Estudo numérico e experimental do rotor de reação de uma turbina hidráulica tipo Francis

Abstract

The hydraulic turbine is one of the components of a turbomachinery which characteristics are very important, as its geometry directly influences the losses and the performance of the mechanical fluid system. However there are other hydraulic components of equalimportance that influence the performance of the Francis rotor. Thus, the determination of the geometry of the spiral casing, wicket gates, blades and draft tube provide good power and performance for certain operating conditions and are important parameters for defining or modifying a project. The purpose of this work is to numerically simulate the flow through the rotor of a Francis type reaction turbine at reduced scale, to determine hydraulic or energy losses according to the flow, rotation, and head restrictions to which the equipment the subject. The reference geometries of the turbomachine were obtained using a 3D scanner and a Pachymeter was used to measure the runner blades. A complete study of CFD modeling in turbomachinery hydraulics was elaborated, presenting the basic fundamentals of fluid dynamics, the modeling techniques of turbulent flows, the solutions for the calculation of properties close to the walls, the methods of discretization the equations, the fundamentals of computational meshes, and the importance of conditions contour. The simulations were based on an experimental test of the applied operating conditions. The CFD modeling showed results compatible with the experimental results within the scale of uncertainties involved. It was possible to evaluate the performance of the rotor. It was identified which regions tend to present significant head loss. Losses were identified in important geometrical regions, such as spiral casing, wicket gate, hydraulic runner blades and draft tube. Vortex on the runner blades and draft tube, boundary layer detachment on the wicket gate and low pressure on the turbine. An interesting observation was that the risk of cavitation presented in draft tube correlated with turbulent flow.

A turbina é um dos componentes de uma turbomáquina cujas características são muito importantes, pois sua geometria influencia diretamente nas perdas e no rendimento do sistema fluido mecânico. Mas há outros componentes hidráulicas de igual importância e que desempenham um influência no desempenho do rotor Francis. Dessa forma, a determinação da geometria da carcaça em espiral, aleta-guia, as pás e o duto de sucção fornecem uma boa potência e rendimento para determinadas condições de funcionamento e são importantes parâmetros para definição ou modificação de um projeto. A proposta deste trabalho é simular numericamente o escoamento por meio do rotor de uma turbina de reação do tipo Francis a escala reduzida, para determinar perdas hidráulicas ou de energia de acordo com a vazão, rotação, e restrições de altura de queda aos quais o equipamento está sujeito. As geometrias de referência da turbomáquina foram obtidas por meio de um scanner 3D e foi usado um paquímetro para medição da pás da turbina. Um estudo completo de modelagem CFD em turbomáquinas hidráulicas foi elaborado, apresentando os fundamentos básicos de dinâmica dos fluidos, as técnicas de modelagem de escoamentos turbulentos, as soluções para o cálculo das propriedades próximo às paredes, os métodos de discretização das equações, os fundamentos de malhas computacionais, e a importâncias das condições de contorno. As simulações foram embasadas por um ensaio experimental das condições de operação aplicadas. A modelagem CFD apresentou resultados compatíveis com os resultados experimentais dentro da escala de incertezas envolvidas. foi possível avaliar o desempenho do rotor. Identificou-se quais regiões com tendência a apresentar perda de carga relevante. As perdas foram identificadas em regiões de geometria importantes, como conduto forçado, aleta-guia, nas pás da turbina hidráulica e tubo de sucção. Vórtice nas pás da turbina e duto de sucção, descolamento da camada limite na aleta-guia e baixa pressão na turbina. Uma observação interessante foi que o risco de cavitação apresentou-se no duto de sucção correlacionado com um escoamento turbulento.