A seleção adequada dos materiais e do processo de fabricação de rotores hidráulicos de turbinas Francis continua entre os maiores desafios enfrentados pelas empresas do setor desde sua criação no final do século XIX. A garantia de operação dessas máquinas está diretamente ligada à confiabilidade dos materiais, projetos e dos processos de fabricação, além da rigorosa observação de procedimentos e normas. Para que se consiga assegurar que ao final do processo de fabricação os procedimentos tenham sido respeitados, inúmeros testes são necessários. Alguns destes testes, porém podem afetar as próprias diretrizes para a execução do projeto ou fabricação. Um exemplo é o ensaio de propagação de trincas em diferentes arames de fabricação tipo GMAW e FCAW, que foi realizado com materiais cuja energia de absorção de impacto variava entre 30 e 100 J. Os resultados mostraram que o trabalho de impacto do material influencia consideravelmente a tenacidade e a velocidade de crescimento de falhas, o que consequentemente leva à conclusão de que esta propriedade define a margem de segurança do material contra propagação de trincas em aplicações como a construção de rotores hidráulicos soldados. Materiais com valores superiores de energia de impacto registraram um melhor comportamento com relação à propagação de falhas sendo mais adequados em regiões de altos esforços cíclicos, como as conexões de rotores Francis (pás x cubo x coroa). O trabalho mostra ainda quais os meios metalúrgicos e químicos necessários para se atingir um material com energia de impacto superior, demonstrando que os efeitos da ductilidade do material são mais significativos do que a resistência mecânica à tração. O que põe em xeque os padrões de dimensionamento dos componentes puramente baseados na comparação de tensões estáticas com a propriedade de resistência do material em seus limites de escoamento e ruptura. / The selection of materials and manufacturing process of hydraulic Francis Runners is one of the greatest challenges faced by sector companies since their establishment in the late 19th century. The guarantee of operation of these machines is directly linked to the reliability of the materials, designs and manufacturing processes, as well as the strict observation of procedures and standards. In order to ensure that procedures have been followed to at the end of the manufacturing process, numerous tests are required. Some of these tests, however, may affect some guidelines for project or manufacturing execution. An example is the crack propagation test on different types of manufacturing wires GMAW and FCAW, which were carried out with materials that energy of impact absorption varied from 30 to 100 J. The results showed that the impact work of the material influences considerably the tenacity and the crack growth rate, which consequently leads to the conclusion that this property defines the safety margin of the material against the cracks propagation in applications such as the construction by welding of hydraulic runners. Materials with higher values of impact energy showed a better behavior related to the failure propagation being more adequate in regions of high cyclic stresses such as the connections of Francis runners (blades x band x crown). The paper also shows the metallurgical and chemical requirements to obtain a material with higher impact energy, demonstrating that the effects of material ductility are more significant than the mechanical tensile strength. This fact challenges the current design standards of components based purely on the comparison of static tensions with the resistance property of the material at their resistance and rupture limits.

