Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Departamento de Engenharia Mecânica, 2006. / Submitted by mariana castro (nanacastro0107@hotmail.com) on 2009-09-28T14:04:27Z No. of bitstreams: 1 DISSERTACAO Jose Gustavo Coelho.pdf: 6947679 bytes, checksum: dc4f35b9e0b2a2a09bcdfa4f7e4e95ff (MD5) / Approved for entry into archive by Gomes Neide(nagomes2005@gmail.com) on 2010-12-21T13:12:56Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DISSERTACAO Jose Gustavo Coelho.pdf: 6947679 bytes, checksum: dc4f35b9e0b2a2a09bcdfa4f7e4e95ff (MD5) / Made available in DSpace on 2010-12-21T13:12:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DISSERTACAO Jose Gustavo Coelho.pdf: 6947679 bytes, checksum: dc4f35b9e0b2a2a09bcdfa4f7e4e95ff (MD5) Previous issue date: 2006-07 / Em máquinas de baixa queda, como é o caso da turbina bulbo,o estudo do escoamento em tubos de sucção tem uma grande importância, pois a eficiência e a potência da máquina estão diretamente associadas ao seu bom desempenho. Esse trabalho tem como objetivo geral a modelagem e simulação numérica do escoamento turbulento, com o intuito de avaliar a capacidade dos métodos numéricos atuais em reproduzir com fidelidade o escoamento em tubos de sucção. Como objetivo específico, pretende-se avaliar a possibilidade de diminuir o comprimento de um tubo de sucção da turbina tipo Bulbo, preservando a sua relação de área e o seu rendimento. Para atingir esses objetivos, inicialmente se faz a validação do modelo de turbulência adotado, SST, para diferentes casos. Primeiro para difusores com variadas angulações e sem swirl. Posteriormente se insere o giro no escoamento. Após essa etapa de validação, faz-se a simulação da máquina completa com o intuito de obter resultados realistas para a região da entrada do tubo de sucção. Utiliza-se essa condição de entrada tanto para um tubo de sucção convencional como para a geometria otimização proposta, com a finalidade de comparação dos resultados. Como resultado, observa-se que a diminuição do comprimento do tubo de sucção se mostra válida, fazendo injeções secundárias de fluido em posições específicas, Para a realização desse trabalho, usa-se o software comercial SOLIDWORKS para a criação da geometria e o ANSYSCFX-10 para o processamento geral do escoamento. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT / In machines of low fall, as in the case of the turbine bulb, the study of the flow in the draft tube has a great importance, because the efficiency and the power of the machine are directly associated to its good performance. This work has as general objective modeling and simulates the turbulent flow of draft tubes of bulbe hydraulic turbines. The intentions to evaluate the capacity of the current numeric methods in reproducing with fidelity the flow in these draft tubes. As specific objective that work, intends to evaluate the possibility of reducing the length of draft tube, preserving its area relationship and its inlet geometry. To reach these objectives, initially it is made a validation of the turbulence model adopted, SST, for different study cases. First for diffusers with varied angulations and without swirl. Later a swirl is inserted in the flow. After that validation stage, it is made the simulation of the complete machine in order to obtain realist data for the draft tube entrance area. That inlet condition is used both for a conventional draft tube as for the new geometry proposed with the purpose of comparing the results. For the accomplishment of this work, the software packaged SOLIDWORKS is used for the creation of the geometry and ANSYSCFX-10 for the simulation of the flow.

En el presente proyecto se presenta una propuesta económica y versátil del acople de una turbina Michell Banki en el banco de ensayo de turbinas del Laboratorio de Energía ubicado en la sección de Ing. Mecánica. La tesis desarrollada abarca; la evaluación del banco de ensayo, a fin de utilizar la mayoría de recursos existentes en él y obtener los parámetros de operación de la turbina Michell Banki; el diseño hidráulico y mecánico de la turbina para el desarrollo de los planos; la implementación del banco con el propósito de indicar las modificaciones realizadas; y los costos para estimar la inversión del proyecto. Los parámetros de operación de la turbina son los siguientes: 200 W de potencia en el eje, velocidad de rotación de 1000 rpm, 70% de eficiencia, velocidad específica igual a 43, salto neto de 6,5 m y caudal de 4,7 l/s. Entre los principales componentes la turbina se obtuvo un rotor de 100 mm de diámetro y 35 mm de ancho; un eje de 15 mm de diámetro en la sección que acoge al rotor y de 28 mm en la sección más ancha; un inyector de 125 mm de largo, 23,3 mm de ancho y 26 mm de altura de garganta. El rotor será fabricado con acero inoxidable AISI 316L, el eje de AISI A570 y el inyector con acero ASTM A36 cubierto con pintura epóxica al cuidado de la corrosión. La principal modificación del banco de ensayo para el acople de la turbina está relacionada con el cambio de electrobomba y la incorporación de elementos como la pieza de transición y la tubería rectangular. De este modo se seleccionó una electrobomba monoblock de 1,9 HP de potencia, 3500 rpm, 18 m.c.a. y 4,5 l/s de caudal con alimentación 220/440 V, la cual puede trabajar con ambas turbinas (2990 rpm para Michell Banki y 3100 rpm para Pelton) según el acondicionamiento del banco de ensayo. Asimismo, el acople de la electrobomba requiere la fabricación de una brida de succión y una de descarga. El costo total del proyecto es de S/. 21,091.65, en donde está incluido S/. 16,000 por parte del diseño y S/. 5,091.65 por parte de la implementación (materiales y accesorios, fabricación y montaje). / Tesis

Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro Universitário da FEI, São Bernardo do Campo, 2014

El tema del calentamiento global es un gran debate entre políticos, científicos, la industria y la sociedad en general. Se discute desde su existencia hasta su severidad, sus potenciales causas, así como sus efectos en los sistemas globales tales como el clima, la ecología y particularmente en la vida de las personas. En este contexto, es indiscutible que las emisiones de dióxido de carbono y otras que intensifican el efecto invernadero han aumentado dramáticamente, a la par de nuestro consumo energético. Para revertir esta situación, por un lado, es impostergable el desarrollo de tecnologías que permitan aprovechar fuentes de energía renovable como la fluvial o la marítima que, por cierto, son abundantes en el Perú y, por otro, la utilización de materiales reciclados se hace cada vez más exigente para contribuir con el cuidado del medio ambiente. Una aplicación que sintetiza ambas soluciones, es la fabricación de rodetes de turbinas con materiales reciclados de bajo peso para garantizar el aprovechamiento eficiente de la energía de los ríos y mares. El objetivo de este trabajo es el diseño de una turbina de corriente libre tipo propeller utilizando plásticos reciclados reforzados con madera recuperada. El diseño de la turbina propeller realizado en el presente trabajo comprende las siguientes etapas: En primer lugar, se identificaron los parámetros necesarios para el diseño. Luego de un análisis energético, se procedió a realizar el dimensionamiento inicial del rotor de la turbina y mediante un análisis mecánico se determina el diseño final de la geometría y los materiales de los álabes. A continuación se diseñan los demás componentes y accesorios de la turbina. Por último, se realizan los planos y costos de fabricación. Se ha diseñado una turbina tipo propeller de eje inclinado a 30° con el plano horizontal, 2m de diámetro y tres álabes con perfil NACA 4412 en su sección transversal; capaz de desarrollar una potencia máxima en el eje de 1,1 kW. Para el diseño de los álabes se ha considerado que éstos serán fabricados en dos etapas: inicialmente el núcleo de los álabes se obtendrá por moldeo de un material compuesto de matriz de polipropileno reciclado reforzado con partículas de madera capirona recuperada y, finalmente, recubiertas con dos capas de material compuesto de fibra de vidrio y resina poliéster; reduciendo considerablemente los costos y tiempos de fabricación en comparación a los álabes fabricados en su totalidad con este último material compuesto. / Tesis

La presente tesis trata del estudio de un tipo en particular de turbinas hidráulicas que viene a ser la turbina axial semi Kaplan tubular que consiste en un diseño especial que usa un rodete Kaplan de álabes fijos al cual se antepone un distribuidor axial, también de álabes fijos, ambos montados en una carcasa cilíndrica, prescindiendo así de la carcasa espiral. Inmediatamente al conjunto anterior se le instalará un tubo de aspiración recto o acodado según sea el caso. De este modo el flujo discurre paralelo al eje sin mayores cambios de dirección lográndose así un ahorro de espacio y también de costos civiles, de materiales y de fabricación. / Tesis

