COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXV SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS SALVADOR, 12 A 15 DE OUTUBRO DE 2003

1

T91– A23

IMPLANTAÇÃO DO DISPOSITIVO ANTI-VÓRTICE NO VERTEDOR DA USINA HIDRELÉTRICA ILHA SOLTEIRA PARA ELIMINAR A SUA

CAVITAÇÃO

Winston Hisasi Kanashiro Giorgio Brighetti

José Carlos de Melo Bernardino

FUNDAÇÃO CENTRO TECNOLÓGICO DE HIDRÁULICA – FCTH

Júlio César Pínfari

Edvaldo Fabio Carneiro

COMPANHIA ENERGÉTICA DE SÃO PAULO – CESP

RESUMO Na década de 70, a Usina Hidrelétrica de Ilha Solteira apresentou problemas de erosões por cavitação na superfície do vertedor, em decorrência da formação de vórtices do tipo ferradura que geravam zonas de baixa pressão em torno dos blocos defletores instalados no perfil vertente. Para tentar resolver este problema, a CESP – Companhia Energética de São Paulo realizou vários reparos nas regiões erodidas na tentativa de conter os efeitos da cavitação, mas sem obter sucesso. Dessa forma, a CESP contratou a FCTH – Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica para realizar estudos em modelo reduzido com o objetivo de verificar a viabilidade da implantação de aeradores para mitigar os efeitos da cavitação. Durante estes estudos, a FCTH idealizou uma solução alternativa ao uso de aeradores, que seria a implantação de um dispositivo anti-vórtice junto a cada bloco defletor de modo a eliminar o vórtice ferradura. Cada uma das alternativas foi implantada em um vão da barragem para testes e, após dez anos de operação, constatou-se que ambas apresentaram bom desempenho, impedindo a erosão na superfície do vertedor. A CESP optou pelo dispositivo anti-vórtice tanto pela facilidade de execução como pelos custos envolvidos, e contratou a FCTH para realizar ensaios adicionais para a sua otimização.

2

O dispositivo foi implementado no ano de 2002 e, para gerar acréscimos nos conhecimentos, a CESP implantou algumas células medidoras de pressão no vão 1 do vertedor em pontos homólogos aos do modelo. Neste trabalho apresentam-se os principais resultados obtidos nos estudos em modelo reduzido e a metodologia adotada na implantação do dispositivo no vertedor da UHE Ilha Solteira. ABSTRACT In the 70´s, erosions were observed in the surface of the spans of the spillway of Ilha Solteira Hydroelectric Power Plant. These erosions were caused by cavitation, due to the formation of horseshoe type vortex around the deflector blocks existent in the apron. CESP – Companhia Energética de São Paulo made several types of repairs in the eroded areas to mitigate the cavitation effects, but these efforts were unsuccessful. Therefore, CESP hired FCTH - Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica to accomplish spillway aeration studies in physical models. During these studies, FCTH idealized an alternative method to combat the cavitation through the elimination of horseshoe vortex using an anti-vortex device. Both alternatives were tested. After 10 years of operation, they both presented satisfactory results preventing the erosions on the spillway. CESP opted for the anti-vortex device due o the implementation easiness and involved costs. So CESP hired FCTH to accomplish additional studies to optimize the device. The anti-vortex device was built in 2002. CESP implanted pressure gauge cells to compare the prototype results with the results of the model. This paper shows the results obtained from the model and prototype studies including the procedures adopted for the implantation of the anti-vortex device on the spillway of Ilha Solteira Hydroelectric Power Plant. 1 - INTRODUÇÃO A Usina Hidrelétrica Ilha Solteira fica localizada na bacia do rio Paraná, a noroeste do Estado de São Paulo na divisa com o Estado do Mato Grosso do Sul, possuindo potência total instalada de 3.444 MW, com 20 turbinas do tipo Francis e um reservatório de 1.195 km2. Esta usina é uma das seis em operação que pertencem à CESP - Companhia Energética de São Paulo, que é uma empresa geradora de energia elétrica, cujo controlador majoritário é o Governo do Estado de São Paulo. A Figura 1 mostra a localização das usinas em operação pertencentes a CESP, com destaque para a de Ilha Solteira.

3

FIGURA 1 – Localização geográfica da Usina de Ilha Solteira.