Ingeniero Civil Mecánico / El Ministerio de Energía de Chile, en su plan Energía 2050, establece los lineamientos para el desarrollo energético del país hacia el año 2050, con énfasis en la ampliación de la red actual en capacidad y accesibilidad. Este plan incluye la energía hidroeléctrica como una de las principales, ya que es una energía renovable, limpia, eficiente y existe un alto potencial energético en la zona centro sur del país. En este contexto, el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Chile desarrolló un prototipo de turbina Pelton de microgeneración, con una potencia hidráulica disponible de 13,69 [kW], y un rendimiento teórico global de 70%. Sin embargo, la potencia generada en las pruebas fue de 8,189 [kW], con un rendimiento global de 59,34%, debido a problemas de subida de agua dentro del housing por su diseño. El objetivo general de este trabajo es realizar y evaluar un nuevo diseño del housing para el prototipo de laboratorio de la turbina Pelton del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Chile. Con este propósito, se desarrolla en primera instancia un modelo 3D de la turbina, donde el nuevo diseño del housing se realiza utilizando fundamentos de la teoría hidráulica de turbinas Pelton de microgeneración. Además, se modelan los elementos exteriores a la turbina, como rodamientos, generador, acoples, etc. Con el diseño de las partes, se presenta la configuración final de la turbina y sus componentes, y los materiales y tratamientos necesarios a utilizar en su fabricación. Se realiza un análisis computacional del comportamiento del agua dentro del nuevo housing de la turbina en sus condiciones de diseño con el fin de evaluar el nuevo diseño propuesto. El análisis utiliza el modelo Volume Of Fluid (VOF) para estudios multifásicos, a través del programa Ansys FLUENT. Los resultados del análisis muestran que no se generan problemas de subida de agua, por lo cual no se esperan bajas de rendimiento en el nuevo diseño del housing. El costo de fabricación del nuevo housing es de $470.000 CLP, lo que se encuentra por debajo del housing existente, con un total de $625.000, sin considerar los componentes adicionales de la turbina. / 05/06/2022

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2018. / Submitted by Fabiana Santos (fabianacamargo@bce.unb.br) on 2018-09-03T21:12:42Z No. of bitstreams: 1 2018_PedroHenriqueDiasdeVérasSousa.pdf: 62381558 bytes, checksum: f9982aa5b8a627c1c3c7ca6ccc2f9325 (MD5) / Approved for entry into archive by Fabiana Santos (fabianacamargo@bce.unb.br) on 2018-09-11T17:01:45Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2018_PedroHenriqueDiasdeVérasSousa.pdf: 62381558 bytes, checksum: f9982aa5b8a627c1c3c7ca6ccc2f9325 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-11T17:01:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2018_PedroHenriqueDiasdeVérasSousa.pdf: 62381558 bytes, checksum: f9982aa5b8a627c1c3c7ca6ccc2f9325 (MD5) Previous issue date: 2018-09-03 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES). / O objetivo deste trabalho foi investigar numericamente o efeito de diversos parâmetros de modelagem da extensão posicionada na saída do tubo de sucção de uma turbina bulbo nas características do escoamento nessa região e no desempenho da máquina. As simulações do tipo RANS foram realizadas no software comercial ANSYS CFX e a turbulência foi modelada utilizando o modelo k − ω SST. Inicialmente, foram avaliadas três condições de entrada para o tubo de sucção, empregando um domínio reduzido da turbina para isso. Os resultados foram validados com base em dados experimentais e serviram para as simulações principais deste trabalho. Ao todo, foram estudadas quatro geometrias de extensão para o tubo de sucção da turbina bulbo e, além das condições de operação da máquina, também foram analisadas a influência das condições de contorno na extensão e a interação entre os escoamentos de turbinas adjacentes. Os perfis de velocidade dentro do tubo de sucção foram validados com base em dados experimentais, e os resultados de perda de carga, eficiência e campo de velocidade foram comparados para determinar o impacto das diferentes extensões. De forma geral, a geometria na saída do tubo de sucção influenciou a expansão do escoamento e, consequentemente, a distribuição de velocidades e pressão nessa região. Outro fator importante foi a rotação do escoamento, que introduziu assimetrias no campo de velocidade e aumentou a interação das turbinas. Contudo, os resultados mostraram pouca influência dos parâmetros estudados no desempenho previsto da máquina. / In this work, the goal was to numerically investigate the effect of many different modeling parameters of the extension placed at the exit of the draft tube of a bulb turbine in the flow characteristics in this region and the performance of the machine. RANS simulations were carried in the commercial code ANSYS CFX and the turbulence modeled using the k − ω SST model. Initially, three inlet conditions for the draft tube were evaluated in a reduced domain of the turbine. The results were validated with the available experimental data and served as an input for the main simulations in this work. Four extension geometries were studied in total and, besides the inlet conditions, the influence of the boundary conditions in the extension and the interaction between adjacent turbines has also been analyzed. The velocity profiles inside the draft tube were validated using experimental data and the results for the head losses, efficiency and velocity field were compared to determine the impact of using different extensions. Overall, the geometry of the extension influenced the expansion of the flow and, therefore, the velocity and pressure distribution in this region. Another important factor was the flow rotation, which introduced asymmetries in the velocity field and increased the interaction among the turbines. However, the results showed a small influence of the studied parameters in the machine’s predicted performance.

