Identificação de regiões propícias a danos por cavitação na calha de um vertedouro em degraus : aspectos hidráulicos e geométricos - Schumacher, Andressa (2020)
O uso de vertedouros em degraus em barragens tem crescido significativamente desde a década de 70, devido a sua efetividade na redução de custos com material, construção e operação e sua capacidade em dissipar energia. Apesar dos grandes benefícios proporcionados, ainda existe uma lacuna de conhecimento em relação aos fatores que causam patologias e posteriores danos nesse tipo de estrutura hidráulica. Um dos fenômenos mais recorrente e com poder de dano é a cavitação, que ocorre quando a pressão no interior do fluxo escoado atinge o valor de pressão de vapor d’água, ocasionando a implosão das bolhas de baixa pressão, que quando em contato com a superfície hidráulica, danifica-a. Os danos causados pelo fenômeno podem comprometer o empreendimento, parando a operação de usinas de geração de energia para reparos, além de pôr em risco as populações ribeirinhas a jusante. Por isso, este trabalho tem como objetivo elaborar uma metodologia para identificar as regiões suscetíveis ou não aos danos relacionados ao fenômeno de cavitação em calhas de vertedouros em degraus, integrando aspectos geométricos e hidráulicos aos critérios de aeração, associados à proteção da superfície de concreto. Para isso, a pesquisa foi realizada em duas etapas: localização das principais posições dos pontos críticos relacionados às características do escoamento em vertedouros em degraus (início de aeração visual, local onde ocorre a menor pressão mínima extrema e o local onde a pressão mínima extrema passa a oscilar em torno de um valor médio constante); e delimitação das regiões de cavitação através de gráficos dados pela carga hidráulica total de uma barragem em função da vazão específica escoada. Para a determinação dos comprimentos críticos do escoamento, o estudo foi realizado a partir dos dados obtidos em três modelos de vertedouros em degraus com diferentes características geométricas. Ao longo da calha, foram realizadas leituras de pressões junto ao espelho dos degraus para diferentes vazões. Para determinação das regiões, os gráficos de cavitação foram delimitados em região sem cavitação, sem ocorrência de danos e com cavitação e com possibilidade de ocorrência de dano. A análise foi realizada a partir de equações que permitem localizar as regiões críticas relacionadas às regiões de baixa pressão e de aeração natural, em função das características geométricas e hidráulicas da estrutura. Assim, foram determinadas equações de comprimento crítico do escoamento deslizante sobre turbilhões para o ponto de mais baixa pressão ao longo da calha, bem como o início de aeração do fluxo, observando uma relação de 0,8 vezes do primeiro ponto ao segundo. Também foi possível determinar a equação do comprimento de aeração total, onde o fluxo está totalmente protegido contra os danos provocados pela cavitação. Ainda, foram delimitadas as regiões relacionadas ao fenômeno de cavitação e com possibilidade de dano em protótipos com diferentes características geométricas. Foi observado que maiores degraus geram o fenômeno em cargas hidráulicas menores e que maiores inclinações, em maiores cargas hidráulicas. Já a vazão demonstrou-se indiferente ao acréscimo de altura de degrau ou declividade. Foi observado também que a ocorrência de cavitação necessita de uma extensão de vertedouro compatível com a vazão escoada para que o fenômeno possa se desenvolver. Também foi notado que, quanto maior a inclinação da calha e menores as alturas dos degraus, a possibilidade de dano abrange um comprimento maior da extensão da calha.