Inserção de dispositivos passivos para a mitigação do vórtice de corda em uma turbina hidráulica do tipo Francis - Vanin, Rafael [UNESP] (2022)
A maior parte da energia elétrica gerada no Brasil é proveniente das hidrelétricas, reconhecida por ser uma fonte de energia renovável e não intermitente que pode adequar o despacho conforme a demanda da rede elétrica. A demanda por fontes de energias renováveis vem substancialmente crescendo nos últimos anos em decorrência, entre outros, de aspectos econômicos e ambientais das fontes convencionais, como o petróleo e seus derivados. Porém, algumas destas energias renováveis, como a energia solar e eólica, são consideradas como fontes de energias intermitentes, podendo gerar instabilidades na rede elétrica de distribuição. Desta forma, as hidrelétricas podem operar modulando seu ponto de operação para acomodar estas variações, evitando a falta ou a sobrecarga no fornecimento de eletricidade. Neste sentido, o projeto de turbinas hidráulicas através da modelagem computacional permite a avaliação da dinâmica do escoamento sob várias condições de operação, identificando, ainda na fase de projeto, fenômenos como o vórtice de corda no tubo de descarga, que podem gerar vibrações na turbina, limitando sua faixa de operação e reduzindo sua vida útil. Entretanto, nas análises de pré-projeto em meados da década de 70, as ferramentas de modelagem computacional eram pouco difundidas, ou limitadas, no desenvolvimento das turbinas instaladas nas usinas hidrelétricas do Brasil, quando o desenvolvimento a partir de uma abordagem empírica e/ou analítica era predominante. Desta forma, o objetivo deste trabalho foi 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 no tubo de descarga e sobre o perfil da pá do rotor. Para redução no tempo de simulação numérica foi utilizado à técnica de periodicidade do rotor e palhetas direcionadoras móveis. O escoamento é admitido ser incompressível e turbulento. Uma abordagem inicial considerando um regime estacionário é adotado para a definição da geometria do dispositivo passivo mais promissor para mitigar o vórtice de corda, seguido de uma análise em regime transitório. As condições de operação PL (Partial Load), BEP (Best Efficiency Point) e HL (High-Load) foram investigadas. As análises mostraram que dispositivos passivos inseridos sobre às pás do rotor são mais promissores para mitigar o vórtice de corda do que aqueles inseridos no tubo de descarga. Além disso, que ambos dispositivos passivos instalados sobre as pás do rotor ou no tubo de descarga têm significativo impacto no torque e eficiência da turbina hidráulica. Embora a condição PL seja a mais relevante em relação à formação do vórtice de corda para a turbina hidráulica Francis Original (Workshop Francis-99), a inserção de dispositivos passivos também impactou significativamente nas outras condições de operação BEP e HL, indicando, desta forma, que o estudo de dispositivos passivos deve ser realizado mandatoriamente para as três condições operacionais. Contudo, os resultados deste trabalho indica que a inserção de dispositivos passivos é uma técnica promissora para a mitigação do vórtice de corda em turbinas hidráulicas do tipo Francis já instaladas em usinas hidrelétricas, contribuindo, assim, para a revitalização das atuais turbinas instaladas em contrapartida à sua completa substituição.