A seleção adequada dos materiais e do processo de fabricação de rotores hidráulicos de turbinas Francis continua entre os maiores desafios enfrentados pelas empresas do setor desde sua criação no final do século XIX. A garantia de operação dessas máquinas está diretamente ligada à confiabilidade dos materiais, projetos e dos processos de fabricação, além da rigorosa observação de procedimentos e normas. Para que se consiga assegurar que ao final do processo de fabricação os procedimentos tenham sido respeitados, inúmeros testes são necessários. Alguns destes testes, porém podem afetar as próprias diretrizes para a execução do projeto ou fabricação. Um exemplo é o ensaio de propagação de trincas em diferentes arames de fabricação tipo GMAW e FCAW, que foi realizado com materiais cuja energia de absorção de impacto variava entre 30 e 100 J. Os resultados mostraram que o trabalho de impacto do material influencia consideravelmente a tenacidade e a velocidade de crescimento de falhas, o que consequentemente leva à conclusão de que esta propriedade define a margem de segurança do material contra propagação de trincas em aplicações como a construção de rotores hidráulicos soldados. Materiais com valores superiores de energia de impacto registraram um melhor comportamento com relação à propagação de falhas sendo mais adequados em regiões de altos esforços cíclicos, como as conexões de rotores Francis (pás x cubo x coroa). O trabalho mostra ainda quais os meios metalúrgicos e químicos necessários para se atingir um material com energia de impacto superior, demonstrando que os efeitos da ductilidade do material são mais significativos do que a resistência mecânica à tração. O que põe em xeque os padrões de dimensionamento dos componentes puramente baseados na comparação de tensões estáticas com a propriedade de resistência do material em seus limites de escoamento e ruptura. / The selection of materials and manufacturing process of hydraulic Francis Runners is one of the greatest challenges faced by sector companies since their establishment in the late 19th century. The guarantee of operation of these machines is directly linked to the reliability of the materials, designs and manufacturing processes, as well as the strict observation of procedures and standards. In order to ensure that procedures have been followed to at the end of the manufacturing process, numerous tests are required. Some of these tests, however, may affect some guidelines for project or manufacturing execution. An example is the crack propagation test on different types of manufacturing wires GMAW and FCAW, which were carried out with materials that energy of impact absorption varied from 30 to 100 J. The results showed that the impact work of the material influences considerably the tenacity and the crack growth rate, which consequently leads to the conclusion that this property defines the safety margin of the material against the cracks propagation in applications such as the construction by welding of hydraulic runners. Materials with higher values of impact energy showed a better behavior related to the failure propagation being more adequate in regions of high cyclic stresses such as the connections of Francis runners (blades x band x crown). The paper also shows the metallurgical and chemical requirements to obtain a material with higher impact energy, demonstrating that the effects of material ductility are more significant than the mechanical tensile strength. This fact challenges the current design standards of components based purely on the comparison of static tensions with the resistance property of the material at their resistance and rupture limits.

