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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.3.2017.tde-20072017-160831
Document
Author
Full name
Alexandre Bueno
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2017
Supervisor
Committee
Tenório, Jorge Alberto Soares (President)
Gissoni, Humberto de Camargo
Ogata, Paulo Henrique
Title in Portuguese
Estudo do comportamento de materiais e efeitos de parâmetros de processo para aumento de vida útil de turbinas hidráulicas tipo Francis.
Keywords in Portuguese
Resistência dos materiais
Turbinas hidráulicas (Durabilidade)
Abstract in Portuguese
A seleção adequada dos materiais e do processo de fabricação de rotores hidráulicos de turbinas Francis continua entre os maiores desafios enfrentados pelas empresas do setor desde sua criação no final do século XIX. A garantia de operação dessas máquinas está diretamente ligada à confiabilidade dos materiais, projetos e dos processos de fabricação, além da rigorosa observação de procedimentos e normas. Para que se consiga assegurar que ao final do processo de fabricação os procedimentos tenham sido respeitados, inúmeros testes são necessários. Alguns destes testes, porém podem afetar as próprias diretrizes para a execução do projeto ou fabricação. Um exemplo é o ensaio de propagação de trincas em diferentes arames de fabricação tipo GMAW e FCAW, que foi realizado com materiais cuja energia de absorção de impacto variava entre 30 e 100 J. Os resultados mostraram que o trabalho de impacto do material influencia consideravelmente a tenacidade e a velocidade de crescimento de falhas, o que consequentemente leva à conclusão de que esta propriedade define a margem de segurança do material contra propagação de trincas em aplicações como a construção de rotores hidráulicos soldados. Materiais com valores superiores de energia de impacto registraram um melhor comportamento com relação à propagação de falhas sendo mais adequados em regiões de altos esforços cíclicos, como as conexões de rotores Francis (pás x cubo x coroa). O trabalho mostra ainda quais os meios metalúrgicos e químicos necessários para se atingir um material com energia de impacto superior, demonstrando que os efeitos da ductilidade do material são mais significativos do que a resistência mecânica à tração. O que põe em xeque os padrões de dimensionamento dos componentes puramente baseados na comparação de tensões estáticas com a propriedade de resistência do material em seus limites de escoamento e ruptura.
Title in English
Study of materials behavior and effects of process parameters to life cycle increase of Francis hydraulic turbines.
Keywords in English
Hydraulic turbines
Materials
Process
Abstract in English
The selection of materials and manufacturing process of hydraulic Francis Runners is one of the greatest challenges faced by sector companies since their establishment in the late 19th century. The guarantee of operation of these machines is directly linked to the reliability of the materials, designs and manufacturing processes, as well as the strict observation of procedures and standards. In order to ensure that procedures have been followed to at the end of the manufacturing process, numerous tests are required. Some of these tests, however, may affect some guidelines for project or manufacturing execution. An example is the crack propagation test on different types of manufacturing wires GMAW and FCAW, which were carried out with materials that energy of impact absorption varied from 30 to 100 J. The results showed that the impact work of the material influences considerably the tenacity and the crack growth rate, which consequently leads to the conclusion that this property defines the safety margin of the material against the cracks propagation in applications such as the construction by welding of hydraulic runners. Materials with higher values of impact energy showed a better behavior related to the failure propagation being more adequate in regions of high cyclic stresses such as the connections of Francis runners (blades x band x crown). The paper also shows the metallurgical and chemical requirements to obtain a material with higher impact energy, demonstrating that the effects of material ductility are more significant than the mechanical tensile strength. This fact challenges the current design standards of components based purely on the comparison of static tensions with the resistance property of the material at their resistance and rupture limits.
 
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Publishing Date
2017-07-21
 
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