Orientador: Anselmo Eduardo Diniz / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-25T10:42:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lacerda_RafaelSegantin_M.pdf: 5082934 bytes, checksum: 9288c8f97c6d45416ba8bc96895fc01d (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: A fabricação de pás de turbinas hidráulicas representa uma das atividades mais importantes no processo de fabricação do rotor de uma usina hidrelétrica e corresponde a uma parcela considerável do custo de produção do mesmo. Devido às características geométricas e requisitos hidráulicos destes componentes, as operações de fresamento em cinco eixos são altamente solicitadas e se destacam pela versatilidade e rapidez que proporcionam para o processo produtivo. Todavia, o fresamento de pás de turbinas hidráulicas apresenta alguns pontos críticos relacionados com a qualidade superficial, qualidade dimensional e os custos da operação de usinagem. A taxa de remoção de material, a variação das condições de fresamento diretamente relacionada com os parâmetros de corte e a necessidade de se reduzir os ciclos de produção são itens que fazem o estudo detalhado desta operação ter importância fundamental para a utilização das modernas tecnologias de usinagem. O objetivo deste trabalho é identificar as condições de corte mais adequadas para o processo de fresamento em cinco eixos de pás de turbinas hidráulicas. Para isto, o processo de fabricação foi monitorado e ensaios foram realizados para comparação entre diferentes estratégias de fresamento e parâmetros de corte. Durante estes ensaios observaram-se os parâmetros elétricos do motor da máquina e também a coloração dos cavacos, para estabelecer uma relação entre estes parâmetros e o real desgaste sofrido pela ferramenta, a fim de se ter um método direto e prático para definição de seu fim de vida. As principais conclusões deste trabalho são que a variável de entrada mais influente na vida da ferramenta dentre as testadas foi a estratégia de corte (concordante ou concordante / discordante) e para estas ferramentas, o desgaste de flanco (VB) foi o principal determinante para o fim de vida da aresta de corte. Em adicional, a observação da potência consumida e da coloração do cavaco realizada pelo operador, mostrou-se adequada para determinar o momento de troca da ferramenta neste tipo de fresamento em desbaste. Palavras chave: fresamento em cinco eixos, pás, turbinas hidráulicas e desgaste de flanco / Abstract: The manufacturing process of blades for hydraulic turbines is one of the most important activities to fabricate a runner for a hydraulic power plant and is responsible for a considerable portion of the production cost thereof. Due to the geometric characteristics and hydraulic requirements in these components, the milling operations in five axis is highly appreciated and offer the versatility and speed for the production process. However, the milling process for blades of hydraulic turbines present some critical issues related to the surface quality, dimensional quality and machining costs. The rate of material removal, the variation of milling conditions directly related with cutting parameters and the need to reduce production cycles are items that make a detailed study of this operation has high importance on the application of the most modern machining technologies. The objective of this work is to identify the most suitable cutting conditions for five axis milling in blades of hydraulic turbines. For this, the manufacturing process was monitored and tests were performed in order to compare different milling strategies and cutting parameters. During these tests was observed the electrical parameters of the machine motor and also the colors of the chips to establish a relationship between these parameters and the actual wear suffered by the tool in order to have a derictly and practical method to define the end of the tool life. The main conclusions are that the most influential variable in the tool life among those tested was the cutting strategy (Up Milling or Up Milling / Down Milling) and for these tools, the main determinant for the end of life is the flank wear (VB) of the cutting edge. In additional, the observation of the power consumption and the colors of the chips performed by the operator, with the goal of determining the exactly time to exchange the tool was adequate for this type of rough milling. Keywords: five axis milling, blades, hydraulic turbines and flank wear / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Jose Roberto Bonilha / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil / Made available in DSpace on 2018-08-03T23:08:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Bettarello_AntonioCarlosTambellini_M.pdf: 2950978 bytes, checksum: 3fb77a458263091d3c0babb7bb2626d7 (MD5) Previous issue date: 2002 / Mestrado

