Turbina Francis; Repotencialização pelo Método de Análise Numérica Francis...

Turbina Francis; Repotencialização pelo Método de Análise Numérica
Francis turbine; Reconditioning the Numerical Analysis Method

RESUMO

Este artigo cientifico possui estudo de repotencialização da turbina Francis, 19 pás, para condição específica de operação gerando 113MW líquidos, o comportamento hidrodinâmico do conjunto é determinado, pela vazão, nível de elevação da superfície livre do reservatório em relação à entrada na turbina. Repotencialização foi ensaiada com a dinâmica de fluidos computacional (CFD) software OpenFOAM®, simulando escoamento de fluído internamente ao hidrogerador, funcionando atualmente em Honoropolis, Minas Gerais. Prática ensaiada Segundo método cortina salina e respectivo aumento da condutividade. O escoamento foi reduzido comprovando sua eficiência, teórica por meio de análises obtidas em escala real de forma idêntica ao campo. As linhas de corrente e Campos de Pressões obtidos, sobre comportamento do escoamento, nos diversos ensaios; usadas na análise comportamental; possuindo estabilidade ,coerência de respostas. Protótipo digital original foi reproduzido fielmente às novas curvaturas do rotor digital. Desta forma fenômenos ocorridos no escoamento sobre as pás do rotor; logo do perfil, atendem ás respostas das simulações. Objetivo, foi avaliar comportamento do escoamento sobre pás do rotor da turbina a fim de entender os fenômenos que ocorrem neste tipo de escoamento, consequências no, conjunto.

INTRODUÇÃO

O natural envelhecimento do parque gerador Brasileiro tem ocasionado um significativo impacto na capacidade de geração das atuais Usinas Hidrelétricas (UHE). A isso são atribuídos diversos motivos, dentre os quais a redução da capacidade de regularização dos reservatórios por ação de assoreamento e a redução do rendimento dos conjuntos hidro geradores (turbina hidráulica e gerador elétrico). A redução da capacidade de regularização é um problema sistêmico e de ação macro regional. Essas ações dependem de um conjunto procedimentos que vão desde o manejo das áreas adjacentes ao reservatório das UHE (reflorestamento, tratamento de esgotos e proteção de taludes) até ações de desassoreamento de cunho hidro-mecânico (dragagens e ações de descargas de fundo). Por outro lado a recuperação das características de rendimento hidro-mecânico depende de um conjunto de ações localizadas e restritas ao ambiente interno da UHE onde se pode atuar de forma individualizada e com um investimento muitas vezes menor uma vez que as ações são concentradas e pontuais. Para se preceder a essa intervenção e conseqüente modernização é necessário conhecer qual o tipo de intervenção a ser adotada. No caso das turbinas hidráulicas é necessário conhecer qual o perfil hidráulico das pás das turbinas de forma a se recompor a sua superfície (curvatura) recuperando o formato original ou até mesmo modificando sua curvatura de forma a aumentar seu rendimento. No Brasil as empresas de Energia Elétrica ao adquirirem as máquinas hidráulicas não exigem o projeto do perfil da pá das turbinas. Em algumas situações os fabricantes forneceram gabaritos de reparo que foram “perdidos” ao longo dos anos. Dessa forma é necessário se proceder ao recálculo das mesmas de modo a se obter o perfil original das pás. Como experimentalmente isso é muito difícil a análise numérica 3D é uma ferramenta importante e rápida que pode ser útil para isso. Entretanto é necessário se fazer a calibração do protótipo digital de forma que o resultado obtido seja valido. O software inicial a ser trabalhado foi o OpenFOAM ® que é apropriado para estudos acadêmicos, pois tem o seu código aberto. Assim sendo, quaisquer condições de simulação podem ser alteradas para melhor representar e analisar o fenômeno em foco. Por exemplo, é possível modificar o código para o protótipo digital de atomização, introduzir uma malha adaptativa ou introduzir características que possam representar qualquer tipo de água fluída (turbidez e sólidos em suspensão). Outro ponto positivo de se trabalhar com esse software é a possibilidade de utilizar vários processadores em paralelo sem a necessidade de comprar licenças, já que o OpenFOAM® está disponível na rede de computadores mundial. O software OpenFOAM ®, atrai e motiva o profissional da área de Mecânica dos fluídas por métodos computacionais para o estudo de fenômenos dos fluídos dinâmicos. Valle, RM.et al ,em seus trabalhos (2012),citam diversos casos de aplicação,das ferramentas de CFD registradas para a área de geração de energia hidráulica. A correlação é igualmente encontrada em Faria. M.T.C, Acoustic Emission Evaluation of Cavitation Erosion in Hydraulic Turbines. In: F. K. Chang. (Org.). structural health monitoring 2011: condition-based maintenance and intelligent structures. Stanford, CA: Structural Health Monitoring (SHM), 2011, v. 1, p. 742-747.. Segundo estes autores, equipes de fabricantes de turbinas, como a Sulzer; Hydro, and Sulzer Innotec já possuem um protótipo digital completo do conjunto, desde a entrada da caixa espiral até a saída do tubo de sucção, sendo usado para a fabricação de rotores para novos projetos, com base no uso da análise tridimensional através das equações de Navier-Stokes, gerando resultados próximos aos reais e menor custo em relação ao uso dos antigos protótipos reduzidos. Martinez et al. (2010) Estudo e Desenvolvimento de uma Turbina Hidráulica: Um Enfoque Voltado às Pequenas Centrais Hidrelétricas, utilizaram o modelamento URANS (do Inglês: Unsteady Reynolds-Averaged Navier Stokes) para analisar o vórtice rotacional formado no tubo de sucção em diferentes condições de carga da UG (Unidade Geradora). Ruchi et al. (2010) efetuaram uma abordagem das características gerais do escoamento em turbinas hidráulicas tipo Francis, utilizando-se dos recursos de CFD, onde foi possível observar as variações do comportamento do escoamento em função da abertura das palhetas móveis. Os resultados foram comparados com dados experimentais sendo comprovada a eficiência.

