UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ - UNIOESTECENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS - CECE

Curso de Engenharia Mecânica - EM

DADOS DO ALUNONome: Jeremy Gustavo RauberTelefone: (45) - 99406485 E-mail: jeremy_rauber@live.com

DADOS DO ORIENTADORNome: Filipe Diniz Dal Moro BorgesTelefone: E-mail: flpdiniz@itaipu.gov.br

DADOS DO CO-ORIENTADOR (se houver)Nome:Telefone: E-mail:

PROPOSTA DE TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO - TCCOBJETIVOS

Este trabalho tem como objetivo geral realizar a análise e a determinação de transientes hidráulicos no conduto forçado da unidade geradora da usina hidrelétrica de Itaipu, utilizando o método das características para resolução das equações diferenciais.

Específicos: Compreender o fenômeno transiente hidráulico envolvendo suas causas e efeitos. Analisar a relevância dos transientes em projetos hidráulicos. Estudar de métodos numéricos para resolução de equações diferenciais. Modelar matematicamente o fenômeno através do método das características. Resolver numericamente, as equações características com auxilio do software MATLAB®. Determinar os transientes hidráulicos existentes no conduto forçado das unidades geradoras da

usina hidrelétrica de Itaipu, avaliando as variações pressão devido às mudanças nos parâmetros operacionais, e compará-los aos dados fornecidos pelo fabricante.

Revisitar a memória de cálculo deste órgão, atualizando-o com diversas situações imprevistas durante a fase de projeto.

OBJETIVOS

Geral: Este trabalho tem como objetivo realizar a análise e a determinação de transientes hidráulicos no conduto forçado da unidade geradora da usina hidrelétrica de Itaipu, utilizando o método das características para resolução das equações diferenciais.

Específicos: Compreender o fenômeno transiente hidráulico envolvendo suas causas e efeitos. Analisar a relevância dos transientes em projetos hidráulicos. Estudar de métodos numéricos para resolução de equações diferenciais. Modelar matematicamente o fenômeno através do método das características. Resolver numericamente as equações características com auxilio do software MATLAB®. Determinar os transientes hidráulicos existentes no conduto forçado das unidades geradoras da

usina hidrelétrica de Itaipu, avaliando as variações de sobrepresões e subpressões devido às mudanças nos parâmetros operacionais, e compará-los aos dados fornecidos pelo fabricante.Revisitar a memória de cálculo deste órgão, atualizando-o com diversas situações imprevistas durante a fase de projeto.

Centro de Engenharias e Ciências Exatas – Bloco B5 – Espaço 2 – Sala 01Parque Tecnológico Itaipu - Av. Tancredo Neves, 6731 - CEP 85856-970 – Foz do Iguaçu – PRPR.

JUSTIFICATIVA

As alterações nas condições de escoamento podem ser caracterizadas pela variação de velocidade e de pressão no fluido ao longo do tempo, sendo estas descritas como transiente hidráulico. Este fenômeno apresenta alta complexidade e suma importância para projetos de sistemas de condução de fluidos sob pressão, tais como linhas de adução de água potável, óleo, sistemas de refrigeração e bombeamento em usinas hidrelétricas.

As variações causadas por alguma perturbação, voluntária ou involuntária, que se impõe ao fluxo de líquidos no interior de condutos, alteram o regime permanente presente antes da perturbação e que dará origem a um regime não permanente transitório que, posteriormente, passará novamente para o estado permanente. Tais variações são causadas por operações de abertura ou fechamento de válvulas, mudança na vazão de turbinas hidráulicas, ou rejeição de carga, falhas mecânicas de dispositivos de proteção ou controle e parada de bombas causadas por interrupção da energia elétrica fornecida ao motor.

As súbitas variações de pressão que ocorrem durante o transitório hidráulico acarretam sérios danos estruturais à tubulação e seus equipamentos caso estes não tenham sido dimensionados para suportar tais sobrecargas, comprometendo a funcionalidade e a segurança do sistema. Os efeitos danosos estão registrados na literatura base do assunto, e estes vão desde a fadiga estrutural, em decorrência das solicitações periódicas de alta frequência, implosão da tubulação devida à diminuição da pressão, rotação reversa da bomba com risco de queima do motor elétrico, risco de grave acidente por rompimento do rotor de turbinas hidráulicas, até o rompimento da tubulação por pressão superior a resistência mecânica do material.