A Usina Hidrelétrica de Ilha Solteira entrou em operação na década de 70, sendo a maior em potência instalada da CESP e compondo juntamente com a UHE Eng. Souza Dias, o sexto maior complexo hidrelétrico do mundo. Os órgãos de descarga da Usina, são constituídos de 19 vertedores de superfície, controlados por comportas de segmentos, com largura de 20m. No perfil vertente foi concebido em projeto um bloco defletor para cada um dos vãos, com a finalidade de diminuir a extensão da bacia de dissipação, conforme ilustra a Figura 2

FIGURA 2 – Vertedor da UHE Ilha Solteira.

4

A colocação dos blocos defletores possibilitou a redução do comprimento da bacia de dissipação de cerca de 160m para 60m, entretanto, durante os anos de operação do vertedor, foram observadas pelas equipes de manutenção civil e segurança de barragens, erosões na superfície do concreto, em volta desses blocos. Estudos em modelo reduzido mostraram que a formação das erosões na superfície do concreto foi originada devido à formação de vórtices (tipo ferradura) em torno dos blocos defletores, o que gera regiões de baixa pressão onde ocorre intensamente o fenômeno da cavitação. Para a eliminação das erosões, vários tipos de reparos foram executados pela CESP, tais como utilização de concreto de alto desempenho, revestimento da superfície com chapas de aço inoxidável e argamassas epoxídicas, porém sem sucesso. Em 1985, a CESP contratou a Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica - FCTH, para caracterizar o fenômeno e realizar estudos de aeração do escoamento pelo vertedor, visando eliminar os efeitos de cavitação. Foram construídos nas dependências da FCTH dois modelos bidimensionais, um na escala 1:50 e outro na escala 1:20, representando dois vãos do vertedor, sendo um vão inteiro e dois meios-vãos adjacentes, com a finalidade de caracterizar o fenômeno e otimizar o sistema aerador. O modelo na escala 1:20 é apresentado na Figura 3.

FIGURA 3 – Modelo reduzido de UHE Ilha Solteira na escala 1:20.

Em 1989, a equipe técnica envolvida da FCTH, idealizou uma solução alternativa ao uso de aeradores, que seria a implantação de um dispositivo

5

anti-vórtice, cujo objetivo é combater a cavitação através da eliminação do vórtice ferradura. Em 1991, foram concluídos os estudos da aeração e do comportamento do dispositivo anti-vórtice, sendo que o aerador foi implantado para testes nos vãos 11 e 12 e o dispositivo no vão 10. Após 10 anos de operação do vertedor, verificou-se que ambas as alternativas apresentaram desempenho semelhante, não sendo observado o fenômeno da cavitação ao longo do perfil vertente. Entretanto, foi observada a formação de erosões por cavitação no concreto das faces laterais do dispositivo anti-vórtice, causadas por vórtices laterais formados a partir de descolamento do fluxo d’água nessas faces. No ano de 2001, a CESP decidiu realizar reparos no vertedor e, nessa oportunidade também implantar uma das soluções apresentadas para eliminação da cavitação. Com base nos resultados apresentados pelas duas soluções estudadas, a CESP decidiu pela instalação do dispositivo anti-vórtice em todos os vãos do vertedor, face às facilidades e menor custo de implantação e contratou a FCTH para otimizar o dispositivo anti-vórtice. Durante o ano de 2002, a FCTH concluiu os estudos para otimização da geometria do dispositivo, visando a eliminação da cavitação existente nas faces laterais do mesmo. A CESP dando continuidade aos trabalhos de restauração do vertedor, detalhou a alternativa otimizada do dispositivo e contratou uma empresa de engenharia para a sua implantação no vertedor da UHE Ilha Solteira. Os trabalhos foram realizados entre os meses de julho e dezembro de 2002. 2 - DESCRIÇÃO DO DISPOSITIVO ANTI-VÓRTICE Conforme estudos anteriormente desenvolvidos, o processo cavitante observado no vertedor de superfície da UHE de Ilha Solteira tem origem na formação de um “vórtice ferradura”, que produz uma queda das pressões em seu núcleo e a conseqüente formação de cavidades no interior da massa fluida, as quais, transportadas para as regiões de pressão mais elevada, implodem e provocam os danos na superfície do vertedor. O vórtice ferradura se forma a montante de um obstáculo submerso em torno do qual se processa um escoamento fluido, apresentando um caráter tridimensional. Este tipo de vórtice ocorre, por exemplo, nos pilares de pontes e em blocos de queda de bacias de dissipação. A Figura 4 apresenta, a nível teórico, uma esquematização do vórtice ferradura.

6

FIGURA 4 – Esquema geral do vórtice ferradura.

