Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2016. / Submitted by Fernanda Percia França (fernandafranca@bce.unb.br) on 2016-05-31T18:28:23Z No. of bitstreams: 1 2016_MarianelaMachucaMacías.pdf: 118682950 bytes, checksum: f7600b3eb8855ac1fa9acbe671dd0f2c (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2016-12-21T11:56:51Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2016_MarianelaMachucaMacías.pdf: 118682950 bytes, checksum: f7600b3eb8855ac1fa9acbe671dd0f2c (MD5) / Made available in DSpace on 2016-12-21T11:56:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2016_MarianelaMachucaMacías.pdf: 118682950 bytes, checksum: f7600b3eb8855ac1fa9acbe671dd0f2c (MD5) / O presente trabalho teve como finalidade o estudo de turbinas de eixo horizontal, tanto eólicas como hidrocinéticas. O objetivo principal do estudo foi encontrar uma lei semi-empírica para realizar a transposição de resultados de desempenho de um modelo reduzido operando em ar para seu protótipo em água. Ensaios experimentais foram realizados no interior de um túnel de vento de seção 1,2 x 1,2 m para o modelo reduzido. Foram realizados testes para as velocidades de escoamento de 8, 10 e 12 m/s. A metodologia empregada nos ensaios baseou-se em manter a velocidade do escoamento constante e variar a velocidade de rotação da turbina. Um fator importante durante os ensaios foi o controle da velocidade de rotação por meio de um controlador PID e da técnica de modulação PWM. Velocidade de rotação e torque foram medidas para o levantamento das curvas de desempenho CpvsTSR. Foram colocados 'transitionstrips' sobre as pás para induzir a transição do escoamento do regime laminar para o turbulento, e correções de bloqueio tiveram que ser aplicadas sobre os resultados experimentais para diminuir os efeitos de parede do túnel de vento sobre os resultados medidos. A transposição de resultados foi realizada utilizando os dados de desempenho obtidos dos ensaios experimentais e a lei semi-empírica proposta. A equação de transposição proposta depende exclusivamente dos números de Reynolds do modelo e do protótipo e de um fator de escala, m. Este fator de escala é calculado a partir das equações da metodologia BEM, relacionando os coeficientes de potência com os fatores de indução axial e radial. Simulações numéricas CFD e BEM foram realizadas para modelo, em ar, e protótipo. No modelo reduzido, as simulações foram validades com os dados experimentais de Cp obtidos durante os ensaios em túnel de vento. Por outro lado, as simulações do protótipo foram usadas para validar os resultados obtidos da transposição de resultados. Por meio destes resultados, as metodologias numéricas e experimental foram validades. Cabe ressaltar, que a lei semi-empírica proposta é robusta, confiável e consistente para a turbina estudada neste trabalho. _________________________________________________________________________________________________ ABSTRACT / The aim of this work was to study the horizontal axis hydrokinetic and wind turbines. The main objective of this study was to find a semi empirical law to make the transposition of the performance results of a small turbine, in air, to the prototype, in water. Experimental tests were carried out in a wind tunnel of 1,2 x 1,2 m of section to the small turbine. The tests were realized at wind speed of 8, 10 and 12 m/s. The methodology used in the tests was based in keep constant the wind speed and to varying the rotation velocity of the turbine. A key element of the methodology was the control of the rotation velocity using a PID controller and the modulation technique PWM. During the test torque and rotation velocity were measured. To achieve the expect results were located on the blades transition strips to force the transition from laminar flow to turbulent, and blockage effect of the wind tunnel wall was removed from the measured power data applying a blockage correction method. The transposition of results was carried out using the performance data obtained with the experimental tests and the semi empirical law proposed. The proposed equation dependence of the Reynolds numbers and a scale factor. The scale factor, m, is calculate using the equations of BEM method, which relates the power coefficients with axial and radial induction factors. CFD and BEM numerical simulations were realized to the small turbine, in the air, and the prototype, in water. In the case of the small turbine, the numerical simulations were validated with the Cp experimental data in the wind tunnel. For the other hand, the prototype simulations were used to validate the results obtained with the transposition of results. All that results validate the numerical and experimental methodology used. It should be noted that the semi empirical law proposed is robust for the turbine studied in this case.

