Valoración teórica del incremento en la eficiencia de turbinas de vapor basados en la optimización geométrica de un escalonamiento

Abstract

Introduction: The design of straight labyrinth seals for a steam turbine, has had little progress concerning their geometry. As an auxiliary system, its current shape causes a significant loss of efficiency in this machine. Materials and Methods: Therefore, this study evaluates the application of an automatic optimization process to define a more suitable seal profile that increases the pressure ratio at the first stage of a steam turbine installed in a geothermal field in México. Multidisciplinary software, controlled by a PowerShell, were coupled to optimize the seal shape in response to the flow and pressure field given by a computationally cheap CFD model of the first step of the labyrinth steam turbine seal. Results and Discussion: By parameterizing the seal geometry, the leading edge was automatically manipulated with the numerical algorithm, obtaining an angle tendency towards 45°. This new leading edge decreased the outlet pressure of the seal system by 1.2% which, for a total of 5 stages in the turbine with the same seals, would result in a 6% pressure reduction. Conclusions: It is inferred that this practical methodology could easily update the seal design during the turbine re-powering operations.

Introducción: El diseño de sellos laberínticos rectos para una turbina de vapor ha tenido pocos avances en cuanto a su geometría. Como sistema auxiliar, su forma actual provoca una importante pérdida de eficiencia en esta máquina. Por ende, este trabajo evalúa el uso de un proceso de optimización automática para definir un perfil de sello más adecuado que incremente la diferencia y relación presión en la primera etapa de una turbina de vapor instalada en un campo geotérmico en México. Materiales y Métodos Se acopla software multidisciplinario, controlado por PowerShell, para optimizar la forma del sello en respuesta al campo de flujo y presión proporcionado por un modelo CFD computacionalmente pequeño del primer paso del sello laberíntico. Resultados y Discusión: Al parametrizar la geometría del sello de vapor, el borde de ataque fue manipulado automáticamente con el algoritmo numérico, obteniendo un ángulo con tendencia hacia los 45°. Este nuevo borde de ataque disminuyó la presión de salida del sistema de sellado en un 1.2%, lo que, para un total de 5 etapas en la turbina con los mismos sellos, resultaría en una reducción de presión del 6%. Conclusiones: Se infiere que esta metodología práctica podría actualizar el diseño del sello durante las operaciones de repotenciación de la turbina.