Submitted by EDNEI PEDRO GOMES PUTINI null (ednei_pedro@yahoo.com.br) on 2016-01-14T14:34:44Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao_Ednei_FINAL.pdf: 6415485 bytes, checksum: 18e83a21eec8e595f321eebd19b3e89f (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br) on 2016-01-15T11:34:12Z (GMT) No. of bitstreams: 1 putini_epg_me_guara_int.pdf: 6415485 bytes, checksum: 18e83a21eec8e595f321eebd19b3e89f (MD5) / Made available in DSpace on 2016-01-15T11:34:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 putini_epg_me_guara_int.pdf: 6415485 bytes, checksum: 18e83a21eec8e595f321eebd19b3e89f (MD5) Previous issue date: 2015-12-18 / Não recebi financiamento / A investigação do fenômeno da fadiga em elementos de máquinas é um tema de suma importância na Engenharia Mecânica, pois a maioria das falhas estruturais nestes elementos ocorre devido a esse evento, ou seja, por causa de cargas que variam no tempo e não devido a esforços estáticos. Por isso, o uso do Método dos Elementos Finitos através da simulação computacional para avaliar o campo de tensões e a vida em fadiga do rotor, é o principal objetivo do trabalho. Estas análises em peças complexas responsáveis pela geração da maior parte da energia elétrica de todo o país é a grande motivação para o progresso deste estudo. É importante salientar que um dos principais interesses no desenvolvimento do projeto mecânico estrutural de um componente é a determinação de sua durabilidade ou vida útil, que é alcançada através do estudo da fadiga. Este trabalho expõe a modelagem e simulação numérica, utilizando o programa Ansys, do rotor de um hidrogerador (Usina de Foz do Areia) que apresentou algumas trincas. O surgimento de defeitos em rotores de usinas hidrelétricas com menos de 30 anos não é comum, e por isso é necessária uma análise que represente a condição mais próxima da realidade. Os resultados obtidos, como tensões e deformações, ficaram abaixo do limite admissível para análise estática e por isso não houve falhas desta natureza. Por outro lado, a avaliação de fadiga permitiu deduzir que as trincas desenvolvidas ocorreram devido a este fenômeno, pois o número de ciclos obtidos pela variação dos carregamentos entre a partida e parada de máquina foi extremamente baixo, cerca de três no mês. Por isso, fez-se necessário apresentar possíveis meios para acabar com o problema, como por exemplo, um aumento no raio da solda na região crítica de surgimento das trincas. Este estudo proporcionou caracterizar o problema exposto no computador, através de simulação numérica, que tornou possível a representação de resultados bem próximos da realidade, e a comprovação da eficácia do método utilizado para esta análise. / The investigation of the fatigue phenomenon in machine elements is a theme of great importance in Mechanical Engineering, for the most of structural failures that may happen in these elements is due to this event, namely because to loads that vary in time and not due of static forces. There for, the use of Finite Elements Method through computational simulation to evaluate the stresses and fatigue life of rotor, it is the main objective of this study. These analyzes in complex parts responsible for generating most of the electricity throughout the country is a great motivation for the progress of this study. It is important to point out that one of the main interests in structural mechanical design development of a component is the determination of its durability or useful life, which is achieved through the study of fatigue. This work presents a modeling and numerical simulation, using the software Ansys, of hydro generator rotor (Foz do Areia plant) which showed some cracks. The appearance of faults in rotor of hydroelectric plants with less than thirty years is not common, and it is therefore necessary analysis that simulates closer to reality condition. The results of this analysis, as stresses and strains, were below the admissible limit for static analysis and therefore there was no failure of this nature. Still, the evaluation of fatigue allowed deduce that developed cracks occurred due this phenomenon, because the number of cycles obtained by variation of machine start/stop loads was extremely low, about three in the month. Hence, it was necessary to present possible ways to end the problem, for example, an increase in radius in the critical weld region appearance of cracks. This study provided to characterize the exposed computer problem, through numerical simulation, which has made possible the representation of results very close to reality, and proof of the effectiveness of the method used for this analysis.

