Obtenção das Características de Desempenho de Turbinas Francis e Parametrização do Tubo de Sucção Utilizando Técnicas de Dinâmica dos Fluidos Computacional.

Abstract

Análises do escoamento em turbina Francis GAMM (Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik – Sociedade de Matemática e Mecânica Aplicadas) vêm sendo amplamente estudadas, com a finalidade de se obter geometrias repotenciadas e consequentemente turbinas Francis mais eficientes. A turbina Francis GAMM é um modelo reduzido de uma turbina Francis do tipo normal que foi ensaiada no Laboratório de Máquinas Hidráulicas do IMH-IMHEF-EPFL, em Lausanne, na Suíça. A geometria dessa turbina e os resultados numéricos e experimentais foram, na sua totalidade, disponibilizados para centros de pesquisas no mundo todo. Neste trabalho, as características de desempenho hidrodinâmico são obtidas considerando o conjunto “pré-distribuidor, distribuidor, rotor e tubo de sucção”, portanto, a turbina Francis GAMM sem a caixa espiral. A geometria do pré-distribuidor, distribuidor e rotor da turbina Francis GAMM é mantida em todas as análises do escoamento desse conjunto, alterando-se apenas a geometria do tubo de sucção. Três tubos de sucção de diferentes geometrias são analisados em conjunto com o pré-distribuidor, distribuidor e rotor. O tubo de sucção é um componente importante de turbinas hidráulicas de reação e desempenha um papel fundamental nas características de desempenho hidrodinâmico da turbina. O tubo de sucção, basicamente, é composto pelo cone (cone de entrada), cotovelo e trecho de saída (difusor). Neste trabalho, a geometria do cone e do trecho de saída é a mesma da turbina Francis GAMM, inclusive a posição desses dois componentes em relação ao cotovelo. Porém, foi alterada apenas a geometria da geratriz do cotovelo que define o seu contorno. Três tipos de curvas foram utilizados para definir a geometria do contorno do cotovelo: curva em formato de espiral logarítmica (LOG), curva em formato de arco de círculo (ARC) e curva denominada de espiral hiperbólica (HIP). Essas curvas e suas combinações foram utilizadas para definir a geometria das geratrizes externa e interna que define o contorno do cotovelo no plano longitudinal. Dessa forma, resultaram três geometrias de tubos de sucção (TS): 1) TS LOG, 2) TS ARC-HIP e 3) TS HIP-HIP. Por meio de técnicas de dinâmica dos fluidos computacional (DFC), as características de desempenho hidrodinâmico do conjunto “pré-distribuidor, distribuidor, rotor e tubo de sucção”, para o ponto de máxima eficiência, foram obtidas para as três geometrias de tubos de sucção. Os resultados numéricos obtidos foram comparados com os resultados numéricos e experimentais referentes ao conjunto “pré-distribuidor, distribuidor, rotor e tubo de sucção” da turbina Francis GAMM. Dessa comparação, foi verificado que tal conjunto apresentou eficiência maior para os três tubos de sucção do presente trabalho do que aquele com o tubo de sucção original da turbina GAMM. Também, foi verificado que o TS HIP-HIP apresentou a maior eficiência e o TS LOG o menor coeficiente de perdas.