Predição do comportamento hidráulico de turbinas Francis utilizando métodos numéricos

Abstract

Resumo: A hidroeletricidade é uma fonte limpa e renovável de energia e as turbinas hidráulicas desempenham função relevante na regulação de potência nos sistemas elétricos interligados em que estão inseridas, e o atual aumento da participação das fontes alternativas eólica e solar na matriz energética fortalece a importância da geração hidroelétrica na estabilidade dos sistemas elétricos. Caso contrário, se a modulação dessas fontes alternativas nos sistemas elétricos for feita por termoelétricas a óleo, gás ou carvão essas poluiriam os benefícios das referidas fontes alternativas. Não obstante, embora o potencial hidroelétrico global seja da ordem de 30% da demanda mundial de energia, apenas 3% da demanda é suprida por fonte hidráulica, segundo Hoes et al (2017). Portanto, existe um vasto potencial a explorar dessa fonte de energia e potência, do qual aproximadamente 60% é compatível com aproveitamento por turbinas do tipo Francis. No entanto, essas máquinas estão sujeitas a fenômenos hidráulicos e interações que prejudicam seu comportamento hidrodinâmico, quanto mais fora de seu ponto ótimo são operadas, podendo atingir níveis inaceitáveis de pulsação de pressão no sistema hidráulico associado à turbina. Essa pesquisa consiste na predição do comportamento dinâmico do escoamento no sistema hidráulico de uma instalação real com turbina Francis operando fora de seu ponto de projeto, quanto à amplitude da resposta das pulsações de pressão e análise da estabilidade hidráulica do escoamento. Para tanto, essa pesquisa faz uso de métodos numéricos na obtenção da resposta do sistema hidráulico por meio da solução de modelos matemáticos unidimensional (HA), tridimensional (HD) e híbrido (HDHA) do escoamento, bem como realiza análise comparativa com resultados obtidos em uma turbina protótipo e com resultados existentes, advindos da transposição dos ensaios em seu respectivo modelo físico reduzido. Diferentemente da solução CFD/RANS das equações governantes pelo modelo HD tradicional, o modelo híbrido possibilita atualização das condições de contorno a cada passo de tempo da solução numérica dessa solução, de modo a considerar na retroalimentação desse modelo os efeitos elásticos e viscoelásticos das paredes, e os efeitos da variação do volume de cavitação no vórtice de núcleo na dissipação de energia pelo processo termodinâmico associado. A análise de estabilidade hidráulica foi realizada para a operação em alta carga, utilizando modelos unidimensionais discretizados para determinação dos autopares e da função de transferência entre tubo de sucção e caixa espiral e modelos analíticos simplificados para avaliação da influência dos parâmetros hidroacústicos da compliância da cavitação (Cc ), fator de ganho de fluxo mássico (? ) e resistência termodinâmica ( ) Rth no campo de estabilidade. Essa pesquisa contribui como suporte na fase de projeto da turbina e auxílio na análise e diagnóstico de anormalidades no comportamento hidráulico em instalações existentes, que associado às tecnologias de escaneamento rotativo a laser e CAD possibilitam uma modelagem geométrica realística do sistema hidráulico, incluindo a roda da turbina. Palavras-chave: Turbina francis. Comportamento hidráulico. Estabilidade hidráulica. Pulsação de pressão. Ressonância hidráulica. Transiente hidráulico. Aeração de turbinas. UHE Itaipu.

Abstract: Hydropower is a clean and renewable source of energy, and the hydraulic turbines play a relevant role in the regulation of power in the interconnected electrical systems in which they are inserted, and the current increase in the participation of alternative wind and solar sources in the energy matrix strengthens the importance of generation stability of electrical systems. Otherwise, if the modulation of these alternative sources in electrical systems is done by oil, gas or coal thermoelectric plants that would pollute the benefits of such alternative sources. Nevertheless, although the global hydropower potential is around 30% of the world's energy demand, only 3% of the demand is supplied by a hydropower source, according to Hoes et al. (2017). Therefore, there is a vast potential to exploit this source of energy and power, of which approximately 60% is compatible with Francis turbines. However, these machines are subject to hydraulic phenomena and interactions that detract from their hydrodynamic behavior, the farther out of their optimal point they are operated, and can reach unacceptable levels of pressure pulsation in the hydraulic system associated with the turbine. This research consists in the prediction of the dynamic behavior of the flow in the hydraulic system of a real Francis turbine installation operating out of its design point, regarding the amplitude of the response of the pressure pulsations and analysis of the hydraulic stability of the flow. To do so, this research makes use of numerical methods to obtain the response of the hydraulic system through the solution of onedimensional (HA), three-dimensional (HD) and hybrid (HDHA) mathematical models of the flow, as well as perform comparative analysis with results obtained in a prototype turbine and with existing results, resulting from the transposition of the tests in it respective reduced scale physical model. Unlike the CFD/RANS solution of the governing equations for the traditional HD model, the hybrid model makes it possible to update the boundary conditions at each step of time of the numerical solution by this model, in order to consider in the feedback of this model the elastic and viscoelastic effects of the walls, and the effects of the variation of cavitation volume in the core vortex in the energy dissipation by the associated thermodynamic process. Hydraulic stability analysis was performed for full load operation using discrete one-dimensional models for determination of complex eigenfrequencies and eigenmodes shapes and transfer function between draft tube and spiral casing and simplified analytical models to evaluate the influence of hydroacoustic parameters of cavitation compliance (Cc ), mass flow gain factor ( ? ) and thermodynamic resistance ( ) Rth in the stability field of the flow. This research contributes as a support in the turbine design phase and helps in the analysis and diagnosis of hydraulic behavior abnormalities in existing installations, which, combined with rotary laser scanning and CAD technologies, enable realistic geometric modeling of the hydraulic system, including the turbine wheel. Keywords: Francis turbine. Hydraulic behavior. Hydraulic stability. Pressure pulsation. Hydraulic resonance. Hydraulic transient. Turbine aeration. Itaipu HPP.