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.

Modelagem e análise de desempenho de sistema para geração de energia elétrica através de ondas marítimas.

Mediante a crescente necessidade de aumento na oferta de energia elétrica devido à constante elevação na demanda mundial, esta dissertação avalia o desempenho de um sistema conversor de energia de ondas marítimas em energia elétrica. O sistema em análise é o de coluna de água oscilante com turbina de dupla ação instalado na costa. Utiliza-se um modelo regular de ondas como perturbação à dinâmica de uma câmara semi-submersa gerando fluxo de ar através de uma turbina à ar de dupla ação. O sistema final é não linear e com parâmetros variantes no tempo. A dissertação investiga possibilidades para o aumento do rendimento da turbina em diferentes condições de mar através do método de simulação numérica. Após a modelagem física e matemática do sistema escolhido, inicia-se a síntese de um controlador proporcional derivativo para controle da pressão de ar na turbina em torno da pressão ideal de trabalho da mesma. A análise inclui o comparativo entre os resultados do sistema com e sem controlador e a avaliação de robustez utilizando ondas com amplitude variável. O trabalho apresenta ainda propostas de otimização do sistema para trabalhar em condições similares a região de Pecém no Brasil. Pelos resultados obtidos nas simulações, conclui-se que o rendimento e a robustez do sistema podem melhorar utilizando um sistema controlado. O rendimento do sistema poderá ainda ser otimizado para a região de instalação.

Aceleración de corrientes eólicas de reducida velocidad para la generación eléctrica doméstica

En los últimos años, los sistemas que utilizan como fuente recursos renovables se han posicionado como una interesante alternativa para la producción de energía. Entre las fuentes disponibles, la energía eólica viene configurándose como una de las fuentes de energía renovable con mayor crecimiento en los últimos años. En este trabajo se propone el aprovechamiento de las corrientes eólicas circulantes sobre la superficie terrestre para la producción de electricidad con el fin de abastecer buena parte de la demanda en viviendas aisladas, pequeñas instalaciones agropecuarias, equipamiento de servicio ubicado en lugares remotos, etc. Por lo general estas brisas tienen una baja densidad energética, por ello proponemos una interfaz mecánica que concentre las masas de aire, acelerando su circulación y alcanzando importantes incrementos en la velocidad de impulsión. La primera parte se centra en la elaboración de un procedimiento de caracterización a partir de la metodología científica con el cual modelar una estructura concentradora de flujo eólico válida para un aerogenerador de eje vertical. Este método trata el diseño de un elemento acelerador capaz de optimizar el aprovechamiento de estas brisas con independencia de la dirección de éstas. Su diseño viene dado por la resolución de un conjunto de objetivos fundamentales, dotando al sistema de unas prestaciones particulares en relación a su arquitectura y operatividad. Estos objetivos son los siguientes: - Operatividad ante cualquier dirección eólica adoptada - Incremento del rendimiento potencial de la turbina de eje vertical - Minimizar el desarrollo de efectos turbulentos alrededor del sistema integrado - Capacidad resolutiva ante la presencia de fuertes vientos - Estabilidad estructural - Compatibilidad ante instalaciones propias del volumen arquitectónico - Control global del rendimiento del sistema. La segunda parte aborda el modelado del prototipo y el análisis de su comportamiento mediante simulaciones en el ámbito de la fluidodinámica computacional. El resultado es un prototipo caracterizado por una arquitectura capaz de sectorizar la entrada de viento en diferentes tramos inyectando el flujo eólico estratégicamente. La incorporación de la interfaz sobre el rotor aumenta la superficie de captación eólica, facilitando su entrada a través de las diferentes aberturas y llevando a cabo su concentración según avanza por los tramo de circulación. Una vez finalizado dicho avance, el flujo es inyectado en un rango angular de nido por la elevada fuerza de sustentación capaz de generarse gracias a la incidencia del flujo eólico, aprovechando las particularidades que ofrece la rotación de este tipo de rotores. El resultado de la inyección sectorizada es el desarrollo de una circulación interior vorticial que incide permanentemente en el rango de sustentación característico del perfil aerodinámico que define la geometría de la pala de rotación. Ello provoca que se alcance un funcionamiento nominal a velocidades reducidas. En este proceso se incluyen las acciones necesarias para dar una respuesta eficiente a cualquier tipo e solicitación eólica. En presencia de velocidades de relativa importancia, la interfaz concentradora adapta su arquitectura con el fin de regular la entrada de flujo, retrasando la activación de los dispositivos reguladores propios de la turbina eólica. En presencia de vientos importantes, la interfaz dispone de los mecanismos necesarios para proceder al cierre de las aberturas procediendo a la parada del rotor. La validación de los prototipos elaborados se ha llevado a cabo mediante simulación computacional CFD. Los resultados confirman la consecución de un funcionamiento nominal a velocidades más reducidas, una mayor superficie de captación y periodo de tiempo de funcionamiento efectivo en comparación a las turbinas convencionales. Para el caso práctico modelado los resultados mejoran en más de 2.5 veces la potencia generada y multiplican por cuatro la fuerza ejercida sobre las palas de la turbina. La elaboración de un método preciso para el diseño de este tipo de estructuras concentradoras posibilita que se pueda alcanzar un diseño en función a las necesidades del usuario, o las condiciones eólicas de un emplazamiento dado. A ello hay que unir su compatibilidad de uso y montaje con sistemas de captación solar, conformando un sistema híbrido capaz de aprovechar tanto la energía solar como eólica para el abastecimiento autónomo. Esta característica incrementa el ratio de zonas geográficas donde se puede llevar a cabo su implantación. Las últimas páginas están reservadas a esbozar las líneas futuras de desarrollo y evolución, tanto en términos de e ciencia productiva como en su incorporación a nuevos volúmenes arquitectónicos y estructuras civiles en general.