A formação do vórtice ferradura está ligada à ocorrência de um descolamento da camada limite, que por sua vez, é função da existência de um gradiente de pressões positivo no sentido do escoamento. Este gradiente de pressões positivo pode ser provocado por um obstáculo, no caso em questão, pelo bloco defletor. O núcleo de qualquer vórtice é uma região de baixas pressões, pois as partículas tendem a ser expelidas por efeito das forças centrífugas. Ocorrendo pressões da ordem da pressão de vapor da água, formam-se cavidades que, ao atingir regiões de pressão elevada, implodem e podem provocar danos por cavitação, se as implosões ocorrerem próximas da fronteira sólida. O vórtice tipo ferradura pode ser eliminado preenchendo-se o espaço em que ele se forma e desse modo, elimina-se, de forma preventiva, o processo cavitante. 3 - INSPEÇÃO NO PROTÓTIPO Durante a operação da Usina, foram realizadas várias inspeções, que mostraram o fenômeno de cavitação em torno dos blocos, conforme mostrado na Figura 5.

FIGURA 5 – Aspecto da região cavitada.

7

A Figura 6 apresenta o vão protegido pelo dispositivo anti-vórtice, mostrando que a cavitação no perfil foi eliminada, mostrando também a sua lateral cavitada.

FIGURA 6 – Dispositivo anti-vórtice original, mostrando que não houve danos

por cavitação no perfil vertente. A Figura 7 apresenta o vão protegido por aerador e mostra que não houve danos devidos à cavitação.

FIGURA 7 – Vão protegido por aerador.

4 - ESTUDOS EM MODELO REDUZIDO - RESULTADOS OBTIDOS Os ensaios consistiram em medições de pressões médias e instantâneas na região de interesse, para cada uma das alternativas ensaiadas e são apresentados os valores de pressões mínimas. Todos os ensaios foram realizados para as condições hidráulicas descritas na Tabela 1 e as medições foram efetuadas por meio de transdutores.

8

TABELA 1 - Condições hidráulicas dos ensaios realizados. Ensaio Q NA

montante Abertura das Comportas

(m3/s) (m) (m) E3 9.000 328,00 3 E5 14.500 328,00 5 E7 19.700 328,00 7 E9 24.500 328,00 9 E19 38.500 329,30 Total

4.1 - DIAGNÓSTICO DA SITUAÇÃO ATUAL Estes ensaios tiveram por finalidade levantar as causas das cavitações observadas nas laterais do dispositivo, bem como de apresentar, de forma comparativa, as pressões com e sem o uso do dispositivo anti-vórtice no perfil vertente. A cavitação ocorre quando as pressões mínimas atingem a pressão de vapor de água, igual a –10 mH2O. Foram efetuadas medições de pressões nos pontos C20, C26 e PI, indicados na Figura 8 e nos pontos T0, T1, T5, T6 e T7, apresentados na Figura 9 Os resultados das medições de pressões no perfil são apresentados na Tabela 2 e no dispositivo, na Tabela 3. Os valores são resultantes da extrapolações diretas para o protótipo dos resultados obtidos no modelo. Desta forma, valores abaixo de –10 mH2O não possuem significado físico e diferentes valores apresentados entre os ensaios devem ser entendidos como potenciais de ocorrência de cavitação, isto é, quanto menor o valor da pressão, maior a solicitação da estrutura pela cavitação.

FIGURA 8 - Posicionamento das tomadas de pressão no perfil vertente - vista

frontal.

9

TABELA 2 - Pressões mínimas - com (A1) e sem (A0) o dispositivo anti-vórtice.

E3 E5 E7 E9 E19 A0 PC -2,66 -16,60 -15,41 -8,72 -7,80 A1 PC 2,81 2,47 1,59 1,83 4,20 A0 PG -7,08 -16,92 -20,65 -12,40 -10,60 A1 PG 1,98 3,59 1,95 -0,07 3,00 A0 C26 -11,06 -33,52 -24,05 -9,77 -2,60 A1 C26 3,44 2,93 2,42 3,25 4,40

A tabela mostra que as pressões sem o dispositivo anti-vórtice (A0) justificam as erosões por cavitação observada no vertedor e que, o uso do dispositivo anti-vórtice (A1) eleva as pressões, confirmando a eliminação do vórtice tipo ferradura e justificando a não observação de danos no vertedor no vão protegido por este dispositivo.

FIGURA 9 – Pontos de medições de pressão no dispositivo anti-vórtice (vista

lateral do dispositivo).

