Hydraulic instability onset detection in Kaplan turbines by monitoring shaft vibrations

Design of hydraulic turbines has often to deal with hydraulic instability. It is well-known that Francis and Kaplan types present hydraulic instability in their design power range. Even if modern CFD tools may help to define these dangerous operating conditions and optimize runner design, hydraulic instabilities may fortuitously arise during the turbine life and should be timely detected in order to assure a long-lasting operating life. In a previous paper, the authors have considered the phenomenon of helical vortex rope, which happens at low flow rates when a swirling flow, in the draft tube conical inlet, occupies a large portion of the inlet. In this condition, a strong helical vortex rope appears. The vortex rope causes mechanical effects on the runner, on the whole turbine and on the draft tube, which may eventually produce severe damages on the turbine unit and whose most evident symptoms are vibrations. The authors have already shown that vibration analysis is suitable for detecting vortex rope onset, thanks to an experimental test campaign performed during the commissioning of a 23 MW Kaplan hydraulic turbine unit. In this paper, the authors propose a sophisticated data driven approach to detect vortex rope onset at different power load, based on the analysis of the vibration signals in the order domain and introducing the so-called "residual order spectrogram", i.e. an order-rotation representation of the vibration signal. Some experimental test runs are presented and the possibility to detect instability onset, especially in real-time, is discussed.

Turbine emulator for development of variable speed microhydro power generation systems

Variable speed operation of microhydro power plants is gaining popularity due to the benefits that accrue from their use and the development of suitable generator control systems. This paper highlights the benefits of variable speed systems over conventional systems and also proposes a simple emulator for hydraulic turbines that operate in variable speed fixed flow rate mode. The emulator consists of an uncontrolled separately excited DC motor with additional resistors and has performance characteristics similar to that of the hydraulic turbine.

Custo de bombas centrífugas funcionando como turbinas em microcentrais hidrelétricas

A implantação de microcentrais hidrelétricas é uma das alternativas para suprir com energia comunidades pequenas e isoladas, situadas normalmente na área rural. O aproveitamento de potenciais hidráulicos de pequeno porte é uma alternativa cada vez mais viável devido não só à falta de recursos financeiros para os grandes empreendimentos, mas também pelo imenso potencial de geração em centrais de pequeno porte, que pouco tem sido aproveitado. O objetivo deste trabalho foi de apresentar uma metodologia simples de engenharia para estimar o custo das Bombas Funcionando como Turbinas (BFTs) utilizadas em microcentrais hidrelétricas, que possam ser usadas em estudos preliminares de novos aproveitamentos hidrelétricos, sem uma investigação detalhada dos lugares onde se pretende implantar. Os custos foram obtidos consultando-se diretamente os fabricantes de equipamentos e o mercado da praça de Ponta Grossa - PR. Os resultados mostraram que, para as microcentrais hidrelétricas, sempre que os custos constituírem o aspecto dominante, e para potências até 50 kW, a opção por Bombas Funcionando como Turbinas (BFTs) deve ser considerada em lugar das turbinas hidráulicas.

Application of rotor response analysis to fault detection in hydro powerplants.

In this article some considerations obtained during the utilization of rotor response analysis techniques in hydraulic powerplants are discussed. An applied research work was carried out in two hydraulic turbines analysing the rotor response both theoretically and experimentally. A developed mathematical model was used to simulate the rotordynamic behaviour of Francis and Kaplan turbines. The main dynamical effects that appear during the operation of the machines are discussed too. A series of measurements were carried out in the turbines using impact hammers to determine the modal behaviour of the units. The tests were carried out with the machine still and in operation. Some results and the comparison with the theory is presented in this article. The improved theoretical model was used for a sensitivity analysis of the different bearings to the main excitations that fake place during the machine operation. From this analysis, the best measuring points for condition monitoring were determined.

Desenvolvimento de sistema computacional para pré-dimensionamento de turbinas para micro, mini e pequenas centrais hidrelétricas

Pós-graduação em Agronomia (Energia na Agricultura) - FCA

Avaliação técnica para reativação de uma PCH na Fazenda Experimental Lageado, Botucatu - SP

Pós-graduação em Agronomia (Energia na Agricultura) - FCA

Avaliação da usinabilidade do aço inoxidável martensítico AISI 410

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Análise microestrutural de revestimentos usados no reparo de turbinas hidráulicas danificadas pela cavitação

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Construção de diagramas de custos para PCH incorporando turbinas de mercado

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Proposta de uma metodologia para projeto construção e adequação de tubo de sucção numa turbina Michel-Baki

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

Investigação de estratégias de controle digital para regulação de velocidade e emulação da dinâmica de turbinas hidráulicas, com implementação e testes experimentais em uma micromáquina de 10 KVA

