Análise numérica da operação de turbinas hidráulicas tipo Francis em plena carga. - D\'Agostini Neto, Alexandre (2018)
Turbinas hidráulicas a reação e de simples regulação, tais como Francis e Propeller estão sujeitas a ocorrência de fenômenos transitórios quando operando fora do ponto de projeto devido ao fato de possuírem rotores de pás fixas e rotação constante. Particularmente para a condição de overload, traduzida aqui como plena carga, o campo de velocidades existente na saída das pás do rotor pode resultar na existência de um vórtice axissimétrico cavitante no tubo de sucção que pode atuar como elemento desestabilizador do circuito hidráulico no qual a turbina está instalada levando a oscilações de pressão e vazão de grande amplitude e origem autoexcitada. A correta predição numérica do comportamento transitório desse fenômeno, no entanto, permanece desafiadora. O presente trabalho traz uma revisão bibliográfica contendo a caracterização histórica da ocorrência do fenômeno e de modelagens matemáticas e numéricas já empregadas em sua análise. Em seguida estabelece um caso de referência por meio do processamento de dados experimentais provenientes de ensaio em uma turbina Francis de média queda. Para essa turbina é aplicada a modelagem unidimensional hidroacústica do circuito hidráulico contendo uma cavidade no tubo de sucção que permite a realização de um estudo paramétrico de estabilidade. Os parâmetros para o vórtice são obtidos de modelo tridimensional hidrodinâmico de volumes finitos que tem suas principais características exploradas e discutidas. Por fim é aplicado um método numérico que permite que as simulações tridimensionais de uma turbina hidráulica levem em conta o circuito hidráulico no qual estão instaladas, o que é fundamental para a caracterização do fenômeno autoexcitado. Esse método é inicialmente avaliado em caso teste simplificado e em seguida é realizada aplicação no caso de referência estabelecido inicialmente.