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Interação Fluido/Estrutura para Análise de Fadiga de Alto Ciclo em Palhetas de Turbina a Vapor de Baixa Pressão

Autores: J. C. Pereira, E. da Rosa, A. F. C. da Silva, Depto Eng.Mec. – UFSC e L. A. de M. Torres, Tractebel Energia S.A.

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Corrosão

Fadiga

Turbina a Vapor – 363 MWFalha por corrosão-fadiga nas palhetas L-1 (5ºst BP)

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Análise de fadiga de baixo ciclo nas palhetas do 5º stFreqüências naturais e modos de vibração

Freqüências e modos de vibração das palhetas do 5º st de baixa pressão no 2º modo de flexão

Modos de vibração com potencial para entrar em

ressonância

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Comportamento dinâmico do escoamento de vapor em turbinas a vapor e a fadiga de alto ciclo

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Simulação do escoamento do vapor na turbinaModelos CAD geométricos e numéricos

Modelos positivos do 4º st e no 5º st

Modelos negativos do 4º st e no 5º st

Escoamento no canal de passagem nos estágios entre as palhetas fixas e móveis no 4º st e no 5º st

Para aproveitar a periodicidade rotacional da geometria e do escoamento foi simulado um número reduzido de pás por seção estágio

O número de pás a ser simulado foi escolhido de acordo com o modelo de interface entre domínios rotativos utilizado

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Simulação do escoamento do vapor na turbina Domínio Computacional do Modelo CFD : Geometria

Extração de vapor

Entrada de vapor

Extração de vapor

Saída de vapor

4º Estágio

5º Estágio

Detalhes da geometria negativa no domínio computacional

Modelo para simulação do escoamento do vapor - CFD

4º Estágio

5º Estágio

Detalhes da geometria positiva no domínio computacional

Modelo para análise estrutural

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Modelo CFD do escoamento do vapor na turbinacondições de contorno

Condições de contorno:dados prescritos

Fluxo de massa+

Temperatura

Fluxo de massa

Fluxo de massa

Pressão Estática

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Modelo CFD do escoamento do vapor na turbinaResultados: perfil de pressão

Perfil de pressão

200.000

Pressão (Pa)

t

4º estágio 5º estágio

110.000

20.000

Turbinas de açãoa queda de pressão do vapor, que ocorre nas palhetas fixas, é convertida em aumento de

energia cinética do vapor

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Modelo CFD do escoamento do vapor na turbinaResultados: perfil de velocidade

t

150

Velocidade (m/s)

4º estágio 5º estágio

600

Perfil de velocidade

Turbinas de açãoa redução da energia cinética, nas palhetas

móveis, se dá pela transformação desta energia em trabalho mecânico para rotacionar a turbina

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Modelo CFD do escoamento do vapor na turbinaResultados: flutuações de pressão

Flutuação de pressão topo da palhetalado pressão

Topo

Flutuação de pressão meio da palheta

lado pressão

Meio

Base

Flutuação de pressão base da palheta

lado pressão

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Flutuação da pressão no ponto de nucleação da trinca no 5º st

Distribuição de pressão em um instante t

Análise estrutural das palhetas do 5º estágio de BPCálculo das tensões

Distribuição de tensãono instante tlado sucção

Distribuição de tensão no instante tlado pressão

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Fator de segurança em fadiga para vida N = 109

Análise estrutural das palhetas do 5º estágio de BPAnálise de fadiga de alto ciclo

Vida em fadiga

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• A metodologia apresentada nesse trabalho, de determinação do fluxo de vapor incidente sobre as palhetas, para posterior determinação das tensões flutuantes, e em seguida análise de fadiga, ou de mecânica da fratura, contribui para a avaliação de confiabilidade de projetos de turbinas a vapor.

• Esse conhecimento é importante para decisões estratégicas quanto aos projetos de palhetas na aquisição de novas turbinas junto aos fabricantes, assim como contribui para análise de causa raiz de falhas de palhetas de turbinas a vapor em operação e o aprimoramento do projeto de palhetas de modo a obter o aumento da sua confiabilidade operacional.

• O aumento da confiabilidade de componentes mecânicos em unidades termelétricas, reduz a probabilidade de falha, e consequentemente a interrupção de geração de energia, disponibilizando a unidade geradora por um maior período de tempo ao órgão regulador.

Conclusão

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AGRADECEMOS A ATENÇÃO