Análise dinâmica de anel distribuidor de turbina kaplan : abordagem multicorpos e estocástica

Abstract

Este trabalho tem como objetivo introduzir uma metodologia para estimar cargas em pinos de cisalhamento de uma turbina Kaplan e relacionar eventos de falha de pinos a sobrecargas com origem hidrodinâmica. O estudo foi realizado na Usina Hidrelétrica Coaracy Nunes, situada no estado do Amapá. Existem muitos aspectos que podem ser considerados como causa de falhas em pinos de cisalhamento, como fratura por fadiga, cargas estáticas excessivas devido a problemas de alinhamento e montagem. O principal fator considerado nesta análise é o estudo de carregamentos hidrodinâmicos causados pela passagem do escoamento pelas pás do distribuidor e transmitidos ao restante da estrutura. Isto pode causar uma sobrecarga cíclica, levando, em consequência disso, a danos no pino de cisalhamento. Para investigar este fenômeno, uma análise da estrutura do distribuidor foi realizada para estimar as cargas transientes atuantes em cada componente do sistema de controle direcional das pás do mecanismo. Como resultado, as cargas com origem hidrodinâmica atuantes nos pinos de cisalhamento serão conhecidas. Uma análise complementar foi necessária para avaliação da influência da componente aleatória da velocidade do escoamento no comportamento dinâmico da pá do distribuidor. Para isso, considerando as restrições de movimento nas pás do distribuidor, é proposto um modelo estocástico de um grau de liberdade para o estudo da influência da velocidade incidente nos principais parâmetros regentes do movimento da pá quando submetida ao escoamento. Estudos de CFD do escoamento em Caixas Espirais das unidades Kaplan instaladas na Usina Hidrelétrica Coaracy Nunes foram usados como base para estimar o perfil estocástico de velocidade. O método da perturbação foi aplicado para solução do problema estocástico. Este trabalho é importante para determinar a relação entre instabilidades fluido induzidas e os eventos de quebras de pinos de cisalhamento. _____________________________________________________________________________ ABSTRACT

This work has the objective of introducing a methodology to estimate loads on wicket gates‟ shear pins of a Kaplan turbine and relate its failure events to overloads with hydrodynamic origin. The study was held on the Hydro Power Unit of Coaracy Nunes, situated in Amapá. There are many aspects that may be considered as causes of the shear pins failures such as fatigue failure, excessive static loads due to bad alignment and assembly problems. The main factor that is considered in this research is the study of hydrodynamic loads caused by the flow passage through distributor‟s vanes and transmitted to the remaining of its structure. This could cause cyclic overload and, consequently, lead to the shear pin damage. To investigate this phenomenon, an analysis of the distributor structure was performed in order to estimate the acting transient loads on each component of its drive system caused by the flow. As result, the loads acting on the shear pins originated by the flow passage will be known. A complementary analysis was performed in order to evaluate the influence of this randomness inherent to the incident velocity. Considering the movement restrictions on the distributor blades, it is proposed a one degree of freedom stochastic model to study the dynamical stall induced by the flow acting on blades of a Kaplan turbine distributor, which is modelled considering its randomness. CFD studies on the flow inside the spiral cases of the Kaplan units in hydro power plant of Coaracy Nunes were used as basis to estimate the stochastic profile of velocity. The perturbation method was applied to solve the stochastic problem. This research is important to determine the relation between hydro-induced instabilities and the shear pins failure events.