Os fenômenos transitórios são conhecidos desde o início do século XX, porém, somente nas ultimas décadas, com o avanço da informática e o aumento do poder de processamento matemático, as equações diferenciais puderam ser resolvidas numericamente com uma melhor precisão dos resultados. Hoje em dia, esta análise de transientes hidráulicos com a utilização de métodos computacionais é indispensável para o bom dimensionamento de sistemas hidráulicos sob os pontos de vista de segurança e econômico.

A usina hidrelétrica Itaipu binacional é uma peça chave na matriz energética Brasileira e Paraguaia, conta com 20 unidades geradoras que ao todo possuem uma potência instalada de 14 mil MW. Produz de mais 20% da energia elétrica consumia no Brasil e aproximadamente 95% de toda a energia elétrica do Paraguai. Dada à suma importância para ambos os países, sua construção foi extremamente minuciosa. O conduto forçado da usina de Itaipu foi construído utilizando um material de aço brasileiro SAR-50 com resistência mínima de escoamento e ruptura de 330 e 500 Mpa respectivamente, para que suportasse as variações de pressão devido ás mudanças operativas, a fim de evitar os danos nocivos causados pelos transientes hidráulicos, além de diâmetro interno de 10,5 metros comportando uma vazão de água de 690m³/s.

Tratando-se particularmente do sistema de condução de água dos geradores é notório que houve considerações para atenuar os efeitos dos transientes hidráulicos, tal como a construção de um duto de aeração, vide figura 1 (tomada de ar). Porém esta análise foi extremamente limitada pela tecnologia computacional da época, que não foi capaz de prever todas as condições as quais o conduto poderia ser submetido. Contudo não se faz necessário realizar novos estudos sobre os transientes hidráulicos com a finalidade de mudança técnicas para garantir ou verificar a segurança das instalações.

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Figura 1 – Desenho do duto de aeração

Por outro lado, existem ainda contribuições de caráter exclusivamente informativo, envolvendo pesquisa bibliográfica, aprofundamento de conhecimento técnico e elaboração de relatórios que agregam enorme experiência profissional ao currículo; e também de caráter essencialmente inovador, através da geração de documentos ainda não existentes e do emprego de metodologias de estudo atualizadas para este órgão projetado na década de 80.JUSTIFICATIVA

As alterações nas condições de escoamento podem ser caracterizadas pela variação de velocidade e de pressão no fluido ao longo do tempo, sendo estas caracterizadas como transiente hidráulico. Este fenômeno apresenta alta complexidade e suma importância para projetos de sistemas de condução de fluidos sob pressão, tais como linhas de adução de água potável, óleo, sistemas de refrigeração e bombeamento em usinas hidrelétricas.

As variações causadas por alguma perturbação, voluntária ou involuntária, que se impõe ao fluxo de líquidos no interior de condutos, alteram o regime permanente presente antes da perturbação e que dará origem a um regime não permanente transitório que, posteriormente, passará novamente para o estado permanente. Tais variações são causadas por operações de abertura ou fechamento de válvulas, mudança na vazão de turbinas hidráulicas, ou rejeição de carga, falhas mecânicas de dispositivos de proteção ou controle e parada de bombas causadas por interrupção da energia elétrica fornecida ao motor.

As súbitas variações de pressão que ocorrem durante o transitório hidráulico acarretam sérios danos estruturais à tubulação e seus equipamentos caso estes não tenham sido dimensionados para suportar tais sobrecargas, comprometendo a funcionalidade e a segurança do sistema. Os efeitos danosos estão registrados na literatura base do assunto, e estes vão desde a fadiga estrutural, em decorrência das solicitações periódicas de alta frequência, implosão da tubulação devida à diminuição da pressão, rotação reversa da bomba com risco de queima do motor elétrico, risco de grave acidente por rompimento do rotor de turbinas hidráulicas, até o rompimento da tubulação por pressão superior a resistência mecânica do material.

