Estudo do torque hidrodinâmico em palhetas do sistema distribuidor de turbinas Francis em regime permanente

Abstract

Segundo a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), 65,24% da energia elétrica produzida no Brasil é proveniente do aproveitamento de recursos hídricos de modo que a importância do bom funcionamento e maior e_ciência de Usinas Hidrelétricas (UHE) e Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCH) é inegável. A maioria das turbinas hidráulicas em UHEs espalhadas pelo Brasil são do tipo Francis, cuja vazão d'água que as atravessa é definida por sistemas distribuidores. Parte deste sistema é composto por palhetas móveis de abertura controlada por servo motores. Para que a vazão seja reduzida, é necessário que o torque hidráulico resistivo atuante nas palhetas do sistema distribuidor seja vencido pelos servo motores. A estimativa deste torque hidráulico resultante foi feita se utilizando de técnicas de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) para simular o escoamento d'água da entrada destas palhetas móveis até a saída do tubo de sucção, a jusante da usina, passando pelas pás do rotor. As geometrias e dados experimentais foram coletadas gratuitamente no site do Projeto Francis-99, realizado pela Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia (NTNU). Com base na geometria axiperiódica da turbina, o escoamento através da máquina foi divido em canais individuais e iguais, de forma que quando unidos a geometria completa é satisfeita. Um dos canais foi então dividido em três trechos com malhas fluidas e condições de contorno próprias, considerando regime permanente. Para que a simulação pudesse ser executada, foram utilizados os softwares Ansys ICEM CFD, OpenFoam e ParaView, além de três técnicas computacionais para realizar interfaces entre os trechos: Plano de Mistura (do inglês, Mixing Plane), Interface Generalizada de Malha (do inglês, General Grid Interface) e Múltiplos Referenciais Rotativos (do inglês, Multiple Rotating Frame of Reference). Após a execução da simulação, valores do campo de velocidades e de pressão foram encontrados. O campo de pressão atuante na superfície das palhetas do sistema distribuidor foi então integrado para que o torque hidráulico resultante fosse encontrado.