Estações de microondas são alimentadas por banco de baterias que são carregados através da rede, caso estejam perto, ou de grupos geradores a diesel, quando estão localizados em zonas remotas. No Brasil existem 543 dessas estações isoladas da rede de alimentação. Turbinas eólicas acopladas a geradores de energia elétrica poderão, em alguns desses locais realizar o suprimento necessário de energia, e com isso poderão obter uma grande economia na compra e também no transporte do diesel até essas estações. Uma turbina Darrieus de 6m de diâmetro e três pás foi desenvolvida e instalada em uma dessas estações, localizada em Porto Alegre. A turbina parte através de um motor de arranque de 12 V e movimenta um gerador de indução de 3 KW, autoexcitado por capacitores. Variando o banco de capacitores podemos manter a tensão mesmo com a variação do sistema, partindo-o com uma velocidade de vento de 4 m/s e aplicando o freio quando a rotação atingir 200 rpm ou a velocidade de vento chegar a 16 m/s. Ele também realiza o chaveamento dos relés que escolhem o banco de capacitores utilizado, acionam o motor de partida e selecionam o sistema de carga de baterias.

Estações de microondas são alimentadas por banco de baterias que são carregados através da rede, caso estejam perto, ou de grupos geradores a diesel, quando estão localizados em zonas remotas. No Brasil existem 543 dessas estações isoladas da rede de alimentação. Turbinas eólicas acopladas a geradores de energia elétrica poderão, em alguns desses locais realizar o suprimento necessário de energia, e com isso poderão obter uma grande economia na compra e também no transporte do diesel até essas estações. Uma turbina Darrieus de 6m de diâmetro e três pás foi desenvolvida e instalada em uma dessas estações, localizada em Porto Alegre. A turbina parte através de um motor de arranque de 12 V e movimenta um gerador de indução de 3 KW, autoexcitado por capacitores. Variando o banco de capacitores podemos manter a tensão mesmo com a variação do sistema, partindo-o com uma velocidade de vento de 4 m/s e aplicando o freio quando a rotação atingir 200 rpm ou a velocidade de vento chegar a 16 m/s. Ele também realiza o chaveamento dos relés que escolhem o banco de capacitores utilizado, acionam o motor de partida e selecionam o sistema de carga de baterias.

Estações de microondas são alimentadas por banco de baterias que são carregados através da rede, caso estejam perto, ou de grupos geradores a diesel, quando estão localizados em zonas remotas. No Brasil existem 543 dessas estações isoladas da rede de alimentação. Turbinas eólicas acopladas a geradores de energia elétrica poderão, em alguns desses locais realizar o suprimento necessário de energia, e com isso poderão obter uma grande economia na compra e também no transporte do diesel até essas estações. Uma turbina Darrieus de 6m de diâmetro e três pás foi desenvolvida e instalada em uma dessas estações, localizada em Porto Alegre. A turbina parte através de um motor de arranque de 12 V e movimenta um gerador de indução de 3 KW, autoexcitado por capacitores. Variando o banco de capacitores podemos manter a tensão mesmo com a variação do sistema, partindo-o com uma velocidade de vento de 4 m/s e aplicando o freio quando a rotação atingir 200 rpm ou a velocidade de vento chegar a 16 m/s. Ele também realiza o chaveamento dos relés que escolhem o banco de capacitores utilizado, acionam o motor de partida e selecionam o sistema de carga de baterias.

Orientadores: Hans Ingo Weber, Marcio Tadeu de Almeida / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Campinas / Made available in DSpace on 2018-07-14T07:21:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Brandao_JoseGeraldoTrani_M.pdf: 2216073 bytes, checksum: 9c04e0dfde6fa264a12e6fe97f2a7d6d (MD5) Previous issue date: 1987 / Resumo: No Brasil grande parte das Usinas Hidrelétrica utiliza Turbinas Francis, onde existe uma grande quantidade de fenômenos vibratórios que trazem sérios problemas estruturais. As vibrações tornam-se problemáticas quando as mesmas operam em carga parcial, e o fenômeno, aqui denominado de "Vórtice de Núcleo", se destaca excitando as estruturas em baixa freqüência. Este problema tornou-se mais crítico a partir da época em que se começou a utilização de Turbinas Francis da nova geração, denominadas Turbinas Francis Rápidas. Objetivando estudar o fenômeno na sua forma de excitação, na faixa de operação em que o mesmo atua com maior intensidade e, se possível, fornecer subsídios para o projeto destas máquinas hidráulicas, o fenômeno foi modelado e testa do em um banco experimental de ensaio com um modelo reduzido, onde se pode verificar a sua validade. / Abstract:The most of Hydroelectric Power Plants, in Brazil, use Francis Turbines, where a lot of vibrating phenomenon's result in serious