Calculation methodology for turbine rotor fragment containment

Jivan, Mihai Ovidiu (2022). Calculation methodology for turbine rotor fragment containment. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The design process of gas turbine engines is complex, subjected to numerous regulations imposed by national and international authorities and driven by economical requirements in a competitive market. Within the design process, predictive analytical methods are used to determine the minimum case thickness necessary to contain the high-energy fragments that may be released by a compressor or turbine rotor failure. The current methodologies often lead to inaccurate results.

This study proposes a new analytical method to determine the minimum turbine case thickness required for the containment of a rotor fragment, based on investigation results from three distinct research areas: gas turbine rotor fragment containment, terminal ballistics, and finite element analysis.

The general agreement in the industry regarding fragment containment is that all the translational kinetic energy of the fragment is exchanged with the casing, the impact area is proportional with the blade dimensions, the fragment is considered not deformable, and the following blades contribution to the impact is negligible. The present research shows that a fraction of the translational kinetic energy of the fragment is exchanged with the casing and reveals that the deformation of the blade fragment and its interaction with the following blades are not negligible. In addition, it proves that contrary to the legacy modeling, the blade fragment airfoil does not significantly affect the casing, as the main damage is created by the bulky section (the shroud, the blade platform, or its root). Finally, this study highlights key differences between modeling the containment of a shrouded versus a shroudless blade fragment, aspects not considered in the current literature.

Some researchers, when characterizing the terminal ballistic model, assume the damage as resulting from shearing of the casing, while others assume tension and/or bending as primary failure modes. This thesis proposes a new methodology based on defining the threshold between the two main modes of failure, shearing and membrane stretching, as an established function of the fragment geometry and kinematic conditions.

The proposed methodology has been validated with results obtained during containment tests on two Pratt&Whitney engines deemed representative for large gas turbines: JT3D and JT8D. The casing material (A-286) has been characterized using the state-of-art material model definition (Johnson-Cook). The material curves have been calibrated with results obtained from tests performed at various strain rates and temperatures. The damage factor was determined from another series of tests as a surface function of different triaxialities and Lode parameters.

In summary, the present work proposes a new, refined analytical method to determine the minimum thickness required for a gas turbine case to successfully contain a single blade fragment released from the rotor. This improved model of the impact phenomenon leads to accurate results in the preliminary design phases, which translate subsequently in significant weight reduction.

Titre traduit

Méthode de calcul pour le confinement des fragments du rotor de turbines au gaz

Résumé traduit

Le processus de conception des turbines à gaz est complexe, soumis à de nombreuses réglementations imposées par les autorités nationales et internationales, et aussi gouverné par des impératifs économiques dans un marché concurrentiel. Partie intégrante de ce processus, les méthodologies analytiques actuelles utilisées pour déterminer l'épaisseur minimale de caissons de turbines à gaz mènent souvent à des résultats imprécis.

Cette étude propose une nouvelle procédure analytique pour déterminer l'épaisseur minimale du caisson de turbine requise pour le confinement d'un fragment de rotor. Cette méthode groupe les résultats d'investigation de trois domaines de recherche distincts: le confinement des fragments de rotor de turbine à gaz, la balistique terminale et l'analyse par éléments finis.

Les hypothèses généralement acceptées par l'industrie concernant le confinement des fragments sont que toute l'énergie cinétique de translation du fragment est échangée avec le caisson, que la zone d'impact est proportionnelle aux dimensions de la lame de l’aube, que le fragment est considéré comme non déformable et que l'impact des aubes suivantes est négligeable. Ce mémoire présente un modèle de confinement amélioré: l'énergie cinétique de translation du fragment est partiellement échangée avec le caisson, la déformation du fragment et son interaction avec les aubes suivantes ne sont pas négligeables. De plus, il s'avère que, contrairement à la modélisation traditionnelle, l'endommagement principal est créé par la section volumineuse (le pied, la plateforme ou le carénage) et non par la lame de l’aube. Enfin, cette étude met en évidence les principales différences entre la modélisation du confinement d'un fragment de l’aube carénée par rapport à un fragment de l’aube sans carénage, aspects non pris en compte dans la littérature actuelle.

Certains chercheurs, lors de la caractérisation du modèle balistique terminal, supposent que les dommages résultent du cisaillement du caisson, tandis que d'autres supposent que la tension et/ou la flexion sont les principaux modes de défaillance. Ce travail de maîtrise propose une nouvelle méthodologie qui considère les deux principaux modes de rupture, cisaillement et étirement, comme une fonction de la géométrie du fragment et des conditions cinématiques.

La méthode proposée a été validée avec des résultats obtenus lors d'essais de confinement sur deux moteurs Pratt&Whitney jugés représentatifs pour les grandes turbines à gaz: JT3D et JT8D. Le matériau du caisson (A-286) a été défini en utilisant le modèle de Johnson-Cook, qui est considéré comme le point de la technologie de définition du matériel en LS-DYNA. Les courbes de matériaux ont été calibrées avec les résultats obtenus à partir de essais effectués à différentes températures et vitesses de déformation. Le facteur de dommage des matériaux a été déterminé à partir d'une autre série d'essais en tant que fonction de surface de différentes triaxialités et de paramètres de Lode.

En résumé, ce mémoire propose une méthodologie analytique pour la conception préliminaire de caissons de turbines à gaz pour le confinement de fragments par suite d’une défaillance du rotor. Ce modèle amélioré du phénomène d'impact conduit à des résultats précis dans la phase de conception préliminaire et amène en conséquence des réductions de poids importantes.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement for a master’s degree with thesis in aerospace engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 203-210).
Mots-clés libres:	confinement, turbines au gaz, impact, fragment du rotor, défaillance du rotor, aube de turbine, LS-DYNA, Johnson-Cook
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Champliaud, Henri
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	24 août 2022 14:14
Dernière modification:	24 août 2022 14:14
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3057

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