degli attacchi a pino rovescio) Calcolo della durata LCF Oltre agli stress centrifughi variabili, legati alle escursioni del numero di giri nel tempo, un contributo importante è dato dagli stress termici, dovuti ai transitori di riscaldamento-raffreddamento del disco a seguito di variazioni di giri del motore. La caratterizzazione dei materiali per l LCF dei dischi ciene fatta con prove in controllo di deformazione con Re = 0, ricavando curve alla Manson-Coffin. Oveunque è possibile viene usata la regola lineare per il calcolo della deformazione negli intagli, dato che richiede solo il calcolo elastico per la missione. 20

21 Esempio di caratterizzazione LCF ε (%) plastica elastica ε (%) 0.1 R(stress) E+03 1.E+04 1.E+05 1.E N cicli 21

22 Effetto del tempo di permanenza a carico elevato (dwell time) durante una prova di propagazione di cricche ad alta temperatura Risultati per il Waspaloy (superlega di nichel) : A 550 C non c è differenza tra con e senza dwell. A 600 C, con dwell la durata scende di un fattore circa 10, a 650 C di un fattore circa 20. Questo effetto è causato da un cambio nel modo microstrutturale di propagazione, da transgranulare a intergranulare, ovvero con cedimento del bordo grano per ossidazione. Infatti l effetto non si verifica nel vuoto. 22

23 Rottura per LCF Aprile velivolo A300 Egypt Air - motore CF6-50C2 (GE) -disco HPC voli Maggio velivolo DC-10 Thai - motore CF6-50C2B -disco HPC voli Causa: difetto nel materiale del forgiato (Ti6242), colonia allineata di inclusioni hard alfa (+ dwell time effect) 23

24 Rottura per LCF PENSACOLA ACCIDENT Luglio velivolo MD88 Delta -motore JT8D (PWA) -disco LPC voli 2 morti, 3 feriti Causa: difetto di lavorazione (foratura fori profondi), e di ispezione (cricche non viste in revisione) Caso analogo 17-feb-82 JT8D su Boeing 727 PanAm 24

25 Progettazione probabilistica Stochastic Design Improvement Il progetto di un componente deve in genere soddisfare più obiettivi, la ricerca delle soluzioni avviene mediante la cosiddetta ottimizzazione multi-obiettivo. Ad es. un disco turbina deve avere peso minimo compatibile con una velocità di esplosione fissata. La forma viene parametrizzata (raggi, spessori, angoli) e viene calcolato un numero molto elevato di soluzioni, da cui emerge una geometria deterministica ottima. Robust Design La geometria migliore in senso deterministico può non essere la migliore in presenza di tolleranze sui parametri. Introducendo le tolleranze sui parametri (determinate in base alla process capability dei vari processi di produzione), cerco una nuova soluzione che è la meno sensibile alla variazione dei parametri di input del progetto (es. tolleranze di lavorazione, dispersione della resistenza del materiale, temperatura di funzionamento,.. ). Da questa analisi ottengo anche l influenza che i vari parametri hanno sugli obiettivi e si possono stabilire le tolleranze in modo logico, anzichè affidarsi alla tradizione, richiedendo precisioni di lavorazione (costi) spesso non necessarie. 25

26 Ottimizzazione del peso di un disco 26