structural problems.The vibrations cause so much trouble, mainly, when the turbines operate under part loads and the phenomenon, here named the "Vortex Core", appears excitating the structures at low frequencies. The problem caused by the vibrations became more critical since the first use of the new generation Francis Turbines called Fast Francis Turbine. With the purpose of studying the excitation provoked by Vortex Core phenomenon, in the operation Range where it drives the turbine with its highest intensity, and if possible, to give more information for the design of these hydraulic machines, the phenomenon was modeled and tested in an experimental set up using a small turbine where the validity of the mathematical model was checked. / Mestrado / Mestre em Engenharia Mecânica

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2018. / O presente trabalho teve como objeto de estudo ensaios de turbinas de eixo horizontal, tanto hidrocinéticas quanto eólicas. O Laboratório de Energia e Ambiente da Universidade de Brasília executa esses ensaios em campo e em túnel de vento, por meio de três módulos: acionamento, controle e monitoramento. O objetivo principal foi aprimorar o sistema de ensaios de turbinas de eixo horizontal, por meio da metodologia de projeto de produtos. A partir da modelagem conceitual foi desenvolvida a síntese funcional do sistema. Ensaios funcionais permitiram a avaliação do sistema e de cada um de seus módulos, promovendo a validação da síntese funcional e contribuindo com a concepção das alternativas de aprimoramento. Os três módulos foram reconfigurados, no sentido de se atender o maior número possível de necessidades dos usuários. Primeiramente, o módulo de acionamento foi ensaiado com o sistema supervisório ScadaBR, considerado mais didático pelos usuários, permitindo os comandos do motor do túnel de vento. Em um segundo momento, o módulo de controle foi reconfigurado através do projeto de um novo controlador de rotação das turbinas, utilizando uma técnica de sintonia automática do Matlab. Essa reconfiguração promoveu flexibilidade na escolha de um controlador mais adequado aos requisitos dos ensaios. Por fim, o módulo de monitoramento foi reconfigurado e implementado na plataforma de turbinas hidrocinéticas do Projeto Hydro-K, instalada no rio Tietê, à jusante da Usina Hidrelétrica de Bariri, estado de São Paulo. Como resultados, esta dissertação apresenta três alternativas de melhorias funcionais para o sistema analisado, fundamentadas pela metodologia aplicada e pelos ensaios funcionais desenvolvidos. As três alternativas ofereceram diferentes configurações ao sistema, sendo que a terceira representa a maior contribuição deste trabalho. Concebida sob o contexto de flexibilidade, a última alternativa proposta sugere operações com os módulos, permitindo que o usuário defina o tipo de ensaio e quais os equipamentos a serem utilizados, de acordo com suas necessidades. A solução para a terceira alternativa, propõe o uso do ScadaBR, que permite a integração das funções dos três módulos e concentra a operacionalização de todo o sistema. Com isso, requisitos de maior confiabilidade e flexibilidade de operação do sistema são atendidos. / The present work had as its object of study horizontal axis turbines tests, both hydrokinetic and wind turbine. The Laboratory of Energy and Environment of the University of Brasilia performs these tests in filed and wind tunnel, through three modules: activation, control and monitoring. The main objective was to improve the horizontal axis turbine tests system, through the methodology of product design. From the conceptual modeling the functional synthesis of the system was developed. Functional tests allowed the evaluation of the system and each of its modules, promoting the validation of functional systhesis and contributing to the design of the improvement alternatives. The three modules have been reconfigured in order to meet the greatest possible number of users’ needs. First, the activation module was tested with the ScadaBR supervisory system, considered more didatic by the users, allowing the wind tunnel motor controls. In a second moment, the control module was reconfigured through the design of a new controller of rotation of the turbines, using the technique of automatic tuning of Matlab. This reconfiguration promoted flexibility in choosing a controller more suited to the test requirements. Finally, the monitoring module was reconfigured and implemented on the hydrokinetic turbines platform of the Hydro-K Project, installed in the Tiete River, downstream of the Bariri Hydropower Plant, in the state of Sao Paulo. As results, this dissertation presents three functional improvement alternatives for the analyzed system, based on the methodology applied and the functional tests developed. The three alternatives offered different configurations to the system, and the third one represents the major contribution of this work. Conceived under the context of flexibility, the last proposed alternative suggests operations with the modules, allowing the user to define the type of test and which equipment to use, according to their needs. The solution to the third alternative, proposes the use of ScadaBR, which combine the functions of the three modules and concentrate the operationalization of the entire system. With this, requirements of greater reliability and flexibility of operation of the system are met.