Submitted by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2013-01-31T22:33:14Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_DescargasParciaisBarras.pdf: 3427699 bytes, checksum: a71966ca427addcbc8a353532f39f9c0 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva(arosa@ufpa.br) on 2013-02-06T15:05:55Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_DescargasParciaisBarras.pdf: 3427699 bytes, checksum: a71966ca427addcbc8a353532f39f9c0 (MD5) / Made available in DSpace on 2013-02-06T15:05:55Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_DescargasParciaisBarras.pdf: 3427699 bytes, checksum: a71966ca427addcbc8a353532f39f9c0 (MD5) Previous issue date: 2009 / Neste trabalho, tem-se como objetivo modelar as barras estatóricas de hidrogeradores por guias de onda multicamadas e estudar a aplicabilidade de um acoplador (sensor) para monitoramento das ocorrências de descargas parciais no interior dessas barras (mais precisamente, na sua camada isolante). Para isso, inicia-se por uma abordagem conceitual do fenômeno de descargas parciais, na qual é mostrada a importância do monitoramento das mesmas para identificar os sintomas de fragilidade dielétrica dos materiais isolantes dessas barras. Posteriormente, realiza-se uma apresentação sobre os métodos de monitoramento das descargas parciais, analisam-se os sinais de pulsos elétricos produzidos por elas e seus parâmetros típicos. Em seguida, estudam-se os modos de propagação de ondas eletromagnéticas produzidas pelas descargas parciais nas barras estatóricas de hidrogeradores, modelando-as por meio de guias de onda multicamadas. Para finalizar, apresenta-se um modelo de acoplador eletromagnético ou sensor, formado por uma linha de microfita, enfocando a sua aplicabilidade no sistema de monitoramento dessas ondas eletromagnéticas.

The objective of the present work is to determinate the pressure drop and the heat transfer coefficients, normally applied to analytical calculations of hydrogenerators thermal design, obtained by applying numerical calculation (Computational Fluid Dynamics - CFD) and validated by experimental results and field measurements. The object of study is limited to the most important region of the ventilation system (the cooling air ducts of stator core) to get numerical results of heat transfer and pressure drop coefficients, which are impacted mostly by the entrance of air ducts. The numerical calculations considered three-dimensional, steady-state, incompressible and turbulent flow; and were based on the Finite Volume methodology. The turbulent flow computations were carried out with procedures based on RANS equations by selecting k-omega SST (Shear-Stress Transport) as turbulence model. Grid quality metrics were monitored and the uncertainties due to discretization errors were evaluated by means of a grid independence study and application of an uncertainty estimation procedure based on Richardson extrapolation. The validation of numerical method developed by the present work (specifically to simulate the flow dynamics behavior and to obtain numerically the pressure drop coefficient of the airflow to enter and pass through the Stator Core Air Duct in a hydrogenerator) is performed by comparing the numerical results to experimental data published by Wustmann (2005). The reference experimental data were obtained by a model test. The comparison between numerical and experimental results shows that the difference of pressure drop for Reynolds numbers higher than 5000 is 2% at maximum, while for lower Reynolds numbers, the difference increases significantly and reaches 10%. It is presented that the most reasonable hypothesis for higher discrepancy at lower Reynolds numbers can be assigned to the experiment\'s non-steady-state condition. It is to conclude that the proposed numerical method is validated for the upper region of the analyzed range. Additionally to the model test validation, field