Modelagem matemática para otimização de um potencial hidráulico utilizando turbinas Francis e Kaplan

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

The Optimisation of the Draft Tube of a Hydro Power Plant at Off-Design Conditions

Several possible methods of increasing the efficiency and power of hydro power plants by improving the flow passages are investigated in this stydy. The theoretical background of diffuser design and its application to the optimisation of hydraulic turbine draft tubes is presented in the first part of this study. Several draft tube modernisation projects that have been carried out recently are discussed. Also, a method of increasing the efficiency of the draft tube by injecting a high velocity jet into the boundary layer is presented. Methods of increasing the head of a hydro power plant by using an ejector or a jet pump are discussed in the second part of this work. The theoretical principles of various ejector and jet pump types are presented and four different methods of calculating them are examined in more detail. A self-made computer code is used to calculate the gain in the head for two example power plants. Suitable ejector installations for the example plants are also discussed. The efficiency of the ejector power was found to be in the range 6 - 15 % for conventional head increasers, and 30 % for the jet pump at its optimum operating point. In practice, it is impossible to install an optimised jet pump with a 30 % efficiency into the draft tube as this would considerabely reduce the efficiency of the draft tube at normal operating conditions. This demonstrates, however, the potential for improvement which lies in conventional head increaser technology. This study is based on previous publications and on published test results. No actual laboratory measurements were made for this study. Certain aspects of modelling the flow in the draft tube using computational fluid dynamics are discussed in the final part of this work. The draft tube inlet velocity field is a vital boundary condition for such a calculation. Several previously measured velocity fields that have successfully been utilised in such flow calculations are presented herein.

Pienvesivoimalan uusinta

Diplomityön tavoitteena on tutkia eri vaihtoehtojen kannattavuutta pienvesivoimalan uusinnassa. Sähkönhinnan muodostus ja tulokseen vaikuttavat tekijät käsitellään kokonaisuuksinaan. Työssä tehdään kustannuslaskenta valmistajien tarjouksien perusteella ja suoritetaan esittely eri tarjouksista. Valmisteluosassa tutustutaan mitoitusarvoihin ja jos niitä ei ole miten ne selvitetään. Mittauksen kautta saadut arvot käsitellään ja sovelletaan siten, että valmistajat pystyvät käyttämään niitä. Lisäksi tutustutaan turbiinin laskentaan ja mitoitetaan Kaplan-turbiini työssä käytettyyn pienvesivoimalaan.

Projeto estrutural do cubo do rotor de uma turbina hidraúlica tipo Kaplan

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

Erosion-fatigue of steam turbine blades

The premature failure of steam turbine rotor blades, manufactured in forged 12% Cr-NiMoV martensitic stainless steel, was investigated using visual inspection non-destructive testing, macro and microfractography, microstructural characterization, EDS microanalysis, chemical analysis, micro hardness and tensile testing. The blades belonged to the last stage of a thermoelectric plant steam turbine generator (140 MV A). The results indicated that the failure of the blades was promoted by foreign-particle erosion, which attacked preferentially the low-pressure side of the lower trailing edge of the blades. The resulting wear grooves acted as stress raisers and promoted the nucleation of fatigue cracks, which probably grew during the transition events of the steam turbine operation. Finally, water drop erosion was observed on the blade upper leading edge (low-pressure side). (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Wells turbine: fiberglass flanges

