Marco Antonio Rios. TE-033 Centrais Elétricas. Vertedouros

Transcrição

1 Marco Antonio Rios TE-033 Centrais Elétricas Vertedouros

2 Referência Capítulo 7.3 Dissipação de energia Capitulo 7.4 Cavitação

3 Agenda 1. Dissipação de energia 1. Duas formas de dissipadores de energia 2. Considerações para o projeto 3. Dissipadores em salto esqui 1. Erosão de maciço rochoso 4. Dissipadores em ressalto hidráulico 5. Avaliação das dimensões da fossa de erosão 2. Cavitação 1. Conceituação e parâmetros característicos 3. Conclusão 4. Referência

4 Dissipação de energia

5 Duas formas de dissipadores de energia 1. Aqueles nos quais a dissipação da energia (ou parte) se dá na própria estrutura de concreto do vertedouro, por meio do ressalto hidráulico.

6 Duas formas de dissipadores de energia Aqueles nos quais a dissipação se dá por meio de um jato no ar e no maciço rochoso a jusante (ou no próprio leito do rio ou no canal de restituição). Projeto de usinas hidrelétricas passo a passo, 7 Vertedouros Geraldo Magela Pereira,

7 Considerações para o projeto Topografia, geologia do local da barragem e tipo de barragem; Arranjo geral das obras: vertedouro incorporado ao barramento ou isolado; Parâmetros hidráulicos envolvidos: queda, vazão e curvachave; Comparações econômicas entre os diferentes tipos de dissipador. Frequência de operação e facilidades de manutenção do vertedouro; Riscos associados de danos e rupturas;

8 Considerações para o projeto O importante é evitar que as erosões ameacem a estabilidade das obras hidráulicas, como a barragem e o próprio vertedouro. Cabe observar que a solução em salto de esqui compacto proporciona grande economia nas obras civis. No caso de Tucuruí, significou uma economia de US$ 100 milhões.

9 Dissipadores em salto esqui Nos saltos de esqui, a energia cinética do escoamento é aproveitada para lançamento do jato à distância, de forma que a dissipação se verifique longe do vertedouro e das demais estruturas do barramento. A energia é dissipada basicamente em três fases: Na fase aérea do jato, pela resistência do ar, o que diminui o seu alcance; Na fase submersa (quando existe tirante a jusante), no processo de difusão do jato, atenuando o seu poder erosivo; No maciço rochoso, após o impacto.

10 Erosão de maciço rochoso Usina de Jaguara Projeto de usinas hidrelétricas passo a passo, 7 Vertedouros Geraldo Magela Pereira,

11 Erosão de maciço rochoso Usina de Jaguara Projeto de usinas hidrelétricas passo a passo, 7 Vertedouros Geraldo Magela Pereira,

12 Erosão de maciço rochoso Barragem de Kariba (Fronteira entre Zâmbia e Zimbabwe) Projeto de usinas hidrelétricas passo a passo, 7 Vertedouros Geraldo Magela Pereira,

13 Erosão de maciço rochoso Barragem de Kariba (Fronteira entre Zâmbia e Zimbabwe) Projeto de usinas hidrelétricas passo a passo, 7 Vertedouros Geraldo Magela Pereira,

14 Erosão do maciço rochoso UHE Tarbela: Em maciços heterogêneos e/ou de baixa resistência, a erosão lateral pode se desenvolver rápida e assimetricamente, e evoluir na direção de muros ou do pé da barragem. UHE Água vermelha: O vertedouro foi projetado para uma vazão de m3/s. Em 1980, com a vazão vertente de m3/s, as correntes de retorno provocaram o início de um processo erosivo do talude de jusante. Em dois dias, foram removidos m3 de blocos de basalto do talude.

15 Dissipadores em ressalto hidráulico Ressalto Hidráulico é o fenômeno que ocorre na transição de um escoamento torrencial ou supercrítico para um escoamento fluvial ou subcrítico. O escoamento é caracterizado por uma elevação brusca no nível d água, sobre uma distância curta, acompanhada de uma instabilidade na superfície com ondulações e entrada de ar do ambiente e por uma consequente perda de energia em forma de grande turbulência.

16 Dissipadores em ressalto hidráulico Na análise, são consideradas as seguintes: 1. o canal é retangular, com lados paralelos, e a laje de fundo é horizontal; 2. todas as perdas por atrito são desprezadas; 3. assume-se que o ressalto acontece instantaneamente; 4. existe um escoamento ordenado a montante e a jusante do ressalto

17 Dissipadores em ressalto hidráulico Projeto de usinas hidrelétricas passo a passo, 7 Vertedouros Geraldo Magela Pereira, Variação pressão hidrostática: Variação Momento: ϒ peso específico da água [N/m3 ]

18 Dissipadores em ressalto hidráulico De acordo com a segunda lei de Newton, a variação da pressão hidrostática é igual à variação do momento. Igualando ΔP = ΔM, tem-se: Para canais regulares, e após alguma manipulação, encontrase a equação clássica que é função do fator cinético do escoamento, número de Froude ( ):

19 Dissipadores em ressalto hidráulico Em função de F1, existem quatro formas diferentes de ressalto hidráulico, e todas essas formas são encontradas na prática. 1: Ressalto Ondulatório 1,0 < Fr1 < 1,7 - Neste caso, aparecerá pequenas ondulações na superfície da água, com aumento pequeno na profundidade a jusante e perda de energia praticamente nula.