measurements were executed in order to confirm numerical results. Measurements of pressure drop in the stator core of a real hydrogenerator were a challenge. Nevertheless, despite all the difficulties and considerable high field measuring uncertainties, trend curves behavior are similar to numerical results. Finally, series of numerical calculation, varying geometrical parameters of the air-duct inlet design and operational data, were done in order to obtain pressure drop coefficients trend curves to be directly applied to analytical calculation routines of whole hydrogenerator ventilation systems. Parallel to it, thermal numerical calculation was executed in the prototype simulation in order to define the convective heat transfer coefficient. / O objetivo do presente trabalho é determinar os coeficientes de perda de carga e transferência de calor, normalmente aplicados nos cálculos analíticos de design térmico de hidrogeradores, obtido pela aplicação de cálculo numérico (Computacional Fluid Dynamics - CFD) e validado por resultados experimentais e medições de campo. O objeto de estudo é limitado à região mais importante do sistema de ventilação (os dutos de ar de arrefecimento do núcleo do estator) para obter resultados numéricos dos coeficientes de transferência de calor e de perda de carga, que são impactados principalmente pela entrada de dutos de ar. Os cálculos numéricos consideraram escoamentos tridimensionais, em regime permanente, incompressíveis e turbulentos; e foram baseados no método dos volumes finitos. Os cálculos de escoamento turbulento foram realizados com procedimentos baseados em equações médias (RANS), utilizando o modelo k-omega SST (Shear-Stress Transport) como modelo de turbulência. Métricas de qualidade de malha foram monitoradas e as incertezas devido à erros de discretização foram avaliadas por meio de um estudo de independência de malha e aplicação de um procedimento de estimativa de incertezas com base na extrapolação de Richardson. A validação do método numérico desenvolvido pelo presente trabalho (especificamente para simular o comportamento dinâmico do escoamento e obter numericamente o coeficiente de perda de carga do escoamento ao entrar no duto de ar e atravessar o núcleo do estator de um hidrogerador) é realizada comparando os resultados numéricos com dados experimentais publicados por Wustmann (2005). Os dados experimentais foram obtidos como referência por um teste de modelo. A comparação entre os resultados numéricos e experimentais mostra que a diferença da perda de carga para números de Reynolds mais elevados do que 5000 é no máximo de 2%, enquanto que para números de Reynolds inferiores, a diferença aumenta significativamente e atinge 10%. A hipótese mais razoável para a maior discrepância para número de Reynolds menores é a possível influência de instabilidades do escoamento no experimento, fazendo com que o regime seja não-permanente. Conclui-se que o método numérico proposto é validado para a região superior do intervalo analisado. Além da validação pelo ensaio de modelo, medições de campo foram executadas, a fim de confirmar os resultados numéricos. As medições de perda de carga no núcleo do estator de um hidrogerador real era um desafio. No entanto, apesar de todas as dificuldades e consideráveis incertezas da medição campo, o comportamento das curvas de tendência ficou alinhado com resultados numéricos. Finalmente, uma série de cálculos numéricos, variando parâmetros geométricos do design da entrada do duto de ar e dados operacionais, foram executados a fim de se obter curvas de tendência para coeficientes de perda de carga (resultados deste trabalho) a serem aplicadas diretamente à rotinas de cálculos analíticos de sistemas completos de ventilação de hidrogeradores. Paralelamente à isso, o cálculo térmico numérico foi executado na simulação do protótipo, a fim de se definir o coeficiente de transferência de calor por convecção.