A introdução desta tese começa por realizar um enquadramento do projecto em mão, apresentando a central de energia das ondas em que se encontram os componentes em fibra de vidro a projectar. Esta central usa o princípio de variação de coluna de água, e encontra-se localizada na ilha do Pico, Açores. São de seguida apresentados os objectivos deste trabalho, que consistem na selecção de materiais de fabrico dos componentes, desenvolvimento de uma metodologia para projectar juntas aparafusadas em materiais compósitos, dimensionamento e comparação de duas juntas concorrentes em materiais compósitos: junta solicitada à tracção e junta solicitada ao corte, validação da análise e estudo das causas dos vários tipos de falha destas juntas. A parte I deste trabalho é o resultado da pesquisa bibliográfica efectuada para levar a cabo os objectivos definidos. Assim, começa por se fazer uma descrição dos materiais e processos de fabrico que mais se adequam ao presente projecto, nomeadamente fibra de vidro, resinas, tecidos, impregnação manual, RTM e infusão por vácuo. Daqui resultou que os materiais mais adequados para esta aplicação são fibra de vidro do tipo E e resina polyester devido ao seu baixo custo e larga utilização em aplicações estruturais marinhas. O processo de fabrico mais eficiente é a infusão por vácuo devido á sua vocação para pequenas séries de produção, a poupança que permite em termos de mão-de-obra, a complacência com normas de emissão de voláteis e as boas propriedades das partes produzidas. No capítulo II da parte I são discutidos os tópicos relacionados com juntas em materiais compósitos. Da pesquisa levada a cabo conclui-se que as grandes vantagens das juntas aparafusadas são a sua facilidade de montagem e desmontagem, facilidade de inspecção e capacidade de ligar quaisquer tipos de materiais. Quanto à furação de compósitos é importante referir a necessidade de utilizar ferramentas resistentes e parâmetros de maquinação que minimizem o dano infligido aos laminados. Isto é possível através da selecção de ferramentas com passos baixos que reduzam igualmente a dimensão do seu centro estático responsável pela força axial exercida sobre o laminado - principal factor causador de dano. Devem-se igualmente utilizar baixas velocidades de avanço e elevadas velocidades de rotação. É importante salientar a importância da realização de pré-furação, de utilização de um prato de suporte na superfície de saída do laminado e a existência de ferramentas especialmente concebidas para a furação de compósitos. Para detectar e quantificar o dano existente num furo destacam-se os métodos de inspecção ultrasónica e a radiografia. Quanto aos parâmetros que influenciaram o comportamento de juntas aparafusadas destacam-se os rácios largura/diâmetro, distância ao bordo/diâmetro, espessura/diâmetro, pré-tensão, fricção, sequência de empilhamento e respectivas proporções, dimensão das anilhas e folga entre o parafuso e o furo. A pesquisa efectuada visando metodologias de projecto fiáveis ditou a necessidade de utilizar métodos que permitiram determinar o parafuso mais carregado de uma junta, efectuar o cálculo de tensões no mesmo, e ainda métodos que permitam determinar a primeira falha que ocorre no laminado bem como a falha final no mesmo. O capítulo III da primeira parte descreve os métodos de análise de tensões necessários para as metodologias de projecto utilizadas. Aqui é apresentada a teoria clássica da laminação, um método para determinação do parafuso mais carregado, um método analítico baseado na teoria da elasticidade anisotrópica de um corpo e o método dos elementos finitos. O método para determinar o parafuso mais carregado - análise global - consiste num modelo bidimensional de elementos finitos em que 2 laminados coincidentes são modelados com elementos lineares de casca com 4 nós, sendo a extremidade de um laminado restringida em todos os graus de liberdade e a extremidade oposta do segundo laminado carregada com a carga pretendida. Os laminados são ligados através de elementos mola que simulam os parafusos, sendo a sua constante de rigidez previamente calculada para este fim. O método analítico modela o contacto assumindo uma distribuição de pressão cosinoidal ao longo de metade do furo, e é válido para laminados simétricos e quasi-isotrópicos. O método dos elementos finitos é o que mais factores permite ter em conta, sendo os modelos tridimensionais com um elemento por camada os que melhor modelam o estado de tensões experienciado por uma junta aparafusada em materiais compósitos. O tópico de análise de falha é abordado no capítulo 4 da primeira parte. Aqui são apresentados os resultados do world wide failure exercice que compara vários critérios de falha existentes até 2004, fazendo-se referência a desenvolvimentos recentes que têm ocorrido nesta área. O critério de Puck surge como aquele que permite previsões de falha mais exactas. O critério de falha de Hashin 3D foi o escolhido para o presente trabalho, devido à sua facilidade de implementação num modelo de elementos finitos, à sua capacidade para detectar modos de falha subcríticos e à sua utilização em trabalhos anteriores que apresentaram previsões de falha muito próximas dos dados experimentais. Também neste capítulo se apresentaram os vários tipos de falha de uma junta aparafusada em materiais compósitos, apresentando as causas de cada uma. Por fim, na última secção, apresenta-se o método de dano progressivo que se desenvolveu para prever a primeira falha final do laminado. Este é muito interessante tendo permitido previsões de falha muito próximas dos resultados experimentais em trabalhos anteriores. Este método é iterativo e encontra-se dividido em 3 passos: Análise de tensões, análise de falha utilizando o critério de Hashin 3D e degradação de propriedades, de acordo com o tipo de falha detectada. Para além dos passos referidos, existe ainda um quarto responsável pelo fim da análise que consiste na aferição da existência ou não de falha final e respectivo tipo de falha (por pressão de contacto, por tensão ou por esforços de corte). No capítulo V da primeira parte é apresentado o resultado de uma pesquisa das normas de teste necessárias para obter as propriedades dos materiais requeridas para a aplicação dos métodos descritos neste trabalho. A parte II deste trabalho consiste na aplicação dos métodos apresentados na parte I ao caso concreto em estudo. Os softwares Microsoft Excel, Matlab e ANSYS foram utilizados para este fim. A junta começa por ser dimensionada estimando a espessura necessária do componente e o número e características dos parafusos. De seguida foi feita uma análise global à flange em estudo determinando a força suportada pelo parafuso mais carregado. Após esta análise desenvolveu-se um modelo tridimensional de elementos finitos da zona em que se encontra o parafuso mais carregado, utilizando elementos sólidos lineares e isoparamétricos de 8 nós e uma malha gerada pelo método directo. Aplicou-se a este modelo o algoritmo de dano progressivo descrito na primeira parte. Começou por se incluir explicitamente o parafuso, anilhas, pré-tensão e a modelação dos vários contactos com fricção posteriormente simplificado o modelo restringindo radialmente os nós da porção carregada do furo, excluindo os factores mencionados inicialmente. Procurou-se validar o modelo utilizando o método de cálculo de tensões descrito na primeira parte, desenvolvendo um programa em Matlab para o efeito. Tal não foi possível tendo-se incluído a tentativa realizada em anexo. Para efeitos de dimensionamento, desenvolveu-se um modelo de elementos finitos de duas dimensões da junta em causa, utilizando elementos de casca lineares de quatro nós isoparamétricos com uma espessura unitária. Através da análise de tensões efectuada com este modelo, e utilizando um método combinado programado em linguagem paramétrica, foi possível dimensionar as duas juntas concorrentes pretendidas. Este método combinado consistiu no cálculo de tensões em pontos localizados sobre uma curva característica e utilização de um critério de falha quadrático para cálculo da espessura necessária para a junta. O dimensionamento ditou que a junta solicitada à tensão necessita de pelo menos 127% das camadas e do custo de uma junta solicitada ao corte equivalente.