En el Perú el 24% de la población nacional carece de acceso al servicio eléctrico; esto significa que alrededor de 6.5 millones de peruanos permanecen al margen del desarrollo y la modernidad. En el sector rural la situación es más grave pues solamente un 32% posee suministro eléctrico. La electrificación rural en el país se viene desarrollando, en base a los Pequeños Sistemas Eléctricos; a la extensión de las Líneas de Transmisión y Subestaciones asociadas a la construcción de Pequeñas Centrales Hidroeléctricas. Se presenta el diseño de un grupo hidráulico utilizando una turbina Michell Banki de 8 a 20 kW de potencia para ser instalado en diversas localidades de la zona rural del país. El trabajo ha abarcado el diseño de un grupo de generación para el rango de potencias establecido incluyendo el diseño de la turbina, el sistema de transmisión para la transformación de energía mecánica a eléctrica, la selección del generador eléctrico y los instrumentos de control, además de la confección de la carta de trabajo de la turbina y los manuales de uso, instalación y mantenimiento. El grupo se encuentra diseñado para operar a 1800 revoluciones por minuto, con un caudal de diseño de 85.8 l/s y un salto neto necesario de 45.9 metros. El rotor esta compuesto por 24 álabes con un diámetro exterior de 149 milímetros y un ancho de 160 milímetros. Para regulación del caudal de entrada y con ello de la potencia de salida cuenta con un álabe directriz ubicado en el inyector de la turbina y regulable a través de una manivela exterior. La turbina estará conectada a un motor asíncrono trifásico de 4 polos operando como generador. Se podría hacer un paralelo entre este equipo y un grupo electrógeno. Mientras que en la parte técnica no se observará gran diferencia si la habrá en la parte económica, pues si bien el grupo hidroenergético presenta una inversión inicial mucho mayor que la del grupo electrógeno, prácticamente no tiene costo de operación. Por lo que para proyectos a largo plazo se presenta como una excelente opción. El costo del proyecto esta alrededor de los US$ 42 000 sin incluir el impuesto general a las ventas. El equipo en cuestión será capaz de trabajar en una amplia zona de trabajo. Pudiendo operar en múltiples combinaciones de salto y caudal que cumplan con la relación que se muestra en el desarrollo del trabajo. Con esto se logra un equipo con una alta flexibilidad de utilización. Con ello es posible tener una producción en masa de este equipo y destinarlo a ser utilizado en la electrificación de pequeños poblados en zonas alejadas del país que se ajusten a los requerimientos de caudal y salto neto del equipo. Con esto se logra también un equipo estandarizado y con ello bajar costos de reparación y de repuestos, además de tener técnicos especializados en el equipo. / Tesis

El diseño del sistema regulador de velocidad es una característica fundamental en las mini centrales hidroeléctricas, debido que al transcurrir el tiempo la demanda de la comunidad, donde está ubicada la mini central, va en aumento en función al crecimiento de la población. Es por eso que el mejoramiento de la eficiencia de las centrales hidroeléctricas es un factor importante, para satisfacer la demanda y mejorar la calidad de energía que se entrega a la comunidad. El presente informe presenta el diseño de un sistema de control de velocidad de una turbina Pelton en la central hidroeléctrica Buenos Aires Niepos usando algoritmo PI digital a través de la herramienta informática Matlab. El proceso de diseño de este modelo abordará desde la información de la ficha técnica hasta la obtención de parámetros necesarios para el diseño. Se realiza en primer lugar la obtención de parámetros para el cálculo del diámetro de la válvula , un vez hallado, se procede a plantear un modelo cascada de la central hidroeléctrica de Buenos Aires Niepos, una vez planteado el modelo se dará lugar a las ecuaciones de transferencias tanto en el servomotor, turbina y generador; y se procederá al desarrollo de la arquitectura del diseño del controlador , en esta etapa se emplea el Matlab para simular y comprobar el comportamiento del diseño y una vez desarrollado se pasará al cálculo de los parámetros del controlador PI (Controlador Proporcional-Integral ) digital. Los cálculos se realizarán mediante hojas de cálculo de Excel, se procederá a evaluar el modelo de la central hidroeléctrica, mediante Matlab, para obtener los parámetros para el algoritmo PI (Controlador Proporcional-Integral) digital. De esta manera concluir con el diseño final del sistema. / Tesis

El presente proyecto, es un módulo de pruebas dotado por dos turbinas una pelton y una francis que simula el funcionamiento de una pequeña central hidroeléctrica y permite disponer como herramienta para capacitar e incentivar a estudiantes en energías limpias y renovables. La tesis desarrollada abarca la construcción de un sistema que muestra el funcionamiento de dos turbinas, aprovechando la operación de una electrobomba centrífuga para simular el salto hidráulico. El trabajo comprende; la construcción del módulo “Montaje de las turbinas, sistema eléctrico, electrobomba y simulación de la caída de agua”, la selección de los instrumentos y dispositivos así como los procedimientos de evaluación y diseño, se utilizara datos comerciales. Que se propone permitirá: visualizar los diferentes comportamientos hidráulicos y eléctricos que se presenten. / Tesis

