The purpose of this study is to suggest a method for the efficient preventive maintenance of aircraft gas turbine engine turbine blades. For this study, the types and characteristics of gas turbine engines and its turbine blades were studied, the turbine blade defect types that caused an In-Flight Shut Down(IFSD) were analyzed, the blade failure rate according to the blade life cycle was analyzed through the Weibull distribution, one of the statistical techniques. Through these research results, it is possible to supplement the problems of the life cycle management and maintenance method of the turbine blade, and to suggest the measures to strengthen the preventive maintenance of the turbine blade. In this analysis, when total cycle of turbine blade exceeds 18,000 cycles, the failure rate is over 98%, and then the special management measures are required.
Advancements in materialistic life styles and increasing awareness about adverse climatic changes and its negative effects on human life have been the driving force of finding new and clean sources of energy. Wind power has become technologically mature and commercially acceptable on global scale. However, fossil fuels have been the major sources of energy in most countries, renewable energy (particularly wind) is now booming worldwide. To cope with this wind energy technology, various related aspects have to be understood by the scientific, engineering, utility, and contracting communities. This study is an effort towards the understanding of the (i) wind turbine blade and tower structural stability issues, (ii) turbine blade and tower failures and remedial measures, (iii) weather and seismic effects on turbine blade and tower failures, (iv) gear box failures, and (v) turbine blade and tower failure analysis tools.
KIEE International Transaction on Electrical Machinery and Energy Conversion Systems
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제5B권1호
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pp.78-83
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2005
Currently in Japan, the use of the small wind turbine is an upward trend. There are already many well established small wind turbine generators in use and their various failures have been reported. The most commonly sighted failure is blade damage. Thus the research purpose was set to develop a simple failure diagnostic system, where an Acoustic Emission (AE) signal was produced from the failure part of a blade which was measured by AE sensor. The failure diagnostic technique was thoroughly examined. Concurrently, the damage part of the blade was imitated, the AE signal was measured, and a FFT(Fast Fourier Transform) analysis was carried out, and was compared with the output characteristic. When one sheet of a blade was damaged 40mm or more, the level was computed at which failure could be diagnosed.
Vibrations of a wind turbine blade have a negative impact on its performance and result in failure of the blade, therefore an approach to effectively control vibration in turbine blades are sought by wind industry. The small domestic horizontal axis wind turbine blades induce flap wise (out-of-plane) vibration, due to varying wind speeds. These flap wise vibrations are transferred to the structure, which even causes catastrophic failure of the system. Shape memory alloys which possess physical property of variable stiffness across different phases are embedded into the composite blades for active vibration control. Previously Shape memory alloys have been used as actuators to change their angles and orientations in fighter jet blades but not used for active vibration control for wind turbine blades. In this work a GFRP blade embedded with Shape Memory Alloy (SMA) and tested for its vibrational and material damping characteristics, under martensitic and austenite conditions. The embedment portrays 47% reduction in displacement of blade, with respect to the conventional blade. An analytical model for the actuated smart blade is also proposed, which validates the harmonic response of the smart blade.
In the recently released accident-investigation report on blade failure, almost 70% of blade failures was found at low pressure turbine blades, and it is well known that main cause is due to the vibration modes. This paper describes the systematic approach on the root cause of the blade failure at L 0 stage, 30MW single flow industrial steam turbine which had tripped by high vibration after ten-month commercial operation. A fracture was found at the only one damping wire hole of 59 blades, and crack was detected at three damping wire holes by NDT. According to the analysis result for the crack fracture surface and the chain of the sequential operational events, we come to the conclusion that a typical high cycle fatigue is the most dominant factor caused to the blade failure, the resonance frequency margin was narrowed by the cut damping wire and the high cycle vibration was amplified, and then the blade was broken at once by the centrifugal force when the crack reached the critical size.