Comparative study of power converter topologies and control strategies for the harmonic performance of variable-speed wind turbine generator systems

Power converters play a vital role in the integration of wind power into the electrical grid. Variable-speed wind turbine generator systems have a considerable interest of application for grid connection at constant frequency. In this paper, comprehensive simulation studies are carried out with three power converter topologies: matrix, two-level and multilevel. A fractional-order control strategy is studied for the variable-speed operation of wind turbine generator systems. The studies are in order to compare power converter topologies and control strategies. The studies reveal that the multilevel converter and the proposed fractional-order control strategy enable an improvement in the power quality, in comparison with the other power converters using a classical integer-order control strategy. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Fuzzy, integer and fractional-order control: Application on a wind turbine benchmark model

This paper presents a comparison between proportional integral control approaches for variable speed wind turbines. Integer and fractional-order controllers are designed using linearized wind turbine model whilst fuzzy controller also takes into account system nonlinearities. These controllers operate in the full load region and the main objective is to extract maximum power from the wind turbine while ensuring the performance and reliability required to be integrated into an electric grid. The main contribution focuses on the use of fractional-order proportional integral (FOPI) controller which benefits from the introduction of one more tuning parameter, the integral fractional-order, taking advantage over integer order proportional integral (PI) controller. A comparison between proposed control approaches for the variable speed wind turbines is presented using a wind turbine benchmark model in the Matlab/Simulink environment. Results show that FOPI has improved system performance when compared with classical PI and fuzzy PI controller outperforms the integer and fractional-order control due to its capability to deal with system nonlinearities and uncertainties. © 2014 IEEE.

Fractional order control on a wind turbine benchmark

This paper is about a hierarchical structure with an event-based supervisor in a higher level and a fractional-order proportional integral (FOPI) in a lower level applied to a wind turbine. The event-based supervisor analyzes the operation conditions to determine the state of the wind turbine. This controller operate in the full load region and the main objective is to capture maximum power generation while ensuring the performance and reliability required for a wind turbine to be integrated into an electric grid. The main contribution focus on the use of fractional-order proportional integral controller which benefits from the introduction of one more tuning parameter, the integral fractional-order, taking advantage over integer order proportional integral (PI) controller. Comparisons between fractional-order pitch control and a default proportional integral pitch controller applied to a wind turbine benchmark are given and simulation results by Matlab/Simulink are shown in order to prove the effectiveness of the proposed approach.