20 Dissipadores em ressalto hidráulico Ressalto fraco ou estágio de pre-ressalto - 1,7 < Fr1 < 2,5 - Começa a aparecer o movimento de rolamento de parte da água, sendo que a energia dissipada ainda á pequena sendo da ordem de 5% para Fr = 1,7 e 18% para Fr = 2,5. Projeto de usinas hidrelétricas passo a passo, 7 Vertedouros Geraldo Magela Pereira,

21 Dissipadores em ressalto hidráulico Ressalto Oscilante ou estágio de transição 2,5 < Fr1 < 4,5 - É caracterizado por regiões de instabilidade do escoamento em alta velocidade no ressalto. Estas instabilidades produzem ondas de superfícies que viajam até distâncias consideráveis a jusante. Quando ocorre este tipo de ressalto deve-se tomar cuidado no projeto para se colocar dispositivos com a finalidade de destruir estas ondas. A perda de energia é da ordem de 45% em F1 = 4,5. Projeto de usinas hidrelétricas passo a passo, 7 Vertedouros Geraldo Magela Pereira,

22 Dissipadores em ressalto hidráulico Ressalto estável, intervalo de jatos bem balanceados 4,5 < Fr1 < 9,0 - Neste caso o ressalto é bem estabelecido, com o movimento de rolamento estável, e com grande dissipação de energia. A perda de energia varia de 45% em Fr = 4,5 até 70% em Fr = 9. Este ressalto é menos sensível a pequenas variações de profundidade que ocorram no escoamento.

23 Dissipadores em ressalto hidráulico Ressalto forte Fr1 > 9,0 - Neste tipo de ressalto, a superfície da água fica bastante movimentada e com pequenas ondulações, a altura do ressalto é bastante grande e a energia dissipada é superior a 70% Projeto de usinas hidrelétricas passo a passo, 7 Vertedouros Geraldo Magela Pereira,

24 Dissipadores em ressalto hidráulico Alguns tipos de ressaltos obtidos em uma calha em laboratório

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26 Dissipadores em ressalto hidráulico Podem ocorrer ainda erosões não desejadas devido à: Conhecimento incompleto da curva-chave, principalmente para vazões altas; A operação parcial do vertedouro, fazendo com que, para determinada concentração de energia, não se disponha de níveis a jusante capazes de contrabalançá-la e manter o ressalto dentro da bacia.

27 Avaliação das dimensões da fossa de erosão A previsão da extensão da fossa que irá se formar a jusante devido à incidência de jatos ainda é bastante imprecisa, em face do grande número de fatores que intervêm no fenômeno, quais sejam: a forma do jato incidente; a energia do jato ou, em outros termos, o desnível existente; a vazão específica; o grau de aeração do jato; a altura do tirante (colchão) de água a jusante; a matriz rochosa do leito do rio e o seu grau de homogeneidade; o grau de alteração e diaclasamento da rocha e a eventual existência de falhas geológicas; a frequência de operação do vertedouro; a frequência de operações assimétricas de comportas.

28 Avaliação das dimensões da fossa de erosão Estudo em desenvolvimento, equação utilizada atualmente:

29 CAVITAÇÃO

30 Conceituação e parâmetros característicos A cavitação é um fenômeno dinâmico que consiste na formação e no colapso subsequente de bolhas de vapor, em um líquido em escoamento. A formação das bolhas se dá em regiões em que, por qualquer circunstância, a pressão local desce abaixo da pressão de vapor da água. O súbito colapso das bolhas dá origem à criação de pressões localizadas muito elevadas, resultando em flutuações de pressão, vibrações e ruídos

31 Conceituação e parâmetros característicos Pressão varia com o quadrado da velocidade e o parâmetro característico da cavitação (σ) tem a expressão: p= pressão absoluta em um ponto do sistema, fora da zona de cavitação (m); pv = pressão de vapor no interior das bolhas de cavitação, que usualmente se toma igual à tensão do vapor de água à temperatura em que esta se encontra (m); V = velocidade do escoamento em um ponto de referência do escoamento (m/s); g = aceleração da gravidade (m/s2).

32 Conceituação e parâmetros característicos "O parâmetro crítico,, que caracteriza o início da cavitação em diversas estruturas hidráulicas para diferentes situações de funcionamento, é obtido experimentalmente em modelos reduzidos.

33 Especificações de medidas de proteção Especificações mais rigorosas para o acabamento dessas superfícies. Irregularidades abruptas nessas superfícies não são toleradas. Execução difícil e onerosa, uma vez que o tratamento das irregularidades é feito por esmerilhamento das superfícies. Nessas condições, e considerando-se ainda as dificuldades executivas de concretos especiais em grandes áreas, a aeração da veia líquida é a alternativa mais lógica.

34 Casos de cavitação em vertedouros Vertedouros onde ocorreram acidentes de cavitação. Barragem Shahid Abbaspour. O vertedouro da UHE Guri. Barragem Dworshak. Barragem Libby. Barragem Keban. Vertedouro de serviço da UHE Tarbela.

35 Casos de cavitação em vertedouros Barragem Shahid Abbaspour. A cavitação, atribuída a irregularidades na superfície de concreto, eliminou toda a laje da calha.

36 Casos de cavitação em vertedouros Barragem Shahid Abbaspour. A cavitação, atribuída a irregularidades na superfície de concreto, eliminou toda a laje da calha.

37 Casos de cavitação em vertedouros O vertedouro da UHE Guri. foi operado 9 meses por ano, com descargas de 10 m3/s a m3/s. No bordo de lançamento do jato (Δh = 120 m), a velocidade era da ordem de 47 m/s.

38 Conclusão O estudo de vertedouros é bastante complexo e ainda esta em desenvolvimento. É fundamental realizar o estudo de dissipação de energia para a manutenção e bom funcionamento da UHE.

39 Referência Projeto de usinas hidrelétricas passo a passo, 7 Vertedouros Geraldo Magela Pereira, 1ULICO.pdf