Devido não ser comum o estudo de sistemas de potência em plantas reais como usinas hidrelétricas por causa dos riscos e custos que envolvem sua operação, dá-se preferência pela realização computacional de modelos matemáticos desse tipo de planta na resolução de problemas, desenvolvimento de novas tecnologias e formação de recursos humanos. No entanto, modelos realizados computacionalmente não proveem a experiência, visual, auditiva e tátil que um modelo físico real pode oferecer. Portanto, neste trabalho, apresenta-se a descrição e a modelagem de um sistema de geração em escala reduzida de 10kVA, que é um sistema físico real, composto por um motor CC, um gerador síncrono e transformadores, chamado também de sistema micromáquina, o qual faz parte da infraestrutura do Laboratório de Engenharia Elétrica da UFPA. Para este sistema, por intermédio deste trabalho de mestrado e do trabalho de mestrado de Moraes (2011), foram desenvolvido subsistemas eletrônicos e computacionais de acionamento, automação e controle para operá-lo de forma segura resultando em uma excelente plataforma didática para dar suporte às pesquisas em dinâmica e controle de sistemas de potência, bem como o desenvolvimento de trabalhos acadêmicos e de ensino. Nesse mesmo contexto, é apresentada uma proposta de técnica de emulação de turbina hidráulica, tendo como base o controle de potência aplicado ao motor CC do sistema micromáquina. Tal técnica foi desenvolvida principalmente com o propósito de dar suporte ao estudo e desenvolvimento de técnicas de regulação de velocidade de turbinas hidráulicas. Consequentemente, também é apresenta uma proposta de um regulador de velocidade digital para turbinas hidráulicas baseado na estrutura canônica RST de controle digital, cujos parâmetros são projetados por duas técnicas de projeto estudadas neste trabalho: o método de alocação polinomial de polos e o projeto de compensadores por atraso de fase pelo método de resposta em frequência para sistemas discretos. Logo para comprovar a eficácia das ferramentas de hardware, software e teóricas desenvolvidas neste trabalho, resultados de experimentos realizados no sistema micromáquina são apresentados e analisados.

Estudo e modelagem 3D de uma turbina Francis

Most of the hydraulic turbines that are running in the world are the Francis type, because they are able to fit a wide range of head and flow. We also can declare that most of the installed hydraulic energy up to this date is generated by this type of turbine. On the other hand, if we pay attention to mechanical details of a Francis turbine we will see that among the three most used types it is the one that presents the more complex design. And, the simplest one is the Pelton type, whereas the Kaplan is the one less utilized. This work aims to develop the hydrodynamic calculation of a Francis turbine as well as to obtain its assembly drawing and 3D modeling drawing. In this way all details must be shown therefore needing a complete knowledge about this issue. Both 2D and 3D drawings help much if one wants the machine to be running in its power house. It is well noted that most of the entities that design and manufacture the Francis turbines are not brazilian. In this way the more we study how to design this kind of machine the more is our contribution to our country in order to conquer technology and manufacture Francis turbines

Comissionamento de turbinas hidráulicas: ensaios de faixa operativa, índex, test e rejeição de carga

With growing electricty demand, the importance of generation through hydropower, a renewable energy source, it’s of great importance. This demand derives from the country’s growth, as well as events that will occur in the coming years. The commission has a crucial role before the entry into operation of hydroelectric plant, sice, ensures a good operation of hydraulic and electrical systems, as well as the safety of the installation. This paper is a case study, commissioning in a PCH in especially the most important tests, such as range operation, índex tes and load rejection. In these trials we can get a Idea of the actual behavior of the unit, as well as future operation maneuvers, and evidence of real efficiency

Recuperação de turbinas hidráulicas danificadas por erosão cavitacional por soldagem com aço inoxidável/cobalto

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEIS

Avaliação da influência de aplicação de vibração mecânica na microestrutura e em características mecânicas de juntas do aço inoxidável martensítico CA6NM soldadas pelo processo FCAW

O aço inoxidável martensítico ASTM A743 CA6NM é utilizado para produzir componentes especiais para turbinas hidráulicas, devido às suas boas propriedades mecânicas combinadas com alta resistência à corrosão e cavitação e uma boa soldabilidade. As turbinas hidráulicas são produzidas por meio de múltiplos passes de solda em peças espessas obtidas por fundição. Durante a operação, estes componentes estão sujeitos à erosão por cavitação e trincas em regiões tensionadas, que são reparados também por meio de soldagem. Após o processo de soldagem, um tratamento térmico pós-soldagem é comumente utilizado para aliviar as tensões residuais. Porém, existem dificuldades significativas para a realização de tratamento térmico nas turbinas hidráulicas, tais como a complexidade da geometria de solda, a possibilidade de distorção no caso de quaisquer cargas mecânicas, dificuldade em aquecer simetricamente, e também o tratamento térmico pode causar degradação das propriedades do material. Assim, existe um grande interesse no desenvolvimento de procedimentos de soldagem que elevem a tenacidade ao impacto e evitem o tratamento térmico pós-soldagem. Neste trabalho, a aplicação de vibrações mecânicas durante e após a soldagem para aliviar tensões residuais foram avaliadas em juntas de aço inoxidável martensítico CA6NM soldadas pelo processo Flux Cored Arc Welding (FCAW). A utilização de vibrações mecânicas para reduzir e redistribuir as tensões residuais das estruturas soldadas através da aplicação de carga vibratória pode gerar muitos benefícios. Testes de impacto Charpy (-20 °C), ensaios de tração e dobramento foram realizados conforme ASME IX, e perfis de microdureza nas diferentes regiões da solda foram conduzidos para a caracterização mecânica das juntas soldadas. A caracterização microestrutural foi realizada utilizando difração de raios X, microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os resultados de propriedades mecânicas das amostras vibradas atenderam as exigências especificadas por norma, na qual o processo com tratamento térmico é recomendado para a soldagem deste tipo de aço, visando atingir os níveis de tenacidade do material original. Com relação à microestrutura não foram observados alterações significativas para as amostras vibradas em comparação com a condição \"como soldado\", porém para a condição com tratamento térmico pós-soldagem foi observado uma pequena quantidade de austenita retida, que são precipitadas após o tratamento térmico e permanecem finamente distribuídas após o resfriamento e auxiliam no ganho de tenacidade das juntas soldadas.