Gasturbinen zählen zu den mit am höchsten belasteten Maschinen. Betriebsdrücke sowie insbesondere hohe Temperaturen und die daraus resultierenden Beanspruchungen stellen den Berechnungsingenieur vor große Herausforderungen. Das mechanische Verhalten von Gasturbinen ist zudem dadurch geprägt, dass Werkstoffe ein hohes nichtlineares Verhalten mit temperaturgetriebenen Langzeiteinflüssen aufweisen und Kontaktsituationen der Bauteile komplex sind.
Gleichzeitig ist die Entwicklung von Gasturbinen dadurch geprägt, die Lebensdauer bei gleichzeitiger Verlängerung der Wartungsintervalle zu erhöhen. Die SIEMENS AG ist daher an unser Unternehmen mit der Fragestellung herangetreten, den Einfluss von Fertigungstoleranzen auf die Lebensdauer einer Gasturbine zu untersuchen. Konkret sollte die Lebensdauer eines Gasturbinengehäuses im LCF-Bereich untersucht werden.
Die Fertigungstoleranzen wurden zunächst an Gasturbinengehäusen durch 3D-Laservermessung erfasst. Basierend auf den Messdaten wurden CAD-Modelle des Ist-Zustandes der Gasturbinengehäuse erstellt. Herausforderung hierbei war das Handling der großen Datenmengen sowie die Erstellung von parametrisierten CAD-Modellen als Voraussetzung für die nachfolgende Sensitivitätsanalyse mit dem Programmsystem OptiSlang. Zur Erhöhung der Anzahl an Geometrievariationen wurden zusätzlich künstliche Geometrien auf Basis der vermessenen Gasturbinengehäuse durch sogenannte synthetische Zufallsfeldmodelle erstellt.
Basierend auf den gemessenen und virtuell erstellen parametrisierten CAD-Daten wurden im Rahmen der Sensitivitätsanalyse eine Vielzahl an transienten thermomechanischen Berechnungen durchgeführt. Die Ergebnisse aller Berechnungen wurden anschließend mit der LCF‑Software „Siemens GT“ hinsichtlich der Lebensdauer ausgewertet.
Im Ergebnis konnten die Toleranzen und Geometrieparameter identifiziert werden, die einen signifikanten oder keinen maßgeblichen Einfluss auf die Lebensdauer der Gasturbine haben. Basierend auf diesen Erkenntnissen können Toleranzfelder des Gasturbinengehäuses neu definiert werden, um Wartungsintervalle und damit auch die Lebensdauer der Gasturbine zu verlängern sowie Fertigungskosten zu reduzieren.
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