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2017. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2017-07-31T12:20:03Z No. of bitstreams: 1 2017_RamsayRafaelMacDonald.pdf: 4803485 bytes, checksum: 10d4b13dca72d536ac829226796346ba (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2017-09-11T16:28:58Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_RamsayRafaelMacDonald.pdf: 4803485 bytes, checksum: 10d4b13dca72d536ac829226796346ba (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-11T16:28:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_RamsayRafaelMacDonald.pdf: 4803485 bytes, checksum: 10d4b13dca72d536ac829226796346ba (MD5) Previous issue date: 2017-09-11 / O projeto Hydro-K tem como objetivo o desenvolvimento de uma turbina hidrocinética. O protótipo ou o modelo preliminar desta certamente apresenta incertezas e para eliminá-las são necessários testes e coleta de dados. Essa coleta foi feita através de uma plataforma instrumental desenvolvida neste trabalho. Um outro desafio foi o controle da turbina. O controle tradicional das turbinas hidrocinéticas com um eixo horizontal, velocidade variável e um angulo da pá fixo, requer o mapeamento da curva CP da turbina com antecedência. Em seguida, a sua velocidade de rotação é medida e manipulada de modo a manter a máxima eficiência do rotor. Recentemente, o controle do Maximum Power Point Tracking (MPPT) foi aplicado às turbinas eólicas. Esse método de controle elimina a necessidade de mapeamento de curva CP medindo a tensão e a saída de corrente do gerador e ajustando periodicamente a carga elétrica no gerador para manter a potência máxima de saída elétrica. Considerando as semelhanças entre as turbinas hidrocinéticas e as eólicas, é provável que o MPPT possa ser aplicado para os hidrogeradores. Um segundo objetivo desta dissertação é avaliar a eficácia do MPPT para turbinas hidrocinéticas comparando uma estratégia de controle convencional com o MPPT usando simulações no "SIMULINK". A carga elétrica no gerador é variada usando o Pulse Width Modulation (PWM). A turbina hidrocinética do Hydro-K desenvolvida na Universidade de Brasília (UnB) é equipada com um gerador síncrono-trifásico com ímã permanente. Os resultados das simulações e experiências são apresentados comparando os dois métodos de controle acima mencionados sob diferentes condições de velocidade da água, e mostram que o controle MPPT fornece uma saída elétrica superior. / A project named Hydro-K is aimed at developing a hydrokinetic turbine. The prototype or preliminary model of this turbine will inherently present uncertainties. Eliminating them requires testing and data gathering. The data is acquired using an instrumentation platform designed in this dissertation. Another challenge will be controlling the turbine. Controlling traditional horizontal-axis-variable-speed-fixed-pitch hydrokinetic turbines requires mapping its efficiency at various water and rotor speeds, i.e., the CP curve of the turbine, in advance. Whereafter, its rotational velocity is measured and manipulated in order to maintain maximum efficiency of the rotor. Recently, Maximum Power Point Tracking (MPPT) control has been applied to wind turbines. This control method eliminates the necessity of CP curve mapping by measuring the generator’s voltage and current output, and periodically adjusting the electrical load on the generator to maintain the maximum electrical power output. Considering the similarities between hydrokinetic and wind turbines, it is likely that MPPT can be effectively applied for the hydrokinetic variant. Therefore, a second objective is assessing the effectiveness of MPPT for hydrokinetic turbines by comparing a conventional control strategy with MPPT using simulations in "SIMULINK". The electrical load on the generator is varied by using Pulse Width Modulation (PWM). The Hydro-K turbine developed at the University of Brasilia (UnB) is equipped with a three-phase-permanent-magnet-synchronous- generator (PMSG). The results of the simulations are presented by comparing the two aforementioned control methods under different water velocity conditions, and show that MPPT control delivers a superior electrical output.

