"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
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
Función del anillo de retención 3
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
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
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 43.437 Mpa (63,000 psi) por el recargón de los extremos de las bobinas en el anillo Cuerpo del rotor de generador eléctrico 6
Modelo numérico Modelo CAD 3D Modelo numérico 7
Condiciones de frontera escenario 1 (0 rpm) 8
Análisis estructural Deformación radial del anillo de retención 9
Esfuerzos de von Mises del anillo de retención 10
Esfuerzos tangenciales del anillo de retención 11
Intensidad de esfuerzos del anillo de retención 12
Estado de la penetración en las interfaces anillo-rotor y anillo-plato de cierre 13
Esfuerzos principales en el plano de Corte A-A en la zona de encastre del anillo de retención 14
Esfuerzos principales en el plano de Corte B-B en la zona de encastre del anillo de retención 15
Esfuerzos principales en el plano de Corte C-C en la zona de encastre del anillo de retención 16
Condiciones de frontera escenario 2 (3,600 rpm) 17
Deformación radial del anillo de retención 18
Esfuerzos de von Mises del anillo de retención 19
Esfuerzos tangenciales del anillo de retención 20
Intensidad de esfuerzos del anillo de retención 21
Estado de la penetración en las interfaces anillo-rotor y anillo-plato de cierre 22
Análisis de resultados ANILLO DE RETENCIÓN ESCENARIO 1 ESCENARIO 2 ESCENARIO 3 Deformación radial (mm) 1.223 2.1614 2.7251 Deformación total (mm) 1.255 2.1615 2.7266 Esfuerzos de Von Mises 1,541.20 997.03 1,154.90 (MPa) Esfuerzos tangenciales 538.16 723.72 956.61 (MPa) Esfuerzos principales 538.16 723.81 956.80 (MPa) 23
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
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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
Referencias: 1. EPRI Report TR-104209, Octuber 1994, Evaluation of nonmagnetic generator retaining rings, Octuber 1994 2. EPRI Report TR-106640, July 1996, Retaining ring failure at Comanche Unit 2. 3. EPRI Report 1007001, June 2002, Retaining rings cracking at Wisconsin Electric Power Company s Port Washington Unit 1. 4. 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
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
Gracias por su atención! Antonio Carnero Oscar Dorantes Francisco Reyes Alfonso Rivera Pérez Instituto de Investigaciones Eléctricas Reforma 113 Col. Palmira 62490 Cuernavaca, Morelos, México Teléfonos: (777) 362.3811 Ext 7747 Correos electrónicos: carnero@iie.org.mx; www.iie.org.mx 29