Análisisestructuraldeunálabedeunaturbinadegas.

EdgarErnestoPérezGonzálezRafaelAngelRodríguezCruzArmandoGallegosMuñoz

ElíasRigobertoLedesmaOroscoIsidrodeJesúsSánchezArce

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Guanajuato, Carretera Salamanca–Valle de Santiago km. 3.5 + 1.8 km, Comunidad de Palo Blanco, Salamanca, Gto., Mexico

Teléfono: 01 464 64 79940 ext. 2380.

Antecedentes•  Los principales análisis que se han realizado al estudio del

comportamiento de las fallas en los álabes es en su mayoríatermomecánicosynosehanencontradoaquellosenloscualessetomeencuentalasvariacionesdepresióndelflujodegassobrelasuperficie del álabe, causando esto un incremento repenNno enlos esfuerzos y ocasionando las fallas prematuras que llegan apresentarseenlosálabes.

Turbina de gas Alstom GT24B.

Resumen•  Se realiza un análisis estructural de un álabede la úlNmaetapadebaja

presiónde la turbinadegasGT24B,parageneracióndeelectricidadqueoperanactualmenteennuestropaís.

•  Se presentan los resultados de un análisis dinámico, experimental ynumérico, realizados en el álabe para evaluar el modelo de elementofinito.

•  Se modelan las condiciones de operación en estado permanente delálabe, al igual que semodela un perfil teórico de presión caracterísNcosobrelassuperficiesdelosálabesenlasturbinasdegas.

ObjeNvo•  Ampliar el conocimiento del trabajomecánico de los álabes para

una turbina de gas con enfriamiento interno, esto se lograra atravésdeunanálisisestructuraldelosfenómenosinvolucradosenelproceso,asímismoseesperaraencontrarelmoNvoporelcualestos álabes están fallando prematuramente, fracturándoseprincipalmenteenlaraíz.

Metodología•  Análisisdinámico.

–  Análisismodal.Calculodelasfrecuenciasnaturalesymodosdevibración.

•  AnálisisEstá5co.Determinacióndelosesfuerzosenelálabeproducidospor

lascondicionesdeoperacióndelaturbinadegas.

Generacióndelmodelocomputacional

Se digitalizó de forma precisa los puntos delálabe para ser llevados a un programa de CADpara la generación de superficies, las cualesgeneraran volúmenes regulares modelando lapaleta,laplataformaylaraízdelálabe.

DiscreNzacióndeldominio

SedescribelastécnicasparaobtenervolúmenesenlosqueseaposiblerealizarunadiscreNzarcon elementos hexaédricos, la discreNzación del dominio representó un problema notabledebidoalacomplejidaddelageometríadelapaletaylaplataformadelálabe.Mientrasquelapaleta Nene ángulos de entrada y salida variables a lo largo de su longitud, la plataformacambiadrásNcamentesuseccióntransversal.

Designacióndenomenclaturaenelálabe.

Modelodeelementofinito.

ElmalladofuerealizadouNlizandoelementosestructurales tridimensionalesde8nodos(SOLID45)quecuentancontresgradosdelibertad(GDL)pornodo.SeuNlizómalladoconhexaedrosytetraedros.

Modelodeelementofinito.

Semodeloelensamblecompletoentreelálabeyrotorenelementofinitos,elcualestáconsNtuidoporelementosestructuralestridimensionalesde8nodos(SOLID45).Elensambleserealizapormediodecontactosentrelassuperficiesdelaraízdelálabeyelrotor.

Modelodecontactosenlaraízdelálabe

Elmodelado de contactos entre la raíz del álabe y rotor es unamaneramás aproximada de simular la flexibilidad de ambos durante lascondiciones de operación de la turbina y para obtener una mejordistribucióndeesfuerzosenestazona.

Materialesdelálabeyrotor.

ElálabeestáfabricadoconunasuperaleacióndeníquelelcualcorrespondealINCONEL738.ElmaterialempleadoenfabricacióndelrotordelaturbinadegascorrespondealanormaASTMA470clase8.ElmaterialconsistedeunaceroaleadoCrMoV. ÁLABE MÓVIL

T E σy σult ν ρ[°C] [Gpa] (Mpa) (Mpa) [-] [kg/m3]21.11 203.8 950 1095 0.28 811093.33 199.664 940 1080 0.28 8110204.44 193.3 920 1060 0.28 8110315.55 187.7 880 1050 0.28 8110426.66 182.1 840 1045 0.28 8110537.77 177.9 830 1040 0.3 8110648.88 170.2 820 1020 0.3 8110760 170.2 800 960 0.3 8110

871.11 170.2 640 770 0.3 8110982.22 170.2 440 560 0.3 81101093.33 170.2 340 460 0.3 8110

PROPIEDADES ROTOR

TEMPERATURA

AMBIENTE

ALTAS

TEMPERATURAS(510 -538°C )

Densidad (kg/m3) ρ 7,833.4 7,833.4Modulo de elasticidad (GPa) E 206.153 137.4 – 168.232

Relación de Poisson ν 0.27 0.30Resistencia a la fluencia (0.2) (MPa)

621.91 455.05 - 469.9

Esfuerzo último (MPa) 772.213 502.63 -569.7

aR%ynSUS'fσ'fε fS

Validacióndelmodelo.

