GUIAS DE AR FABRICADAS EM FIBRA DE VIDRO

Indispensável valor agregado em hidro-geradores modernos


Em 1891, quando Charles E. L. Brown e Michael Dolivo-Dobrowolsky construíram o primeiro gerador trifásico da história da humanidade (Figura 1), não tinham ideia da sua importância no sistema de resfriamento do gerador.

Figura 1 – Gerador trifásico Oerlikon, construído em 1891 para a International Electro-Technical Exhibition de Frankfurt / Alemanha (foto-arquivo pessoal de Dr. J. Rocha).

Essa tecnologia, inspirada no trabalho de Nikola Tesla e lapidada por Dolivo-Dobrowolsky, na configuração de sistema trifásico, rapidamente alcançou projeção mundial.

Tudo indica que o ápice da sua maturidade tecnológica ocorreu somente 90 anos depois, no final da década de 1980, com a conclusão da Central Hidrelétrica de Grand Coulee (United States Bureau of Reclamation) dotada com 6 unidades, 3 de 805 MW – 85,7 rpm fabricadas pela General Electric e 3 de 690 MW – 72 rpm, fabricadas pela Westinghouse Electric Corporation [1] [2].

Embora a solução de enrolamento estatórico diretamente resfriado com água já fosse conhecida, o ponto alto desse salto tecnológico foi a opção por um sistema de resfriamento totalmente em circuito fechado de ar, com trocadores de calor ar-água para promover o seu resfriamento.

Ainda mais fascinante foi a opção de inovar a fabricação das guias de ar em “fiberglass” (compósito de matriz polimérica reforçada com fibra de vidro, popularmente conhecida como fibra de vidro). Na Figura 2, que ilustra a secção transversal do gerador de Grand Coulee fornecido pela Westinghouse[1], destacam-se as guias de ar superior e inferior com aproximadamente 19 metros de diâmetro.

Figura 2 – Secção transversal do gerador de 690 MW – 72 rpm fabricado pela Westinghouse
Electric Corporation, com destaque para as guias de ar superior e inferior fabricadas em fibra de vidro[1].
As guias de ar, até então tradicionalmente fabricadas em chapa metálica apresentavam limitações tanto construtivas como eletromagnéticas, dentre as quais podemos destacar:

  • A construção de uma guia de ar de 19 metros de diâmetro com uma tolerância inferior a 5 milímetros (tolerância de 0,03%) em chapa metálica por si só já representa um enorme desafio;
  • As soldas e reforços estruturais devem ser muito bem balanceados para se obter uma expansão térmica uniforme;
  • Tal desafio torna-se ainda maior quando a guia de ar tem que ser dividida em segmentos para limitar o seu peso e facilitar a sua manipulação durante o transporte e a montagem;
  • Ainda, por se tratarem de segmentos construídos em chapa metálica estrutural, os mesmos estão sujeitos aos efeitos de indução eletromagnética que, se não forem controlados adequadamente, provocam aquecimentos nocivos e expansões descontroladas indesejáveis e, por conseguinte, acarretam perdas permanentes de energia que comprometem o rendimento da máquina;
  • Vale ressaltar que muitas vezes o aquecimento excessivo das guias metálicas de ar tem promovido a deterioração da isolação das cabeças de bobinas, não sendo incomum a ocorrência de sinistros atribuídos a esta causa-raiz.

Neste contexto, a introdução da tecnologia em fibra de vidro trouxe as seguintes vantagens:

