TT 151

OS DESAFIOS EM OPERAR UMA TURBINA FRANCIS DE 310 MWEM COMPENSADOR SÍNCRONO SEM UM EQUIPAMENTO ESSENCIAL.

Newton Kimura(1)

RESUMO

Definir em eliminar um conjunto de equipamento (sistema de resfriamento dosanéis de desgaste) instalado pelo fabricante de uma turbina Francis de 310MW é uma tarefa de grande desafio, muita responsabilidade e também dequebra de paradigmas2. O intuito deste trabalho é mostrar como isto foi factível.

Este trabalho mostra o resultado de estudo realizado, baseados em teoriasfísicas, ensaios experimentais em modelo e estudo de caso da UsinaHidrelétrica Governador José Richa (UHE Salto Caxias) – COPEL, quecomprova que a energia gerada pelo rotor da turbina em operação síncrono(calor gerado pelo atrito do ar movimentado pelas pás do rotor da turbina epelos anéis de desgaste superior e inferior), é neutralizada naturalmente pelamassa que o circunda, não necessitando do sistema de resfriamento dos anéisde desgaste.

O trabalho explana: como ocorre a circulação de ar no interior do rotor daturbina que faz com que a energia gerada por ele seja transferida e trocada, oresultado de ensaio realizado em todas as unidades geradores da UHE SaltoCaxias e o comportamento da unidade 4 desta mesma usina que operoudurante 96 horas ininterruptas em teste final sem o sistema de resfriamento dosanéis de desgaste.

1 Newton Kimura – não sócio ABRAMAN, Engenheiro Mecânico pela UFPR, COPELGERAÇÃO SA – Superintendência de Operação e Manutenção, Engenharia de Manutenção.2 Nem todos os equipamentos instalados são necessários, função de peculiaridadesconstrutivas.

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1 - INTRODUÇÃO

Numa operação normal de uma usina hidrelétrica (Fig. 1), é a turbina queaciona o gerador para geração de energia elétrica. Já na operação emCompensador Síncrono, é o gerador que gira a turbina, ou seja, a turbina ficainativa sendo arrastada pelo gerador. Nesta situação, o gerador funciona comomotor (se auto-opera) consumindo energia elétrica de fonte externa paramanter em giro todo o conjunto. E para que este consumo seja o menorpossível, o rotor da turbina tipo Francis, que normalmente funciona afogado, émovimentado confinado numa câmara de ar formada pelo rebaixamento donível de água do seu recinto (Fig. 2). Operando desta forma, o rotor da turbinagera calor devido atrito do ar (dissipação viscosa), cujo limite de aquecimento écontrolado por um sistema auxiliar de resfriamento (sistema de resfriamentodos anéis de desgaste - Fig. 3). Ocorre, porém, que existe um vazamentocontínuo de água (massa de fluido refrigerante a temperatura ambiente – Fig.4) para o interior do recinto do rotor, proveniente das folgas construtivassuperior e inferior das palhetas do distribuidor da turbina. Se o fluido devazamento conseguir abranger todas as partes onde ocorrem aquecimentos, ese for suficiente para apor o sistema de resfriamento, então este pode serdesativado. De qualquer forma, eliminar este equipamento essencialespecialmente projetado pelo fabricante para operação de turbina Francis de310 MW em compensador síncrono, é uma tarefa extremamente perigosa,principalmente considerando que o mesmo é instalado em todos os gruposgeradores com este tipo de turbina que operam na modalidade de geração emcompensador síncrono. Mas, como ele é um equipamento que demanda custode manutenção além de certa complexidade de funcionamento na cadeia deautomatismo de funcionamento do grupo gerador, que ocasionalmente provocaindisponibilidade de geração, o desenvolvimento do trabalho de estudo foivantajoso.

Neste ponto vale um alerta: existem turbinas em que o distribuidor possui ummecanismo de vedação estanque e outras, possuem e fecham a válvulaborboleta durante a operação como compensador síncrono, não permitindo ovazamento de água, impossibilitando praticar operação conforme propostadeste trabalho. Ou seja, o princípio deste trabalho considera que existe o fluxode água de vazamento pelo distribuidor.

