Modelo para la optimización del diseño de álabes de turbinas de vapor basado en algoritmos genéticos para maximizar la vida en fatiga

Resumen Los álabes de turbinas de vapor son componentes críticos en plantas generadoras, por ello en este trabajo se desarrolló un algoritmo genético con la capacidad de optimizar aerodinámicamente su diseño. Los parámetros de optimización utilizados fueron el espesor t, la longitud de cuerda c y la curvatura ϑ del perfil aerodinámico, aplicando como función objetivo maximizar la eficiencia del álabe. Para llevar a cabo esto se obtuvieron y se modificaron las coordenadas de puntos que definen las líneas de presión, succión y de curvatura media de perfiles a planos de 550, 660, 770, 880, 990 y 1100mm con respecto al eje del rotor. Los resultados se validaron usando el programa ANSYS Fluent en 2D obteniendo las eficiencias aerodinámicas a distintos ángulos de ataque. Se utilizó una velocidad de entrada de vapor a 200 m/s con densidad y viscosidad constantes de 0.5542 kg/m3 y 1.34e-05 kg/ms respectivamente. Se evaluaron las direcciones de entrada del fluido a diferentes ángulos de ataque con respecto a la dirección de la línea de curvatura media de los perfiles generados. Los resultados obtenidos demostraron una mayor eficiencia aerodinámica con respecto a los perfiles original. Posteriormente se ensamblo a partir de los perfiles obtenidos por el algoritmo desarrollado un nuevo álabe. El nuevo álabe en condiciones de carga centrífuga y de fatiga presentó mejoras con respecto al original. Presentando mejor distribución de esfuerzos y una vida útil superior al del álabe original.

Abstract Steam turbine blades are critical components in generating plants, for this reason in this work a genetic algorithm was developed with the ability to aerodynamically optimize their design. The optimization parameters used were the thickness t, the chord length c and the curvature ϑ of the aerodynamic profile, applying as objective function to maximize the efficiency of the blade. To carry out this, the coordinates of the points that define the pressure, suction and mean curvature lines of the profiles were obtained and modified to planes of 550, 660, 770, 880, 990 and 1100mm with respect to the rotor axis. The results were validated using the ANSYS Fluent 2D program, obtaining the aerodynamic efficiencies at different angles of attack. A steam inlet velocity was used at 200 m / s with constant density and viscosity of 0.5542 kg/m3 and 1.34e-05 kg/ms respectively. The fluid inlet directions at different angles of attack were evaluated with respect to the direction of the mean curvature line of the generated profiles. The results obtained demonstrated a greater aerodynamic efficiency with respect to the original profiles. Subsequently, a new blade was assembled from the profiles obtained by the algorithm developed. The new blade under centrifugal load and fatigue conditions presented improvements over the original. Presenting better distribution of efforts and a useful life superior to that of the original blade.