Modelado y análisis fluido dinámico de la primera etapa de una turbina industrial de vapor con capacidad de 25 MW

Abstract

Steam turbines are essential components in power generation, transforming the thermal energy of steam into mechanical energy. In particular, steam turbines used in geothermal plants face specific challenges regarding efficiency and flow optimization. In this study, a fluid dynamics analysis is performed on the first stage of a 25 MW industrial steam turbine, located at the “Los Humeros III – Phase A” geothermal power plant in Puebla, Mexico. The objective is to evaluate the flow behavior in the stator and rotor blades of the first stage and its impact on the turbine performance. The study starts from the problem that the geometry of the intake casing generates a non-axisymmetric flow, which can cause energy losses and unstable forces on the blades of the first stage. To address this problem, computational fluid dynamics (CFD) is used, using the finite volume method to discretize the computational domain. Different simulation cases are generated for the flow inlet in the casing and the first stage, comparing their effects on key parameters such as speed, pressure and torque. The results show that the flow distribution at the casing exit is not homogeneous, which causes significant differences in the aerodynamic load between different angular regions of the blades. The transferred torque is observed to vary throughout the first stage, suggesting that the non-homogeneous flow reduces the overall efficiency of the system. The analysis confirms that optimizing the geometry of the intake casing could improve the turbine performance, minimizing energy losses and reducing unsteady loads on the blades.

Las turbinas de vapor son componentes esenciales en la generación de energía, transformando la energía térmica del vapor en energía mecánica. En particular, las turbinas de vapor utilizadas en plantas geotérmicas enfrentan desafíos específicos en cuanto a eficiencia y optimización del flujo. En este estudio, se realiza un análisis fluidodinámico de la primera etapa de una turbina industrial de vapor con capacidad de 25 MW, ubicada en la central geotérmica “Los Humeros II – Fase A” en Puebla, México. El objetivo es evaluar el comportamiento del flujo en los álabes del estator y rotor de la primera etapa y su impacto en el rendimiento de la turbina. El estudio parte de la problemática de que la geometría de la carcasa de admisión genera un flujo no axisimétrico, lo que puede ocasionar pérdidas energéticas y fuerzas inestables en los álabes de la primera etapa. Para abordar este problema, se emplea dinámica de fluidos computacional (CFD), utilizando el método de volúmenes finitos para discretizar el dominio computacional. Se generan distintos casos de simulación para la entrada de flujo en la carcasa y la primera etapa, comparando sus efectos en parámetros clave como velocidad, presión y torque. Los resultados muestran que la distribución del flujo a la salida de la carcasa no es homogénea, lo que provoca diferencias significativas en la carga aerodinámica entre distintos sectores angulares de los álabes. Se observa que el torque transferido varía a lo largo de la primera etapa, lo que sugiere que el flujo no homogéneo reduce la eficiencia global del sistema. El análisis confirma que la optimización de la geometría de la carcasa de admisión podría mejorar el rendimiento de la turbina, minimizando las pérdidas energéticas y reduciendo las cargas inestables en los álabes.