Este trabalho foi desenvolvido:• Complementando o trabalho apresentado no 2º Congresso Mundial de

Manutenção e 19º Congresso Brasileiro de Manutenção – maio de2004, com o título de "Desativação do Sistema de Resfriamento dosAnéis de Desgaste do Rotor de uma Turbina Francis Operando comoCompensador Síncrono";

• Baseando-se na dissertação de mestrado “Modelagem doComportamento Térmico dos Anéis de Desgaste de uma TurbinaFrancis Operando em Compensador Síncrono”.

A grande descoberta do trabalho foi notar a maneira como a massa de arresfriada pelo vazamento atinge certas partes aparentemente inacessíveis do

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rotor: os anéis de desgaste. Neste caso, o agente físico foi o efeito centrífugoconforme será visto mais adiante.

Figura 1 – Usina hidrelétrica vista em corte

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Figura 2 – Turbina operando em compensador síncrono

Figura 3 – Sistema de resfriamento dos anéis de desgaste

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Figura 4 – Vazamento pelo distribuidor da turbina

1.1 - OBJETIVO

O objetivo deste trabalho é relatar as etapas percorridas até a operaçãodefinitiva das turbinas da Usina Hidrelétrica Governador José Richa3 – UHEGJR (Usina Salto Caxias) em compensador síncrono sem o seu sistema deresfriamento dos anéis de desgaste, pelo fato de ter verificado que no recintodo rotor existe entrada abundante de vazamento de água. Para tanto, asseguintes etapas foram desenvolvidas:

Estudo teórico sobre o balanço térmico do recinto do rotor. Análise experimental em modelo Análise experimental em protótipo Caxias. Operação definitiva do grupo gerador 4 da UHE GJR sem o sistema de

resfriamento dos anéis de desgaste.

2 - DESENVOLVIMENTO

2.1 - Estudo teórico sobre o balanço térmico do recinto do rotor.

A finalidade desta etapa é verificar se a quantidade de água disponível devazamento pelas palhetas do distribuidor é suficiente para manter o rotor daturbina, com as suas partes, em temperatura de funcionamento sem dilataçõesprejudiciais.

Para tanto, os seguintes levantamentos foram realizados: calor gerado pelo rotor da turbina operando confinado no seu recinto

aerado;

3 Usina situada no Rio Iguaçu, no município de Candói-Pr.

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água de resfriamento disponível de vazamento pelas folgas construtivassuperior e inferior do distribuidor da turbina;

fazer o balanceamento térmico entre o calor gerado e o fluidorefrigerante disponível.

2.1.1 - Calor gerado

A geração de calor é devidoao atrito do ar (dissipaçãoviscosa) ocasionado pelamovimentação das partesque compõe o rotor daturbina, que são: pás, cubo,coroa externa e anéis dedesgaste superior e inferior,em um ambiente confinado(Fig. 5).

Existem vários métodos parao cálculo do calor médiogerado pelo rotor da turbinagirando no ar: Figura 5 – Partes do rotor de turbina Francis

a) cálculo empírico através de fórmulas teóricas tais como do IEC 41, ABNT228, ASME PTC 18;

b) cálculo real pela potência absorvida pelo gerador para manter em regime oconjunto como compensador síncrono, isolando a parte que cabe à turbina;

c) cálculo pelas fórmulas desenvolvidas pelos próprios fabricantes de turbina.

Neste trabalho foi considerado o caso “b”.

2.1.2 - Calor gerado segundo potência absorvida pelo gerador

Esta potência pode ser medida indiretamente pelo consumo total de energiademandada pelo gerador para manter em giro todo o grupo, ou seja, o própriogerador, a turbina e os seus mancais. Descontando deste total a energia quecabe ao gerador, medido geralmente pelo ensaio calorimétrico, e a parte quecabe aos mancais, sobra a energia consumida pela turbina.

No caso da turbina da Usina de Caxias, este valor considerado é de 3.305 kW,conforme dados registrados de comissionamento:

Pw = 3.305 kW ouPw = 3.305 . 0,2389 = 789,5 [kcal/s]

Pw = 789,5 [kcal/s]

2.1.3 - Água de resfriamento necessário

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Para o cálculo da quantidade de água de resfriamento ou fluido refrigerantenecessário é preciso conhecer qual o limite de temperatura suportável sem queela provoque dilatações que comprometam a movimentação livre entre aspartes fixas e girantes da turbina. Neste caso, as partes de menor folga são osanéis de desgaste superior e inferior do rotor da turbina, que considerando asoscilações normais, podem dilatar radialmente até cerca de 1/3 da folganominal (obs.: esta situação é otimista, podendo ainda dilatar cerca de 50 %além deste valor).