Ingeniero Civil Mecánico / Actualmente, existe dentro de la sociedad el debate sobre cómo queremos generar en un futuro la energía que nos permita seguir desarrollándonos como país. Para ello, existen varias fuentes y medios por los cuales se puede obtener, usándose principalmente en Chile las energías provenientes del agua, carbón y petróleo. Sin embargo, como país se poseen otro tipo de fuentes que aún no han sido explotadas y que tiene un futuro alentador dado los desarrollos tecnológicos que se están llevando acabo como por el interés de las personas en que estas se lleven a cabo, las cuales son de tipo solar, geotérmica, mareomotriz y eólica. Es en este último tipo de fuente en la cual se enfocará el desarrollo de la presente memoria con un énfasis al desarrollo de la obtención de este tipo de energías pero a pequeña escala. El objetivo principal de la memoria es realizar un análisis de las curvas características de una turbina mediante un análisis de los coeficientes aerodinámicos presentes en los álabes de las turbinas eólicas, con el fin de comparar dos diferentes perfiles alares a utilizar, los cuales se diferencian por poseer una aerodinámica diferente como también un proceso de fabricación distinto, lo cual discutir cuan conveniente es realizar una mejora aerodinámica al perfil en base a la potencia obtenida. En conjunto con esto se podrá visualizar, mediante un modelamiento a través de ANSYS FLUENT, los efectos aerodinámicos del funcionamiento de la turbina sobre el viento incidente a causa del impacto del viento sobre los álabes Los alcances son el poder lograr comparar los datos obtenidos entre lo realizado analíticamente por la teoría de momentum DMS y lo obtenido mediante el modelamiento computacional. Además, el desarrollo del problema computacional se realizará mediante un modelo 2D dado que según los antecedentes presentados, las diferencias entre los resultados obtenidos para casos 3D no difieren mucho de los 2D, pero el recurso computacional necesario para su ejecución es considerablemente mayor al caso 2D.

Ingeniero Civil Mecánico / La empresa AES Gener S.A. se dedica a la generación de energía eléctrica tanto a nivel nacional como internacional (operación en 27 países). Para ello, cuenta con centrales de generación de distinto tipo (termoeléctricas, hidroeléctricas y otras), entre las que se encuentra Central Maitenes, planta de tipo hidroeléctrica de pasada, parte del grupo de centrales hidroeléctricas Centrales Cordillera, ubicada en San José de Maipo. La central mencionada corresponde a la más antigua del grupo (año 1923), con turbinas Francis que tienen larga data. En base a ello, surge la necesidad de estudiar la posibilidad de mejora de tales equipos, a través de un proceso de licitación que cuente con la presencia de distintos proveedores, tanto locales como extranjeros. Por lo anterior, se requiere contar con una base técnica que busca maximizar las opciones de aumento de eficiencia de la turbina, permitiendo contrastar las ofertas entregadas por los proveedores, con la posibilidad de elevar las exigencias previo a la adjudicación de la licitación a alguno de los oferentes. Por lo expuesto, el siguiente informe tiene por finalidad el estudio de antecedentes científicos de optimización de álabes del rodete de turbinas Francis, para el aumento del rendimiento de una turbina de este tipo ubicada en Central Maitenes, en base a información otorgada por la empresa, durante las diversas visitas pactadas mediante un convenio de cooperación entre la empresa y el autor de este estudio, además de la bibliografía pertinente para llevar a cabo los cálculos tendientes a desarrollar el análisis mencionado. En primer lugar, se recopilan los antecedentes necesarios para el cálculo teórico de rendimiento de la turbina en operación, el que, junto al dato operacional, forman un valor referencial inicial. Luego, se desarrolla un cálculo teórico basado en el estado actual de la tecnología de optimización de álabes de turbinas Francis, obteniendo valores óptimos de triángulos de velocidades y rendimiento, que se vea contrastado con el cálculo anterior. Finalmente, se complementa el análisis con información de constructores de turbinas Francis a nivel nacional y mundial. En base a ello, se determina la mejor alternativa de mejora, para completar con ello el estudio encargado.

