Analisi FEM 3D e Verifica Statica e a Fatica del Rotore Di Una Turbina A Gas per Applicazioni Industriali

Per soddisfare le esigenze delle aziende che si avvalgono di impianti con turbine a gas, prossime alla fine della vita utile raccomandata dagli OEM, e aziende di produzione e di fornitura di servizi di riparazione e manutenzione di turbine a gas hanno sviluppato programmi di Life Time Evaluation and Extension (LTE). Questi programmi richiedono un elevato numero di analisi sul rotore assemblato e sui singoli componenti, dai controlli non distruttivi alle analisi FEM e CFD. Il presente lavoro, frutto di una collaborazione tra EthosEnergyGroup ed il Politecnico di Torino, costituisce una parte del programma di LTE riguardante la turbina F1625. L’obiettivo è determinare la vita utile del rotore turbina con l’ausilio di diverse analisi FEM nelle condizioni di regime. Nelle fasi di pre-analisi sono stati utilizzati i dati sui materiali, le geometrie CAD ed i risultati delle analisi dei flussi secondari e del flusso primario disponibili in azienda. Le proprietà termodinamiche e dinamiche dei due flussi sono state impiegate per determinare le condizioni al contorno del problema termo-strutturale e, in particolare, i coefficienti di scambio termico convettivo nelle zone del rotore turbina lambite da flussi primari e secondari. Per raggiungere lo scopo finale sono stati costruiti diversi modelli, mediante software ANSYS, adottando la tecnica del submodeling in grado di cogliere le criticità delle diverse geometrie. Su tali modelli sono state eseguite delle analisi termo-strutturali dei dischi turbina (con pale), degli spacer e degli stubshaft sfruttando il metodo del submodeling con l’obiettivo di valutare lo stato tensionale nella zona dei fori passanti attraversati dai tiranti. I risultati termici e meccanici sulle superfici di taglio, create per importare le condizioni al contorno da modello a submodel, vengono esportati per essere utilizzati nell’assieme dell’intero rotore turbina con particolare attenzione alla zona ove sono presenti fori e raccordi caricati a causa del montaggio tramite calettamento a caldo. Gli output di tali modelli vengono elaborati per effettuare una verifica a creep e a low cycle fatigue (LCF) seguendo i design criteria interni dell’azienda e stimando la vita del rotore. I risultati hanno mostrato uno stato tensionale coerente con le aspettative e aree critiche localizzate in punti che sono spesso esperienza di cedimento a fatica. Il modello si presta bene ad analisi predittive nel caso di variazioni sulla geometria con lo scopo di estendere la vita del rotore.