Para a turbina de Caxias, o valor da folga nominal radial dos anéis de desgasteé de 2,5 mm. Logo, a dilatação permissível δ = 1/3 de 2,5 mm

δ = 0,75 mm radial ou.

δ = 1,5 mm diagonal

Considerando o material dos anéis de desgaste e dilatações permissíveis, podese definir as variações de temperatura ∆T aplicando a expressão da dilataçãotérmica linear:

δ = α . ∆T . D. (GERE, J. M.; TIMOSHENKO, S. P.)α - coeficiente de expansão térmica∆T - variações de temperaturaD - diâmetro do anel de desgaste

∆T = δ / (α . D)

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2.1.3.1 -Cálculo do ∆T para o rotor da turbina de Caxias:

∆T = δ / (α . D)δ = 1,5 mmα = 17 E–06/°C para aço inoxidável (GERE, J. M.; TIMOSHENKO, S. P.)D = 5.950 mm

∆T = 9,8 °C

Se considerar que a dilatação permissível δ pode ser acrescido de 50 %, avariação de temperatura máxima permissível nos anéis de desgaste podeaumentar até (9,8 x 1,5 = 14,7 °C)

Isto é, a temperatura permissível sem que haja problema de roçamento entreas partes fixa e girante, com temperatura ambiente considerada de 20 °C, é de:

T = 20 + 9,8 = 29,8 °C ou,

a máxima permissível de T = 20 + 14,7 = 34,7 °C

Para os cálculos considerar a temperatura menor:

T = 29,8 °C.

2.1.3.2 - Cálculo do fluido refrigerante necessário

Neste ponto, para controle do equilíbrio térmico, não foram consideradas asmassas metálicas, mas somente a água de vazamento pela folga superior einferior do distribuidor.

Para o cálculo da vazão de água necessária Qnec para evitar uma dilataçãolinear da parte rotativa maior que 30% da folga do labirinto foi utilizada aexpressão da quantidade de calor “Q”

Q = m . cp . ∆T (Máximo, A.)

Ou utilizando a expressão do fluxo de calor “q”:

q = Q / t (Araújo, C.).q = Q / t = m . cp . ∆T / t m = V . ρq = ( V / t ) . ρ . cp . ∆T ouV / t = q / ( ρ . cp . ∆T)

Onde:

V volumet tempoV/t vazão = Qnec q fluxo de calor = Pw2

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ρ massa específica da águacp calor específico da água∆T variação de temperatura

Qnec = Pw / ( ρ . cp . ∆T)

Dados:

Pw = 789,5 [kcal/s] (fluxo de calor ou Calor Gerado Considerado)ρ = 998 kg/m3 (massa específica da água)cp = 1 kcal/kg°C (calor específico da água)∆T = 9,8 °C (variação de temperatura)

Qnec = 789,5 / ( 998 . 1 . 9,8 )Qnec = 0,0807 m3/s ouQnec = 4.843 l/min

2.1.4 - Água de resfriamento disponível (vazamento pelo distribuidor -Qdisp)

Este vazamento (Fig. 4) é normalmente medido para verificar se não estáexcessivo, pois caracteriza perdas e principalmente porque faz parte denormas limitantes construtivas.

No caso da UHE GJR, este valor é de:

Qdispo = 0,83 m3/s = 49.800 l/min

2.1.5 - BALANÇO TÉRMICO

Fluído refrigerante disponível 49.800 l/minFluido refrigerante necessário 4.843 l/min

Ou seja, o vazamento de água disponível é bem superior à quantidade de águanecessária para controlar a temperatura de dilatação sem que haja problemade interferência entre as partes fixas e móveis.