PROTÓTIPO DIGITAL MATEMÁTICO

Pós-processador;_Um grande desenvolvimento foi feito no campo de pós-processamento. Quase todos os softwares CFD está equipado com diferentes ferramentas de visualização que podem ser divididos em duas formas; graficamente ou alfanumérica. Nas ferramentas gráficas, existem parcelas vetor, geometria e contornos de exibição de grade, iso-superfícies,linhas de fluxo e animações. Nas ferramentas alfanuméricos, existem os valores integrais, arraste, elevação e cálculos de torque, as médias e desvios-padrão. Essas ferramentas podem facilitar a percepção de que o usuário tem sobre o trabalho em andamento. O protótipo digital do escoamento da água fluída possui uma formulação matemática apropriada, pode-se separar em (1) fluídos Viscosos e (2) fluídos Incompressíveis. E tudo mais que envolve os princípios básicos, de conservação da massa e sua quantidade de movimento tridimensional para escoamento turbulento.
A priori tem-se; a água fluída a ser turbinada com estado liquido a 25ºC; Será considerada água fluída de trabalho e o meio continuo como válido. A turbulência do escoamento aplicar-se-a sobre as equações de: Conservação as Médias de RANS – Reynolds Average Navier-Stokes SALIBA, A. P. M. , et al (2014) SALIBA, A. P. M.; MARTINEZ, C. B. . A análise de viabilidade das Pequenas Centrais Hidrelétricas e o conceito de envoltórias de vazão: uma abordagem estocástica dos Recursos Hídricos. Revista Brasileira de Recursos Hídricos. Porto Alegre: , 2012.. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, Porto Alegre - Brasil, v. 7, p. 35-55, 2002.protótipo digital de turbulência k-w SST (do Inglês: Shear Stress Transport) para antever a viscosidade aparente do escoamento, juntamente com funções de carenagem.

CONSERVAÇÃO DA MASSA

Para aplicações hidráulicas, as equações básicas que descrevem o escoamento são Conservação da massa (equação da continuidade) e ;l Conservação do momento Navier – Stokes, (WHITE, 1991). Considerando o volume de controle possuido na Figura 3.13, em que u, v e w são as componentes do vetor de velocidade V e dx dy dz os lados do cubo infinitesimal, pode ser obtida a Equação 31 (Equação de Conservação da Massa):

Para um escoamento incompressível, aequação média da conservação da quantidade
de movimento é dada por Equação 01:

Equação 01:

onde a viscosidade efetiva é Equação 02:

Equação 02
μeƒƒ = μ + μt

Nessa expressão:

(μ) Viscosidade dinâmica da mistura e
(μt) Viscosidade turbulenta, definida
Como
(μt) = rk/w,

onde :

(k) Energia cinética turbulenta
(ω) Frequência turbulenta

Obtidas com o protótipo digital de turbulência. O termorepresenta uma pressão modificada, ondeé a pressão média da mistura e:

(δij) _É a função delta de Krönecker para a notação indicial.

O termo:
(Su) representa um termo fonte médio.
Equação 02:

[...]