TABELA 3 – Pressões mínimas no dispositivo anti-vórtice. Ensaio Q Abertura NAm P (mH2O (m3/s) (m) (m) T0 T1 T5 T6 T7 E03 9.000 3,0 328,00 -16,7 -5,4 -9,4 -10,3 -3,5 E05 14.500 5,0 328,00 -17,0 -1,2 -4,4 -9,3 -3,5 E07 19.700 7,0 328,00 -11,7 -0,3 -4,8 -5,7 -3,7 E09 24.500 9,0 328,00 -9,2 -0,8 -3,8 -6,5 -3,9 E19 38.500 Total 329,30 -9,5 -4,3 -9,2 -5,1 Obs.: Q = vazão; Abetura = abertura das comportas; NAm = nível d'água de montante; P = pressão. Os resultados apresentados na Tabela 3 justificam a cavitação observada nas faces laterais do dispositivo anti vórtice. 4.2 - ALTERNATIVA ESCOLHIDA Foram testadas diversas alternativas para a eliminação da cavitação no dispositivo anti-vórtice e a que apresentou os melhores resultados foi a Alternativa 6-2.

10

Esta alternativa é apresentada na Figura 10 e na Figura 11.

FIGURA 10 – Alternativa 6-2.

y

x

3,443 m

2,365 mL10

b = 3,90 m

a = 2,70m

ELIPSE:

(ARCO DE ELIPSE)

BLOCO DEFLETOR

DISPOSITIVO ANTI-VÓRTICE

PA

RA

ME

NT

O

FIGURA 11 – Vista lateral da alternativa 6-2.

Os resultados das medições de pressões instantâneas são apresentados na Tabela 4 a seguir.

TABELA 4 - Pressões mínimas para a alternativa 6-2. Ensaio Vazão C26 PG PI L10 (m3/s) (mH2O

) (mH2O)

(mH2O)

(mH2O)

E3 9000 1,37 1,66 0,42 1,49 E5 14500 -0,95 -1,73 -1,03 4,30 E7 19700 -1,20 -1,22 -0,73 4,03 E9 24500 -0,22 -1,86 -0,98 2,15 E19 38500 -1,37 1,81 0,27 4,79

Estes resultados mostram estas duas alternativas apresentam desempenho semelhante, não sendo observados valores capazes de provocar cavitação nos pontos em que foram medidas as pressões.

11

5 - IMPLANTAÇÃO DOS DISPOSITIVOS ANTI-VÓRTICE E REPAROS NO VERTEDOR

As manutenções das instalações de geração na Companhia Energética de São Paulo são executadas de acordo com um programa anual. Este é préviamente discutido e elaborado até outubro do ano anterior a sua execução e neste programa, são relacionados os principais serviços de manutenção das instalações, viabilizando os recursos financeiros para a sua execução. Com base no procedimento acima descrito, o programa de manutenção civil da CESP para o ano de 2002, preve a partir do mês de abril, término do periodo chuvoso na região Sudeste do Estado de São Paulo, a execução dos dispositivos antivórtice e reparos no perfil vertente. O custo estimado para a execução dos serviços é de US$169.000,00, com prazo de conclusão em 05 meses, em função das dificuldade de implantação da montagem da infraestrutura. Foram implantadas no vertedor da UHE Ilha Solteira o dispositivo anti-vórtice em todos os vãos, exceto nos vãos 11 e 12, onde estão implantados os aeradores. Foram instaladas também transdutores de pressão em pontos correspondentes às tomadas de pressão C26 e L10 no vão 1, com a finalidade de realizar comparações entre os valores obtidos em ensaios de modelo reduzido e no protótipo, visando adquirir dados para enriquecer os conhecimentos da comunidade. A implantação do dispositivo foi realizada concomitantemente aos reparos dos danos causados pela cavitação nos entornos dos blocos defletores. Para realizar os reparos na parte situada acima do nível d’água foram instalados andaimes e flutuadores para servir de plataforma de trabalho, conforme mostrado na Figura 12.

FIGURA 12 – Andaimes e plataforma de trabalho apoiados sobre flutuadores.

As cavidades abertas pela cavitação foram limpadas e picotadas, e a superfície tratada para proporcionar aderência adequada entre o concreto existente e o do reparo.

12

Foram realizadas também substituições das juntas tipo “Fugenband” existentes entre os blocos de concretagem do vertedor, situadas na região contemplada pelos reparos, além da reposição de eventuais ferragens que ficaram expostas pela erosão do concreto. A erosão por cavitação prosseguiu abaixo do nível d’água conforme indicado na Figura 13.

FIGURA 13 – Erosão na superfície do perfil do vertedor.