Análise da qualidade de energia de um parque eólico com ligação à rede eléctrica

Tese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2016

Sistema de conversão de energia eólica baseado no gerador de indução duplamente alimentado: análise e contribuição ao controle da máquina

The humanity reached a time of unprecedented technological development. Science has achieved and continues to achieve technologies that allowed increasingly to understand the universe and the laws which govern it, and also try to coexist without destroying the planet we live on. One of the main challenges of the XXI century is to seek and increase new sources of clean energy, renewable and able to sustain our growth and lifestyle. It is the duty of every researcher engage and contribute in this race of energy. In this context, wind power presents itself as one of the great promises for the future of electricity generation . Despite being a bit older than other sources of renewable energy, wind power still presents a wide field for improvement. The development of new techniques for control of the generator along with the development of research laboratories specializing in wind generation are one of the key points to improve the performance, efficiency and reliability of the system. Appropriate control of back-to-back converter scheme allows wind turbines based on the doubly-fed induction generator to operate in the variable-speed mode, whose benefits include maximum power extraction, reactive power injection and mechanical stress reduction. The generator-side converter provides control of active and reactive power injected into the grid, whereas the grid-side converter provides control of the DC link voltage and bi-directional power flow. The conventional control structure uses PI controllers with feed-forward compensation of cross-coupling dq terms. This control technique is sensitive to model uncertainties and the compensation of dynamic dq terms results on a competing control strategy. Therefore, to overcome these problems, it is proposed in this thesis a robust internal model based state-feedback control structure in order to eliminate the cross-coupling terms and thereby improve the generator drive as well as its dynamic behavior during sudden changes in wind speed. It is compared the conventional control approach with the proposed control technique for DFIG wind turbine control under both steady and gust wind conditions. Moreover, it is also proposed in this thesis an wind turbine emulator, which was developed to recreate in laboratory a realistic condition and to submit the generator to several wind speed conditions.

Diseño de una turbina experimental de vapor de baja potencia.

Este trabajo se enfoca en el diseño de una turbina de vapor de carácter experimental para simular, en un laboratorio de transferencia térmica, la dinámica propia de una turbina de mayor tamaño en el circuito secundario de un ciclo de potencia. La máquina diseñada produciría 185 kW de potencia en el eje a 9.000 RPM con un rendimiento interno del 88 %, tomando en la entrada 0,4 kg/s de vapor saturado a 40 bar y descargando a una presión de 1,5 bar. Se desarrolló la teoría de turbomáquinas necesaria para realizar los cálculos fuidodinámicos y se propuso un método de diseño apropiado para el alcance del trabajo. Se decidió que la turbina sería de tres etapas, dos Curtis y una de impulso, y se realizaron los cálculos correspondientes. Una vez que el diseño fluidodinámico estaba definido, se procedió a dimensionar los distintos elementos mecánicos, con el alcance correspondiente a ingeniería conceptual y básica. Se realizaron detalladamente los cálculos propios del dimensionado del rotor (eje y discos), rodamientos, carcasa, válvula de seguridad de presión y asociados. Además se presentó el diseño conceptual de los elementos restantes, sistema de control y otros auxiliares. Finalmente, se realizaron los modelos en software 3D de todas las piezas y se produjeron los planos correspondientes.

