Tesis
Cálculo numérico bidimensional do campo de temperaturas de flanges de junção de turbinas
Two dimensional numeric calculation of temperature field for split joint flanges
Registro en:
Autor
Almada, Nilson Mascarenhas de Moraes, 1974-
Institución
Resumen
Orientador: Marcelo Moreira Ganzarolli Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Esta dissertação tem como objetivo a aplicação do método explícito bidimensional de volumes finitos para o cálculo do campo de temperatura, em regime não permanente, de flanges de junção de turbinas a vapor, durante sua partida (comissionamento do equipamento). Apesar do flange de junção ter uma geometria irregular, foi considerado a utilização de uma malha cartesiana por esse tipo de malha gerar bons resultados. Um conjunto de critérios foi estabelecido para a definição do tamanho dos elementos da malha, uma vez que a junção é composta de prisioneiros e do próprio flange. Pelo balanço de energia, foram desenvolvidas equações explícitas bidimensionais de volumes finitos para cada um dos tipos de nós. Alguns nós faziam parte da fronteira entre o prisioneiro e o flange. Para isso, foi usado o conceito de resistências térmicas, onde cada quadrante do elemento do nó recebeu a informação dos materiais do flange ou prisioneiro. Como validação da metodologia desenvolvida, foram realizadas três simulações. A primeira foi a validação da malha desenvolvida, onde foram calculados os perfis de temperatura em uma região específica do flange, para tamanhos de elementos menores do que os estabelecidos pelos critérios de geração de malha e seus resultados foram comparados entre si. A diferença dos resultados obtidos com a malha desenvolvida pela malha mais refinada foi menor que 1%. A segunda simulação foi o comparativo dos resultados dos campos de temperatura com os resultados do cálculo explícito unidimensional de volumes finitos e de elementos finitos através de um software comercial. Neste caso os resultados obtidos através do método bidimensional ficaram mais próximos do método de elementos finitos do que o método unidimensional. E a terceira foi o comparativo da variação de temperatura no sensor, com os mesmos métodos descritos na segunda simulação, mas comparados também como os resultados reais de campo. O método bidimensional apresentou resultados muito mais próximos aos obtidos em campo comparado aos outros métodos. Levando em conta os resultados obtidos e as considerações feitas, referentes às aproximações utilizadas nas análises, conclui-se que o método apresentado gerou resultados satisfatórios e válidos para a utilização de análise de distribuição de temperatura em flanges de turbinas. Como complemento deste trabalho, para projetos futuros, pode-se incluir a geometria do rotor para analisar sua influência na transferência de calor para o flange e com isso obter resultados ainda mais próximos do real Abstract: This work aimed to the application of two-dimensional explicit finite difference method for calculating the temperature field in non-steady state steam turbine joint flanges at the start up (commissioning of the equipment). For a mesh type which generates good results and the joint flange having an irregular geometry was considered to use a Cartesian grid. A set of criteria was established to define the elements sizes, since the junction is compound of studs and the flange itself. Trough the energy balance, two-dimensional explicit finite difference equations for each the node types have been developed. Some nodes belonged to the border between the bolts and the flange. For this, the concept of thermal resistance was used, where each node element received the information of the bolt or flange or materials. As validation of this methodology, three simulations were considered. The first was the validation of the developed mesh, where temperature profiles were calculated for a specific region of the flange, for larger and smaller sizes of elements than those established by meshing criteria and the results were compared. The difference between the results from the applied meshing criteria and the smallest element sizes was less than 1%. The second simulation was the comparison of the results of temperature fields with explicit calculation results of the one-dimensional finite difference and finite elements using commercial software. In this case, the 2-D method results were closest to commercial results when compared to 1-D. And the third was the comparison of the temperature variation in the temperature probe with the same methods described in the second simulation, but also compared as actual field results. The method 2-D presented results much more similar for the real results than the others methods. Considering all the results and the approximations used in this work, it is concluded that the method presented satisfactory results generated and valid for the use of temperature distribution analysis for turbines flanges. In addition to this work, for future projects may include the rotor geometry to examine its influence on heat transfer to the flange and by that get even closer to real Mestrado Termica e Fluidos Mestra em Engenharia Mecânica