Propagazione della cricca in componenti rotorici di una Turbina a Gas mediante Meccanica della Frattura Lineare Elastica = Crack Propagation in Rotating Components of a Gas Turbine Using Linear Elastic Fracture Mechanics

La meccanica della frattura è una branca della meccanica che si occupa di studiare la propagazione delle cricche all’interno dei materiali. Secondo questa disciplina, si assume che ogni struttura contenga un difetto intrinseco destinato a propagarsi; la teoria mira a prevedere le modalità e i tempi di tale propagazione. Nel presente lavoro, svolto presso Ethos Energy Italia S.p.a, è stata utilizzata la teoria della meccanica della frattura lineare elastica (Linear elastic fracture mechanics - LEFM) per valutare l’effetto delle cricche nelle aree più sollecitate dei componenti rotanti di una turbina a gas di classe F. In particolare, mediante l'utilizzo del software Ansys Mechanical e attraverso un'analisi agli elementi finiti (Finite Element Method - FEM), lo studio ha affrontato la modellizzazione delle cricche e il calcolo dei fattori di intensificazione delle tensioni (stress intensity factors - SIFs), parametri chiave per stimare la vita a fatica residua mediante la legge di Paris. Il modello di propagazione di Paris ha permesso di stimare il numero di cicli di carico che i componenti della turbina possono sopportare prima che la cricca propaghi in modo instabile, portando a una rottura catastrofica. L’obiettivo della tesi è stabilire se una cricca presente in una zona critica dei dischi turbina possa compromettere il raggiungimento del target di vita di progetto richiesto. In particolare, l'attività consiste nel calcolo del numero di cicli prima del collasso e nel confronto con l’obiettivo di vita per tutti i componenti rotanti della turbina in esame. Durante un'analisi preliminare dei componenti, è stato notato che alcune aree sono soggette a forze che superano la tensione di snervamento del materiale, rendendo impossibile l’utilizzo della teoria LEFM, la quale presuppone la propagazione della cricca in campo lineare ed elastico. Pertanto, in questi casi, è stata utilizzata la meccanica della frattura elasto-plastica (Elastic plastic fracture mechanics - EPFM), che sostituisce lo Stress Intensity Factor (SIF) con l’integrale J (J integral - J-int) e considera la plasticizzazione del materiale all’apice della cricca. Questo lavoro ha permesso di comprendere l’influenza delle dimensioni e della posizione del difetto sulla vita utile dei dischi turbina e pone, inoltre, le basi per il raffinamento dello studio sugli stessi componenti e per l’estensione di studi analoghi ad altre macchine.