Simulação Numérica da Resposta Vibracional de Turbinas Francis com Dano Geométrico Progressivo nas Pás.

Contexto e motivação As turbinas hidráulicas do tipo Francis são a tecnologia dominante na geração de energia em usinas hidrelétricas de médio e grande porte no Brasil, país que sustenta um dos maiores parques hidrelétricos do mundo. Na Região Norte, essa dependência é ainda mais pronunciada, tendo em vista a proximidade com os grandes eixos hidrológicos da bacia Amazônica e a existência de empreendimentos como a Usina Hidrelétrica de Belo Monte e Tucuruí. A operação confiável dessas máquinas ao longo de décadas depende, de forma crítica, da integridade das pás da turbina, o componente rotativo responsável pela conversão da energia cinética e potencial da água em trabalho mecânico. Um dos principais mecanismos de degradação dessas pás é a erosão progressiva, decorrente de cavitação, de sedimentos sólidos em suspensão nos rios da região ou da ação sinérgica de ambos. A cavitação ocorre quando a pressão local do escoamento cai abaixo da pressão de vapor da água, formando bolhas de vapor que colapsam violentamente ao reencontrar regiões de pressão mais alta, impactando a superfície metálica com pressões da ordem de centenas de megapascais. Repetidos ao longo de milhares de horas de operação, esses impactos produzem deformação plástica acumulada, formação de pits superficiais (pitting), perda progressiva de espessura e, nos casos mais avançados, remoção significativa de material nas bordas de ataque e nas faces de sucção das pás. O que torna esse processo especialmente relevante do ponto de vista da engenharia de manutenção é sua natureza silenciosa e gradual: a degradação se instala sem interrupção da operação e sem sintomas óbvios até que o dano já seja expressivo. Sistemas de monitoramento de condição baseados em vibração são a resposta tecnológica consolidada a esse desafio. Acelerômetros instalados em posições fixas e externas à máquina, como a tampa superior, o pedestal do mancal-guia ou a carcaça espiral, registram continuamente as acelerações estruturais durante a operação normal, sem acesso ao rotor rotativo e sem necessidade de parada. A premissa física é que o dano geométrico das pás altera o escoamento interno, modifica as forças hidrodinâmicas sobre a estrutura e, consequentemente, deixa rastros identificáveis no espectro vibracional captado externamente: deslocamento de frequências naturais, surgimento de novos harmônicos, alteração de amplitudes em bandas específicas. Apesar de amplamente praticado na indústria, esse monitoramento ainda carece de fundamentação numérica rigorosa no que diz respeito à correlação física entre o estágio de dano geométrico das pás e a assinatura vibracional detectada em sensores externos. Os sistemas de alarme existentes baseiam-se majoritariamente em limiares empíricos, ajustados por experiência operacional, sem um modelo que explique quantitativamente por que e como determinada métrica vibracional muda quando o dano avança de um estágio para o seguinte. O problema científico e a lacuna identificada A literatura de interação fluido-estrutura (FSI) em turbinas Francis está bem consolidada para geometrias íntegras. Trabalhos como os de Liang et al. (2007) e Rodriguez et al. (2006) estabeleceram procedimentos de referência para análise modal de componentes submersos, quantificando o efeito de massa adicionada pelo fluido. Este é o fenômeno pelo qual a presença da água em torno do equipamento reduz suas frequências naturais de 10% a 48% em relação ao caso em ar, dependendo do modo de vibração. Müller et al. (2014) demonstraram a eficácia da abordagem FSI one-way - na qual o campo de pressão calculado pelo CFD é transferido como carregamento para o modelo de elementos finitos (FEM), sem realimentação da deformação estrutural sobre o escoamento - para análise de fadiga em turbinas Francis de usinas reais. O que ainda é escasso, conforme revisões recentes da literatura, é a aplicação sistemática dessas abordagens a geometrias progressivamente desgastadas, com o objetivo explícito de correlacionar o estágio de dano com a assinatura vibracional observada em sensores externos. Essa é precisamente a fronteira que o presente projeto começa a explorar, em escala e complexidade compatíveis com o nível de iniciação científica. Proposta e objetivos O projeto propõe a construção e documentação de um modelo numérico integrado no ANSYS que permita simular, passo a passo, a resposta vibracional de uma turbina Francis para diferentes estágios de degradação geométrica das pás. O pipeline metodológico segue quatro etapas encadeadas: (1) modelo FEM do equipamento submerso com efeito de massa adicionada validado contra dados da literatura; (2) definição paramétrica dos estágios de dano geométrico com base em padrões de erosão documentados; (3) análise FSI one-way por estágio, com transferência do campo de pressão do ANSYS CFX para o ANSYS Mechanical como carregamento estrutural; e (4) extração e análise das séries temporais de aceleração em pontos equivalentes às posições de acelerômetros na máquina real. O objetivo geral é construir e documentar esse modelo integrado, avaliando como o dano progressivo altera os sinais de aceleração captados externamente. Os objetivos específicos incluem: validar o modelo FEM do UGH-01 de Tucuruí submerso em água, confrontando frequências naturais simuladas com dados experimentais publicados; definir ao menos dois estágios de dano, geometria intacta e pitting localizado na borda de ataque; realizar a análise FSI one-way para cada estágio; extrair séries temporais de aceleração em três posições de sensor (tampa superior, mancal-guia e carcaça espiral); e analisar a evolução das métricas vibracionais entre os estágios, RMS por banda de frequência, variação de frequências naturais, amplitude nas frequências de passagem de pás (BPF) e seus harmônicos, e fator de crista.