DIMENSIONAMENTO E ANÁLISE DA PERFORMANCE DE UM ROTOR DE UMA TURBINA HIDRÁULICA DO TIPO FRANCIS COM AUXÍLIO DO CFD

Abstract

Turbina hidráulica é um dispositivo utilizado para a conversão de energia hidráulica em energia mecânica que, por sua vez, é utilizada para a geração de energia elétrica em instalações denominadas centrais hidrelétricas. O componente da turbina que realiza a conversão de energia é denominado rotor, consistindo em uma série de pás com formato especial que utilizam o movimento da água para rotacionar. A geometria do dispositivo é determinada por um processo chamado dimensionamento, contudo, o procedimento não proporciona um bom entendimento sobre propriedades do escoamento como a velocidade e a pressão, e sobre fenômenos indesejáveis como a cavitação. Uma maneira de contornar essa limitação, é utilizar a Dinâmica dos Fluidos Computacional - CFD (Computational Fluid Dynamics na língua inglesa), uma ferramenta com baixo custo se comparada a experimentos em laboratório, e versátil, podendo ser adaptada para análises de diversos rotores nas mais variadas condições de operação. O presente trabalho teve como objetivo dimensionar o rotor de uma turbina Francis por meio do método de Bovet e analisar os parâmetros de escoamento, pressão e velocidade, e performance, altura de queda, potência, eficiência, torque e curvas de operação, por meio de uma simulação no Ansys Student 2022 R2. Para a simulação utilizou-se o Turbomachinery Fluid Flow e os pacotes associados, o BladeGen, para geração da geometria do rotor, o Turbo Mesh, para geração da malha computacional, o CFX-Pre, onde foram definidos os parâmetros de entrada, as condições de contorno, o modelo de turbulência e os parâmetros de solução, e o CFX Post, onde foi realizada a análise gráfica dos resultados. Os resultados alcançados mostram que houve a projeção de partículas de fluido no sentido de rotação devido ao choque com as pás. Ocorreu separação de escoamento e a formação de vórtices entre as pás. A pressão diminuiu do bordo entrada até o de saída, estando de acordo com o esperado. A velocidade das linhas de corrente aumentou do bordo entrada até o de saída, estando de acordo com o esperado. Quanto à pressão, houve uma queda no bordo de entrada da pá, fenômeno conhecido por causar cavitação e danificar os rotores das turbinas Francis nesse local. As modificações na implementação do software melhoraram a trajetória do fluido e impediram a formação de picos e quedas de pressão na extremidade inferior e no centro da pá. A altura de queda foi superestimada devido às instabilidades numéricas decorrentes da simulação. A eficiência do modelo foi inferior devido às perdas por efeito de impacto, separação de escoamento e vórtices. O erro relativo da potência foi elevado devido à propagação dos erros de outros parâmetros. O erro relativo do torque foi igual à potência porque a velocidade de rotação não variou. O comportamento da curva de eficiência não estava de acordo com a literatura, havendo apenas tendências de crescimento. Os erros relativos dos parâmetros de performance foram inferiores à 12%.