Publicación a texto completo no autorizada por el autor / Explica sobre el diseño de pequeñas turbinas hidráulicas, las mismas que pueden ser utilizadas para la generación de energía eléctrica en áreas del interior del país, que por su ubicación no tienen la posibilidad de interconectarse con la red. Sin embargo cuentan con recursos hídricos y características de terreno favorables para el uso de máquinas hidráulicas para la generación de la energía requerida por la comunidad. Generalmente cuando se habla de instalaciones hidroeléctricas se piensa en grandes centrales, es decir, grandes represas y reservorios, grandes extensiones de agua embalsada, equipos de alto costo en el mercado, etc.; sin embargo en esta ocasión nos interesa utilizar el caudal de un rio tanto como sea posible mediante la derivación parcial o total del caudal, aprovechar los saltos existentes entre 1 y 5 metros; estas características se pueden encontrar en toda la selva alta. Se trata del aprovechamiento de este tipo de condiciones, con la mayor eficiencia posible, para lo cual se debe seleccionar la máquina hidráulica adecuada, en este caso la turbina Kaplan con alabes fijos o Turbina de Hélice, que tiene como característica el girar a velocidades considerables y pueden ser fabricados en pequeños tamaños. / Trabajo de suficiencia profesional

A operação de uma turbina hidráulica para hidrogeração alocada em um rio com sedimentos pode levar ao desgaste erosivo e, consequentemente, manutenção prematura do componente. Visando mitigar esse problema, em geral, aplicam-se revestimentos que aumentam a vida útil das turbinas, mas não eliminam o desgaste erosivo ocorrido, o que leva à necessidade de reparo do componente. O reparo se inicia com a remoção do revestimento remanescente e reconstituição da geometria por solda, para então, reaplicação de um novo revestimento. Nem sempre as regiões afetadas são grandes, o que possibilitaria a aplicação de um reparo por soldagem e também reparo de revestimento localizado na turbina. O reparo sobre o revestimento pode ser aplicado tanto na recuperação de componentes que sofrem desgaste erosivo, bem como, para consertar problemas ocorridos durante o processo de revestimento anterior. O presente trabalho visa compreender e verificar a possibilidade de reparo em um revestimento de WC-10Co-4Cr executado pelo processo de aspersão térmica HVOF (high velocity oxy fuel), bem como, suas limitações em desgaste erosivo. O estudo foca na preparação sobre um revestimento existente (remoção eletroquímica) e aplicação de uma nova camada. Como avaliação inicial o trabalho considerou o ensaio de desgaste erosivo, onde foi encontrado aumento de 22% na quantidade de material erodido nos corpos de prova com reparo. A observação e comparação dos corpos de prova com e sem reparo, utilizando microscopia eletrônica de varredura (MEV), mostra que a diferença em desgaste está na delaminação entre camadas devido à falha coesiva, a qual pôde ser observada através do ensaio de adesão. A falha coesiva pode ser explicada com base em análise por EDS dos corpos de prova, por intermédio da qual foi verificado um aumento na quantidade de oxigênio e, consequentemente, presença de óxido na preparação superficial por remoção eletroquímica. / The operation of a hydraulic turbine for hydropower generation located in a river with sediments can lead to erosive wear, and, as a consequence, premature maintenance of the component. In order to minimize such problem, coatings are applied to increase turbine lifetime, but they do not eliminate erosive wear, which leads to the necessity of component repair. The repair starts with the removal of the remaining coating and reconstitution of the geometry by welding, and then reapplication of a new coating. The affected regions are not necessarily large, which would allow the application of a localized repair by welding and localized repair by coating. The coating repair can be applied in two situations: recovery of components with erosive wear and to fix problems during coating manufacturing. The present work aims to understand and verify the possibility of repair in a WC-10Co-4Cr coating performed by the thermal spraying HVOF process (high velocity oxy fuel), as well as, its limitations in erosive wear. This study focuses in the preparation of an existing coating (electrochemical removal) and application of new coating layers. The start point was an evaluation using an erosion test rig, which indicated an increase of 22% in material removal for the test samples with repair. Using scanning electron microscope (SEM), the test samples with and without repair were compared and showed a wear difference related to delamination between layers due to cohesive failure, which was also observed in the adhesion test. The cohesive failure can be explained by EDS, where it was found a high content of oxygen in the repaired zones, and, as a consequence, presence of oxide in the surface preparation by electrochemical removal.