Orientador: Waldyr Luiz Ribeiro Gallo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-07-18T06:50:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MachadoJunior_HermesAmilcar_M.pdf: 3233002 bytes, checksum: 97f168af6cf23597c4adb0dc3c850d74 (MD5) Previous issue date: 1993 / Resumo: O uso de técnicas de monitoramento de desempenho de turbinas a gás aeronáuticas e industriais tem se tornado cada vez mais freqüente nos últimos anos, tanto com o objetivo de detectar o consumo exagerad0 de combustível quanto para a determinação de problemas operacionais ou de manutenção. A técnica utilizada neste trabalho, bastante comum para a aplicação em turbinas a gás, é a comparação direta de parâmetros medidos e de parâmetros calculados com valores previamente conhecidos de operação, obtidos do fabricante ou de testes de campo. Os pontos de trabalho tomados como referência podem ser relativos a uma máquina nova ou a equipamento saído de revisão. Os desvios medidos através do procedimento descrito acima passam por uma rotina de validação, que distingue erros de medição de problemas no equipamento. Finalmente, as diferenças relacionadas a perda de desempenho são comparadas com matrizes de falhas típicas. Caso haja compatibilidade entre o grupo de dados de alguma das matrizes com os valores determinados pelo programa tem-se então o diagnóstico positivo desse modo específico de falha. Para proceder a rotina de diagnose os parâmetros de desempenho são calculados através da análise termodinâmica dos processos desenvolvidos no interior de cada componente da turbina a gás. O modelo considerado na avaliação das variáveis é construído de forma a permitir o cálculo o mais elaborado possível, sem necessidade do uso de dados normalmente não acessíveis ao operador / Abstract: The use of performance monitoring techniques in gas turbine engines for aeronautical and industrial applications is becoming more frequent lately, both to detect abnormal fuel consumption and to assess operational or maintenance problems. The technique developed in this work, very common to gas turbine application, is the direct comparison of measured and calculated parameters with previously known operational data, taken from the manufacturer or from field tests. Reference operational points may be relative to new or overhauled equipments. Deviations measured through the above procedure are submitted to a validation routine, in which instrumentation problems are distinguished from changes in engine performance. Finally, differences related to performance loss are compared with a tipical fault matrix. ln case of compatibility between any deterioration considered in this matrix and the values determined by the program, there is a positive diagnostic of this specific fault mode. To carry out the diagnosis, performance parameters are calculated through the thermodynamic analysis of the working gas, called gas path analysis. The model considered is intended to allow variables evaluation accurate as possible, without need of data not normally available to operator / Mestrado / Mestre em Engenharia Mecânica

Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Mecánico / La micro generación (menor a 100 [kW]) por medio de turbinas hidroeléctricas, tiene un amplio campo de desarrollo en la zona centro-sur de Chile. Este tipo de generación eléctrica ayuda a diversificar la actual matriz energética y avanzar hacia una generación a nivel país más eficiente y sustentable. Las micro centrales hidroeléctricas, además del consumo personal, permiten eventualmente la inyección y venta de potencias excedentarias a la red de distribución, lo que incentiva al usuario a adoptar nuevas tecnologías de eficiencia energética. En este contexto, el Centro de Energía de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile, está desarrollando el proyecto de Micro Central Hidroeléctrica Plug & Play, del cual se enmarca esta Tesis. Este trabajo de Tesis tiene como objetivo general el diseño, construcción y pruebas de funcionamiento de una turbina Pelton, con todos sus elementos, tomando como base un diseño numérico de la turbina [7]. En el Taller Mecánico del Departamento de Ingeniería Mecánica (DIMEC) se confeccionaron la mayor parte de las piezas de la turbina, así como su construcción, montaje y las correspondientes pruebas de funcionamiento. Los parámetros del recurso hídrico de diseño son: la altura neta (H_n=40 [m]), el caudal volumétrico (Q= 35 [m^3/s]) y un supuesto rendimiento global (η=70%). En base a estos parámetros, se realizó todo el diseño y manufactura de las partes de esta turbina, el inyector, el housing , el eje, y todo lo que fue necesario para llevar a cabo las pruebas de esta máquina. Se realizan las pruebas correspondientes para obtener las prestaciones de funcionamiento de la turbina, tales como generación eléctrica posible y rendimientos en una amplia gama de alturas de carga y caudales predeterminados, de 19 a 60 [m] y de 17 a 45 [lt/s], respectivamente. Las pruebas de funcionamiento conducen a la elaboración del diagrama de explotación, el que muestra el comportamiento esperado del grupo Turbina-Generador, con una potencia eléctrica máxima de 11 [kW] y un rendimiento máximo del 64%, que corresponde a un 75% de rendimiento con respecto a la potencia al eje de la turbina. Estos valores suponen un rendimiento del Generador del orden del 85%. Para los valores de diseño de la turbina (40 [m] y 35 [m^3/s]) la potencia del grupo Turbina-Generador se obtuvo una potencia de 8 [kW] y un rendimiento del 59%, correspondiendo a un 69% respecto de la potencia al eje de la turbina. En conclusión, las prestaciones del grupo Turbina-Generador son razonablemente aceptables respecto a los supuestos establecidos inicialmente para su diseño. Los resultados alcanzados dejan nuevos desafíos para desarrollos futuros, esto es, optimizar la geometría y fabricación de las cucharas de la turbina Pelton con tornos numéricos CNC. Incorporar instrumentos de medición más precisos con señal de salida digital, tales como: caudalímetros electromagnéticos o ultrasónicos, torquímetros, tacómetros, tubos de Pitot de alta precisión, sistema de adquisición de datos, circuito hidráulico mejorado, etc.

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