Fe analysis of a steam turbine HP rotor blade stage concerning material effort, dynamic properties and creep damage assessment

This paper is concerned with the 1st stage of HP rotor blade assembly steam turbine TK 120. The methodology was focused on the selection of mechanical properties and the way of the rotor disc modeling and estimating the degree of damage caused by creep. Then the dynamic interference between the frequencies of excitation and the natural frequencies was assessed. Static calculations were performed for the cyclic sectors consisting of the disc, disc blades, spacers and shrouding, including loads as temperature, mass forces from the angular velocity and the pressure on the blades. Then, the creep analysis using a Norton’s model and the modal analysis were performed. Static analysis gave information concerning the distributions of displacements, stress and strain components. In the creep analysis, the creep displacements and stress relaxation versus time were determined and the estimated degree of damage caused by creep was evaluated at each part of the rotor disc. In the modal analysis, the natural frequencies and modes of vibrations corresponding to the nodal diameters were found. The results of modal analysis were shown in the SAFE graph. Numerical calculations have shown that the rotor disc was a well-designed structure and did not reveal any dynamic interference.

Praca dotyczyła pierwszego stopnia wysokoprężnej części wirnika turbiny parowej TK 120. Przedstawiono metodykę doboru właściwości mechanicznych, sposobu modelowania wirnika, szacowania stopnia zużycia spowodowanego pełzaniem oraz oceny interferencji dynamicznych pomiędzy częstościami wymuszeń a częstościami drgań własnych. W obliczeniach statycznych modelu tarczy wirnika z łopatkami, przekładkami i bandażem wykorzystano cykliczną symetrię, z uwzględnieniem temperatury, sił masowych od wirowania i ciśnienia na łopatkach. Następnie przeprowadzono analizę pełzania według modelu Nortona oraz analizę modalną. W obliczeniach statycznych wyznaczono rozkłady przemieszczeń, odkształceń i naprężeń. W analizie pełzania wyznaczono przemieszczenia pełzania i relaksację naprężeń w czasie oraz oszacowano stopień zużycia ze wzgledu na pełzanie w poszczególnych częściach wirnika turbiny. W analizie dynamicznej wyznaczono częstości i postacie drgań własnych odpowiadajace poszczególnym średnicom węzłowym. Wyniki analizy modalnej przedstawiono na wykresie SAFE. Obliczenia numeryczne wykazały, że wirnik jest konstrukcją dobrze zaprojektowaną i nie wykazującą interferencji dynamicznych.