Publicación a texto completo no autorizada por el autor / El documento digital no refiere asesor / Aborda el dimensionamiento de las tuberías forzadas y la selección de las turbinas para la minicentral hidroeléctrica de Monobamba, en la provincia de Jauja, departamento de Junín, como parte del proyecto integral de repotenciación y mejoramiento de la central. Ante la insuficiente generación de energía eléctrica y el deficiente servicio ofrecido a la comunidad, debido al deterioro de las estructuras hidráulicas de captación y conducción y de las turbinas hidráulicas, el proyecto consideró un incremento del caudal de captación a 1,558 m3 /s. Este caudal será conducido a la central mediante tres líneas de tuberías forzadas de acero estructural tipo A-36 con diámetros de 0.48 m, ¼ de pulgada de espesor y 83 m de longitud cada una. Con los datos de altura neta de 41,07 m y el caudal de 0,556 m3 /se seleccionaron tres turbinas hidráulicas, dos de ellas tipo Michell Banki (crossflow) y otro tipo Francis, ambas de eje horizontal, con potencia en el eje de 180 kW cada una y con eficiencia estimada del 80%. / Trabajo de suficiencia profesional

A viabilidade de utilização de materiais compósitos de matriz orgânica em turbinas hidráulicas é abordada no decorrer deste trabalho. A abordagem específica é voltada à aplicação dos materiais compósitos em palhetas diretrizes dos distribuidores das turbinas. O trabalho descreve os parâmetros de projeto, operação e fabricação das palhetas diretrizes de acordo com as tecnologias atuais. Adicionalmente são exploradas as potencialidades dos materiais compósitos levando-se em consideração as propriedades mecânicas, físicas e químicas destes materiais para a aplicação em palhetas diretrizes. Sob esta ótica, foi explorada a resistência dos materiais compósitos quanto à umidade, ao desgaste e ao impacto identificando as potencialidades e limitações referentes a estes aspectos comparando-os por sua vez com os requisitos de projetos das palhetas diretrizes. Na fase de desenvolvimento do trabalho foi escolhido um projeto de referência de palheta diretriz que foi utilizado para a realização das análises comparativas das propostas de materiais compósitos apresentadas neste trabalho. As comparações das análises estruturais foram realizadas através do método de elementos finitos com o software ANSYS e módulo específico de materiais compósitos ACP. Basicamente foram realizadas análises globais quanto ao comportamento mecânico focando-se essencialmente na deformação do perfil e rotação dos mancais das palhetas como critério de comparação entre os projetos. Os resultados das análises mecânicas foram comparados entre as diferentes propostas analisadas, juntamente com as análises quanto às propriedades físicas e químicas dos materiais compósitos bem como o comparativo econômico das soluções mais promissoras. Por sua vez, as conclusões do trabalho ponderam as potencialidades e limitações dos materiais compósitos de matriz orgânica na aplicação de palhetas diretrizes e em turbinas hidráulicas de uma forma geral.