The objective of the present work is to determinate the pressure drop and the heat transfer coefficients, normally applied to analytical calculations of hydrogenerators thermal design, obtained by applying numerical calculation (Computational Fluid Dynamics - CFD) and validated by experimental results and field measurements. The object of study is limited to the most important region of the ventilation system (the cooling air ducts of stator core) to get numerical results of heat transfer and pressure drop coefficients, which are impacted mostly by the entrance of air ducts. The numerical calculations considered three-dimensional, steady-state, incompressible and turbulent flow; and were based on the Finite Volume methodology. The turbulent flow computations were carried out with procedures based on RANS equations by selecting k-omega SST (Shear-Stress Transport) as turbulence model. Grid quality metrics were monitored and the uncertainties due to discretization errors were evaluated by means of a grid independence study and application of an uncertainty estimation procedure based on Richardson extrapolation. The validation of numerical method developed by the present work (specifically to simulate the flow dynamics behavior and to obtain numerically the pressure drop coefficient of the airflow to enter and pass through the Stator Core Air Duct in a hydrogenerator) is performed by comparing the numerical results to experimental data published by Wustmann (2005). The reference experimental data were obtained by a model test. The comparison between numerical and experimental results shows that the difference of pressure drop for Reynolds numbers higher than 5000 is 2% at maximum, while for lower Reynolds numbers, the difference increases significantly and reaches 10%. It is presented that the most reasonable hypothesis for higher discrepancy at lower Reynolds numbers can be assigned to the experiment\'s non-steady-state condition. It is to conclude that the proposed numerical method is validated for the upper region of the analyzed range. Additionally to the model test validation, field measurements were executed in order to confirm numerical results. Measurements of pressure drop in the stator core of a real hydrogenerator were a challenge. Nevertheless, despite all the difficulties and considerable high field measuring uncertainties, trend curves behavior are similar to numerical results. Finally, series of numerical calculation, varying geometrical parameters of the air-duct inlet design and operational data, were done in order to obtain pressure drop coefficients trend curves to be directly applied to analytical calculation routines of whole hydrogenerator ventilation systems. Parallel to it, thermal numerical calculation was executed in the prototype simulation in order to define the convective heat transfer coefficient. / O objetivo do presente trabalho é determinar os coeficientes de perda de carga e transferência de calor, normalmente aplicados nos cálculos analíticos de design térmico de hidrogeradores, obtido pela aplicação de cálculo numérico (Computacional Fluid Dynamics - CFD) e validado por resultados experimentais e medições de campo. O objeto de estudo é limitado à região mais importante do sistema de ventilação (os dutos de ar de arrefecimento do núcleo do estator) para obter resultados numéricos dos coeficientes de transferência de calor e de perda de carga, que são impactados principalmente pela entrada de dutos de ar. Os cálculos numéricos consideraram escoamentos tridimensionais, em regime permanente, incompressíveis e turbulentos; e foram baseados no método dos volumes finitos. Os cálculos de escoamento turbulento foram realizados com procedimentos baseados em equações médias (RANS), utilizando o modelo k-omega SST (Shear-Stress Transport) como modelo de turbulência. Métricas de qualidade de malha foram monitoradas e as incertezas devido à erros de discretização foram avaliadas por meio de um estudo de independência de malha e aplicação de um procedimento de estimativa de incertezas com base na extrapolação de Richardson. A validação do método numérico desenvolvido pelo presente trabalho (especificamente para simular o comportamento dinâmico do escoamento e obter numericamente o coeficiente de perda de carga do escoamento ao entrar no duto de ar e atravessar o núcleo do estator de um hidrogerador) é realizada comparando os resultados numéricos com dados experimentais publicados por Wustmann (2005). Os dados experimentais foram obtidos como referência por um teste de modelo. A comparação entre os resultados numéricos e experimentais mostra que a diferença da perda de carga para números de Reynolds mais elevados do que 5000 é no máximo de 2%, enquanto que para números de Reynolds inferiores, a diferença aumenta significativamente e atinge 10%. A hipótese mais razoável para a maior discrepância para número de Reynolds menores é a possível influência de instabilidades do escoamento no experimento, fazendo com que o regime seja não-permanente. Conclui-se que o método numérico proposto é validado para a região superior do intervalo analisado. Além da validação pelo ensaio de modelo, medições de campo foram executadas, a fim de confirmar os resultados numéricos. As medições de perda de carga no núcleo do estator de um hidrogerador real era um desafio. No entanto, apesar de todas as dificuldades e consideráveis incertezas da medição campo, o comportamento das curvas de tendência ficou alinhado com resultados numéricos. Finalmente, uma série de cálculos numéricos, variando parâmetros geométricos do design da entrada do duto de ar e dados operacionais, foram executados a fim de se obter curvas de tendência para coeficientes de perda de carga (resultados deste trabalho) a serem aplicadas diretamente à rotinas de cálculos analíticos de sistemas completos de ventilação de hidrogeradores. Paralelamente à isso, o cálculo térmico numérico foi executado na simulação do protótipo, a fim de se definir o coeficiente de transferência de calor por convecção.