Reducing secondary tensile stresses in the ceramic blades of the inside-out turbine rotor configuration

Abstract

Depuis quelque temps, un groupe de chercheurs du Groupe d'innovation Createk de l'Université de Sherbrooke travaille sur une nouvelle configuration de rotor de turbine qui utilise un carénage rotatif structurel pour tenir des pales en céramique sous compression, sous l’action du champ centrifuge. Cette configuration de rotor, baptisée Inside-Out Ceramic Turbine (ICT) vise à augmenter la température d'entrée de la turbine (TIT) pour les petites turbines, pour lesquelles le refroidissement et les techniques de fabrication complexes sont d'un coût prohibitif. Plusieurs prototypes et itérations du rotor ICT ont été testés au cours des dernières années, augmentant le temps de fonctionnement et la température d’opération atteignables. Au fur et à mesure que la confiance de l'équipe dans le rotor ICT s'améliore, les problèmes auxquels il est confronté deviennent importants à identifier et à résoudre. Cette thèse vise à étudier et à améliorer la fiabilité des pales en céramique dans des conditions normales de fonctionnement. Ceci est essentiel à l'adoption de la technologie ICT dans un grand nombre de moteurs. La thèse est découpée en trois parties : (1) isoler la cause la plus probable de défaillance des pales grâce à l'observation des résultats expérimentaux et numériques passés, (2) quantifier l'influence relative des principaux paramètres de conception sur la fiabilité des pales à l’aide d’un modèle numérique, et (3) tester des solutions potentielles qui ciblent les variables de conception les plus critiques, pour obtenir une meilleure fiabilité des pales ICT. Les pales étant en céramique technique monolithique, actuellement en nitrure de silicium, elles supportent mal les contraintes en tension. Le niveau de contrainte le plus élevé dans les pales s’avère être à l'interface avec les composants métalliques de support, car les pales sont maintenues en place par friction sous une force normale importante, et des contraintes élevées en tension se manifestent à l'interface. Cela demande de réduire d'abord le nombre d'interfaces au minimum, c'est-à-dire uniquement au niveau du bout de pale en appui contre le carénage structurel tournant. Deuxièmement, à cette interface subsistante, les efforts pour réduire le coefficient de frottement, ainsi que pour réduire la différence de dilatation thermique et de déformation tangentielle entre la pale et le carénage, sont essentiels pour obtenir de faibles contraintes en tension à l'extrémité de la pale. La validation expérimentale des revêtements a été menée avec succès : le revêtement de barrière thermique (TBC) appliqué entre l'extrémité de la pale et le carénage pourrait augmenter la température de l'extrémité de la pale et diminuer la température du carénage, conduisant ainsi à une meilleure correspondance de la dilatation thermique ; le nitrure de bore hexagonal (hBN) est un lubrifiant solide à haute température qui réduit considérablement le coefficient de frottement, même sous une charge extrême, et pourrait conduire à au moins doubler la tolérance à la différence de déformation. Ainsi, un double revêtement de TBC et de hBN devrait réduire la charge en bout de pale. Les niveaux de contrainte réels dépendent de la géométrie de la pale et de la conception globale de la turbine, mais un outil numérique simple a été développé qui permet au concepteur de déterminer quel niveau de réduction de frottement et d'ajustement de dilatation thermique est nécessaire pour obtenir une fiabilité adéquate dans la pale.

Abstract : For some time now, a group of researchers in the Createk Innovation Group at Université de Sherbrooke have been working on a novel turbine rotor configuration which uses a structural, rotating shroud to compress ceramic blades under centrifugal load. This rotor configuration, dubbed Inside-Out Ceramic Turbine (ICT) aims at increasing turbine inlet temperature (TIT) for small turbines, for which intricate cooling and complex manufacturing techniques are prohibitively costly. Several prototypes and iterations of the ICT rotor have run over the last years, achieving consistently better run times and firing temperatures. As the team’s confidence in the ICT rotor improves, the issues facing it become important to identify and address. This thesis aims at investigating and improving reliability of the ceramic blades under normal operating conditions. This is central to the adoption of ICT technology in mainstream engines. The thesis is cut into three parts: (1) isolating the most probable cause of failure in the blades through observation of past experimental and numerical results, (2) quantifying the relative influence of the main design parameters on blade reliability through a numerical model, and (3) testing potential solutions which target the most critical design variables, to achieve a better reliability in the ICT blades. As the blades are made of monolithic technical ceramic, currently silicon nitride, they do not tolerate tensile stress fields well. The highest stress level in the blades was found to be at the interface with supporting metallic components, as the blades are maintained in place through friction under large normal force, and a strain mismatch is present at the interface. This leads to first reduce the number of interfaces to a minimum, i.e., only at the blade tip pressing up against the rotating structural shroud. Second, at this remaining interface, efforts to reduce coefficient of friction especially, as well as reduce thermal expansion mismatch and hoop strain between the blade tip and the shroud, are key to achieving low tensile stresses at the blade tip. Experimental validation of coatings was successfully conducted: thermal barrier coating (TBC) applied between the blade tip and the shroud, could increase blade tip temperature and decrease shroud temperature, thus leading to a closer match in thermal expansion; hexagonal boron nitride (hBN) is a high temperature solid lubricant which significantly reduces coefficient of friction, even under extreme load, and could lead to at least double the amount of strain mismatch tolerance. Thus, a double coating of TBC and hBN is expected to reduce the load at the blade tip. Actual stress levels depend on blade geometry and overall turbine design, but a simple numerical tool was developed which could allow the designer to determine what level of friction reduction and thermal expansion fit is required to achieve an adequate reliability in the blade.