Las mediciones experimentales de las frecuencias naturales se llevaron acaboenellaboratoriodeLAPEM,dondeenunamesacontornillodebancoseempotroelálabetotalmentedelaraíz.Este mismo fenómeno se modelo en elemento finito para comparar losresultados.

Resultadosobtenidosdelavalidacióndelmodelo.

Validacióndelmodelosimplementeempotrado.MododeVibración Modelo Diferencia

Elementosfinitos(Hz) LaboratorioLAPEM(Hz) (%)1 107.29 115 6.702 361.54 370.5 2.42

Modosdevibración

Condicionesdevibración

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 2 3 4 5

Frecue

ncia(H

z)

Mododevibración

FrecuenciasnaturalescríNcas

Álabesimplementeempotrado

Álabeporcontactos

Álabeconarillo

ModeloestáNco•  Setomaencuentaelmodelodelensambleporcontactosentreelálabeyelrotor

considerandoelefectodelanilloenlapuntadelálabe.•  Setomaencuantaelefectodelafuerzacentrifugaqueoriginaelmovimientode

rotacióndelaturbinadegas(3600rpm).

Condicionesdefronteraenelmodelo.RestriccionesenelrotorSerestringieron losdesplazamientosaxialesdel ladoalcualperteneceel ladodepresióndelálabe,lascarastangencialessonrestringidasenestadirecciónylaparteinferiorserestringeendirección radial. Esto con la finalidad de permiNrle al rotor expandirse en dirección axial yradial.

Condicionesdefronteraenelmodelo.Restriccionesenelálabe.En la punta del álabe se restringen los nodos en dirección tangencial lo cual simula lasujecióndelarilloqueunelosálabesparaaumentarsurigidezeimpedirlasdeflexionesenestasdireccionesyenuna carade la raízdel álabe se restringen losnodosendirecciónaxialparaevitarqueelálabesesalgadelensamble

Modelosdepresiónteóricos.

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Presión

r

Perfil de presión teórico

Ref.Je-ChinHan,Gasturbineheattransferandcoolingtechnology,Ed.TaylorFancis,2000.

Losmodelosdepresión teóricos semodelanen lapaletadel álabea travésde generarunaecuación, lacualaproximeelcomportamientodelflujodelgassobrelassuperficiesdelálabe.Se toma en cuenta la presión de entrada a los álabes correspondientes a la etapa de bajapresión(712.9kPa).

Perfilteóricoladodepresión

y=-6,400,965,009.52x6+2,888,893,831.84x5-503,155,469.39x4+42,143,526.91x3-1,728,662.56x2+30,967.13x+521.01

R²=0.99

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16

kPa

r(m)

LadodepresiónteóricodelálabeGT24B

SeNenemenosdel3%deerror

Perfilteóricoladodesucción

y=-2,201,924,999.99x6+951,232,724.91x5-149,834,762.37x4+10,499,449.73x3-317,386.79x2+789.46x+517.34

R²=0.99

0

100

200

300

400

500

600

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16

kPa

r(m)

LadodesucciónteóricodelálabeGT24B

SeNenemenosdel5%deerror

Distribucióndelapresión

ResultadosSeobservaelefectodelafuerzacentrifugadondeseencontróqueelesfuerzomáximo(307MPa) se encuentra específicamente entre el inicio de la raíz y la plataforma del álabe. Elesfuerzo mínimo (79.474 kPa) se observa en los segmentos que forman los sellos de laplataforma.

Deformacionesmáximasporfuerzacentrifuga.

ResultadosSe observa el efecto de la fuerza centrifuga y los perfiles de presión teóricos,donde se encontró que el esfuerzo máximo (588 MPa) se encuentraespecíficamenteenelbordedesalidaporelladodesucción.Elesfuerzomínimo(141.066 kPa) se encuentra en los segmentos que forman los sellos de laplataforma.

Deformacionesporlapresión

Conclusiones

•  Sehadesarrolladounametodologíaparaconstruirelmodelodeelementofinitode álabes de turbinas de gas, de tal manera que a pesar de la complejageometría que presentan estos álabes, fue posible construirlospredominantementedeelementoshexaédricos.

•  Se comprobó la cercanía con que el modelo computacional simula elcomportamientodelálabe.

•  Sedesarrollóunaecuación teóricaquepermitesimularelcomportamientodelflujodegassobrelassuperficiesdelálabe.

•  Seobservoqueelflujodelgascontrarrestalosesfuerzosdecompresiónqueseproducen en la paleta del álabe por acción de la fuerza centrifuga. De igualmanera de reduce la deformación radial en la punta del álabe lo que ayuda aevitarelrozamientoconlacarcasa.

•  Se modelaraelefectodelálabecuandoelarilloenlapuntaserompeoseparadetodasucoronaexterior.

•  Setomaraencuentaelefectodelasimetríacíclicaparagenerartodalacoronadeálabes.

GRACIASPORSUATENCIÓN