Avaliação de desempenho e erosão por cavitação e sedimentos em turbinas axiais através de simulação numérica

Este trabalho apresenta uma avaliação do desempenho e dos efeitos de erosão por cavitação e sedimentos em uma turbina hidráulica axial de ultra-baixa queda, utilizando técnicas de simulação numérica. O estudo fundamenta-se em dados de projeto e resultados experimentais disponibilizados por Souza (1988), que serviram como referência para a construção do modelo computacional e para a validação das análises. Inicialmente, desenvolveu-se o domínio fluido da turbina com base na geometria dos perfis do rotor e das diretrizes, obtidos a partir de coordenadas planas e posteriormente convertidos em coordenadas cilíndricas. A geração de malha foi realizada no software ANSYS TurboGrid, obedecendo a critérios de qualidade estabelecidos e submetida a estudo de independência de malha, para boa representação do modelo computacional. As condições de contorno foram definidas conforme o regime de escoamento em circuito fechado, com controle de vazão e pressão por válvula borboleta e comporta, além da inserção de modelos multifásicos para representar a cavitação e a interação partícula-fluido. O fenômeno de cavitação foi descrito pelo modelo de Rayleigh-Plesset, enquanto a erosão por partículas de areia, com diferentes diâmetros, foi avaliada por meio do modelo de Finnie. Os resultados demonstraram boa concordância entre as curvas características obtidas numericamente e os dados experimentais, validando o modelo proposto do campo de escoamento. Observou-se ainda que a cavitação se concentra no extradorso das pás do rotor, enquanto a erosão por partículas afeta principalmente o intradorso e a região da carcaça. Conclui-se que turbinas de ultra-baixa queda devem ser projetadas para operar fora das zonas cavitantes e, em ambientes com alta concentração de sedimentos, recomenda-se o uso de materiais resistentes à abrasão e o ajuste de condições de operação para mitigar a degradação.