Abstract In the Amazon, local electrical energy production is very important due to the large number of isolated communities, usually far from the conventional grid. In this context, steam turbines are relevant technologies to be used in the region, since waste biomass is widely available in several communities, besides, where sustainable agricultural activities take place, such as the use of açaí seeds, sugarcane bagasse, among others. Currently, there are not many relevant studies in the literature for small steam turbines operating at low pressure, conditioned to the reality of the Amazon region. Hence, the main goal of this work is to develop an experimental study of a small steam turbine operating at low pressure, in order to apply it to small energy demand, typically found in the Amazon. We developed measurements on the behavior of mechanical and electrical powers in relation to the shaft rotational speed of the small steam turbine, taking into account pressures of 0.1, 0.2 and 0.3 MPa. We concluded that the preliminary experimental survey, made in this work, demonstrates a good mechanical behavior of the small turbine and could be an alternative for electricity generation system to supply small demands in isolated communities in the Amazon, taking advantage of biomass from sustainable agricultural activities.

Resumo Na Amazônia, a produção local de energia elétrica é muito importante devido ao grande número de comunidades isoladas, geralmente distantes da rede convencional. Nesse contexto, as turbinas a vapor são tecnologias relevantes a serem utilizadas na região, uma vez que a biomassa está amplamente disponível em diversas comunidades, inclusive, onde ocorrem atividades agrícolas sustentáveis como a utilização do caroço do açaí, bagaço de cana, entre outros. Atualmente, não existem muitos estudos relevantes na literatura para pequenas turbinas a vapor operando em baixa pressão, condicionadas à realidade da região amazônica. Assim, o objetivo principal deste trabalho é desenvolver um estudo experimental de uma pequena turbina a vapor operando em baixa pressão, a fim de aplicá-la a pequenas demandas de energia, tipicamente encontradas na região. Desenvolvemos medições do comportamento das potências mecânica e elétrica em relação à velocidade de rotação do eixo da pequena turbina a vapor, levando em consideração as pressões de 0,1, 0,2 e 0,3 MPa. Concluímos que o levantamento experimental preliminar, feito neste trabalho, demonstra um bom comportamento mecânico da pequena turbina e pode ser uma alternativa para o sistema de geração de energia elétrica suprir pequenas demandas em comunidades isoladas na Amazônia, aproveitando a biomassa oriunda de atividades agrícolas sustentáveis.

ABSTRACT Flanged diffuser can improve hydrokinetic turbine efficiency. However, in the current literature it is still not clear if the flange allows the possibility of cavitation on its structure, and whether it can support high pressure variation. This work presents a Computational Fluid Dynamics (CFD) study on the effect of cavitation on a flanged diffuser. The water flow through the diffuser was evaluated using a Reynolds Averaged Navier Stokes approach coupled to the Rayleigh-Plesset model to estimate the vapor production rate. The methodology was applied to a flanged diffuser and results were compared with experimental data from the literature. The minimal depth to avoid cavitation on the flanged diffuser was found. The pressure field obtained on CFD was applied as loading in structural analysis using Finite Element Method. The numerical model presented good agreement with experimental data available in the literature. The results showed that cavitation occurs more intensely at a depth of 1.0 m for the model. This intensity gradually decreases as the depth increases. Cavitation can be present in flanged diffusers, especially in the region inside the shroud, where it can directly impact the flow through the rotor. A good safety factor was obtained in the structural analysis.

RESUMONa Amazônia, a navegação é muito importante devido a extensão de rios navegáveis e a falta de redes rodoviárias alternativas. As embarcações geralmente trabalham em condições desfavoráveis, uma vez que não há relação entre a hidrodinâmica dos hélices, geometria e as dimensões do casco da embarcação. Atualmente, não há metodologia para otimização hidrodinâmica com baixo custo computacional e fácil implementação na região. O objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de uma abordagem matemática voltada para o projeto de propulsores marítimos aplicados as embarcações tipicamente encontradas nos rios da Amazônia. Nós desenvolvemos uma formulação otimizada para o cálculo das distribuições de corda e ângulo de torção, considerando o modelo clássico de Glauert. Uma análise teórica para as relações de empuxo e torque em um volume de controle anular foi realizado. O modelo matemático utilizado foi baseado na teoria do momento do elemento de pá (BEMT). Concluímos que a nova metodologia, proposta neste trabalho, demonstra bom comportamento físico quando comparado com a teoria de Glauert e os dados experimentais do propulsor Wageningen B3-50.

ABSTRACTIn the Amazon, river navigation is very important due to the length of navigable rivers and the lack of alternative road networks. Boats usually operate in unfavorable conditions, since there is no hydrodynamic relation among propellers, geometry, and the dimensions of the boat hull. Currently, there is no methodology for propeller hydrodynamic optimization with low computational cost and easy implementation in the region. The aim of this work was to develop a mathematical approach for marine propeller design applied to boats typically found on Amazon rivers. We developed an optimized formulation for the chord and pitch angle distributions, taking into account the classical model of Glauert. A theoretical analysis for the thrust and torque relationships on an annular control volume was performed. The mathematical model used was based on the Blade Element Momentum Theory (BEMT). We concluded that the new methodology proposed in this work demonstrates a good physical behavior when compared with the theory of Glauert and the experimental data of the Wageningen B3-50 propeller.