Evaluación de la integridad estructural de tubos de generadores de vapor con defectos volumétricos debidos al fretting.

Los Generadores de vapor (GVs) en una central nuclear están conformados por un manojo de tubos que actúan como una barrera entre el sistema primario contaminado y el secundario. A través de los tubos de GVs (TGVs) se desarrolla el intercambio de calor que produce el vapor que después accionará las turbinas de la central. Estos componentes están sometidos a unas condiciones térmicas, químicas y mecánicas bastante severas, que pueden provocar la aparición de defectos geométricos y volumétricos comprometiendo su integridad estructural. Es por esta razón que el mantenimiento de los GVs es importante para la operación económica y segura de las centrales nucleares. Uno de los principales mecanismos de desgaste de los tubos de GVs es el fenómeno conocido como fretting. El mismo provoca el adelgazamiento de las paredes de los TGVs debido a pequeños movimientos relativos entre superficies en contacto. Dado el caso particular de los GVs del reactor CAREM-25 en los que el circuito primario se encuentra del lado externo de los tubos que lo constituyen, la ocurrencia de este mecanismo de daño podría comprometer la integridad de los mismos haciéndolos más susceptibles al daño por colapso. El presente trabajo constituye una continuación del Proyecto integrador finalizado en el 2015 por Pablo Lazo en el que se evaluó la influencia de efectos de ovalización en el colapso de los tubos de los GVs. Se evalúa ahora la influencia de defectos volumétricos debido a fretting. Esto se realizó a través de modelos numéricos que estiman la presión de colapso en los tubos con y sin defecto. Los resultados de los modelos se compararon con resultados de expresiones analíticas obtenidas por otros autores, valores experimentales propios y otros valores de referencia. A partir del análisis de los resultados se derivaron algunas conclusiones que ayudan a entender el comportamiento de los tubos de GVs con defectos debido a mecanismo de daño por fretting. Además se desarrollaron expresiones matemáticas que ayudan a definir las dimensiones de los defectos que comprometen la integridad estructural de los TGVs en el caso del reactor CAREM-25.

MATCHMOVING, TECNOLOGIAS PARA O RASTREAMENTO, CALIBRAÇÃO DE CÂMERA COM USABILIDADES EM PRODUÇÕES AUDIOVISUAIS.

Os efeitos especiais estão presentes na maioria das exibições que a mídia oferece, como nos programas de televisão, filmes e jogos, mesmo que passe sem a observação de telespectador. A crescente demanda mundial em adotar novas tecnologias em diversas áreas, como na tecnologia da informação, e o alto nível das produções audiovisuais, tem levado ao desenvolvimento de técnicas e soluções avançadas, tornando possível criar grande parte das produções em audiovisual. Atualmente trabalha-se com o Matchmoving (casamento de movimento, não existe palavra equivalente em português), onde se desenvolve a técnica e a arte para alterar uma imagem, retirando ou acrescentando elementos a ela. Dentre as principais características estão o uso de câmeras digitais e soluções computacionais desenvolvidas especificamente para este fim.  Este estudo pretende trabalhar o processo técnico em Matchmoving sendo auxiliado pelos softwares Autodesk 3ds Max 2016 e o Autodesk Machmover 2016. Neste contexto será desenvolvido os fundamentos da calibração da câmera descobrindo sua matriz essencial e o motivo para o uso deste processo, sendo que o mesmo será aplicado na técnica descrita. O modelo a ser desenvolvido será a inserção de elementos 3d (Turbinas Eólicas Virtuais), em vídeo real de aproximadamente 10 segundos. Palavras-chave. Matchmoving. Calibração. Efeitos Especiais. Câmera. Vídeo.