Os fenômenos transitórios são conhecidos desde o início do século XX, porém, somente nas

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ultimas décadas, com o avanço da informática e o aumento do poder de processamento matemático, as equações diferenciais puderam ser resolvidas numericamente com uma melhor precisão dos resultados. Hoje em dia, esta análise de transientes hidráulicos com a utilização de métodos computacionais é indispensável para o bom dimensionamento de sistemas hidráulicos sob os pontos de vista de segurança e econômico.

Itaipu binacional, uma peça chave na matriz energética Brasileira e Paraguaia, com 20 unidades geradoras que possuem 14 mil MW de potência instalada. É produtora de mais 20% da energia elétrica consumia no Brasil e 95% de toda a energia elétrica do Paraguai. Dada à suma importância para ambos os países, sua construção foi extremamente minuciosa. Tratando-se particularmente do sistema de condução de água dos geradores é notório que houveram considerações sobre os efeitos dos transientes hidráulicos, vide figura 1, porém esta análise foi extremamente limitada pela tecnologia computacional da época.

Algumas informações pertinentes sobre o conduto forçado de Itaipu, material, aço brasileiro SAR-50 com resistência mínima de escoamento e ruptura de 330 e 500 Mpa respectivamente, possui diâmetro interno de 10,5 metros, a vazão de água que atravessa o conduto é de 660m³/s, sob uma pressão de

Durante a concepção do conduto forçado das unidades geradoras houve preocupação para que estes suportassem as variações de pressão devido às mudanças operativas, a fim de evitar os danos nocivos causados pelos transientes hidráulicos. Deste modo não se faz necessário à realização novos estudos sobre os transientes hidráulicos com a finalidade de mudança técnicas para garantir ou verificar a segurança das instalações.

Por outro lado, existem ainda contribuições de caráter exclusivamente informativo, envolvendo pesquisa bibliográfica, aprofundamento de conhecimento técnico e elaboração de relatórios que agregam enorme experiência profissional ao currículo; e também de caráter essencialmente inovador, através da geração de documentos ainda não existentes e do emprego de metodologias de estudo atualizadas para este órgão projetado na década de 80.

Figura 1 – Desenho técnico do sistema de condução forçada de água.ATIVIDADES

1. Elaboração da proposta de TCC2. Revisão bibliográfica acerca do tema de estudo;

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3. Estudo dos fenômenos físicos que tangem o transiente hidráulico;4. Estudo de resolução de EDO pelo método das características;5. Levantamento do estado da arte sobre o assunto;6. Estudo de caso do conduto forçado de ITAIPU;7. Realização de simulações numéricas;8. Conclusão do TCC;9. Elaboração de artigo científico;10. Elaboração dos slides da defesa do TCC;11. Defesa TCC.

CRONOGRAMA:Atividades Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov

1. Elaborar Proposta¹ X X2. Revisão Bibliográfica X X X X X3. Estudo de transientes hidráulicos X X X4. Estudo dos métodos das

característicasX X X

5. Levantamento do estado da arte X X X6. Estudo de caso ITAIPU X X X7. Simulações numéricas X XX8. Elaborar artigo X X X X9. Conclusão TCC X X X10. Entrega do TCC³ X[11.] Elaboração de slides X X11.[12.] Defesa do TCC4 X

Datas limites:1 - 01/04/2013 2 - 17/07/2013 3 - 13/10/2013 4 - 05/11/2013

__________________________JEREMY GUSTAVO RAUBER

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PARA USO DO DOCENTE ORIENTADOR DE TCC - UNIOESTE

Nome Docente Orientador: Filipe Diniz Dal Moro Borges

Parecer sobre a Proposta de TCC: ( )Aprovo ( )Não Aprovo

Data: Assinatura:

PARA USO DA COORDENADORIA DE TCC - UNIOESTE

Aprovação da Proposta de TCC pelo Colegiado da Eng. Mecânica – Ata nº_____, de / / 2012.

Coordenador de TCC: Prof.ª Nora Díaz Mora

Data: Assinatura:

1ª via - Orientador; 2ª via - Formando; 3ª via - Coordenador de TCC.

Professora Nora Díaz MoraCoordenador de TCC do Curso de Engenharia Mecânica da Unioeste

Fones (45) 3576-7127 e-mail: nora.mora@unioeste.br

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