Lebensdauervorhersage für Abgasturbolader-Heißteile

Mit den herkömmlichen Auslegungsmethoden sind die Hersteller von Turbomaschinen nicht in der Lage, das Versagensverhalten von Bauteilen, z.B. von Abgasturbolader(ATL)-Heißteilen, realistisch vorherzusagen. Mit der Entwicklung von neuen Werkstoff- und Rechenmodellen für die Lebensdauervorhersage hat das Projekt neue Erkenntnisse vorgelegt. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf die Werkstoffklassen der ferritischen Werkstoffe vom Typ EN-GJS SiMo und des austenitischen Gusseisens EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (Ni-Resist D-5S). Im Rahmen von Zug-, Kriech-, LCF (Low Cycle Fatigue)- und TMF (Thermo Mechanical Fatigue)-Versuchen wurde eine umfassende Datenbasis ermittelt. Ein weiterer Fokus bestand darin, den Einfluss von HCF-Schwingungen auf die TMF-Lebensdauer experimentell zu untersuchen und das Lebensdauermodell auf die HCF(High Cycle Fatigue)-Überlagerung zu erweitern. Die Versuchs- und Simulationsergebnisse weisen eine gute Übereinstimmung auf.

Motivation

Zuverlässige und praxistaugliche Lebensdauermodelle sind für die Hersteller von Turbomaschinen essenziell, um die Schwachstellen im Bauteil früher erkennen und die Versagensmechanismen besser verstehen zu können. Die Methoden, mit denen gegenwärtig die Lebensdauer von ATL-Heißteilen bewertet wird, berücksichtigen lediglich niederfrequente elastoplastische Ermüdungsbeanspruchungen (LCF). Im Projekt bestand daher das Ziel, auch die relevanten Beanspruchungen TMF und HCF in ein neues Modell zur Lebensdauervorhersage einzubeziehen.

Methodik

Die Grundlage der Arbeiten bildeten Zug-, Kriech-, LCF- und TMF-Versuche, die eine breite experimentelle Datenbasis schafften. Die Versuche erfolgten anhand von Proben zweier Werkstoffklassen – ferritische Turbinengehäusewerkstoffe vom Typ EN-GJS SiMo und austenitisches Gusseisen EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (Ni-Resist D-5S). Das neuentwickelte Werkstoffmodell zur Lebensdauervorhersage wurde mit den Messdaten und mithilfe von Bauteilversuchen an einem Turbinengehäuse sowie einem Abgassammler verifiziert. Ein weiterer Schwerpunkt war, im Experiment zu untersuchen, welchen Einflusses HCF-Schwingungen auf die TMF-Lebensdauer haben. Zur theoretischen Beschreibung diente ein bruchmechanischer Ansatz, der die Lebensdauerminderung durch die im TMF-Zyklus überlagerten HCF-Schwingungen abbildete.

Ergebnis

Das neue Rechenmodell gibt das Spannungs-Verformungs-Verhalten und die Lebensdauer in den LCF- und TMF-Versuchen für beide Werkstoffklassen gut wieder. Gleiches gilt für die überwiegende Anzahl der experimentell im Bauteilversuch ermittelten Rissorte . Zudem gelang es, das neue Lebensdauermodell auf die HCF-Überlagerung zu erweitern. Mit diesem Ansatz lässt sich die Lebensdauer sowohl für SiMo-Werkstoffe als auch für den Ni-Resist in guter Übereinstimmung mit dem Experiment vorhersagen. Die Modellierungsansätze stehen als benutzerdefinierte Subroutine zur Bauteilanalyse für kommerzielle Programme zur Verfügung und können damit unmittelbar in der industriellen Praxis eingesetzt werden. Sie leisten einen wichtigen Beitrag dazu, Turbomaschinen effizienter auszulegen und Produktentwicklungszyklen zu verkürzen.

Dokumentation

TMF-Lebensdauerberechnung ATL-Heißteile | Entwicklung von Rechenmodellen zur Lebensdauervorhersage von Werkstoffen für Abgasturbolader-Heißteile unter thermo-mechanischer Ermüdungsbeanspruchung und Übertragung für Anwendung auf Bauteile | Vorhaben-Nr. 916

TMF-Lebensdauerberechnung ATL-Heißteile II | Erweiterung bestehender Werkstoff- und Rechenmodelle zur Lebensdauervorhersage für Abgasturbolader-Heißteile unter thermomechanischer Ermüdungsbeanspruchung | Vorhaben-Nr. 1100

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