Inserção de dispositivos passivos para a mitigação do vórtice de corda em uma turbina hidráulica do tipo Francis

Abstract

A maior parte da energia elétrica gerada no Brasil é proveniente das hidrelétricas, reconhecida por ser uma fonte de energia renovável e não intermitente que pode adequar o despacho conforme a demanda da rede elétrica. A demanda por fontes de energias renováveis vem substancialmente crescendo nos últimos anos em decorrência, entre outros, de aspectos econômicos e ambientais das fontes convencionais, como o petróleo e seus derivados. Porém, algumas destas energias renováveis, como a energia solar e eólica, são consideradas como fontes de energias intermitentes, podendo gerar instabilidades na rede elétrica de distribuição. Desta forma, as hidrelétricas podem operar modulando seu ponto de operação para acomodar estas variações, evitando a falta ou a sobrecarga no fornecimento de eletricidade. Neste sentido, o projeto de turbinas hidráulicas através da modelagem computacional permite a avaliação da dinâmica do escoamento sob várias condições de operação, identificando, ainda na fase de projeto, fenômenos como o vórtice de corda no tubo de descarga, que podem gerar vibrações na turbina, limitando sua faixa de operação e reduzindo sua vida útil. Entretanto, nas análises de pré-projeto em meados da década de 70, as ferramentas de modelagem computacional eram pouco difundidas, ou limitadas, no desenvolvimento das turbinas instaladas nas usinas hidrelétricas do Brasil, quando o desenvolvimento a partir de uma abordagem empírica e/ou analítica era predominante. Desta forma, o objetivo deste trabalho foi investigar a possibilidade de mitigação do vórtice de corda em uma turbina hidráulica benchmarking do tipo Francis, apresentada no Workshop Francis-99, considerando a inserção de dispositivos passivos no tubo de descarga e sobre o perfil da pá do rotor. Para redução no tempo de simulação numérica foi utilizado à técnica de periodicidade do rotor e palhetas direcionadoras móveis. O escoamento é admitido ser incompressível e turbulento. Uma abordagem inicial considerando um regime estacionário é adotado para a definição da geometria do dispositivo passivo mais promissor para mitigar o vórtice de corda, seguido de uma análise em regime transitório. As condições de operação PL (Partial Load), BEP (Best Efficiency Point) e HL (High-Load) foram investigadas. As análises mostraram que dispositivos passivos inseridos sobre às pás do rotor são mais promissores para mitigar o vórtice de corda do que aqueles inseridos no tubo de descarga. Além disso, que ambos dispositivos passivos instalados sobre as pás do rotor ou no tubo de descarga têm significativo impacto no torque e eficiência da turbina hidráulica. Embora a condição PL seja a mais relevante em relação à formação do vórtice de corda para a turbina hidráulica Francis Original (Workshop Francis-99), a inserção de dispositivos passivos também impactou significativamente nas outras condições de operação BEP e HL, indicando, desta forma, que o estudo de dispositivos passivos deve ser realizado mandatoriamente para as três condições operacionais. Contudo, os resultados deste trabalho indica que a inserção de dispositivos passivos é uma técnica promissora para a mitigação do vórtice de corda em turbinas hidráulicas do tipo Francis já instaladas em usinas hidrelétricas, contribuindo, assim, para a revitalização das atuais turbinas instaladas em contrapartida à sua completa substituição.

A large amount of the electricity generated in Brazil comes from hydroelectric plants, recognized for being a renewable and non-intermittent energy source that can adapt the dispatch according to the demand of the electricity grid. The demand for renewable energy sources has been growing substantially in recent years as a result, among others, of economic and environmental aspects of conventional sources, such as oil and its derivatives. However, for some of these renewable energies, such as solar and wind energy, are considered as intermittent energy sources, which can generate instabilities in the distribution grid. In this way, hydroelectric plants can operate by modulating their operating point to accommodate these variations, avoiding lack or overloading the electricity supply. In this sense, the design of hydraulic turbines through computational modeling, allows the evaluation of the flow under various operating conditions, identifying, even in the design phase, phenomena such as the vortex rope in the draft tube, which may generate vibrations in the turbine, limiting its operating range and reducing its useful life. However, in preproject analyzes in the mid-1970s, computational modeling tools were not widespread, or limited, for the development of turbines installed in hydroelectric plants in Brazil, since the development was done from empirical and/or analytical approaches. Thus, the main goal of the present work is to investigate the possibility of mitigating the vortex rope for a Francis benchmarking hydraulic turbine, presented by Workshop Francis-99, considering the insertion of passive devices at the draft tube and on the rotor blade. To reduce the numerical simulation time-consumption, the rotor and guide-vanes were modeled through periodic technique. The flow is assumed to be incompressible and turbulent. An initial analysis considering a steadystate flow is adopted to define a promising geometry of the passive device to mitigate the vortex rope, which is followed by a transient simulation. The operating conditions PL (Partial Load), BEP (Best Efficiency Point) and HL (High-Load) were investigated. Analyzes have been shown that passive devices inserted on the rotor blades are more promising to mitigate the vortex rope than those inserted in the draft tube. Furthermore, passive devices installed either on the rotor blades or draft tube has a significant impact on the torque and efficiency of the hydraulic turbine. Although the PL condition is the most relevant operating condition related to the formation of the vortex rope for the Original hydraulic turbine (Workshop Francis-99), the insertion of passive devices significantly impacted those other operating conditions BEP and HL, reveling that the study of passive devices must be carry-out mandatory for the three operational conditions. Overall, the results of the present work indicated that the insertion of passive devices is a promising technique for the mitigation of the vortex rope for those Francis hydraulic turbines under operation in current hydroelectric plants, contributing to the revitalization of the hydraulic turbines already installed as a counterpart to its complete replacement.