Dissertação

{pt_PT=Mechanical power of undershot water wheels: experimental and theoretical analysis} {} EVALUATED

{pt=A presente dissertação tem como objetivo a investigação da potência mecânica de rodas de água sub-axiais. É desenvolvida uma revisão bibliográfica em relação à história e caracterização das rodas de água, incluindo as rodas sub-axiais, axiais e sobre-axiais, assim como os avanços tecnológicos recentes. As vantagens e os principais desafios são enumerados e as rodas são comparadas com outras soluções para recuperação energética de pequena queda hidráulica. A instalação é composta por um canal retangular nivelado e com circuito de recirculação de água em pequena escala. A instalação está totalmente equipada com um caudalímetro ultrassónico, dois transdutores de pressão, um sensor de torque e um sensor de velocidade de rotação. São ensaiadas sete rodas de água, sendo que quatro são de pás planas (com 16, 24, 36 e 48 pás) e três são de 24 pás curvas com diferentes configurações, incluindo modificações na curvatura do fundo e no diâmetro interno da roda. É desenvolvido um modelo teórico para estimar a potência mecânica da roda sub-axial de pás planas, o qual é baseado no equilíbrio de momento angular das forças estáticas e dinâmicas aplicadas na roda. O modelo necessitou de dois valores de entrada importantes que são normalmente usados em casos de estudo: caudal e queda útil. Os resultados do modelo teórico são comparados com os resultados experimentais e com estudos de outros autores., en=This thesis aims to investigate the mechanical power generated by undershot water wheels through experimental and theoretical approaches. A comprehensive literature review explores the history and the three main types of water wheels (i.e. undershot, breastshot, and overshot) as well as the recent technological advances. An experimental facility composed of a small-scale water wheel installed in a horizontal flume, with a recirculating pipe system was specifically assembled for this research. The facility is fully equipped with instrumentation to measure hydraulic and mechanical parameters, including an ultrasonic flow meter, two pressure transducers, one torque sensor and one rotational speed sensor. Seven water wheels are tested, including four with plane blades (16, 24, 36, and 48 blades) and three with 24 curved blades in different configurations, including modifications on the flume bottom and on the diameter of the casing shroud. The performance curves of torque, power and efficiency are determined as a function of the rotational speed. The effect of each different configuration of the water wheel is discussed. A theoretical model to estimate the mechanical power of undershot water wheels with plane blades is developed, based on the balance of the angular momentum of static and dynamic forces applied to the water wheel. The model relies on two important input parameters: the flow rate and the total available head. The theoretical model results are compared with those obtained from experimental tests as well as with previous studies developed by other authors. The main uncertainties of this theoretical model were assessed.}
{pt=Rodas de água, energia hidroelétrica, testes experimentais, potência mecânica, modelo teórico., en=Water wheels, hydropower converter, experimental tests, mechanical power, theoretical model.}

julho 4, 2023, 11:0

Publicação

Obra sujeita a Direitos de Autor

Orientação

ORIENTADOR

Dídia Isabel Cameira Covas

Departamento de Engenharia Civil, Arquitectura e Georrecursos (DECivil)

Professor Catedrático