Fractional order control on a wind turbine benchmark

This paper is about a hierarchical structure with an event-based supervisor in a higher level and a fractional-order proportional integral (FOPI) in a lower level applied to a wind turbine. The event-based supervisor analyzes the operation conditions to determine the state of the wind turbine. This controller operate in the full load region and the main objective is to capture maximum power generation while ensuring the performance and reliability required for a wind turbine to be integrated into an electric grid. The main contribution focus on the use of fractional-order proportional integral controller which benefits from the introduction of one more tuning parameter, the integral fractional-order, taking advantage over integer order proportional integral (PI) controller. Comparisons between fractional-order pitch control and a default proportional integral pitch controller applied to a wind turbine benchmark are given and simulation results by Matlab/Simulink are shown in order to prove the effectiveness of the proposed approach.

Fuzzy, integer and fractional-order control: application on a wind turbine benchmark model

This paper presents a comparison between proportional integral control approaches for variable speed wind turbines. Integer and fractional-order controllers are designed using linearized wind turbine model whilst fuzzy controller also takes into account system nonlinearities. These controllers operate in the full load region and the main objective is to extract maximum power from the wind turbine while ensuring the performance and reliability required to be integrated into an electric grid. The main contribution focuses on the use of fractional-order proportional integral (FOPI) controller which benefits from the introduction of one more tuning parameter, the integral fractional-order, taking advantage over integer order proportional integral (PI) controller. A comparison between proposed control approaches for the variable speed wind turbines is presented using a wind turbine benchmark model in the Matlab/Simulink environment. Results show that FOPI has improved system performance when compared with classical PI and fuzzy PI controller outperforms the integer and fractional-order control due to its capability to deal with system nonlinearities and uncertainties. © 2014 IEEE.

Offshore wind turbine simulation: multibody drive train. Bacl-to-back NPC (Neutral Point Clamped) converters: Fractional-order control

This paper is on offshore wind energy conversion systems installed on the deep water and equipped with back-to-back neutral point clamped full-power converter, permanent magnet synchronous generator with an AC link. The model for the drive train is a five-mass model which incorporates the dynamic of the structure and the tower in order to emulate the effect of the moving surface. A three-level converter and a four-level converter are the two options with a fractional-order control strategy considered to equip the conversion system. Simulation studies are carried out to assess the quality of the energy injected into the electric grid. Finally, conclusions are presented. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

On a self-start Darrieus wind turbine: blade design and field tests

This paper is about a design of an urban area Darrieus VAWT, having self-start ability due to an innovative profile design named EN0005, avoiding the need of extra components or external electricity feed-in. An approach is presented to study the ability of a blade profile to offer self-start ability. Methodologies applied for the blade body and for profile development are reported. Field tests and main conclusions are presented to persuade for the arrangement of this design. (C) 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Supervisory control of a variable speed wind turbine with doubly fed induction generator

This paper is on an onshore variable speed wind turbine with doubly fed induction generator and under supervisory control. The control architecture is equipped with an event-based supervisor for the supervision level and fuzzy proportional integral or discrete adaptive linear quadratic as proposed controllers for the execution level. The supervisory control assesses the operational state of the variable speed wind turbine and sends the state to the execution level. Controllers operation are in the full load region to extract energy at full power from the wind while ensuring safety conditions required to inject the energy into the electric grid. A comparison between the simulations of the proposed controllers with the inclusion of the supervisory control on the variable speed wind turbine benchmark model is presented to assess advantages of these controls. (C) 2015 The Authors. Published by Elsevier Ltd. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

Dynamic stiffness of the piled foundation of a onshore wind turbine

One of today's biggest concerns is the increase of energetic needs, especially in the developed countries. Among various clean energies, wind energy is one of the technologies that assume greater importance on the sustainable development of humanity. Despite wind turbines had been developed and studied over the years, there are phenomena that haven't been yet fully understood. This work studies the soil-structure interaction that occurs on a wind turbine's foundation composed by a group of piles that is under dynamic loads caused by wind. This problem assumes special importance when the foundation is implemented on locations where safety criteria are very demanding, like the case of a foundation mounted on a dike. To the phenomenon of interaction between two piles and the soil between them it's given the name of pile-soil-pile interaction. It is known that such behavior is frequency dependent, and therefore, on this work evaluation of relevant frequencies for the intended analysis is held. During the development of this thesis, two methods were selected in order to assess pile-soil-pile interaction, being one of analytical nature and the other of numerical origin. The analytical solution was recently developed and its called Generalized pile-soil-pile theory, while for the numerical method the commercial nite element software PLAXIS 3D was used. A study of applicability of the numerical method is also done comparing the given solution by the nite element methods with a rigorous solution widely accepted by the majority of the authors.