8. Turbinas Hidráulicas 8.1 Introdução - dem.feis.unesp.br

1 8. Turbinas Hidr ulicas Introdu o Turbinas s o m quinas para converter energia hidr ulica em energia el trica. O custo total de uma usina hidrel trica (reservat rio, tubula es, Turbinas , etc.) mais alto do que o de uma central termel trica mas ela tem muitas vantagens, algumas das quais s o: 1. Alta efici ncia 2. Flexibilidade de opera o 3. F cil manuten o 4. Baixo desgaste 5. Suprimento de energia potencialmente inesgot vel 6. Nenhuma polui o Classifica o Os principais tipos de turbina s o aquelas de impulso e de rea o. O tipo predominante de m quina de impulso a roda Pelton (inventada por Lester Allen Pelton) que apropriada para um range de alturas de 150-2000 m. As Turbinas de rea o s o de dois tipos principais: 1. de escoamento radial ou misto 2. de escoamento axial Dos tipos de escoamentos radiais predomina a turbina Francis (patenteada por Samuel Dowd e aperfei oada por James Bicheno Francis).

2 As Turbinas D riaz s o similares s Turbinas Francis r pidas mas com um mecanismo que permite variar a inclina o das p s do rotor. Os tipos principais de m quinas axiais s o Turbinas de h lice (Propeller) cujas p s do rotor s o fixas e as Turbinas Kaplan com as p s do rotor ajust veis. Outros tipos de m quinas axiais s o as Turbinas Tubulares, Bulbo e Straflo. Tipos de Turbinas Hidr ulicas Turbinas Francis Em 1847 o ingl s James Bicheno Francis (1815-1892) trabalhando nos EUA melhorou uma m quina de escoamento centr peta desenvolvida em 1838 por Samuel Dowd (1804- 1879), de modo que a partir disso, elas receberam o nome de Turbinas Francis. A Figura ( ) mostra um corte longitudinal de uma turbina Francis, indicando os rg os principais. Essencialmente constam das seguintes partes: 1) uma caixa, geralmente com forma de caracol do tipo fechado, Figura ( ), a qual.

3 Substitu da por uma c mara ou po o de adu o no tipo aberto, Figura ( e );. 2) um distribuidor dotado de p s orient veis, para proporcionar a descarga correspondente . pot ncia demandada, com o ngulo mais adequado para a entrada da gua no rotor, Figura ( );. 3) um rotor dotado de p s com formato especial, Figura ( );. 4) um tubo de suc o que conduz a gua que sai do rotor a um po o ou canal de fuga, Figura ( ). As Turbinas Francis s o m quinas de rea o do tipo a o total (a gua ao passar pelo rotor preenche simultaneamente todos os canais das p s). Quanto ao posicionamento do eixo podem ser: - de eixo vertical - de eixo horizontal. Quanto s velocidades do rotor, as Turbinas Francis podem ser: - lentas (55<ns<120 rpm);. - normais (120<ns<200 rpm);. - r pidas (ou Deriaz) (200<ns<300);. - extra r pidas ou ultra-r pidas (300<ns<450). n P. Com a velocidade espec fica definida pela f rmula: ns = 4 e ; [n] em rpm, [Pe] em CV e H H.

4 [H] em m. Quanto ao modo de instala o que caracteriza como recebem a gua motriz, as Turbinas Francis podem ser: de instala o aberta ou fechada. Instala o aberta. Quando a turbina colocada num po o, ao qual vem ter a gua conduzida em um canal de adu o, havendo geralmente uma comporta ou adufa para que se possa esvazi -la na manuten o. Este tipo de instala o conveniente apenas para pequenas quedas (at 10 m) e pot ncias pequenas (algumas centenas de CV). Vale ressaltar que quando a descarga grande e o desn vel pequeno, h vantagem de se utilizar um tubo de suc o curvo. Instala o fechada. Quando a queda superior a 10 m prefer vel colocar a turbina numa caixa qual vem ter a gua conduzida em uma tubula o for ada (pentstock). Estas caixas tem a forma de caracol, voluta ou espiral e s o envolvidas pelo concreto armado. As Figuras , ( ) mostram os tipos de instala es e o posicionamento do eixo das Turbinas Francis.

5 As vantagens das Turbinas de eixo horizontal sobre as de eixo vertical . que nas primeiras a turbina e o gerador podem ser independentes; h uma melhor disposi o da sala das m quinas j que a turbina e o gerador est o no mesmo n vel; f cil montagem e entendimento; facilidade de manuten o e custo reduzido em cerca de 20% para as mesmas condi es. Turbinas Pelton Como toda turbina hidr ulica, a Pelton possui um distribuidor e um receptor. As partes principais das Turbinas Pelton s o descrita a seguir. 1) Distribuidor. O distribuidor um bocal de forma apropriada a guiar a gua, proporcionado um jato cil ndrico sobre a p do receptor, o que conseguido por meio de uma agulha como mostra a Figura ( ). Figura Corte transversal de turbina Pelton de dois jatos e eixo horizontal. 2) Rotor. O rotor consta de um certo n mero de p s com forma de concha especial, dispostas na periferia de um disco que gira preso a um eixo.