A preparação da superfície a ser concretada na parte submersa foi realizada por mergulhadores utilizando equipamentos pneumáticos . O concreto utilizado na construção do dispositivo anti-vórtice e nos reparos da superfície do vertedor foi do tipo concreto de alto desempenho, com fck = 30 MPa. Foram utilizadas fôrmas metálicas executadas na oficina de manutenção da UHE Ilha Solteira. O seu formato é apresentado na Figura 14.

FIGURA 14 – Fôrma metálica do dispositivo anti-vórtice.

O formato final do dispositivo implantado é apresentado na Figura 15, visto da parte superior.

13

FIGURA 15 – Dispositivo anti-vórtice visto da parte superior.

6 - INSTRUMENTAÇÃO Foram instalados no vão 1, transdutores de pressão nos pontos correspondentes às tomadas C26, PG, PI e L10. Os transdutores foram fabricados pelo laboratório de instrumentação da CESP situado na UHE Ilha Solteira e tem por finalidade realizar medições de pressões instantâneas por ocasião do vertimento. Posteriormente, os resultados serão comparados com os valores obtidos nos ensaios realizados no modelo. O transdutor foi contruído segundo o princípio de "Ponte de Wheatstone". Os resultados de medições no protótipo, aliados aos obtidos no modelo, enriquecem de forma significativa o acervo técnico da comunidade especializada, pelo fato de serem bastante raros estes tipos de mredições, mesmo considerando a nível internacional. 7 - CONSIDERAÇÕES FINAIS A utilização de aeradores mostra-se eficaz no combate à cavitação, sendo amplamente utilizados para esta finalidade, o que foi confirmado nos testes realizados no vertedor da Usina Ilha Solteira. Na busca de inovações tecnológicas, concebemos e estudamos o dispositivo anti-vórtice, que também provou ser eficaz no combate a cavitações provocadas por vórtices do tipo ferradura, em regiões próximas ao bloco defletor. A concepção em projeto dos blocos defletores no vertedor da Usina de Ilha Solteira, proporcionou a redução do comprimento da bacia de 160m para 60m, resultando em considerável redução de custo construtivo, porém, a ocorrência

14

de cavitação, pode ter limitado o seu emprego em casos semelhantes, apesar de que os efeitos da cavitação não colocam em risco a segurança da estrutura. Com base nos resultados do comportamento do dispositivo anti-vórtice, podemos afirmar que, independentemente da peculiaridade do vertedor, blocos defletores devem ser considerados no projeto, permitindo redução no comprimento das bacias de dissipação, pois os problemas com a cavitação podem ser eliminados com dispositivos de simples execução e que o dispositivo anti-vórtice representa um ganho tecnológico nas estruturas hidráulicas. Estão programadas campanhas de medições de pressões no vertedor da UHE Ilha Solteira através dos transdutores de pressão instalados e deverão fornecer dados que aliados aos obtidos nos ensaios relizados no modelo reduzido, deverão enriquecer de forma significativa os conhecimentos do fenômeno. 8 - BIBLIOGRAFIA 1. BORSARI, R.D., KANASHIRO, W.H. e MACHADO, C.F.S., Cavitation

phenomenon analysis on surface spillway of Ilha Solteira Hydroeletric Power Plant, The International Symposium on the Hydraulics for High Dams, Beijing, China, 1988.

2. KANASHIRO, W.H., BORSARI, R.D., SOUZA, P.A., RODRIGUES, L.J.P., et alii, A eliminação do vórtice tipo ferradura como forma de combater a cavitação no vertedor de superfície da UHE Ilha Solteira, XV CONGRESSO LATINOAMERICANO DE HIDRAULICA, Cartagena, Colômbia, 1992

3. KANASHIRO, W.H., PÍNFARI, J.C., BRIGHETTI, G., et alli, Eliminação da cavitação no vertedouro da UHE Ilha Solteira, XX CONGRESSO LATINOAMERICANO DE HIDRÁULICA, Havana, Cuba, 2002.

4. LEITE, P. A. C. R. A, OLIVEIRA R. J. P., JUNIOR A. W., Erosões causadas

por cavitação na região dos dentes dissipadores de energia no vertedouro de superfície da UHE Ilha Solteira, CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - IBRACON, FORTALEZA 1990.

5. SCHLICHTING, H., Three-Dimensional Boundary Layer Flow, 9o Congresso do IAHR, Belgrado, 1961.

6. SCHLICHTING, H., Boundary Layer Theory. Traduzido por J. Kestin. 2a.

ed., Nova York, McGraw-Hill, 1979, 817p.