Probabilistic Fracture Mechanics of Forged Rotor Disks

Die in dieser Arbeit beschriebenen Ansätze und Methoden ermöglichen es, eine konservative Abschätzung der Versagenswahrscheinlichkeit (PoF ) von großen, stationären Gasturbinen aufgrund von inhärenten Schmiedefehlern zu berechnen. Die entwickelte Analysesoftware ProbFM berücksichtigt dabei die Variabilität der Eigenschaften von Material und inhärenten Schmiedefehlern von großen, stationären Gasturbinen. Die Ergebnisse, welche mit dieser Methode erzeugt werden, sind eine Versagenswahrscheinlichkeit als Funktion der Anzahl der Zyklen und Risikokarten der analysierten Komponenten, basierend auf den statistischen Eingabegrößen, wie zum Beispiel der Verteilungen von Material- und Fehlereigenschaften. ... mehrDie Risikokarten geben einen Einblick in die kritischen Bereiche einer Komponente und können zum Beispiel zur Optimierung von Ultraschalluntersuchungen verwendet werden. Die Methode liefert eine robuste, integrale bruchmechanische Bewertung und zeigt die bruchmechanisch kritischen Bereiche einer Komponente. Zusätzlich können unterschiedliche Betriebsbedingungen während der Lebensdauer einer Komponente berücksichtigt werden. Da die berechnete Versagenswahrscheinlichkeit als Funktion der Anzahl der Zyklen im Allgemeinen eine glatte Funktion ist, kann diese auch bei der Optimierung der Komponente in Bezug auf ihre Geometrie und Materialauswahl verwendet werden. Eine wesentliche Randbedingung bei der Entwicklung der beschriebenen Methode war, dass die berechnete Versagenswahrscheinlichkeit eine obere Abschätzung für die wirkliche Versagenswahrscheinlichkeit ist. Die Auswirkungen eines Rotorversagens einer großen, stationären Gasturbine können sehr schwerwiegend sein, da die gespeicherte kinetische Energie ungefähr der kinetischen Energie von 100 40t Lkws entspricht, wobei jeder mit einer Geschwindigkeit von 100km/h fährt.
Aus demselben Grund muss das akzeptable Risiko für ein Versagen sehr gering sein – üblicherweise in der Größenordnung von 1 in einer Million. Um solch geringe Risiken in einer Brute Force Monte Carlo Simulation zu beschreiben, ist eine große Anzahl (Millionen oder Milliarden) von individuellen Risssimulationen notwendig. Um solch einen rechentechnisch aufwändigen Ansatz zu realisieren, wurde der entwickelte Computer Code in Bezug auf kurze Rechenzeiten hin optimiert und ein effizienter Integrationsalgorithmus für einfache Differentialgleichungen entwickelt. Um die Berechnungszeit weiter zu reduzieren, wurde der Code für parallele Berechnung ausgelegt und auf bis zu 500 miteinander verbundenen CPUs getestet. Die entwickelte Methode ist spezifisch für große, stationäre Gasturbinen entwickelt worden, kann jedoch prinzipiell auch auf andere technische Komponenten, wie zum Beispiel Flugzeugtriebwerke, Dampfturbinen Komponenten und Generator Schmiedeteile, sowie für Teile aus z.B. Windkraftwerken angewendet werden. Zudem ermöglicht die entwickelte Methode das Risikomanagement der analysierten Komponenten, was ein wesentlicher Vorteil gegenüber der traditionellen deterministischen Safe Life Auslegung ist, welche keine Aussage über das zugehörige Risiko liefert.

The methodology described in this work enables the calculation of a conservative estimate of the Probability of Failure (PoF) of large land based gas turbines due to fatigue crack growth from inherent forging flaws. The developed Probabilistic Fracture Mechanics code (ProbFM ) accounts for the variability of material and inherent flaw properties in large rotor forgings of land based gas turbines. The results obtained by this method are Probability of Failure versus applied stress cycles and risk contour maps of the components based on the statistics of input quantities, i.e. ... mehrmaterial and flaw property distributions. Risk contour maps give insight into the critical areas of the component and this information can be used — for instance — to optimize ultrasonic inspections. The method yields an integral robust fracture mechanics evaluation and shows the fracture mechanical critical regions of the component. Furthermore, different operational conditions during the life cycle can be accounted for. As the calculated Probability of Failure versus applied stress cycles is in general a smooth function, it can be used in the optimization of component geometry and material selection. One major objective for the development of the methodology is that the calculated Probability of Failure has to be an upper bound of the real Probability of Failure. The consequences of a rotor failure can be severe, as the kinetic energy stored in a typical large gas turbine rotor is on the order of the kinetic energy of 100 40t trucks each traveling at 100km/h. For the same reason, the acceptable risk of failure has to be very low – typically on the order of one in a million. To resolve such small risks accurately in a Brute Force Monte Carlo Simulation, a large number (i.e. millions to billions) of individual crack assessment calculations have to be performed. To tackle such a computationally challenging approach, the developed code is optimized for fast calculation and a highly efficient ordinary differential equation solver has been developed. For additional speed, the code has been parallelized and tested on up to 500 interconnected CPUs simultaneously.
The developed method is geared towards large land-based gas turbine rotor forgings. However, it can be applied to other technical components including aero engines, steam turbine components and electrical generator forgings, as well as parts of renewable power plants. In general the method can also be applied to calculate the Probability of Failure of other technical components. It enables risk management, which is a significant improvement compared to the traditional deterministic safe life assessment which yields no information of associated risks.