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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
¿Preguntas?
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