Como fonte de energia renovável de resposta rápida, a energia hidrelétrica geralmente desempenha o papel de regulação de pico e de frequência na rede elétrica, o que significa que as unidades hidrelétricas frequentemente precisam operar em condições que se desviam das condições de projeto. A análise de um grande número de dados de testes apontou que, quando a turbina opera em condições não projetadas, especialmente sob condições de carga parcial, ocorre uma forte pulsação de pressão no tubo de sucção da turbina. A baixa frequência dessa pulsação de pressão afeta negativamente a operação estável da turbina e a segurança da unidade e da oficina. Portanto, a pulsação de pressão no tubo de sucção tem sido objeto de grande preocupação por parte da indústria e da academia.
Desde que o problema da pulsação de pressão no tubo de sucção de uma turbina foi proposto pela primeira vez em 1940, sua causa tem sido objeto de estudo e discussão por muitos pesquisadores. Atualmente, acredita-se que a pulsação de pressão no tubo de sucção, sob condições de carga parcial, seja causada pelo movimento de vórtices espirais em seu interior. A presença desses vórtices torna a distribuição de pressão na seção transversal do tubo de sucção irregular e, com a rotação da faixa de vórtices, o campo de pressão assimétrico também gira, causando variações periódicas de pressão ao longo do tempo, formando a pulsação. O vórtice helicoidal é causado pelo fluxo rotacional na entrada do tubo de sucção sob condições de carga parcial (ou seja, quando há uma componente tangencial da velocidade). O Departamento de Reclamação dos Estados Unidos (Bureau of Reclamation) conduziu um estudo experimental sobre a rotação no tubo de sucção, analisando a forma e o comportamento dos vórtices em diferentes graus de rotação. Os resultados mostram que somente quando o grau de rotação atinge um determinado nível, a faixa de vórtices espirais aparece no tubo de sucção. O vórtice helicoidal surge em condições de carga parcial, portanto, somente quando a vazão relativa (Q/Qd, onde Qd é a vazão de projeto) da turbina estiver entre 0,5 e 0,85, ocorrerá uma pulsação de pressão severa no tubo de sucção. A frequência da principal componente da pulsação de pressão induzida pela faixa de vórtices é relativamente baixa, equivalente a 0,2 a 0,4 vezes a frequência de rotação do rotor, e quanto menor o valor de Q/Qd, maior a frequência da pulsação de pressão. Além disso, quando ocorre cavitação, as bolhas de ar geradas no vórtice aumentam seu tamanho, intensificando a pulsação de pressão e alterando também sua frequência.
Em condições de carga parcial, a pulsação de pressão no tubo de sucção pode representar uma grande ameaça à operação estável e segura da unidade hidrelétrica. Para suprimir essa pulsação de pressão, muitas ideias e métodos foram propostos, como a instalação de aletas na parede do tubo de sucção e a ventilação para dentro do tubo de sucção, que são duas medidas eficazes. Nishi et al. utilizaram métodos experimentais e numéricos para estudar o efeito das aletas na pulsação de pressão do tubo de sucção, incluindo os efeitos de diferentes tipos de aletas, os efeitos do número de aletas e suas posições de instalação. Os resultados mostram que a instalação de aletas pode reduzir significativamente a excentricidade do vórtice e reduzir a pulsação de pressão. Dmitry et al. também descobriram que a instalação de aletas pode reduzir a amplitude da pulsação de pressão em 30% a 40%. A ventilação do orifício central do eixo principal para o tubo de sucção também é um método eficaz para suprimir a pulsação de pressão. Além disso, Nishi et al. Também tentaram ventilar o tubo de sucção através de pequenos orifícios na superfície da aleta e descobriram que esse método pode suprimir a pulsação de pressão e que a quantidade de ar necessária é muito pequena quando a aleta não está funcionando.
Data da publicação: 09/08/2022