Microturbinas em redes de abastecimento de água

Nos dias de hoje a sociedade exige níveis qualitativos de vida cada vez mais elevados, o que torna prioritária a conceção de sistemas eficientes, não poluidores, económicos e diversificados que permitam uma gestão integrada e racionalizada de recursos tão escasso como é o da água e da energia. Em sistemas de abastecimento de água, o uso de válvulas redutoras de pressão (VRP) visa a uniformização e controlo de pressões, promovendo uma perda de carga localizada que dissipa a energia hidráulica presente através da redução dos valores de pressão a jusante. Estas são fundamentais no controlo e redução de pressão. A utilização de microturbinas é uma alternativa sustentável para o controle de pressão e, simultaneamente, para a produção de energia elétrica. Trata-se de um método de mitigação para controlar as perdas referidas convergindo no âmbito da eficiência energética. Na perspetiva de promover um aproveitamento de energia nas redes de abastecimento de água, o presente trabalho sugere a substituição de válvulas redutoras de pressão (VRP) por microturbinas. Desse modo, apresenta-se um método automático de seleção de (i) local para implementação e (ii) projeto de microturbinas para sistemas de abastecimento de água. Para a modelação do funcionamento dos sistemas hidráulicos recorre-se ao simulador hidráulico EPANET. Esta ferramenta possibilita avaliação de caudais e pressões em todos os pontos da rede durante um determinado intervalo de tempo. A metodologia desenvolvida permite selecionar o local ideal no sistema hidráulico através de uma análise de cada secção conduta-nó escolhendo-se a melhor opção baseada na produção de energia. Depois da localização procede-se à seleção do tipo de turbina (Kaplan, Francis, Pelton e Cross-flow) que vai depender das características do sistema hidráulico. Na etapa seguinte apresenta-se os resultados obtidos pela turbina nomeadamente a produção de energia elétrica anual, o investimento necessário, o tempo de retorno e a rentabilização ao final de um período de 25 anos. Na última etapa da metodologia, de forma avaliar o comportamento do sistema final, realiza-se uma nova simulação da rede mas tendo em conta a introdução da microturbina no local. Apresentam-se alguns casos de estudo que validam a ferramenta desenvolvida. A metodologia desenvolvida é comparada com um caso de estudo real. Em ambos os exemplos simulados a metodologia aplicada permite obter soluções com ganhos energéticos significativos associados ao sistema. Apenas num dos exemplos se observaram que a implementação da microturbina no sistema hidráulico não seria economicamente rentável.

Diseño de una turbina experimental de vapor de baja potencia.

Este trabajo se enfoca en el diseño de una turbina de vapor de carácter experimental para simular, en un laboratorio de transferencia térmica, la dinámica propia de una turbina de mayor tamaño en el circuito secundario de un ciclo de potencia. La máquina diseñada produciría 185 kW de potencia en el eje a 9.000 RPM con un rendimiento interno del 88 %, tomando en la entrada 0,4 kg/s de vapor saturado a 40 bar y descargando a una presión de 1,5 bar. Se desarrolló la teoría de turbomáquinas necesaria para realizar los cálculos fuidodinámicos y se propuso un método de diseño apropiado para el alcance del trabajo. Se decidió que la turbina sería de tres etapas, dos Curtis y una de impulso, y se realizaron los cálculos correspondientes. Una vez que el diseño fluidodinámico estaba definido, se procedió a dimensionar los distintos elementos mecánicos, con el alcance correspondiente a ingeniería conceptual y básica. Se realizaron detalladamente los cálculos propios del dimensionado del rotor (eje y discos), rodamientos, carcasa, válvula de seguridad de presión y asociados. Además se presentó el diseño conceptual de los elementos restantes, sistema de control y otros auxiliares. Finalmente, se realizaron los modelos en software 3D de todas las piezas y se produjeron los planos correspondientes.

Evaluación de la integridad estructural de tubos de generadores de vapor con defectos volumétricos debidos al fretting.

