Marco Antonio Rios - Prof. Clodomiro Unsihuay Vila, Ph.D...

Marco Antonio RiosTE-033 Centrais Elétricas

Vertedouros

Referência

Capítulo 7.3 Dissipação de energiaCapitulo 7.4 Cavitação

Agenda

1. Dissipação de energia1. 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. Cavitação1. Conceituação e parâmetros característicos

3. Conclusão

4. Referência

Dissipação de energia

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.

http://einstein.atmos.colostate.edu/~mcnoldy/HydraulicJump.html

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,http://ebooks.ofitexto.com.br/epubreader/projeto-de-usinas-hidreltricas

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 curva-chave;

• Comparações econômicas entre os diferentes tipos de dissipador.

• Frequência de operação e facilidades de manutenção do vertedouro;

• Riscos associados de danos e rupturas;

Considerações para o projeto

• O importante é evitar que as erosões ameacem a estabilidadedas obras hidráulicas, como a barragem e o própriovertedouro.

• Cabe observar que a solução em salto de esqui compactoproporciona grande economia nas obras civis. No caso deTucuruí, significou uma economia de US$ 100 milhões.

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.

Erosão de maciço rochoso

• Usina de Jaguara


Erosão de maciço rochoso

• Barragem de Kariba (Fronteira entre Zâmbia e Zimbabwe)


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 20.000 m3/s. Em 1980, com a vazão vertente de 5.750 m3/s, as correntes de retorno provocaram o início de um processo erosivo do talude de jusante. Em dois dias, foram removidos 40.000 m3 de blocos de basalto do talude.

Dissipadores em ressalto hidráulico

Ressalto Hidráulico é o fenômeno que ocorre na transição de umescoamento torrencial ou supercrítico para um escoamentofluvial ou subcrítico. O escoamento é caracterizado por umaelevação brusca no nível d’água, sobre uma distância curta,acompanhada de uma instabilidade na superfície comondulações e entrada de ar do ambiente e por uma consequenteperda de energia em forma de grande turbulência.


Na análise, são consideradas as seguintes:

1. o canal é retangular, com lados paralelos, e a laje de fundo éhorizontal;

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 doressalto


Variação pressão hidrostática: Variação Momento:

ϒ– peso específico da água [N/m3 ]



• 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, encontra-se a equação clássica que é função do fator cinético do escoamento, número de Froude (��):


• 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.

http://www.feg.unesp.br/~mzanardi/EXP_RESSALTO_HIDR%C1ULICO.pdf


• 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.



• Ressalto Oscilante ou estágio de transição – 2,5 < Fr1 < 4,5 - Écaracterizado por regiões de instabilidade do escoamento emalta velocidade no ressalto. Estas instabilidades produzemondas de superfícies que viajam até distâncias consideráveis ajusante. Quando ocorre este tipo de ressalto deve-se tomarcuidado no projeto para se colocar dispositivos com afinalidade de destruir estas ondas. A perda de energia é daordem de 45% em F1 = 4,5.



• 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.


• 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%



Alguns tipos de ressaltos obtidos em uma calha em laboratório

http://www.feg.unesp.br/~mzanardi/EXP_RESSALTO_HIDR%C1ULICO.pdf


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.

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.

Avaliação das dimensões da fossa de erosão

• Estudo em desenvolvimento, equação utilizada atualmente:

CAVITAÇÃO

Conceituação e parâmetros característicos

• A cavitação é um fenômeno dinâmico que consiste naformação e no colapso subsequente de bolhas de vapor, emum líquido em escoamento. A formação das bolhas se dá emregiões em que, por qualquer circunstância, a pressão localdesce abaixo da pressão de vapor da água.

• O súbito colapso das bolhas dá origem à criação de pressõeslocalizadas muito elevadas, resultando em flutuações depressão, vibrações e ruídos


• 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).


• "O parâmetro crítico, ��, que caracteriza o início da cavitação em diversas estruturas hidráulicas para diferentes situações de funcionamento, é obtido experimentalmente em modelos reduzidos.

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.

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.


Barragem Shahid Abbaspour.

A cavitação, atribuída a irregularidades na superfície de concreto, eliminou toda a laje da calha.


O vertedouro da UHE Guri.

foi operado 9 meses por ano, com descargas de 10 m3/s a 14.000 m3/s. No bordo de lançamento do jato (Δh = 120 m), a velocidade era da ordem de 47 m/s.

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.

Referência

• Projeto de usinas hidrelétricas passo a passo, 7 Vertedouros| Geraldo Magela Pereira, http://ebooks.ofitexto.com.br/epubreader/projeto-de-usinas-hidreltricas

• http://www.feg.unesp.br/~mzanardi/EXP_RESSALTO_HIDR%C1ULICO.pdf

• https://repositorio-aberto.up.pt/bitstream/10216/62079/1/000149348.pdf

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