alabe turbinas





Segunda Reunión Latinoamericana de Usuarios de ABAQUS
Universidad de Los Andes. Mérida. Venezuela
18-19 de septiembre de 2000



AnAlisis de las frecuencias naturales de un Alabe de turbina Westinghouse W101 - 5ta Etapa

Sanjuan A. Xabier










Caracas. Venezuela
AnAlisis de las frecuencias naturales de un Alabe de turbina Westinghouse W101 - 5ta EtapaSanjuan A. Xabier
Caracas. Edo. Miranda. Venezuela


RESUMEN

Se presenta el análisis de las frecuencias naturales de los tres primeros modos de vibración (tangencial, axial y torsional), de un álabe de la 5ta etapa de una turbina Westinghouse W-101, mediante el análisis por elementos finitos, empleando los programas PATRAN y ABAQUS. La metodología contempla el levantamiento geométrico delálabe, el modelaje por elementos finitos y la aplicación de condiciones de borde en la raíz del álabe. Entre los resultados obtenidos se muestra que las frecuencias naturales del álabe, están muy influenciadas por el tipo de empotramiento del álabe al disco de la turbina, en donde el fenómeno de contacto es muy complejo, por lo que se recomienda efectuar análisis de elementos finitos al respecto, enun trabajo posterior.

INTRODUCCION

Las frecuencias naturales de vibración de álabes de turbinas de gas, han sido ampliamente estudiadas en forma teórica y experimental a nivel mundial. Por otro lado, se han efectuado estudios de elementos finitos relacionados con múltiples cargas dinámicas a las que se someten los álabes, tales como las condiciones fluctuantes del flujo, las altastemperaturas y las variaciones de las frecuencias naturales debido al cambio de empotramiento de la raíz de los álabes en la medida que la turbina envejece.
En estudios previos 1, se ha mostrado el aumento del juego ("clearance") a nivel de la raíz de los álabes en función de la vida de la turbina, y su influencia en el comportamiento dinámico de éstos. En los mismos estudios se ha recomendado efectuarsimulaciones mediante elementos finitos de los álabes, para obtener las frecuencias naturales.
La obtención de la geometría real de los álabes de turbinas de gas no es una tarea sencilla, porque en principio, el fabricante de los álabes no suministra planos de los mismos, y la compleja forma de un álabe, solo puede ser obtenida con precisión, utilizando aparatos de medición de coordenadas a tresejes. Esta labor es clave para efectuar el modelaje por elementos finitos del álabe en estudio.
Se seleccionó un álabe de la 5ta etapa de una turbina Westinghouse W101, a fin de efectuar un primer esfuerzo para la obtención de las frecuencias naturales del álabe, basados en el modelaje y análisis por elementos finitos.
Los objetivos del presente trabajo son:

Efectuar el levantamientogeométrico de un álabe de la 5ta etapa de una turbina Westinghouse W101
Generar un modelo de elementos finitos del álabe utilizando el programa PATRAN 2.
Efectuar un análisis de las frecuencias naturales del álabe estático, empleando el programa de elementos finitos ABAQUS/Standard3, variando el tipo de empotramiento en su raíz, para identificar los tres primeros modos de vibración (tangencial, axial ytorsional).
Comparar resultados con los teóricos y experimentales obtenidos en estudios previos 1.
Levantamiento geomEtrico del Alabe

Mediante una máquina de medición por coordenadas (MMC)4, se obtuvieron un conjunto de puntos que definen el perfil tridimensional del álabe. Los datos fueron reportados en un archivo de hoja de cálculo EXCEL, con formato a tres columnas, que representan lostres ejes cartesianos X, Y, Z.
Se midieron un total de 1664 puntos sobre toda la superficie del álabe, para cada uno de los cuales se registraron sus tres coordenadas en unidades milimétricas, con una precisión de milésima de milímetro (4992 valores). En la Fig. 1 se muestra al álabe durante la ejecución de mediciones mediante la MMC.
GeneraciOn de los modelos de elementos
finitos del...