Stork herontwerpt LP Row 4 rotorbladen

Uitdaging

Stork Turbo Blading coördineerde het herontwerp van LP Row 4 rotorbladen voor een klant, vanwege problemen met eigenfrequenties, trillingen en vermoeiingsscheuren van rotorbladen.

Het herontwerp heeft ervoor gezorgd dat de bedrijfsfrequenties van de rotorbladen aanzienlijk zijn verwijderd van excitatiefrequenties, wat zorgt voor een langere levensduur en een verminderd risico op uitval als gevolg van vermoeidheid.

De klant

Een van onze Britse klanten vroeg of we eerdere ervaring en knowhow hadden met betrekking tot natuurlijke (eigen-) frequentiemodellering, stressanalyse en blade-herontwerp, met als primair doel het risico op falen te verminderen en de levensduur van het product te verlengen. Op basis van onze uitgebreide kennis van turbomachines is Stork deze uitdaging aangegaan en ervoor gezorgd dat de LP turbine langer operationeel blijft en dat de Natural (Eigen-) Frequencies zijn afgestemd op optimale bedrijfsomstandigheden.
 

Het herontwerp was nodig voor de vierde trap van een 660MW LP stoomturbine. De LP4 Rotor Blades hebben verschillende stadia van herontwerp ondergaan vanwege problemen met natuurlijke (Eigen-) Frequenties, het initiële herontwerp van Mark 1.0 naar Mark 2.0 is gedaan door de OEM. In samenwerking met de klant hebben onze experts alle wijzigingen zoals bedacht door de OEM in kaart gebracht om erachter te komen hoe de wijzigingen de eigenschappen van de bladen beïnvloedden. De onderstaande tabel belicht enkele belangrijke wijzigingen:

Markering          Ontwerpwijzigingen
Mark 1.0    Origineel ontwerp door OEM
Merk 1.1    Extra massa toegevoegd aan de bladpunt
Mark 1.3    Blend straal van Mark 2.0
Marcus 1,5    Marcus 1.0 met Marcus 2.0 Lijkwade
Mark 2.0    Verbeterd ontwerp door OEM

Hoewel het verbeterde ontwerp enkele problemen oploste, bleken Eigen Frequencies bij operationele snelheden nog steeds problematisch, de primaire problemen met de Mark 1.0 en de Mark 2.0 waren uitgebreide hoge cyclusvermoeidheidsscheuren van lijkwaden en visplaten met wat scheuren van bladwortel vastgepinde verbindingen.

Om dit probleem met scheurvorming als gevolg van centrifugale krachten en vermoeiingsspanning op te lossen, werd Stork gevraagd om een oplossing te bieden op basis van onze brede en diepgaande kennis van het gedrag van het mes, evenals ervaring met FEM-simulaties.

Simulatie

De simulatie is uitgevoerd in samenwerking met B&B-Agema uit Duitsland, en bestaat uit een gehele assemblage inclusief alle kleine onderdelen zoals borgpennen, verbindingsstukken, kappen, etc. Dit levert een zo nauwkeurig mogelijk resultaat op en geeft goed inzicht in het dynamische gedrag van de bladwiel- en bladbelastingen onder bedrijfsomstandigheden.
Stork zorgt ervoor dat de simulaties nauwkeurig zijn en controleert of de simulaties zo dicht mogelijk bij de werkelijke omstandigheden komen, met de juiste beperkingsselectie, mesh-configuratie, krachtrichtingen, bedrijfsomstandigheden enzovoort.

Fysieke materiaaleigenschappen werden ook fijn aangepast om het bestaande ontwerp nauwkeurig te berekenen en te simuleren en zo dicht mogelijk bij de werkelijkheid te komen. Om te controleren of de simulaties accuraat zijn, zijn validatie- en verificatiemetingen uitgevoerd, zoals frequentiemetingen en materiaaltesten. Het eindresultaat is een simulatie die zo dicht mogelijk bij de werkelijkheid komt. Statische en dynamische trillingsgegevens voor de mark 1.0- en mark 2.0-ontwerpen waren beschikbaar om verificatie van het model mogelijk te maken. Daarnaast werden trillingsmetingen met één blad uitgevoerd van zowel merk 1.0 als 2.0, en met de opnieuw ontworpen bladen om de waarden te vergelijken met de berekende waarden.

Oplossingen

Stork heeft de  rotorbladen opnieuw ontworpen met verschillende ontwerpwijzigingen, om voortdurend de effecten te controleren die minieme wijzigingen in het ontwerp van toepassing zijn op de Eigen-Frequenties, evenals piekspanningsniveaus in de componenten. Dit werd gedaan om ervoor te zorgen dat de ontwerpwijzigingen resulteren in het gewenste bladgedrag en de ontwerpeisen, en leidde tot verschillende nieuwe ontwerpmerken. Mark 3.1 bleek de juiste Eigen-Frequenties te hebben en optimale spanningsniveaus ruim binnen de materiaalspecificaties. Als zodanig is mark 3.1 het geprefereerde en voltooide ontwerp dat we onze klant hebben aanbevolen.

Markering          Ontwerpwijzigingen
Mark 2.1    Mark 2.0 met extra massa
Mark 3.0    Mark 2.1 met meer extra massa
Mark 3.1    Definitief ontwerp, uitgelijnde pennenbladen, afgeschuinde en vergrote pingaten

Met betrekking tot een optimale materiaalkeuze bewees Stork opnieuw zijn mogelijkheden door een nieuw materiaal voor de LP4-bladen met een hogere treksterkte te selecteren, om de toegenomen centrifugale krachten in de wortels als gevolg van de toegevoegde massa tegen te gaan. Dit werd gedaan om marges te behouden ten opzichte van de verhoogde wortelspanningen veroorzaakt door de zwaardere messen.

De verificatie en validatie is gedaan voor elk ontwerpkenmerk, hoe klein ook, om de invloeden op de natuurlijke (eigen-) frequenties en spanningsniveaus van dit specifieke blad in kaart te brengen. Hierdoor kon de invloed van de verschillende ontwerpwijzigingen op de dynamische frequenties worden bepaald.  

Voordelen

Het herontwerp van de bladen heeft de volgende voordelen opgeleverd:

• Tenietgedaan vermoeiingsscheur als gevolg van trillingen als gevolg van Eigen-Frequenties.

• Bereik een beter bladgedrag.

• Verhoogde de levensduur van de opnieuw ontworpen componenten.

• Verhoogde treksterkte door verschillende materiaalkeuze.

• Verminder het risico op defecte componenten.

• Beperk en verlaag piekdynamische spanningen.

• Afstemming van bladwiel weg van excitatie van resonante trillingen.

Stork heeft uitgebreide en diepgaande kennis van turbo machine componenten voor zowel Stoom- als Gasturbines. Wij zijn een cruciale partner en primaire troef voor de levensduur van uw turbomachines. Het herontwerp van de LP4 Rotor bladen is een aanvulling op ons uitgebreide portfolio en benadrukt nogmaals onze mogelijkheden als het gaat om engineering, materiaalaanbeveling, kwaliteitsborging en klanttevredenheid.

Kortom, we kunnen terugkijken op een geslaagd project en zijn tevreden dat onze klant tevreden was met het eindresultaat. We zullen blijven streven naar hoge kwaliteit en hard werken om wereldwijd een betrouwbare bron voor turbomachineonderdelen te blijven, terwijl we onze kennisbasis uitbreiden en onze technologieën upgraden om de hoogst mogelijke standaard te handhaven.