Este documento descreve uma análise de fadiga de alto ciclo em palhetas de turbina a vapor de baixa pressão. Os autores simularam o escoamento de vapor na turbina usando modelos CFD para determinar as flutuações de pressão e tensões nas palhetas. Eles então realizaram uma análise de fadiga para avaliar a vida útil das palhetas e contribuir para o projeto de turbinas mais confiáveis.

1. 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.

2. Turbina a Vapor – 363 MW Falha por corrosão-fadiga nas palhetas L-1 (5ºst BP) Corrosão Fadiga

3. Análise de fadiga de baixo ciclo nas palhetas do 5º st Freqüências 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

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

5. Simulação do escoamento do vapor na turbina Modelos 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

6. Simulação do escoamento do vapor na turbina Domínio Computacional do Modelo CFD : Geometria Detalhes da geometria negativa no domínio computacional Modelo para simulação do escoamento do vapor - CFD Extração de vapor Entrada de vapor Extração de vapor Saída de vapor 4º Estágio 5º Estágio 4º Estágio 5º Estágio Detalhes da geometria positiva no domínio computacional Modelo para análise estrutural

7. Modelo CFD do escoamento do vapor na turbina condições de contorno Condições de contorno: dados prescritos Fluxo de massa + Temperatura Fluxo de massa Fluxo de massa Pressão Estática

8. Modelo CFD do escoamento do vapor na turbina Resultados: perfil de pressão Turbinas de ação a queda de pressão do vapor, que ocorre nas palhetas fixas, é convertida em aumento de energia cinética do vapor Perfil de pressão 200.000 Pressão (Pa) t 4º estágio 5º estágio 110.000 20.000

9. Modelo CFD do escoamento do vapor na turbina Resultados: perfil de velocidade Turbinas de ação a redução da energia cinética, nas palhetas móveis, se dá pela transformação desta energia em trabalho mecânico para rotacionar a turbina t 150 Velocidade (m/s) 4º estágio 5º estágio 600 Perfil de velocidade

10. Modelo CFD do escoamento do vapor na turbina Resultados: flutuações de pressão Flutuação de pressão topo da palheta lado pressão Topo Flutuação de pressão meio da palheta lado pressão Meio Base Flutuação de pressão base da palheta lado pressão

11. 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 BP Cálculo das tensões Distribuição de tensão no instante t lado sucção Distribuição de tensão no instante t lado pressão

12. Fator de segurança em fadiga para vida N = 10 9 Análise estrutural das palhetas do 5º estágio de BP Análise de fadiga de alto ciclo Vida em fadiga

13. 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

14. AGRADECEMOS A ATENÇÃO