Ingeniero Civil Mecánico / El tema a tratar en este trabajo de título corresponde al modelamiento fluidodinámico de una turbina en base al tornillo de Arquímedes que opere con relaves. Este trabajo está orientado a realizar un análisis por volúmenes finitos a una porción del fluido entre los álabes de la turbina, con el propósito de aprovechar eficientemente el recurso hidráulico disponible. Este tema está motivado principalmente por la búsqueda de nuevas fuentes de energía eléctrica limpia y rentable. El objetivo general de este trabajo de título es realizar un modelamiento fluido dinámico de una turbina en base al tornillo de Arquímedes (sinfín), con el fin de determinar la potencia máxima de generación en función de la RPM, para un caudal de relaves que transitan por un canal rectangular. Como objetivos específicos se tienen: elaborar un modelo basado en un volumen de control para determinar potencia; analizar la dependencia de la potencia respecto de la velocidad de rotación; desarrollar un modelo en CFD, para determinar esfuerzos sobre los álabe, carcasa y eje, calcular torque en turbina usando agua como fluido de trabajo; determinar revoluciones adecuadas para mejorar potencia; y modelar el comportamiento del relave en espacio entre álabes. La metodología cuenta como primera etapa la recopilación y análisis de los desarrollos actuales del tornillo de Arquímedes utilizado como turbina. También se analizan antecedentes de la turbina operando con agua, sus dimensiones y condiciones de operación. Posteriormente se implementa un modelo computacional usando volúmenes finitos en el software Ansys para determinar el comportamiento de un cubo de agua y su influencia sobre la potencia total de tornillo, tanto para la operación con agua como para la operación con relaves,. Los resultados de este análisis entregan las revoluciones adecuadas para lograr el máximo provecho del recurso. Como resultados se obtienen los esfuerzos de presión y de corte sobre todas las caras del volumen, se registra una disminución del momento total a medida que aumentan las revoluciones de operación. La componente del momento debido a la presión en el álabe inferior es la encargada de transmitir la mayor cantidad de momento al eje y esta depende mayormente del peso del fluido, Los esfuerzos de corte que se generan en la superficie del volumen se oponen al movimiento del mismo y este comportamiento se intensifica a medida que aumentan las revoluciones. Las conclusiones de este trabajo reflejan que en el caso de maximizar potencia son predominantes las revoluciones de operación por sobre los esfuerzos viscosos que se oponen al movimiento de la turbina. La máxima RPM posible para el caudal disponible del canal de relave es 10RPM.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Mecánico / Es indudable que las Energías Renovables No Convencionales se encuentran en auge en estos momentos tanto a nivel mundial, como nacional. Este apogeo se produce debido a que, en el contexto del cambio climático global, el desafío actual tiende a la disminución de emisiones de CO2 y gases efecto invernadero. Es dentro de la energía marina, que Chile puede jugar un rol fundamental debido a sus excepcionales características geográficas. De este modo, esta investigación busca desarrollar un nuevo sensor de torque para turbina hidrocinética, diferente a los disponibles actualmente en el mercado, de mayor accesibilidad económica, con el fin de potenciar la investigación a nivel nacional permitiendo que estudios a futuro se logren ejecutar de forma óptima. El desarrollo de este dispositivo se realiza con el apoyo del profesor Juan Cristóbal Zagal del departamento de Ingeniería Civil Mecánica de la Universidad de Chile, y el auspicio del Marine Energy Research & Innovation Center (MERIC). El objetivo principal consiste en: Diseñar, modelar, fabricar y caracterizar un nuevo sensor de torque para la caracterización de una turbina hidrocinética. Para esto se dividió la metodología en 3 etapas que corresponden al desarrollo del sensor; desarrollo sistema eléctrico y programación; y finalmente, validación de la idea. Este trabajo expone en primer lugar los antecedentes teóricos pertinentes, posteriormente se explica en detalle la etapa de diseño y construcción del sensor, y se finaliza mostrando los resultados del dispositivo y la validación de este. Finalmente, se logra tanto el objetivo principal como los objetivos específicos, obteniendo un sensor de torque con un % error promedio máximo del 5%, con un rango de medición entre [-25 :25] [Ncm], capaz de funcionar inalámbricamente a más de 10 metros de distancia en el aire y de 10 centímetros en el agua. Se logra de manera adicional que el sensor mida en ambas direcciones de giro.

Determina la caracterización y las mejoras técnicas de un aerogenerador; el cual está clasificado como de pequeña potencia (100 W) el diseño está integrado con un generador sincrónico de imanes permanentes, con el objeto de ser utilizado como fuente de energía eléctrica, para abastecer de energía eléctrica una zona específica de preferencia rural del país. En el marco teórico se ha incluido la información bibliográfica de los principios de funcionamiento de sistemas de aerogeneración, iniciando con la evaluación del potencial eólico del lugar elegido para la instalación, la clasificación, la teoría de la pala, principios básicos de funcionamiento del rotor eólico y del sistema en conjunto. La metodología utilizada para el desarrollo del proyecto que esta documenta en esta tesis se inicia con el levantamiento de los datos en el campo para evaluar el potencial eólico de la zona donde se va a instalar el aerogenerador. Luego se efectúa el dimensionado preliminar (de gavinete) de la turbina eólica considerando la velocidad promedio del viento, diseño de las palas del aerogenerador basados en las características aerodinámicas, se elige el perfil de la hélice en este caso se elige el perfil NACA 4412. Continua con el dimensionado de la generación eléctrica para lo cual se utiliza imanes permanentes de tipo axial que facilita la construcción. Luego de diseñar y construir el sistema, es montado en las cercanías de la ciudad de Huacho, donde fue sometido a pruebas de funcionamiento para determinar el coeficiente de potencia del sistema. / Tesis

