Modelo probabilístico delgrupo de álabes de la etapa L-0 de una turbina de vapor

ESTIMACIÓN DE VIDA ÚTIL UTILIZANDO UN MODELO PROBABILÍSTICO DEL GRUPO DE
ÁLABES DE LA ETAPA L-0 DE UNA TURBINA DE VAPOR.
RESUMEN
La vida útil de los álabes de una turbomáquina depende de varios
factores, como pueden ser la magnitud y tipos de cargas a la que se encuentran
sometidas, los materiales de sus componentes, imperfecciones en su estructura,
paros y arranques de la máquina. Las cargas a las que están expuestas la
turbomáquinas, así como los arranques y paros, representan el desarrollo de
esfuerzos en sus diferentes componentes. De acuerdo a diferentes estudios, la
magnitud de los esfuerzos vibratorios que se presentan durante la operación
normal en los álabes tendrían que ser esfuerzos de resonancia, presentes durante
arranques o paros de las turbomáquinas. La resonancia de los álabes también
podría ocurrir en condiciones normales de operación si por alguna razón cambia
la rigidez de los álabes. En este trabajo, se realizó una estimación de vida útil
utilizando un modelo probabilístico, analizado por el método de Monte Carlo, el
cual es un método no determinístico. La evaluación se llevó acabo por elementos
finitos, del grupo de 10 álabes de la turbina de vapor de 110 MW. El análisis se
efectúa cerca del punto de resonancia y se analizan las variables de entrada,
módulo de Young, esfuerzos en resonancia, amortiguamiento, resistencia a la
fatiga, frecuencias naturales, etc. Se determinó la relación de cada una de estas
variables con el aumento de los esfuerzos que afectan la vida útil de los álabes y
se obtuvieron curvas de estimación de vida para el grupo de 10 álabes con los
resultados obtenidos.
PALABRAS CLAVE:
Vida útil, álabes, probabilidad, Monte Carlo
NOMENCLATURA
Módulo de Young
Relación de Poisson
Esfuerzo último
Esfuerzo de fluencia
Resistencia a la fatiga
Esfuerzo medio
Esfuerzos dinámicos
Esfuerzos en resonancia
Ciclos de vida útil
Coeficiente de resistencia a la fatiga
Factor de fricción
Relación de frecuencias
Carbono
Cromo
Fierro
Manganeso
Fósforo
Azufre
INTRODUCCIÓN
Los riesgos de falla en equipos de generación de energía están presentes en gran
medida a causa de sus condiciones de trabajo. En la causa de sus condiciones
de trabajo. En la operación de turbomáquinas es importante conocer el
comportamiento de todas sus piezas y procesos para maximizar la disponibilidad y
rendimiento de los equipos mediante una buena operación y mantenimiento.
Las consecuencias de problemas en componentes mecánicos en las turbinas
específicamente en las de vapor, se reflejan en la pérdida de eficiencia en las
mismas originando mayor atención en algunas etapas donde se deben hacer
análisis de reparación y estrategias de prevención, además de análisis
económicos.
Para desarrollar correctamente su función a lo largo de su vida en servicio, los
componentes mecánicos de las turbinas de vapor, chumaceras, toberas, álabes,
etc., deben conservar dos características primordiales.
1. Mantener su capacidad de admitir carga sin que se produzca la ruptura.
2. Conservar su rigidez para evitar que se produzcan deformaciones
excesivas.
ANTECEDENTES
Los álabes móviles de la etapa L-0, Figura 1, se encuentran montados en el rotor
en la última etapa de baja presión en la turbina de vapor de 110 MW, son
considerados como los más críticos. Estos álabes de las últimas etapas producen
el 10% del total de potencia a la salida de la turbina. Estos álabes generalmente
son largos, por lo que poseen una rigidez relativamente baja y desde el punto de
vista estático pueden presentar problemas de esfuerzos elevados de origen
centrífugo debido a su tamaño y posición radial, asociado a esto los esfuerzos
ocasionados por la presión del flujo de vapor.
Las fuerzas de excitación por flujo de vapor contribuyen a la aparición de
vibraciones conocidas como vibraciones autoinducidas. Se caracterizan porque
son potencialmente más destructivas; a causa de que este tipo de vibración
asincrónica posee grandes amplitudes, provocan esfuerzos alternantes altos en los
álabes del rotor, originando pequeñas fisuras y grietas. En otros trabajos se mostró
que este tipo de grietas cambian las frecuencias naturales de los álabes a causa
del cambio de rigidez, lo que origina que el álabe entre resonancia en un punto
donde no se espera, siendo los esfuerzos de resonancia los que realmente causan
la disminución de la vida útil de los álabes.
Tradicionalmente la evaluación de la vida útil de los álabes se realiza a través de
un proceso determinístico. En este tipo de análisis, la