2.2 - Análise experimental em modelo

As partes do rotor como o cubo, pás e a coroa externa ficam expostasdiretamente à água de vazamento, não havendo problema de troca térmica.Contudo, os anéis de desgaste, que também geram calor, por peculiaridadeconstrutiva não são abrangidos diretamente pelo fluido refrigerante. Isto fazcom que, teoricamente, haja aquecimento progressivo da região do labirinto,necessitando de estudos pormenores desta parte. Ou seja, apesar de terverificado na etapa 1 que o vazamento de água existente é bem superior àquantidade de água necessária para manter em equilíbrio o conjunto girante,há necessidade de detalhar o comportamento térmico na região dos anéis dedesgaste. Os anéis de desgaste fixo e móvel formam o labirinto, que tem o

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papel de funcionar como vedação sem contato e esta função faz com queretenha a massa de ar aquecida.

Em função da existência de dutos de equilíbrio de pressão no cubo do rotor daturbina, que interliga a área onde tem fluido refrigerante com o labirinto, foioptado em explorar estes dutos quanto à propiciação de entrada de ar porefeito centrífugo gerado pelo cubo do rotor para ocasionar transferência demassa do labirinto. Desta forma, o calor gerado pelos anéis de desgaste nointerior do labirinto seria transferido para a massa de fluido refrigerante devazamento pelo distribuidor e o aquecimento do labirinto balanceado (evitado).

Como a física do transporte de massa através do recinto da tampa éteoricamente complexo, foi optada a busca direta da solução do caso pelarealização de ensaios experimentais em modelo.

O modelo foi construído adaptando-se ao volante de um pequeno grupogerador da Usina Hidrelétrica Pitangui4 - COPEL (Fig. 6 e Fig. 7). O volante fezo papel de anel de desgaste móvel, e foi confeccionada uma capa por sobre ovolante (carenagem) para simular o anel de desgaste fixo. Os furos existentesno disco do volante simularam os dutos de equilíbrio de pressão (Fig. 8). Foramrealizados ensaios com e sem os dutos, para a verificação da ocorrência detransporte de massa de fluido refrigerante entrando por eles e passando pelolabirinto.

Figura 6 - Grupo gerador da Usina Hidrelétrica Pitangui – UHE PGI

4 Usina situada no Rio , no município de Ponta Grossa-Pr

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Figura 7 – Modelo experimental adaptadosobre o grupo gerador da UHE PGI

Protótipo Modelo

Figura 8 – Dutos de equilíbrio de pressão

Para a comprovação do resultado, foram medidos os seguintes parâmetros:vazão de ar pelo labirinto e temperaturas no labirinto e anel de desgaste (Fig.9). As temperaturas foram medidas através de sensores RTD platina 100 e avazão por meio de linhas de corrente.

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Figura 9 – Posicionamento dos sensores no modelo

Sendo:TA – temperatura do arTM – temperatura do metalTamb – temperatura do ambiente

2.2.1 - Resultado dos ensaios experimentais em modelo.

Com os dutos de equilíbrio de pressão, houve ocorrência de vazão de araxialmente pelo labirinto, e não houve variação de temperatura (Fig. 10). Paramelhor avaliação dos resultados, uma vez que se sabe que o efeito centrífugoé proporcional à velocidade angular, foram realizados ensaios com váriasrotações do modelo, onde os valores de vazão mostram-se proporcionais (Fig.11), validando-se os resultados. Já o ensaio sem os dutos (Fig. 12), mostrou-seo contrário, comprovando que a existência dos dutos de equilíbrio de pressãopermite a entrada de ar para dentro do recinto da tampa e passar pelo labirinto.Esta passagem por sua vez, ocasiona a transferência de massa do labirintopara fora dele, impedindo o aquecimento dos anéis.

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Modelo P itangui - comportamento térmico labirintocom os dutos de equilíbrio de pressão - 16dez04

Tempera tura re la tiva à temperatura ambiente

0

2,5

5

7,5

10

12,5

15

17,5

20

22,5

25

27,5

30

11,70 11,90 12,10 12,30 12,50 12,70 12,90 13,10 13,30 13,50 13,70 13,90 14,10 14,30

Hora (dec im al)

Tem

pera

tura

(o C

)

0

100

200

300

400

500

600

700

Rot

ação

(rpm

)

Temp A r Labirinto

Temp A nel D esgaste

rotação

Figura 10 – Ensaio com os dutos de equilíbrio de pressão – rotação variável

Modelo Experimental PGICubo com Dutos de Equilíbrio

Vazão axial pelo Labirinto - 15 e 16dez04

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0

50,0

55,0

60,0

200 250 300 350 400 450 500 550 600

Rotação [rpm]

