Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/123456789/5999
Title: DIMENSIONAMENTO E ANÁLISE DA PERFORMANCE DE UM ROTOR DE UMA TURBINA HIDRÁULICA DO TIPO FRANCIS COM AUXÍLIO DO CFD
Other Titles: DIMENSIONING AND ANALYSIS OF THE PERFORMANCE OF A ROTOR OF A FRANCIS TYPE HYDRAULIC TURBINE WITH CFD AID
Authors: MORAES, Mateus Felipe Benicio
Keywords: Turbina Francis;
Dimensionamento;
Simulação;
Performance
Francis Turbine;
Sizing;
Simulation;
Performance
Issue Date: 20-Dec-2022
Publisher: UFMA
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%.
Description: A hydraulic turbine is a device used to convert hydraulic energy into mechanical energy, which in turn is used to generate electricity in facilities called hydroelectric power plants. The component of the turbine that performs the energy conversion is called the runner, consisting of a series of specially shaped blades that use the motion of the water to rotate. The geometry of the device is determined by a process called sizing; however, the procedure does not provide a good understanding of flow properties such as velocity and pressure, and undesirable phenomena such as cavitation. One way to get around this limitation, is to use Computational Fluid Dynamics - CFD, a tool with low cost if compared to laboratory experiments, and versatile, and can be adapted to the analysis of several rotors in various operating conditions. The objective of the present work was to size the runner of a Francis turbine using the Bovet method and to analyze the flow parameters, pressure and speed, and performance, head, power, efficiency, torque, and operating curves, through a simulation in Ansys Student 2022 R2. For the simulation, the Turbomachinery Fluid Flow, and associated packages BladeGen was used to generate the rotor geometry, Turbo Mesh was used to generate the computational mesh, CFX-Pre was used to define the input parameters, the boundary conditions, the turbulence model and the solution parameters, and CFX-Post was used to perform the graphical analysis of the results. The results achieved show that there was a projection of fluid particles in the direction of rotation due to the shock with the blades. Flow separation and vortex formation occurred between the blades. The pressure decreased from the inlet to the outlet edge, as expected. The velocity of the current lines increased from the inlet to the outlet side, as expected. As for the pressure, there was a drop at the inlet edge of the blade, a phenomenon known to cause cavitation and damage the Francis turbine runners at this location. Modifications in the software implementation improved the fluid trajectory and prevented the formation of pressure peaks and drops at the lower end and in the center of the blade. The drop height was overestimated due to numerical instabilities arising from the simulation. The model efficiency was lower due to losses due to impact effect, flow separation, and vortices. The relative error of the power was high due to error propagation of other parameters. The relative error of the torque was equal to the power because the rotational speed did not vary. The behavior of the efficiency curve was not in accordance with the literature, with only increasing trends. The relative errors of the performance parameters were less than 12%.
URI: http://hdl.handle.net/123456789/5999
Appears in Collections:TCCs de Graduação em Engenharia Mecânica do Campus Bacanga

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Mateus Felipe Benicio Moraes.pdfTCC de Graduação13,91 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.