Procurar uma turbina axial eficiente é evitar desperdício de energia, já que o aumento da eficiência dos componentes de uma turbina a gás refletem em uma máquina mais eficiente, que fornece trabalho com um menor custo de combustível. Com a dinâmica dos fluidos computacional é possivel obter informações quantitativas do desempenho da turbina axial pela simulação do escoamento entre suas pás. Permite também visualizar detalhadamente os pontos onde há separação, ondas de choque, gradientes elevados; fenômenos diretamente relacionados à geração de perdas. Este é o estudo da análise do desempenho de turbinas axiais de alto desempenho utilizando uma ferramenta para simulação computacional do seu escoamento tridimensional e viscoso, em regime permanente. Um software comercial foi empregado para resolver as equações de Navier-Stokes com média de Reynolds com modelo de turbulência Spalart-Allmaras. A simulação em diversos pontos de operação permitiu a construção de um mapa de desempenho e sua comparação foi feita com o gerado usando uma metodologia de previsão de desempenho que contabiliza as perdas por meio das correlações de Ainley-Mathieson e Kacker-Okapuu.

As Máquinas do tipo Turbobombas são elementos chaves no desempenho de um Motor Foguete a Propelente Líquido - MFPL, no entanto o uso destes dispositivos é evitada em um grande numero de propulsores encontrados pelo mundo principalmente quando o fator custo se torna bastante relevante. Deste modo foram realizadas uma série de ensaios com materiais especiais com objetivo de diminuir a dependência de metais estrangeiros, elevar a eficiência do componente, diminuir seu custo final e viabilizar sua manufatura no Brasil. Foram feitos levantamentos bibliográficos a respeito dos materiais e processos mais indicados para a turbobomba hipotética em estudo, com uma visão bastante abrangente da maquina juntamente com o foco em processos e materiais encontrados no mercado nacional. Posteriormente o estudo foi focado no problema proposto, e então após um levantamento bibliográfico detalhado foram feitos experimentos com fim de embasar as decisões de projeto relativas a turbina. Primeiramente, foram escolhidas as ligas metálicas mais comuns neste tipo de aplicação, notadamente ligas baseadas em Níquel, e ligas mais exóticas com alta probabilidade de uso, neste caso baseadas em Nióbio. Após as escolhas das ligas adequadas foram realizados uma série de ensaios para determinar parâmetros relativos a dificuldade de usinagem destas ligas, juntamente com parâmetros relacionados com a capacidade de suportar ambientes oxidantes em altas temperaturas. Baseando-se nos dados bibliográficos recolhidos e fazendo um paralelo com os dados experimentais recolhidos e com dados da indústria nacional foi possível traçar recomendações quanto às decisões de projeto relativas aos materiais e processos de manufatura da turbina da turbobomba em estudo.

Um dos componentes principais de uma turbina a gás é a turbina, pois produzem potência para o acionamento do compressor assim como de outras cargas externas. A turbina trabalha em um ambiente hostil, recebendo gases quentes de alta pressão da câmara de combustão, tornando-a um componente crítico em usinas de geração de energia. A turbina afeta o desempenho e o custo total do motor, sendo necessário realizar no início do programa de desenvolvimento do motor a predição de desempenho para garantir que o motor possa satisfazer todos os requisitos de operação de forma eficiente. Com a dinâmica do fluido computacional é possível obter informações do desempenho da turbina axial através da simulação do escoamento entre pás. Para avaliar o desempenho de um estágio de turbina em toda faixa de operação são utilizados mapas de desempenho que serão construídos através das simulações numéricas. A simulação do escoamento viscoso em regime permanente foi realizada no primeiro estágio de uma turbina axial. Adotou-se abordagens bidimensional e tridimensional para resolver as equações de Navier-Stokes com média de Reynolds que utiliza o modelo de turbulência de Spalart-Allmaras. A simulação em vários pontos de operação possibilitou a construção do mapa de desempenho do primeiro estágio da turbina. O mapa foi comparado com uma metodologia de predição de desempenho que contabiliza as perdas por meio do modelo de perdas de Denton.