Análisis de Falla de una Turbina de vapor en la zona de acoplamiento al

Gobernador de Velocidad

M. en I. Hugo Morales MontesM. en I. César Estrada González

Ponentes:

Desarrollo de la presentación:

IntroducciónProblemaInformación para la simulaciónSimulaciónConclusiones

IntroducciónEl control de velocidad de una turbina de vapor, se hace mediante la apertura de la válvula de admisión de vapor. La retroalimentación que tiene la válvula para conocer la velocidad del rotor, se tiene con un mecanismo llamado gobernador que está unido al rotor mediante un cople

Acoplamiento a carga (compresor, generador, etc)

Acoplamiento al gobernador

Introducción

Muñón

Cople

Una vista mas detallada de cómo esta conectado el rotor con el gobernador por medio del cople.

ProblemaEn caso de que se llegara a presentar un torque excesivo en el extremo de la flecha que se conecta al gobernador, por condiciones de diseño el cople debería dañarse, pero no sucedió así por lo tanto se procedió a analizar las posibles causas de la falla.

Vista frontal de la falla

Vista lateral de la falla

Información para simulación

T2

T1 T3

Álabes del rotor

LadoCople

Lado libreReaccionesde Chumaceras

Reaccionesde Chumaceras

T1 = Torque requerido por el compresor.T2 = Torque generado por la turbina.T3 = Torque requerido por el gobernador.

Diagrama de cuerpo libre del rotor y sus acoplamientos tanto al equipo que mueve como al gobernador.

Información para simulación

Turbina Compresor

Potencia 3269.4 HP Potencia 2560 HP

Velocidad 10395 R.P.M. Velocidad 9900 R.P.M.

Datos de diseño de turbina y compresor.

nPT 63000

=

Ecuación general.

Simulación

Material Acero forjado 4340

Modulo de Young 29700 ksi

Razón de Poisson 0.29

Esfuerzo de cedencia 125000 psi

Propiedades del Material.

Dibujo en dos dimensiones de parte a analizar.

Lugar donde ocurrió la fractura

SimulaciónLos elementos utilizados para este análisis fueron: plane42, solid45 y mass21

Elementos formados después de mallar el modelo.

SimulaciónSe utilizó la metodología de región rígida para aplicar torque, con esta metodología se acoplan varios nodos esclavos a un nodo maestro, con esto cualquier carga al nodo maestro se transmite alos nodos esclavos.

SimulaciónComo parámetro comparativo de calidad de la malla, se dice que la norma de error bebe ser menor a 0.003, en esta simulación tenemos que el valor mayor de la norma de error encontrado fue menor, por lo tanto concluimos que el mallado realizado es aceptable para obtener resultados confiables.

SimulaciónDurante la simulación con el torque como única fuerza externa, tenemos:

Desplazamientos Esfuerzos principales

SimulaciónLos esfuerzos de plastificación del material son:

Esfuerzos de Von Mises

SimulaciónSe incrementó el radio a su máximo valor maquinable (1/4”) y se hizo la simulación

Esfuerzos principalesAl comparar los esfuerzos en el modelo original con el modificado, se tiene una reducción del 7% del esfuerzo, lo cual es una cantidad muy pequeña para considerar el cambio en la manufactura

SimulaciónDentro de las causas que afectan la vida de un eje y pueden conducir a una falla, se encuentra la desalineación de ejes unidos mediante cople.La literatura recomienda una desalineación máxima de 0.003”.

Esfuerzos principales

La simulación se hace considerando una desalineación de 0.002 y el esfuerzo máximo es de: 70905 estando en el límite elástico

SimulaciónSe hicieron simulaciones para ver con que valor de desalineación de los ejes, el esfuerzo estaba en la región plástica.

Se encontró que la desalineación de 0.006” ocaciona un esfuerzo muy próximo al de cedencia.

Esfuerzos principales

SimulaciónLa desalineación de ejes colineales provocan esfuerzos de tensión en una parte del eje y esfuerzos de compresión en el lado opuesto, esto da lugar a la fatiga.

Esfuerzos de Von Misses

ConclusionesSe debe mencionar que la desalineación mencionada, se mide una vez que se hace el ensamble de ambos ejes con el cople y no existe juego posible en el ensamble.

•Cuando se aplica torque al muñón como única fuerza, se observa que los valores obtenidos están muy alejados del esfuerzo de cedencia del material.

•En cambio cuando además del torque se tiene una desalineación de 0.006” entre los ejes, el valor del esfuerzo máximo está muy próximo al esfuerzo de cedencia del material.

•Se concluye que la falla por fatiga del muñón fue debido a la desalineación existente entre los ejes.

ConclusionesLa falla final del muñón ocurrió por torsión, y se puede visualizar y comparar con bibliografía existente como se muestra a continuación.

Gracias por su atención

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