Vazã

o (l/

s)

Figura 11 – Modelo Pitangui - Vazão axial no labirinto proporcional à rotação

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Modelo P itangui - C om portam ento Térm ico Labirin toS E M os D utos de E quilíb rio de P ressão

R otação - 720 rpm

29 ,5

30 ,0

30 ,5

31 ,0

31 ,5

32 ,0

32 ,5

33 ,0

33 ,5

34 ,0

34 ,5

35 ,0

35 ,5

36 ,0

14:45 15:00 15:15 15:30 15:45 16:00 16:15 16:30 16:45 17:00 17:15

T e mpo (hh:mm)

Tem

pera

tura

(o C

)

Temp A nel de Desgas te

Temp A r Labirinto

Temp A mbiente

In ício parada 16:50

Figura 12 – Ensaio sem os dutos de equilíbrio de pressão – rotação fixa de 720 rpm

Resumindo, em função da existência de dutos de equilíbrio de pressão no cubodo rotor da turbina da UHE GJR, o resultado do comportamento datransferência de massa pelo labirinto (região inatingida diretamente pela águade vazamento) deve ser semelhante ao ocorrido no modelo. Ou seja, não deveocorrer o aquecimento dos anéis de desgaste do protótipo também.

2.3 – Análise experimental em protótipo Caxias.

Com base nos resultados do modelo experimental, e pela semelhança física dodesenho do protótipo, foram realizados os testes nas turbinas da UsinaHidrelétrica Governador José Richa (UHE GJR), pertencente à CompanhiaParanaense de Energia - COPEL, cujo porte representa a maioria dosequipamentos em operação no Brasil.

O ensaio denominado de “Aquecimento dos Anéis de Desgaste” foi realizadonas 4 unidades geradoras da UHE GJR, uma vez que cada unidade tem suaspeculiaridades como a quantidade de vazamento de água pelo distribuidor, aforma deste vazamento, oscilações de eixo, flutuações de pressões, etc., quepodem influenciar no comportamento térmico final.

Os ensaios foram realizados na medida em que houve liberações pelosagentes controladores de geração e ou agrupando com as paradas demanutenções, uma vez que, para a instalação dos sensores de temperaturados anéis de desgaste e do labirinto (sensores RTD platina 100 – Fig. 13),exclusivamente para o ensaio, havia necessidade de parada do grupo comdrenagem da água do rotor da turbina. Ciente de que o comportamento do

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protótipo poderia ser diferente do modelo, o ensaio foi realizado diminuindo-segradativamente a vazão da água de resfriamento dos anéis até operar sem ela.

Temperatura anel superior (metal e ar) Temperatura anel inferior (metal e ar)

Figura 13 – Instalação de sensores de temperatura no protótipo

Como o resultado dos ensaios foram semelhantes nas 4 unidades, nestetrabalho será apresentada apenas o gráfico de comportamento dastemperaturas dos anéis superior e inferior da unidade 1 (Fig. 14)

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Figura 14 - Ensaio de aquecimento dos anéis de desgaste – unidade 1

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Resumidamente, as temperaturas máximas atingidas foram conforme tabela

Tabela.1 - Ensaio de aquecimento dos anéis de desgaste unidade 1

Temperatura máxima atingida (°C)Anel superior Ar (labirinto) 25,7Anel superior fixo Metal 25,5

Anel inferior Ar (labirinto) 26,2Anel inferior fixo Metal 25,7

Água tampa da turbina 24,9

Ou seja, as temperaturas não ultrapassaram de 26,2 °C, contra máximapermissível de 34,7 °C. Isto é, com segurança, o sistema de resfriamento dosanéis de desgaste das 4 unidades geradoras da UHE GJR podem serdesativadas.

2.4 – Operação definitiva da unidade gerador 4 da UHE GJR sem osistema de resfriamento dos anéis de desgaste.

A unidade 4 foi a primeira máquina a operar definitivamente sem o sistema deresfriamento dos anéis de desgaste. A escolha foi em função da existência deuma oportuna parada de manutenção para introdução de adequaçõesnecessárias. Foram alterados os automatismos de operação e fechadas asválvulas de alimentação de água para os anéis. Em função de necessidadeoperacional estratégica e incomum, o grupo foi submetido a operação comocompensador síncrono durante 96 horas sem interrupção (Fig. 15), diferentedas operações normais que giram em torno de 12 horas máxima.

