The analysis of failure causes of the rotor shaft of steam turbines

Análisis de las causas de fallo del eje del rotor de las turbinas de vapor

Los rotores de las turbinas de vapor pertenecen a las piezas de los turbogeneradores sometidas a cargas extremas debido a diversas influencias mecánicas y térmicas durante su funcionamiento. En el siguiente artículo se presentan los resultados del análisis de las causas de fallo del eje del rotor de una turbina de vapor con una potencia de 6,43 MW, que se produjo después de aproximadamente un año de funcionamiento. El análisis se realizó sobre la base del análisis de la composición química y la microestructura del material, las propiedades mecánicas del material bajo carga estática y de fatiga, así como la carga operativa de la ubicación crítica del eje, utilizando métodos numéricos y analíticos. Las conclusiones sobre las posibles causas del fallo del eje se extrajeron a partir de los resultados obtenidos.

INTRODUCCIÓN

La electricidad suele producirse mediante turbogeneradores de vapor compuestos por una turbina de vapor, un reductor y un generador [1, 2]. La fuente de energía es el vapor, que se expande en múltiples etapas en una turbina de vapor, donde los álabes giratorios provocan la rotación del rotor de la turbina. Las frecuencias de rotación de las turbinas de vapor con turbogeneradores se derivan, en general, de los parámetros del generador (las más frecuentes 25 ó 50 Hz). En el caso de una turbina de vapor pequeña con una potencia de unos 30 MW, se utilizan reductores para aumentar la frecuencia de rotación del rotor de la turbina, hasta unas 104 rpm.

Debido al hecho de que el vapor puede alcanzar una presión de varias décimas de MPa, con una temperatura cercana a los 400 °C a la entrada de la turbina, los rotores de turbina (ejes con álabes giratorios) pertenecen a las piezas extremadamente cargadas de las turbinas debido a las fuertes influencias mecánicas y térmicas. A pesar de que los rotores de las turbinas están fabricados con aceros de aleación especial, producidos con modernas tecnologías de producción bajo sistemas de control de calidad, los ejes y los álabes son frecuentemente la fuente de fallos de estos equipos [3 - 6]. La causa de los fallos se analiza mediante métodos analíticos, numéricos y experimentales de mecánica y ciencia de materiales [7, 8].

En este trabajo se presenta un procedimiento de análisis destinado a identificar las causas del fallo del eje del rotor de la turbina de vapor. La turbina forma parte del turbogenerador de vapor utilizado para la producción de energía eléctrica. El turbogenerador de vapor con el engranaje reductor tiene una potencia de 6,43 MW con 8 200 rpm.

El turbogenerador analizado consta de una turbina de vapor, un engranaje reductor y un generador para la producción de energía eléctrica. El eje del rotor de la turbina (figura 1) está colocado en dos cojinetes radiales. El movimiento axial del eje está limitado por cojinetes axiales.