  • A construção de grandes diâmetros de guias de ar apresenta uma nova tecnologia que facilita a sua manufatura. Uma vez definido o número de segmentos em função do peso, a precisão de cada peça estará limitada à tolerância construtiva da matriz de prensagem e modelagem em que se promove a cura de cada peça;
  • As guias fabricadas em compósito, devido à sua flexibilidade arquitetônica permitem grande variedade de design, repetitividade dimensional, baixa termo-expansão, dentre outras vantagens, as quais são associadas a um menor investimento em ferramental, o que é um fator preponderante na composição do custo final do produto;
  • O uso de um molde (ferramental) uniformiza a geometria de todos os segmentos, o que permite obter com êxito as tolerâncias exigidas no projeto;
  • Como o peso específico da fibra de vidro é cerca de cinco vezes inferior ao da chapa metálica, podem ser fabricados segmentos maiores, possibilitando reduzir o número de componentes e peso do conjunto, condição essa que é muito favorável nos processos de manutenção do gerador;
  • Uma vez que as peças em fibra de vidro não apresentam cantos vivos, muito comuns em peças metálicas, a sua aplicação é muito bem aceita, pois diminui o risco de acidentes por elementos cortantes;
  • O ganho fundamental na utilização das guias de ar em fibra de vidro é devido à sua propriedade de ser inócua à ação da indução eletromagnética que, nas peças metálicas, causam aquecimento por circulação de correntes de Foucault;
  • Além disso, as guias de ar podem ser aproximadas das cabeças de bobina tanto quanto for necessário para um melhor direcionamento do ar de resfriamento. A Figura 3 ilustra um gerador com ventilação axial que demanda guias de ar customizadas, sujeitas a uma tolerância interna radial de altíssima precisão, pois o rendimento do ventilador axial depende em grande parte da distância radial entre a aleta do ventilador e a guia de ar (folga menor que 4 milímetros[4]).
Figura 3 – Guias de ar para aplicação em ventilação axial, com destaque na folga entre o guia de ar (vermelho) e a aleta do ventilador (amarelo) (fonte: divulgação Alstom®)

A confecção de guias de ar em fibra de vidro tem reduzido então as limitações conceituais apresentadas nas guias de ar com estrutura metálica, e a sua aplicação nos sistemas de resfriamento de máquinas rotativas converteu-se em uma realidade mundial.

Atualmente as guias de ar em fibra de vidro podem ser encontradas:

a. Nos maiores geradores da história, com estrutura simples e diâmetros superiores a 15 metros (Figura 4)

b. Em máquinas especiais em que a guia de ar tem uma finalidade essencial (Figura 5), nas quais participam de estudos avançados empregando CFD (Computational Fluid Dynamics) aplicado a grandes hidro-geradores[3].

Figura 4 – Secção transversal do gerador da 3ª maior central hidrelétrica da China, Xiang Jia Ba 889 MVA e guia de ar com 19 metros de diâmetro interno (fonte: divulgação Alstom®)

Figura 5 – Modelos numéricos destinados a estudos de CFD aplicados a grandes hidro geradores, destaque em verde para a importância das guia de ar[3].
Desde 1980, os profissionais da AEPI do Brasil, pioneira em tecnologia de fibra de vidro, têm desenvolvido tecnologia própria e domínio na fabricação de guias de ar segmentadas. Além de toda a linha de produção dos segmentos, possui uma área específica dedicada à pré-montagem dos segmentos e verificação da circularidade construtiva exigida no projeto de seus clientes.

Dentre os seus principais fornecimentos podem ser mencionados:

Referências bibliográficas

[1] Horn, F. J. & Johrde, P. S. – Electrical and Mechanical Design Features of the 615 MVA Generators for Grand Coulee Dam. IEEE Trans. on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-94, No. 6, November/December 1975, pages 2015-2022.

[2] Moore, V. A. – Experience with Large Hydro-Generators at Grand Coulee. IEEE Trans. on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-102, No. 10, October 1983, pages 3265-3270.

[3] Klomberg, S. et al – Comparison of CFD Analyzing Strategies for Hydro Generators, 978-1-4799-4389-0/14/$31.00 ©2014 IEEE

[4] Eck, Bruno, Ventilatoren – Entwurf und Betrieb der Radial – Axial – und Querstromventilatoren, Springer, 2003.

Texto de Autoria de:

Jorge Johnny Rocha Echeverria
Jorge Johnny Rocha Echeverria

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AEPI do Brasil, inicia trabalhos de fabricação de conjuntos de guias de ar Superior em fibra de vidro

AEPI do Brasil, inicia trabalhos de fabricação para 04 conjuntos de guias de ar Superior em fibra de vidro para substituição das guias em metal da Usina Hidrelétrica de Bento Munhoz da COPEL.

“A grande vantagem, nessa substituição de metal para fibra de vidro é seu material isolante elétrico mais leve e proporcionando facilidade de manutenção e limpeza”.