Lebensdauer und Schädigungsentwicklung martensitischer Stähle für Niederdruck-Dampfturbinenschaufeln bei Ermüdungsbeanspruchung im VHCF-Bereich

Kovacs, Stephan; Beck, Tilmann

doi:5036

Lebensdauer und Schädigungsentwicklung martensitischer Stähle für Niederdruck-Dampfturbinenschaufeln bei Ermüdungsbeanspruchung im VHCF-Bereich = Fatigue life and damage evolution of martensitic steels for low-pressure steam turbine blades in the VHCF regime

Kovacs, Stephan (Author)

2014

VerantwortlichkeitsangabeStephan Kovacs

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich, Zentralbibliothek, Verl. 2014

UmfangIV, 140 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Energie & Umwelt ; 214

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Beck, Tilmann (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-11-19

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-50365
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/444548/files/5036.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Mechanik (411110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Materialermüdung (Genormte SW) ; Mittelspannung (Genormte SW) ; Martensit (Genormte SW) ; Bruchmechanik (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; VHCF (frei) ; Ultrahochzyklusermüdung (frei) ; fatigue damage (frei) ; very high cycle fatigue (frei) ; turbine blade steel (frei) ; mean stress (frei) ; fracture mechanics (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Niederdruck-Dampfturbinenschaufeln werden in der Regel aus martensitischen Stählen mit Cr-Gehalten zwischen 9 und 12% gefertigt, die sich durch gute Korrosions- und Warmfestigkeitseigenschaften auszeichnen. Durch das inhomogene Strömungsfeld hinter dem Leitgitter werden die Schaufeln zu hochfrequenten Schwingungen oberhalb von 1 kHz angeregt. Zusätzlich kommt es bei den ca. 1,5 m langen Laufschaufeln und Drehzahlen bis zu 3000 Umdrehungen pro Minute aufgrund der Fliehkräfte zur Überlagerung von extrem hohen Mittelspannungen. Auch Resonanzschwingungen sind während des An- und Abfahrvorgangs nicht vollständig auszuschließen. Derzeit werden die Bauteile mit hohen Sicherheitsfaktoren gegen Wöhlerkurven mit angenommenem asymptotischem Verlauf oberhalb von 10^7 Lastzyklen dimensioniert. Dennoch werden Ermüdungsbrüche noch bei hohen Zykluszahlen beobachtet, auch ausgehend vom Schaufelfuß, der keine Vorschädigung durch Wasserdampferosion oder Tropfenschlag aufweist. Während der Anriss bei üblichem Ermüdungsversagen in der Regel von der Oberfläche ausgeht, initiieren die Ermüdungsrisse bei sehr hohen Zykluszahlen (> 10^8) verstärkt an Oxideinschlüssen unterhalb der Oberfläche. Ausgehend von dieser Situation wurde im Rahmen dieser Arbeit das Lebensdauer- und Versagensverhalten eines martensitischen Cr-Stahls bei Ermüdungsbelastung ohne und mit hohen Mittespannungen bei Bruchlastspielzahlen über 10^8 untersucht. Die Untersuchungen lieferten einerseits neue Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen der Lebensdauer und dem Ablauf sowie den Ursachen der Ermüdungsschädigung der hier betrachteten Gruppe hochfester Stähle bei Very-High-Cycle-Fatigue-Beanspruchung (bis 2*10^9). Insbesondere wurde der noch wenig erforschte Einfluss der Mittelspannung auf das VHCF-Verhalten (Rissursprungsort, Risswachstum, Lebensdauer) bestimmt, und die Rissbildungs- und Ausbreitungsmechanismen mit Hilfe elektronenmikroskopischer Analysemethoden (REM, TEM/FIB) analysiert. Andererseits leistet die Arbeit einen Beitrag zur zuverlässigen Auslegung künftiger Niederdruck-Dampfturbinen. Die Ergebnisse zeigen, dass insbesondere im Stahl enthaltene nichtmetallische Einschlüsse vom Werkstoffolumen ausgehende Brüche bei Ultrahochzyklusermüdung verursachen. Dieses Ermüdungsverhalten kann über einen weiten Mittelspannungsbereich sehr gut mit Hilfe bruchmechanischer Ansätze beschrieben werden.

Low-pressure steam turbine blades are usually made of martensitic steels with Cr contents between 9 and 12%, which combine good corrosion resistance, high mechanical strength and sufficient ductility. The inhomogeneous flow field behind the vanes generates high-frequency oscillations above 1 kHz. In addition, the blades with lengths up to 1.5 m are operated at rotational speeds up to 3000 rpm, resulting in large centrifugal forces leading to the superposition of extremely high mean stresses. Also resonance oscillations during start-up and shut-down cannot be completely excluded. Currently, the components are designed using high safety factors against S-N curves with an assumed asymptotic fatigue limit above 10^7 load cycles. Nevertheless, fatigue cracks are observed even at high number of cycles, starting from the blade root without pre-damage by erosion or steam droplet impingement. While fatigue failure usually occurs at the surface, fatigue cracks at very high number of cycles (> 10^8) initiate at oxides or intermetallic inclusions below the surface. This transition between both failure mechanisms in the Very High-Cycle Fatigue (VHCF) regime is in the focus of numerous current research activities, because numbers of cycles above 10^8 can be attained in a viable period of time using the recently developed high-frequency testing techniques operated at 20 kHz. Also for wind turbines, gas turbines, bearings, springs, etc. VHCF issues become increasingly important. Within this work, the fatigue life and damage behavior of a martensitic Cr-steel during fatigue loading with and without high mean stresses at number of cycles to failure above 10^8 was analyzed. On the one hand, the studies gave insights into the relation between fatigue life and fatigue damage evolution of the investigated group of high-strength steels in the very high cycle fatigue regime (up to 2*10^9). In particular, the influence of high mean stresses on the VHCF behavior (fracture origin, crack growth, fatigue life) which was not investigated in detail before is studied and the crack initiation and propagation mechanisms are analyzed by electron microscopy (SEM, TEM / FIB). With this, the work contributes to the reliable design of future low-pressure steam turbines . The results show that in particular non-metallic inclusions in the steel cause fracture by fatigue cracks initiated in the volume under very high cycle fatigue conditions. This fatigue behavior can be described very well by means of fracture mechanics approaches over a wide range of load ratios.

Fulltext:
PDF