Resenha Maquinas de Fluxo

UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE

ESTUDO DE ARTIGO CIENTÍFICO
Dados Gerais
Disciplina	Máquinas Térmicas e de Fluxo
Professor	Roberto
Aluno	Vinícius Biajoni Braga Flor
Turma		Telefone	(24)998298387	e-mail	[e-mail]
Análise do ARTIGO
Título do Artigo	Experiences with the hydraulic design of high specific speed Francis Turbine
Autor (es)	J Obrovsky e J Zouhar
Título do Periódico	IOP Conf. Series: Earth and Enviromental Science 22
Palavras-Chaves
Combustível Alternativo	Otimização	Hidráulico	Turbina

DESCRIÇÃO DO ASSUNTO

O presente artigo trata basicamente de experiências de design hidráulico de Turbinas Francis de velocidade  específica elevada. No estudo serão levados em conta diversos fatores que podem alterar o comportamento ideal da turbina e com isso atrapalhar o melhor funcionamento da mesma.

JUSTIFICATIVA E RELEVÂNCIA DO TEMA

        

        Esse tema é de uma relevante importância pelo fato de apresentar um estudo importante sobre um tipo de turbina muito usado no setor elétrico para geração de energia. Além de apresentar análises interessantes sobre o comportamento desse tipo de máquina de fluxo. Logo é um assunto que mescla tanto área de engenharia elétrica quanto engenharia mecânica e essa interdisciplinaridade é muito importante.

RESUMO DA FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA  

        De  forma geral é de fundamental importância  que antes de se realizar um investimento em uma turbina para uma planta geradora, deve-se analisar a projeção de retorno. No que diz respeito a turbinas hidráulicas a geração anual de energia deve ser levada em consideração.

A base dos estudos está na situação de que no século XX muitas pequenas centrais geradores foram construídas  e elas eram tradicionalmente montadas em locais que possibilitavam elevadas velocidades específicas para as turbinas , a velocidade específica é uma grandeza que leva em consideração a velocidade nominal da máquina. De forma geral essas plantas geradoras usavam também turbinas Kaplan que são ideais para esse cenário, entretanto algumas dessas plantas foram equipadas com turbinas Francis. O problema se encontra no fato de que nessas condições de operação (elevada velocidade específica) as turbinas Francis apresentam uma baixa eficiência hidráulica. Logo é de extrema importância um design mais sofisticado dessas turbinas, o que no passado não era possível.

Como para se alterar um tipo de turbina seria muito custoso tanto em tempo quanto em dinheiro. Logo faz-se necessário encontrar uma alternativa mais viável e a mesma é a manutenção da maioria possível de peças da turbina Francis original e substituir partes que estavam reduzindo a eficiência da máquina, exemplo dessas partes são as paletas que giram com a passagem da água.

Logo para fazer esse tipo de mudança é necessária uma análise dos possíveis resultados positivos que essa modificação irá trazer, levando em consideração diversos fatores como cavitação , velocidade específica e com isso possibilitar uma análise da viabilidade do projeto. Uma importante ferramenta para esse estudo é a modelagem computacional, que no caso visa otimizar a turbina já existente levando em consideração certas propriedades. Assim os resultados de uma otimização  variam conforme os métodos usados e os objetivos esperados.

No presente caso o estudo se baseia no propósito de se encontrar um design que possibilite um bom funcionamento para rotores de elevadas velocidades específicas, levando em conta a eficiência hidráulica e um bom comportamento da cavitação na turbina.

RESUMO DA METODOLOGIA UTILIZADA        

        Diferente dos designs tradicionais de turbinas hidráulicas em que se leva em conta todas as partes da turbina, nesse estudo foi usado um processo levemente diferente. Um projeto de uma turbina Kaplan com uma velocidade específica  semelhante foi usado como base geométrica. Outro ponto importante do projeto era a manutenção da maior parte possível de partes pré-existentes da turbina, isso possibilitou um estudo no qual foram comparados os comportamentos de ambas turbinas diante de um cenário idêntico, ou seja, pôde-se comparar os parâmetros principais dos dois modelos trabalhando em uma mesma velocidade específica.

        Para a otimização da pá rotora foi levada em consideração o melhor formato hidráulico. Para isso foram utilizados dois métodos, que são diferentes. O primeiro método foi o de otimização global que permite uma análise espacial e uma determinação das regiões de valores de operação mínimos. O método global usado foi o (DE) Evolução Diferencial, que é uma classe de algoritmos genéticos que são muito usados na biologia. Outro método usado foi o de otimização local, que é um tipo de método que não necessita de derivadas e possibilita uma convergência rápida e permite a obtenção de valores finitos extremos.

        As pás foram descritas utilizando um software comercial chamado de ANSYS bladeGen v.14.  Nesse programa apenas a posição das pás no rotor fora definidas, esse método foi usado juntamente com o algoritmo de otimização genético. O resultado que foi criado com essa modelagem no BladeGen  foi conectado um sistema chamado CFD no qual existia um modelo já pré-desenvolvido. Com isso foi feita uma análise automática completa do modelo ,no qual foram consideradas a velocidade de saída, o projeto do tubo do rotor e as pás rotoras.