Probabilistic Fracture Mechanics of Forged Rotor Disks
Creators: name: Amann, Christian
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2017
Subjects: Probabilistic
Fracture mechanics

description: Die in dieser Arbeit beschriebenen Ansätze und Methoden ermöglichen es, eine konservative Abschätzung der Versagenswahrscheinlichkeit (PoF ) von großen, stationären Gasturbinen aufgrund von inhärenten Schmiedefehlern zu berechnen. Die entwickelte Analysesoftware ProbFM berücksichtigt dabei die Variabilität der Eigenschaften von Material und inhärenten Schmiedefehlern von großen, stationären Gasturbinen. Die Ergebnisse, welche mit dieser Methode erzeugt werden, sind eine Versagenswahrscheinlichkeit als Funktion der Anzahl der Zyklen und Risikokarten der analysierten Komponenten, basierend auf den statistischen Eingabegrößen, wie zum Beispiel der Verteilungen von Material- und Fehlereigenschaften. Die Risikokarten geben einen Einblick in die kritischen Bereiche einer Komponente und können zum Beispiel zur Optimierung von Ultraschalluntersuchungen verwendet werden. Die Methode liefert eine robuste, integrale bruchmechanische Bewertung und zeigt die bruchmechanisch kritischen Bereiche einer Komponente. Zusätzlich können unterschiedliche Betriebsbedingungen während der Lebensdauer einer Komponente berücksichtigt werden. Da die berechnete Versagenswahrscheinlichkeit als Funktion der Anzahl der Zyklen im Allgemeinen eine glatte Funktion ist, kann diese auch bei der Optimierung der Komponente in Bezug auf ihre Geometrie und Materialauswahl verwendet werden. Eine wesentliche Randbedingung bei der Entwicklung der beschriebenen Methode war, dass die berechnete Versagenswahrscheinlichkeit eine obere Abschätzung für die wirkliche Versagenswahrscheinlichkeit ist. Die Auswirkungen eines Rotorversagens einer großen, stationären Gasturbine können sehr schwerwiegend sein, da die gespeicherte kinetische Energie ungefähr der kinetischen Energie von 100 40t Lkws entspricht, wobei jeder mit einer Geschwindigkeit von 100km/h fährt.
Aus demselben Grund muss das akzeptable Risiko für ein Versagen sehr gering sein – üblicherweise in der Größenordnung von 1 in einer Million. Um solch geringe Risiken in einer Brute Force Monte Carlo Simulation zu beschreiben, ist eine große Anzahl (Millionen oder Milliarden) von individuellen Risssimulationen notwendig. Um solch einen rechentechnisch aufwändigen Ansatz zu realisieren, wurde der entwickelte Computer Code in Bezug auf kurze Rechenzeiten hin optimiert und ein eﬃzienter Integrationsalgorithmus für einfache Diﬀerentialgleichungen entwickelt. Um die Berechnungszeit weiter zu reduzieren, wurde der Code für parallele Berechnung ausgelegt und auf bis zu 500 miteinander verbundenen CPUs getestet. Die entwickelte Methode ist speziﬁsch für große, stationäre Gasturbinen entwickelt worden, kann jedoch prinzipiell auch auf andere technische Komponenten, wie zum Beispiel Flugzeugtriebwerke, Dampfturbinen Komponenten und Generator Schmiedeteile, sowie für Teile aus z.B. Windkraftwerken angewendet werden. Zudem ermöglicht die entwickelte Methode das Risikomanagement der analysierten Komponenten, was ein wesentlicher Vorteil gegenüber der traditionellen deterministischen Safe Life Auslegung ist, welche keine Aussage über das zugehörige Risiko liefert.