Cálculo numérico del cambio de fase a diferentes condiciones de operación en la última etapa de una turbina de vapor

La principal forma de obtener energía eléctrica es a partir de las turbomáquinas. Existen diferentes tipos de turbomáquinas, en este trabajo se investiga el efecto del cambio de fase generado en las últimas etapas de las turbinas de vapor. Además, en este trabajo se incluye, los resultados de una búsqueda bibliográfica sobre cambio de fase en la etapa de baja presión de las turbinas de vapor. Dicha condición, es una de las principales problemáticas que impactan en las condiciones de operación y costos económicos de mantenimiento preventivo y correctivo, de este tipo de turbinas. Con frecuencia hay problemas de baja potencia y eficiencia debido a la formación de gotas de agua, las cuales impactan los álabes de la turbina, causando graves problemas como daños estructurales y modificando el campo de flujo. En este estudio por medio de análisis numérico se calcula el cambio de fase en la última etapa de una turbina de vapor, con la finalidad de conocer la zona exacta donde empieza la formación de gotas como consecuencia de la variación de la presión de vacío en la descarga de la turbomáquina. La etapa de baja presión está compuesta por álabes de más de 60 cm de largo, sometidos a presiones de vacío y baja temperatura. La etapa de baja presión que se investiga corresponde a una turbina de vapor de 110 MW. De esta etapa se realizaron simulaciones en 3D, utilizando el modelo de turbulencia Spalart-Almaras, el modelo de vapor húmedo (resuelve el cambio de fase) y la técnica de marco de referencia simple para simular el movimiento del rotor. Los resultados de las simulaciones en la etapa de baja presión permitieron obtener el comportamiento de la velocidad del vapor, así como contornos de 5 presión, temperatura, además se localizó la zona donde se genera la nucleación, se presentan resultados de cantidad de gotas por unidad de volumen y fracción de masa líquida. Con este estudio fue posible evaluar como afecta a la eficiencia y la potencia de la turbina de vapor las variaciones de la presión de vacío y se determinó que el cambio de fase ocurre generalmente en la salida de los álabes.

The main way to obtain electrical energy is by the turbomachinery, there are different types of turbomachinery and in this work we investigate the effect of the phase change generated in the last stages of the steam turbines, besides this work includes the results of a literature search on phase change in the low pressure stage of steam turbines, this condition is one of the main problems that impact on operating conditions and economic costs of preventive and corrective maintenance, in addition to There are often problems of low power and efficiency due to the formation of water droplets, which impact the blades of the turbine, causing serious problems such as structural damage and modifying the flow field. In this work, by means of numerical analysis, the phase change in the last stage of a steam turbine is calculated, in order to know the exact area where the formation of drops begins as a consequence of the variation of the vacuum pressure in the discharge of the turbomachine. The low pressure stage consists of blades over 60 cm long, subjected to vacuum and low temperature pressures. The low pressure stage investigated corresponds to a steam turbine of 110 MW. From this stage, 3D simulations were carried out, using the Spalart-Almaras turbulence model, the wet steam model, which resolves the phase change and the simple reference frame technique to simulate the movement of the rotor. The results of the simulations in the low pressure stage allowed to obtain the behavior of the steam velocity, as well as pressure contours, temperature, in addition the zone where the nucleation is generated, results of number of drops per unit of volume and fraction of liquid mass. With this study it was possible to 7 evaluate how variations in vacuum pressure affect the efficiency and power of the steam turbine and it was determined that the phase change generally occurs at the end of the blades.