6 A figura a e b mostram fotos de um rotor da turbina Pelton. : Rotor de uma turbina Pelton com as p s desmontadas. A p possui um gume m dio, que fica sobre o plano m dio da roda, e que divide simetricamente o jato e o desvia lateralmente. As figuras e mostram respectivamente uma foto e um desenho esquem tico da p . Figura P s de uma turbina Pelton. Figura Fixa o das p s no rotor de uma turbina Pelton. As figuras e mostram respectivamente uma foto e um desenho esquem tico da incid ncia do jato sobre as p s. Figura Incid ncia dos jatos sobre as p s. Figura Distribui o dos jatos em p s sucessivas. 3) Defletor de jato. O defletor intercepta o jato, desviando-o das p s, quando ocorre uma diminui o violenta na pot ncia demandada pela rede de energia. Nessa hip tese, uma atua o r pida da agulha para reduzir a descarga poderia vir a provocar uma sobrepress o no bocal, nas v lvulas e ao longo do encanamento adutor.

7 O defletor volta sua posi o inicial liberando a passagem do jato, logo que a agulha assume a posi o que conv m, para a descarga correspondente pot ncia absorvida. A figura mostra detalhes do defletor de jato. Figura Detalhes do bocal injetor e do defletor de jato. 4) Bocal de frenagem. O bocal de frenagem faz incidir um jato nas costas das p s, contrariando o sentido de rota o, quando se desejar frear a turbina rapidamente.(ver figura ). As Turbinas Pelton s o do tipo tangenciais e de a o parcial como visto no item anterior. Quanto ao n mero de jatos as Turbinas Pelton podem ser de um jato, dois, quatro ou seis jatos e, excepcionalmente, de 3 jatos. Quanto maior o n mero de jatos maior a pot ncia para uma mesma queda, maior o desgaste por abras o se a gua tiver areia em suspens o e menor o tamanho do rotor (o que representa uma redu o no custo por unidade de pot ncia instalada).

8 A incid ncia de jatos sobre o rotor em cada volta depende do n mero de jatos, de modo que, quanto maior a queda, menor dever ser o n mero de impactos sobre a p por minuto(ver figura ). Quanto ao posicionamento do eixo as Turbinas Pelton podem ser de: Eixo horizontal: geralmente utilizada para um ou dois jatos, a instala o mais econ mica, de f cil manuten o, al m de ser poss vel montar, numa mesma rvore, dois rotores. Eixo vertical: geralmente utilizado para quatro ou seis jatos sobre as p s do rotor. A figura mostra as caracter sticas da turbina Pelton em fun o da queda e da pot ncia. A figura mostra o n mero de jatos em fun o da rota o e da queda. A figura mostra um gr fico para determina o da pot ncia, da rota o e do di metro do rotor da turbina Pelton em fun o da queda e da vaz o. Figura N mero de impactos do jato sobre uma p , por minuto.

9 Figura Gr fico da Hitachi para escolha da turbina Pelton. Figura N mero de jatos de turbina Pelton em fun o de H e ns. Figura Gr fico da Escher Wyss para determina o de N (MW), n (rpm) e Droda (m). As Turbinas Pelton s o recomendadas para quedas elevadas, para as quais a descarga (vaz o) aproveit vel normalmente reduzida, uma vez que a capta o se realiza em altitudes onde o curso d' gua ainda de pequeno defl vio. Por serem de fabrica o, instala o e regulagem relativamente simples, al m de empregadas em usinas de grande pot ncia, s o tamb m largamente empregadas em micro- usinas, em fazendas, etc., aproveitando quedas e vaz es bem pequenas para gera o de algumas dezenas de CV. Turbinas H lice A necessidade de obten o de Turbinas com velocidades consider veis em baixas quedas e grandes descargas, o que n o vi vel com as Turbinas Francis, deu origem em 1908 s Turbinas H lice ou Propeller.

10 O rotor assumiu a forma de uma h lice de propuls o, o que explica o nome dado a estas Turbinas , figura O distribuidor mant m o aspecto que tem nas Turbinas Francis, mas a dist ncia entre as p s do distribuidor e as do rotor bem maior do que a que se verifica para as Turbinas Francis de alta velocidade espec fica. A figura mostra o rotor e o distribuidor da turbina h lice. Figura Rotor de turbina H lice (p s fixas). Figura Rotor de 8 p s de uma turbina H lice com as p s direcionadas ao distribuidor. As Turbinas H lice s o do tipo axial, de rea o e de a o total como as Turbinas Francis. As demais caracter sticas s o as mesmas que as das Turbinas Kaplan que ser o vistas a seguir. Elas s o utilizadas em baixa quedas e com grandes descargas (vaz es). Turbinas Kaplan Em 1912, o engenheiro Victor Kaplan (1876-1934), ap s estudos te ricos e experimentais, concebeu um novo tipo de turbina a h lice, comportando a possibilidade de variar o passo ou inclina o das p s.