Inserção de geradores de vórtices longitudinais para a mitigação do vórtice de corda em uma turbina hidráulica do tipo Francis

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: Museti, Daniel Marcos
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Estadual Paulista (Unesp)
• Palavras-chave em Português: Turbina hidráulica Francis; Vórtice de corda; Geradores de vórtices; CFD; Francis hydraulic turbine; Vortex rope; Vortex generators
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/11449/242996

No Brasil a energia hidrelétrica tem sido usada como a principal fonte para a geração de eletricidade, fornecendo energia continuamente à rede elétrica. Paralelamente, a demanda por fontes de energias renováveis vem substancialmente crescendo nos últimos anos em decorrência das crescentes preocupações com as mudanças climáticas devido ao uso excessivo de combustíveis fósseis. Algumas destas energias renováveis como a energia solar e eólica, por exemplo, são consideradas como fontes de energias intermitentes, podendo gerar instabilidades na rede elétrica de distribuição. Além da produção de eletricidade, as turbinas hidráulicas fornecem estabilidade à rede devido à sua rápida resposta às mudanças na demanda e flexibilidade para operar em uma variedade de condições operacionais, tornando-a ideal para uso como modulador de rede, evitando a falta ou a sobrecarga no fornecimento de eletricidade. Neste sentido, com o avanço da tecnologia de modelagem computacional (CFD), o projeto de turbinas hidráulicas tem permitido a avaliação do escoamento sob diferentes condições de operação, identificando, ainda na fase de projeto, fenômenos como o vórtice de corda no tubo de descarga, que são responsáveis por muitas características operacionais indesejáveis, incluindo redução de eficiência, ruído, vibrações, variações na potência de saída, e pulsações de pressão no tubo de descarga e conduto forçado. Esta ferramenta numérica não era uma realidade para as usinas hidrelétricas instaladas no Brasil em meados da década de 70, onde o desenvolvimento era essencialmente empírico e analítico. Desta forma, o objetivo deste trabalho é investigar a possibilidade de mitigação do vórtice de corda em uma turbina hidráulica benchmarking do tipo Francis apresentada no Workshop Francis-99, considerando a inserção de dispositivos passivos do tipo geradores de vórtices sobre o perfil da pá do rotor. Foi adotada uma modelagem considerando a periodicidade do rotor e palhetas direcionadoras móveis para reduzir o custo computacional. O escoamento é considerado incompressível e turbulento, e uma abordagem inicial foi feita considerando o regime estacionário e posteriormente a configuração mais promissora na mitigação do vórtice de corda foi submetida ao regime transitório para comparação. As condições de operação PL (Partial Load), BEP (Best Efficiency Point) e HL (High-Load) foram investigadas. A inserção de geradores de vórtices sobre as pás de um rotor de uma turbina Francis permitiu a mitigação do vórtice de corda no tubo de descarga. A mitigação do vórtice de corda com a inserção de geradores de vórtices provocou redução na eficiência da turbina hidráulica em todas as configurações e condições, mas com a análise dos parâmetros e resultados foi possível minimizar essa queda na eficiência e, para a maioria dos casos, obter um ligeiro acréscimo no torque. Os resultados qualitativos no regime transitório mostram que as mudanças no vórtice de corda foram sutis quando comparadas aos resultados do regime estacionário, permitindo concluir que para uma análise inicial de mitigação do vórtice de corda o regime estacionário se mostra razoavelmente satisfatório. Apesar da inserção dos geradores de vórtices no rotor ocasionarem uma perda na eficiência, estes dispositivos passivos modificam a dinâmica do escoamento mitigando o vórtice de corda e, possivelmente, melhorando a estabilidade operacional da turbina hidráulica, podendo assim evitar a necessidade de uma completa substituição das turbinas.