Los Generadores de vapor (GVs) en una central nuclear están conformados por un manojo de tubos que actúan como una barrera entre el sistema primario contaminado y el secundario. A través de los tubos de GVs (TGVs) se desarrolla el intercambio de calor que produce el vapor que después accionará las turbinas de la central. Estos componentes están sometidos a unas condiciones térmicas, químicas y mecánicas bastante severas, que pueden provocar la aparición de defectos geométricos y volumétricos comprometiendo su integridad estructural. Es por esta razón que el mantenimiento de los GVs es importante para la operación económica y segura de las centrales nucleares. Uno de los principales mecanismos de desgaste de los tubos de GVs es el fenómeno conocido como fretting. El mismo provoca el adelgazamiento de las paredes de los TGVs debido a pequeños movimientos relativos entre superficies en contacto. Dado el caso particular de los GVs del reactor CAREM-25 en los que el circuito primario se encuentra del lado externo de los tubos que lo constituyen, la ocurrencia de este mecanismo de daño podría comprometer la integridad de los mismos haciéndolos más susceptibles al daño por colapso. El presente trabajo constituye una continuación del Proyecto integrador finalizado en el 2015 por Pablo Lazo en el que se evaluó la influencia de efectos de ovalización en el colapso de los tubos de los GVs. Se evalúa ahora la influencia de defectos volumétricos debido a fretting. Esto se realizó a través de modelos numéricos que estiman la presión de colapso en los tubos con y sin defecto. Los resultados de los modelos se compararon con resultados de expresiones analíticas obtenidas por otros autores, valores experimentales propios y otros valores de referencia. A partir del análisis de los resultados se derivaron algunas conclusiones que ayudan a entender el comportamiento de los tubos de GVs con defectos debido a mecanismo de daño por fretting. Además se desarrollaron expresiones matemáticas que ayudan a definir las dimensiones de los defectos que comprometen la integridad estructural de los TGVs en el caso del reactor CAREM-25.

Factibilidad de implementación de generación distribuida con máquinas de combustión interna y microturbinas a gas con cargas mayores a 1000kW en el sector industrial

Tesis (Ingeniero Eléctrico).--Universidad de La Salle. Facultad de Ingeniería. Programa de Ingeniería Eléctrica

Avaliação do potencial passível de conversão em energia elétrica das correntes na plataforma continental sul brasileira

O contínuo crescimento da população mundial aumenta a demanda e a competição por energia, colocando grande esforço sobre as fontes de energia não renováveis existentes. Devido a isso, políticas globais para geração de energias renováveis e menos poluentes estão sendo fortalecidas, além de promoverem o desenvolvimento de novas tecnologias. Várias formas de conversão de energia foram desenvolvidas no decorrer dos anos, com destaque para os conversores de energia das correntes a base de turbinas, que demonstram alta capacidade de conversão energética e já se encontram em funcionamento. O modelo tridimensional TELEMAC3D foi utilizado para a investigação dos processos hidrodinâmicos. Este modelo foi acoplado ao módulo de conversão de energia para as análises nos locais de maior viabilidade e conversão energética na Plataforma Continental do Sul do Brasil. A região de estudo demonstrou possuir duas regiões com alto potencial para a exploração da energias das correntes marinhas, entretanto a região mais viável para a instalação de conversores de corrente é a região norte delimitada entre o Farol da Conceição e o Farol da Solidão, podendo atingir potência média de 10kW=Dia, e alcançando valores integrados de 3:5MW=Ano. Através de uma análise da sazonalidade foram observados, durante a primavera os períodos mais energéticos em ambas as regiões estudadas. As maiores intensidades de conversão de energia foram estimadas com variabilidade temporal de 16 dias, demonstrando alta correlação com eventos associados à passagem de frentes meteorológicas na região. O sítio da região norte, com a presença de barreiras que representam a forma dos conversores, se destaca mantendo boa conversão durante os eventos de ótimo potencial energético. Esta melhora se deve ao efeito de intensificação do campo de correntes associado à presença da estrutura física que otimiza a eficiência do sítio. Não foram observadas diferenças significativas no padrão de variabilidade temporal das simulações estudadas, indicando que a presença das barreiras não induz grandes alterações no padrão temporal da conversão de energia nas escalas temporais analisadas neste trabalho. Os eventos de alta geração de energia foram relacionados a incidência de fortes ventos de quadrante sul e norte, indicando que pelo formato e disposição dos conversores, ventos de sudoeste e norte podem favorecer ótimos eventos de conversão de energia. As simulações dos sítios de conversão demonstraram alta capacidade de geração energética, com quatro eventos de extrema geração de energia. Entretanto, o sítio da região norte demonstrou eficiência superior a 59,39 GWh ao ano, equivalendo a 0.22% do consumo energético do estado do Rio Grande do Sul no ano de 2010.

Identificação do potencial renovável para produção de electricidade na perspectiva da microgeração

Tese submetida à Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências e aprovada em provas públicas para a obtenção do Grau de Doutor em Energia e Ambiente (especialidade em Energia e Desenvolvimento Sustentável).