"ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE ANILLOS DE RETENCIÓN DE GRANDES GENERADORES ELÉCTRICOS

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Ramón Quintero Belmonte
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1 "ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE ANILLOS DE RETENCIÓN DE GRANDES GENERADORES ELÉCTRICOS Oscar Dorantes Gómez Antonio Carnero Parra Francisco Reyes Rodríguez Alfonso Rivera Pérez Gerencia de Turbomaquinaria División de Sistemas Mecánicos Instituto de Investigaciones Eléctricas Laboratorio de Pruebas de Equipos y Materiales (LAPEM) Comisión Federal de Electricidad 1

Gerencia de Turbomaquinaria División de Sistemas Mecánicos Instituto de Investigaciones

2 Índice: Función del anillo de retención Problemática del anillos de retención Análisis de las cargas que soporta un anillo de retención Modelo numérico Condiciones de frontera Análisis estructural Análisis de resultados Verificación y validación de la simulación (requerimientos ISO 9001) Conclusiones. Agradecimientos 2

Condiciones de frontera Análisis estructural Análisis de resultados

3 Función del anillo de retención 3

4 Problemática de los anillo de retención Material 18Mn5Cr (ASTM A289) susceptible de presentar fallas debido al fenómeno de agrietamiento por corrosión inter granular bajo esfuerzos (Inter Granular Stress Corrosion Cracking). Su baja resistencia a la fractura, permite una alta velocidad de propagación de fisuras. 4

corrosión inter granular bajo esfuerzos (Inter Granular Stress Corrosion

5 Problemática de los anillo de retención Los anillos de retención son críticos en el sentido de que, a pesar de su baja incidencia de falla, cuando ésta ocurre, se tiene consecuencias catastróficas para la integridad física del generador eléctrico 5

baja incidencia de falla, cuando ésta ocurre, se tiene

6 Cargas que actúan en los anillo de retención Interferencia = 100 mils/dia entre anillo y disco Disco de cierre/central Anillo de retención Interferencia = 100 mils/dia entre anillo y rotor Velocidad angular = 3600 RPM Presión Mpa (63,000 psi) por el recargón de los extremos de las bobinas en el anillo Cuerpo del rotor de generador eléctrico 6

anillo y rotor Velocidad angular = 3600 RPM Presión 43.

7 Modelo numérico Modelo CAD 3D Modelo numérico 7

8 Condiciones de frontera escenario 1 (0 rpm) 8

9 Análisis estructural Deformación radial del anillo de retención 9

10 Esfuerzos de von Mises del anillo de retención 10

11 Esfuerzos tangenciales del anillo de retención 11

12 Intensidad de esfuerzos del anillo de retención 12

13 Estado de la penetración en las interfaces anillo-rotor y anillo-plato de cierre 13

14 Esfuerzos principales en el plano de Corte A-A en la zona de encastre del anillo de retención 14

15 Esfuerzos principales en el plano de Corte B-B en la zona de encastre del anillo de retención 15

16 Esfuerzos principales en el plano de Corte C-C en la zona de encastre del anillo de retención 16

17 Condiciones de frontera escenario 2 (3,600 rpm) 17

18 Deformación radial del anillo de retención 18

19 Esfuerzos de von Mises del anillo de retención 19

20 Esfuerzos tangenciales del anillo de retención 20

21 Intensidad de esfuerzos del anillo de retención 21

22 Estado de la penetración en las interfaces anillo-rotor y anillo-plato de cierre 22

23 Análisis de resultados ANILLO DE RETENCIÓN ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 Deformación radial (mm) Deformación total (mm) Esfuerzos de Von Mises 1, , (MPa) Esfuerzos tangenciales (MPa) Esfuerzos principales (MPa) 23

24 Verificación y validación de la simulación Realidad física Modelo matemático errores de idealización Solución numérica errores de dicretización Predicción Decisión Conceptua_ lización Discretiza_ cion Análisis de resultados 24

25 25

26 Conclusiones Puede observarse que los esfuerzos producidos por el ajuste por contracción son altos, llevando el anillo al límite de cedencia. Las zonas de más alta probabilidad de falla son los extremos de los anillos, y en las zonas donde hay cambios de sección, los redondeos también presentan alta concentración de esfuerzos. Los esfuerzos generados por el ajuste, logran relajarse al girar a 3600 rpm, lo que lleva a los anillos a un nivel de esfuerzos menor y por debajo del esfuerzo de cedencia. Al presentarse una sobre velocidad de 20% los esfuerzos aumentan, y el estado del contacto disminuye, llevando a los anillos a una condición en la que podría presentarse falla por rozamiento 26

27 Referencias: 1. EPRI Report TR , Octuber 1994, Evaluation of nonmagnetic generator retaining rings, Octuber EPRI Report TR , July 1996, Retaining ring failure at Comanche Unit EPRI Report , June 2002, Retaining rings cracking at Wisconsin Electric Power Company s Port Washington Unit Wei Tong; Design and analysis of retaining ring locking key groove in turbine generator, Proceedings of IMECE04, 2004 ASME lnternational Mechanical Engineering Congress and Exposition, November 13-20, 2004, Anaheim, California USA 5. Ji-Moon Lee, Cheol-Hong Kim, Young-Ho Ju; Stress analysis and life assessments of rotor and retaining rings; Proceedings of IDETC/CIE 2005, ASME 2005 International Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information In Engineering Conference, September 24-28, 2005, Long Beach, California USA 27

28 Agradecimientos Al Laboratorio de Pruebas de Equipos y Materiales (LAPEM) de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), por financiar el análisis estructural de los anillos de retención. de generadores eléctricos 28

29 Gracias por su atención! Antonio Carnero Oscar Dorantes Francisco Reyes Alfonso Rivera Pérez Instituto de Investigaciones Eléctricas Reforma 113 Col. Palmira Cuernavaca, Morelos, México Teléfonos: (777) Ext 7747 Correos electrónicos: 29

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