The failure analysis on fractured parts is divided into the qualitative method by naked eyes and metallurgical microscope etc. and the quantitative method by SEM and X-ray diffraction etc. X-ray fractography can be applied to contaminated surface as well as clean surface and gain the plastic deformation and the residual stress near the fractured surface. Turbine blade is subject to cyclic bending force by steam pressure and suffers fatigue damage according to the increasing operating time. Therefore, to clean up the fracture mechanism of torsion-mounted blade in nuclear plant, the fatigue and the X-ray diffraction test was performed on the 12%Cr steel fur turbine blade and the fractured parts. The correlation of X-ray parameter and fracture mechanics parameter was determined, and then the load applied to actual broken turbine blade was predicted. Failure analysis was performed by contact stress analysis and Goodman diagram of torsion-mounted blade.
본 논문에서 Compressor 및 turbine 에서의 Blade failure등의 내부파손이 이를 둘러싸고 있는 케이스 내부에 머무르게 하는 엔진설계의 방법에 대한 이론 및 Simulation 등을 기술 하였다. 가장 무거운 부품 중에 하나인 케이스의 두께 최적화는, 항공기의 안정성뿐만 아니라 항공 효율을 높이기 위한 경량화의 목적을 위해서도 매우 중요한 설계목표 이다. 이러한 목적을 위하여 이론적 접근방법으로 에너지 밸런스 방법을 사용하였으며, 파손된 블레이드의 거동특성 및 영향성 평가를 위한 유한요소해석을 위하여 LS-DYNA가 사용 되어졌다.
Turbine blade is subject to force of three types ; the torsional force by torsional mount, the centrifugal force by the rotation of rotor and the cyclic bending force by steam pressure. The cyclic bending force was a main factor on fatigue strength. SEM fractography in root of turbine blade showed micro-clack width was not dependent on stress intensity factor range. Especially, fatigue did not exist on SEM photograph in root of turbine blade. To clear out the fracture mechanism of turbine blade, nanofractography was needed on 3-dimensional crack initiation and crack growth with high magnification. Fatigue striation partially existed on AFM photograph in root of turbine blade. Therefore, to find a fracture mechanism of the torsion-mounted blade in nuclear power plant, the relation between stress intensity factor range and surface roughness measured by AFM was estimated, and then the load amplitude ΔP applied to turbine blade was predicted exactly by root mean square roughness.
블레이드의 성능 평가를 위하여 실제 사용 환경과 근접한 하중 모사에 따른 이축 하중의 필요성이 제기되고 있으며, 본 본문에서는 이러한 이축 하중에 따른 블레이드의 거동을 해석하였다. 100kW급 풍력 블레이드를 대상으로 하였으며, ANSYS를 사용하여 정적거동을 분석하였다. 정적거동은 파손해석과 좌굴거동으로 분석하였으며, 파손 평가는 Puck이 제안한 파손 방정식을 이용하여 섬유 파손과 섬유간 파손 기준을 검토하였다. 이축하중의 하중비가 증가함에 따라 루트부 단면이 변하는 후연부와 루트에서 Z+ 3300~3600인 지점에서 응력이 상대적으로 크게 나타났다. 또한 이축 하중비가 증가함에 따라 블레이드 좌굴 지점이 루트부 쪽으로 이동되고 있음을 확인하였다. 따라서 블레이드의 사용 신뢰성을 검증하기 위해서는 이축 하중에 의한 시험이 요구되고 있음을 본 해석을 통해서 확인하였다.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제38권2호
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pp.154-161
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2014
This research presents results of structural designs and evaluations for 3MW Wind Turbine Blade by FEM analysis. After the GFRP model was designed as a baseline model, failure check by Puck's failure criterion and buckling analysis were accomplished to verify safety of wind turbine blade in the critical design load case. Moreover, applicability of two kinds of carbon spar cap model, was studied by comparing total mass, price and tip deflection to the GFRP model. The results showed that the GFRP model had sufficient structural integrity in the critical design load case, and the carbon spar cap model could be a reasonable solution to reduce weights, tip deflections.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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