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Programa de Pós-Graduação em Ciências Mecânicas, 2011. / Submitted by Alaíde Gonçalves dos Santos (alaide@unb.br) on 2012-04-25T14:35:07Z No. of bitstreams: 1 2011_FernandadeOliveiraSoaresSousa.pdf: 3248121 bytes, checksum: 58bc29b0278c716de89adb751f65a73e (MD5) / Rejected by Jaqueline Ferreira de Souza(jaquefs.braz@gmail.com), reason: Falta o abstract. on 2012-04-27T13:58:54Z (GMT) / Submitted by Alaíde Gonçalves dos Santos (alaide@unb.br) on 2012-05-08T11:30:27Z No. of bitstreams: 1 2011_FernandadeOliveiraSoaresSousa.pdf: 3254273 bytes, checksum: bb493c12c1f70a2c12ad26ddfee7aaf5 (MD5) / Approved for entry into archive by Marília Freitas(marilia@bce.unb.br) on 2012-05-10T12:10:29Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2011_FernandadeOliveiraSoaresSousa.pdf: 3254273 bytes, checksum: bb493c12c1f70a2c12ad26ddfee7aaf5 (MD5) / Made available in DSpace on 2012-05-10T12:10:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2011_FernandadeOliveiraSoaresSousa.pdf: 3254273 bytes, checksum: bb493c12c1f70a2c12ad26ddfee7aaf5 (MD5) / Este trabalho tem como objetivo introduzir uma metodologia para estimar cargas em pinos de cisalhamento de uma turbina Kaplan e relacionar eventos de falha de pinos a sobrecargas com origem hidrodinâmica. O estudo foi realizado na Usina Hidrelétrica Coaracy Nunes, situada no estado do Amapá. Existem muitos aspectos que podem ser considerados como causa de falhas em pinos de cisalhamento, como fratura por fadiga, cargas estáticas excessivas devido a problemas de alinhamento e montagem. O principal fator considerado nesta análise é o estudo de carregamentos hidrodinâmicos causados pela passagem do escoamento pelas pás do distribuidor e transmitidos ao restante da estrutura. Isto pode causar uma sobrecarga cíclica, levando, em consequência disso, a danos no pino de cisalhamento. Para investigar este fenômeno, uma análise da estrutura do distribuidor foi realizada para estimar as cargas transientes atuantes em cada componente do sistema de controle direcional das pás do mecanismo. Como resultado, as cargas com origem hidrodinâmica atuantes nos pinos de cisalhamento serão conhecidas. Uma análise complementar foi necessária para avaliação da influência da componente aleatória da velocidade do escoamento no comportamento dinâmico da pá do distribuidor. Para isso, considerando as restrições de movimento nas pás do distribuidor, é proposto um modelo estocástico de um grau de liberdade para o estudo da influência da velocidade incidente nos principais parâmetros regentes do movimento da pá quando submetida ao escoamento. Estudos de CFD do escoamento em Caixas Espirais das unidades Kaplan instaladas na Usina Hidrelétrica Coaracy Nunes foram usados como base para estimar o perfil estocástico de velocidade. O método da perturbação foi aplicado para solução do problema estocástico. Este trabalho é importante para determinar a relação entre instabilidades fluido induzidas e os eventos de quebras de pinos de cisalhamento. _____________________________________________________________________________ ABSTRACT / This work has the objective of introducing a methodology to estimate loads on wicket gates‟ shear pins of a Kaplan turbine and relate its failure events to overloads with hydrodynamic origin. The study was held on the Hydro Power Unit of Coaracy Nunes, situated in Amapá. There are many aspects that may be considered as causes of the shear pins failures such as fatigue failure, excessive static loads due to bad alignment and assembly problems. The main factor that is considered in this research is the study of hydrodynamic loads caused by the flow passage through distributor‟s vanes and transmitted to the remaining of its structure. This could cause cyclic overload and, consequently, lead to the shear pin damage. To investigate this phenomenon, an analysis of the distributor structure was performed in order to estimate the acting transient loads on each component of its drive system caused by the flow. As result, the loads acting on the shear pins originated by the flow passage will be known. A complementary analysis was performed in order to evaluate the influence of this randomness inherent to the incident velocity. Considering the movement restrictions on the distributor blades, it is proposed a one degree of freedom stochastic model to study the dynamical stall induced by the flow acting on blades of a Kaplan turbine distributor, which is modelled considering its randomness. CFD studies on the flow inside the spiral cases of the Kaplan units in hydro power plant of Coaracy Nunes were used as basis to estimate the stochastic profile of velocity. The perturbation method was applied to solve the stochastic problem. This research is important to determine the relation between hydro-induced instabilities and the shear pins failure events.