Projeto de turbinas hidráulicas axiais com parametrização da geometria, equação de equilíbrio radial e técnicas de otimização

• Ano de defesa: 2006
• Autor(a) principal: ALBUQUERQUE, Rodrigo Barbosa da Fonseca e
• Orientador(a): MANZANARES FILHO, Nelson
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Federal de Itajubá
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação: Mestrado - Engenharia Mecânica
• Departamento: IEM - Instituto de Engenharia Mecânica
• País: Brasil
• Palavras-chave em Português: Máquina de fluxo; Turbina hidráulica axial; Modelagem de perdas e desvio; Parametrização da geometria; Técnica de otimização; Projeto otimizado
• Área do conhecimento CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECÂNICA
• Link de acesso: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/3224

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma metodologia computacional de baixo custo para o projeto otimizado de turbinas hidráulicas axiais. A metodologia foi desenvolvida usando-se um modelo de escoamento quase-bidimensional, com correlações empíricas para as perdas e desvios nas grades. O estudo baseou-se nos princípios de conservação de massa, energia e quantidade de movimento, considerando-se a equação de equilíbrio radial para se obter um campo de escoamento mais realista. Tendo-se em vista um número reduzido de variáveis de projeto, os ângulos de montagem, as razões corda-passo e os arqueamentos das pás foram parametrizados em termos de seus valores nas estações do cubo, meio e ponta. O algoritmo de projeto otimizado – solver e método de otimização – foi implementado num programa escrito na linguagem MatLab®. Esse programa busca geometrias básicas que maximizam o rendimento da turbina, dadas a vazão, rotação, restrições para a altura de queda e faixas para as variáveis de projeto. Duas técnicas de otimização foram aplicadas: um método de busca local, baseado em gradiente, e um algoritmo populacional. O método de gradiente é uma Programação Quadrática Seqüencial padrão, usando-se a função fmincon do MatLab®, que busca mínimos locais partindo-se de uma estimativa inicial. Para as buscas globais, apresentam-se os Algoritmos de Busca Aleatória Controlada, algumas versões e suas vantagens no problema de projeto otimizado. Um exemplo de aplicação da metodologia é apresentado e discutido. Trata-se da otimização de uma turbina hélice tubular existente, previamente ensaiada em bancada de testes. Soluções ótimas são comparadas com o projeto original da turbina, mostrando-se as melhorias de desempenho, segundo a modelagem hidrodinâmica. Sugestões para o aperfeiçoamento da metodologia são dadas no final.