Modelagem do comportamento térmico dos anéis de desgaste de uma turbina Francis operando em compensador síncrono

Abstract

Resumo: Este trabalho faz um balanço energético do interior de uma turbina (rotor) Francis quando esta opera em compensador síncrono, considerando o calor de atrito que é gerado pelo movimento do rotor no seu recinto e a disponibilidade de fluido refrigerante (água) proveniente de vazamento pelo seu distribuidor. A questao principal foi buscar uma resposta se há necessidade do sistema auxiliar de resfriamento, que normalmente é instalado neste tipo de turbina, quando realmente existe o tal vazamento. A maior parte do rotor fica exposta diretamente ao vazamento, nao havendo problema de troca térmica. Todavia, existem os anéis de desgaste (peças componentes do rotor), e que também geram calor, que nao sao abrangidos pelo fluido refrigerante de vazamento, devida a sua peculiaridade construtiva (formam o labirinto), fazendo com que haja aquecimento cumulativo da regiao que impediria uma definiçao sobre a eliminaçao do sistema auxiliar de resfriamento. Neste ponto, o trabalho mostra que ocorre um fenômeno relacionado com o efeito centrífugo provocado pelo giro do cubo do rotor, que com a ajuda dos dutos de equilíbrio de pressao, promove deslocamento de ar para a regiao dos anéis de desgaste, com intensidade suficiente para vencer a barreira formada pela funçao de vedaçao do labirinto, ocasionando transferencia forçada de massa de ar deste para adequado equilíbrio térmico dos anéis. Devido ao regime de escoamento turbulento no interior do labirinto, foi realizado cálculo analítico simplificado para ter uma aproximaçao do fenômeno e construído modelo experimental, com validaçao através de um modelo numérico utilizando o programa CFX. Depois, foi desenvolvido estudo de casos de duas turbinas da Usina Hidrelétrica Gov. Ney Braga (UHE GNB) - COPEL. Quanto ao modelo experimental, foram estudadas várias alternativas, culminando em um projeto de modelo adaptativo a uma turbina hidráulica da usina Pitangui, também da Copel. Nos ensaios realizados em dois protótipos da UHE GNB, os resultados obtidos, fundamentados com boas repetibilidades, mostraram que a eficiencia do escoamento de ar axialmente pelo labirinto nao foi a mesma observada no modelo. De qualquer forma, os valores foram baixos, possibilitando desativaçao do sistema auxiliar de resfriamento.

Abstract: The dissertation outlines an energetic balance of a Francis type turbine interior (runner) when it operates as a synchronous condenser regarding the friction heat generated by the turbine runner motion within its environment, and the availability of a cooling element made up of water leaks from the distributor. The main concern was focused on finding out whether there really is the need of an auxiliary cooling system that normally is installed in that kind of turbine when leak actually exist. The largest part of runner stays exposed directly to the leakage activity, thus eliminating the thermal change problem. However, the wearing rings (runner’s components), which also generates heat, are not reached by the leakage fluid, in view of their constructive peculiarity (forming a labyrinth path), bringing about a cumulative heating at that area hindering the decision to decommission the external cooling system. At this point, the study has detected a phenomenon related to the centrifugal effect caused by the runner crown turn, which through its pressure balance vent holes, promote air movement at wearing ring’s area, with sufficiency intensity to overcomes the barrier formed by the labyrinth sealing function, providing enough forced mass transfer outside the gaps, thus rendering an adequate thermal balance to the rings. In view of the turbulent flow regimen inside of labyrinth, a simplified analytical calculation was carried out so as to obtain an approximation design, and an experimental model was constructed with validation through a CFX numerical model, and, afterwards, case studies were developed on two turbines of Gov. Ney Braga Hydropower Plant (GNB HPP) – Copel. As to the experimental model, several alternatives were studied, culminating in a design adaptable to a hydraulic turbine at Pitangui Plant, also owned by Copel. From tests performed on the two GNB HPP prototypes, the obtained results, based on repeated tests, denoted that the efficiency of the air axial flow through the labyrinth was not the same as the one observed on the model. Nevertheless, the figures were small making possible decommissioning the auxiliary cooling system.