35 años de investigación, innovando con energía 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

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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

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Función del anillo de retención

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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.

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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

Problemática de los anillo de retención

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Cuerpo del rotor de generador eléctrico

Disco de cierre/central

Anillo de retención

Cargas que actúan en los anillo de retención Interferencia = 100 mils/dia entre anillo y rotor

Interferencia = 100 mils/dia entre anillo y disco Velocidad angular

= 3600 RPM

Presión 43.437 Mpa (63,000 psi) por el recargón de los extremos de las bobinas en el anillo

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Modelo CAD 3D Modelo numérico

Modelo numérico

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Condiciones de frontera escenario 1 (0 rpm)

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Deformación radial del anillo de retención

Análisis estructural

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Esfuerzos de von Mises del anillo de retención

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Esfuerzos tangenciales del anillo de retención

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Intensidad de esfuerzos del anillo de retención

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

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

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

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

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Condiciones de frontera escenario 2 (3,600 rpm)

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Deformación radial del anillo de retención

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Esfuerzos de von Mises del anillo de retención

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Esfuerzos tangenciales del anillo de retención

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Intensidad de esfuerzos del anillo de retención

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

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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 (MPa)

1,541.20 997.03 1,154.90

Esfuerzos tangenciales (MPa)

538.16 723.72 956.61

Esfuerzos principales (MPa)

538.16 723.81 956.80

Análisis de resultados

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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

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• 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

Conclusiones

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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

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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

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¡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;

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