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Figura 15- Ensaio de aquecimento dos anéis de desgaste da unidade 4Duração: 96 horas contínuas.

Em resumo, as temperaturas máximas atingidas registradas pelos sensoresoriginais da máquina foram conforme Tab 2 abaixo:

Tabela 2

Temperaturas máximas atingidas (°C)

Sensor 1 Sensor 2

Anel superior Metal 27,6 27,6

Anel inferior Metal 26,2 26,9

Água de vazamento 23

O comportamento térmico não diferenciou do resultado dos ensaios realizadosnos protótipos 1, 2 e 3, ou seja, temperatura máxima atingida de 27,6 °C,aprovando definitivamente o modo operativo sem o sistema de resfriamentodos anéis de desgaste. A Fig. 15 mostra que a estabilização da temperaturadurante os 4 dias de operação contínua como compensador síncrono não foiuma constância, podendo ser melhor estudada relacionando com outrosparâmetros operacionais, mas, de qualquer forma, os limites atingidos ficarambem aquém da máxima temperatura permitida.

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3 - CONCLUSÃO

Com os cálculos teóricos e dados experimentais desenvolvidos nos relatóriosdo “2º Congresso Mundial de Manutenção e 19º Congresso Brasileiro deManutenção” e dissertação de mestrado “Modelagem do ComportamentoTérmico dos Anéis de Desgaste de uma Turbina Francis Operando emCompensador Síncrono”, foi possível buscar aproximação nos resultadosesperados do protótipo da UHE GJR para somente depois, executar testeprático propriamente dito.

Os resultados encontrados nos testes das 4 unidades geradoras da UHE GJRespelharam os dados sinalizados pela teoria e ensaios experimentais demodelo, cujos valores máximos atingidos foram em média não superiores a26,5.°C, estando bastante aquém da temperatura máxima de 34,7 °C.

A operação da unidade 4 por um período de 96 horas ininterruptas, sem osistema de resfriamento dos anéis de desgaste, e atingindo apenas atemperatura máxima de 27,6 °C, atestou definitivamente a redundância dainstalação quando existe o vazamento de água pelas folgas superior e inferiordas palhetas do distribuidor da turbina.

O fator decisivo de estabilização da temperatura, a um patamar aquém dapermissível nos labirintos (anéis de desgaste), é o efeito centrífugo provocadopela rotação do cubo do rotor (disco), aliado à existência dos dutos deequilíbrio de pressão (furos no cubo), que permite a entrada de ar resfriadapara dentro do labirinto. Por conseqüência, faz a transferência de massa de ardeste, aquecido pela dissipação viscosa, para o meio externo onde está ovazamento.

Questionar a necessidade de uma instalação original, tradicional de fabricantespara otimizar a disponibilidade com diminuição de custo operacional é umgrande desafio. Não é uma tarefa de fácil solução, exigindo aprofundamento doassunto e cautelas nas decisões. Quebrar um paradigma de que tudo que ofabricante instala é essencial, é buscar constantes melhorias para o sistema.

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4 - REFERÊNCIAS

ABNT NB 228 (Associação Brasileira de Normas Técnicas), TurbinasHidráulicas - Ensaio de Campo: Método de Ensaio. 1990.

ASME PTC 18,1992.

GERE, J. M.; TIMOSHENKO, S. P. Mechanics of Materials. 3 ed. Boston:PWS-Kent Publishing Company, 1990.

IEC 41 (International Electrotecnical Commission) – 1963.

Kimura, N. Desativação do Sistema de Resfriamento dos Anéis deDesgaste do Rotor de uma Turbina Francis Operando como CompensadorSíncrono. 2º Congresso Mundial de Manutenção e 19º Congresso Brasileiro deManutenção – maio de 2004.

Kimura, N. Modelagem do Comportamento Térmico dos Anéis de Desgastede uma Turbina Francis Operando em Compensador Síncrono -Dissertação de mestrado do Programa de Pós-graduação em EngenhariaMecânica da UFPR, Curitiba, 2005.

MÁXIMO, A.; ALVARENGA, B. Física. São Paulo: Ed. Scipione, 1997.