O projeto de turbinas hidráulicas tem estado em constante evolução, levando a máquinas mais rápidas e mais leves, nas quais os carregamentos são mais severos e as estruturas mais flexíveis. Com isto, os cálculos dos componentes da turbina devem ser realizados com maior precisão do que no passado, entre eles a determinação das velocidades angulares críticas da linha de eixo e seus fatores dinâmicos de amplificação de deslocamento, sobre os quais a maior influência é exercida pelo rotor do gerador. Para tanto, é elaborado um modelo numérico da linha de eixo, com base na pesquisa da literatura, na qual o rotor do gerador é usualmente considerado como um corpo rígido. Entretanto, para se verificar o efeito de suas propriedades de inércia e rigidez distribuídas sobre o movimento da estrutura, ele é descrito aqui por um modelo de elementos finitos, incluído no restante do sistema através do método da síntese modal de componentes. Os resultados numéricos mostram desvios não desprezíveis entre o método tradicional e o proposto aqui, sendo que se aconselha que o rotor do gerador seja descrito por este procedimento, quando os fatores de segurança empregados forem pequenos ou se a exatidão dos valores calculados for de grande importância. / Continuous improvements in hydraulic turbines project has lead to faster and smaller machines, in which loads are more severe and structures are more flexible. As a matter of fact, its components must be calculated more accurately than in the past. Such is the case of shaft line angular critical speeds and their dynamic displacement amplification multipliers, whose main influence is caused by the generator rotor. Therefore, a shaft line numeric model is set up, based on the literature review, where the generator rotor is usually considered as a rigid body. However, in order to verify its distributed inertia and stiffness properties effect on the structure behaviour, it shall be described here by a finite element model, that is included in the overall system using the component mode synthesis method. The numerical results yield significantly deviations between the model proposed here and the traditional, taking one to recommend that, when security factors are low or when calculated values accuracy is important, the generator rotor shall be modelled by the procedure described here.

Um dos grandes desafios enfrentados pelos fabricantes de turbinas hidráulicas é prevenir o aparecimento de vibrações induzidas pelo escoamento nas travessas do pré-distribuidor e pás do rotor. Considerando apenas as travessas, e atribuídos a tais vibrações, foram relatados 28 casos de trincas ou ruídos anormais nas últimas décadas, que acarretaram enormes prejuízos associados a reparos, atrasos e perda de geração. O estado da arte na prevenção destes problemas baseia-se na utilização de sofisticados, e caros, programas comerciais de dinâmica dos fluidos computacional para o cálculo transiente do fenômeno. Este trabalho faz uma ampla revisão bibliográfica e levantamento de eventos de trincas ou ruídos ocorridos em travessas nos últimos 50 anos. Propõe, então, um enfoque alternativo, baseado exclusivamente em ferramentas de código aberto. A partir de hipóteses simplificadoras devidamente justificadas, o problema é formulado matematicamente de forma bidimensional, no plano da seção transversal da travessa, levando em conta a interação fluido-estrutura. Nesta estratégia, as equações de Navier-Stokes são resolvidas pelo método dos elementos finitos por meio da biblioteca gratuita oomph-lib. Um código especial em C++ é desenvolvido para o problema de interação fluido-estrutura, no qual o fenômeno de turbulência é levado em consideração por meio de um algoritmo baseado no modelo de Baldwin-Lomax. O método proposto é validado por meio da comparação dos resultados obtidos com referências e medições disponíveis na literatura, que tratam de problemas de barras retangulares suportadas elasticamente. O trabalho finaliza com a aplicação do método a um estudo de caso envolvendo uma travessa particular. / One of the biggest challenges for hydraulic turbine manufacturers is to prevent vortex-induced vibration on the stay vanes and runner blades. Only regarding stay vanes, 28 cases of cracks or unusual noises attributed to such vibrations were reported in the past decades leading to huge costs due to repair, delays and lack of generation. The state of the art today is to use powerful and expensive commercial computational fluid dynamics software to address the required transient phenomena. The present work carries out a comprehensive survey on occurred events in stay vanes during the last 50 years. Then, an alternative approach, based only on free open-source tools, is proposed. From due justified simplifying assumptions, the problem is formulated two-dimensionally, in the stay vane cross section plane, taking the fluid-structure interaction into account. In such a strategy, the Navier-Stokes equations are solved using oomph-lib, an object-oriented, finite-element library. A special C++ computational code is developed to deal with the fluid-structure interaction problem, in which turbulence is considered through a special algorithm, based on the Baldwin-Lomax model. The proposed method is validated through comparisons with an aerodynamics benchmark and an experimental measurement of oscillating rectangular bars both available in the literature. The method is finally applied to a case study of a particular stay vane. Keywords: Hydraulic turbine. Fluid-structure interaction. Vortex-induced vibration.