8 mh turbinas hidraulicas

7/28/2019 8 MH Turbinas Hidraulicas

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Quanto s velocidades do rotor, as turbinas Francis podem ser:- lentas (55


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Fig.8.9.a.b.: Rotor de uma turbina Pelton com as ps desmontadas.

A p possui um gume mdio, que fica sobre o plano mdio da roda, e que dividesimetricamente o jato e o desvia lateralmente.

As figuras 8.10 e 8.11 mostram respectivamente uma foto e um desenho esquemtico dap.

Figura 8.10 Ps de uma turbina Pelton.


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Figura 8.11 Fixao das ps no rotor de uma turbina Pelton.

As figuras 8.12 e 8.13 mostram respectivamente uma foto e um desenho esquemtico daincidncia do jato sobre as ps.

Figura 8.12 Incidncia dos jatos sobre as ps.


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Figura 8.13 Distribuio dos jatos em ps sucessivas.

3) Defletor de jato. O defletor intercepta o jato, desviando-o das ps, quando ocorre umadiminuio violenta na potncia demandada pela rede de energia. Nessa hiptese, umaatuao rpida da agulha para reduzir a descarga poderia vir a provocar uma sobrepresso no

bocal, nas vlvulas e ao longo do encanamento adutor. O defletor volta sua posio inicialliberando a passagem do jato, logo que a agulha assume a posio que convm, para adescarga correspondente potncia absorvida.

A figura 8.14 mostra detalhes do defletor de jato.


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Figura 8.14 Detalhes do bocal injetor e do defletor de jato.

4) Bocal de frenagem. O bocal de frenagem faz incidir um jato nas costas das ps,contrariando o sentido de rotao, quando se desejar frear a turbina rapidamente.(ver figura8.8).

As turbinas Pelton so do tipo tangenciais e de ao parcial como visto no item anterior.Quanto ao nmero de jatos as turbinas Pelton podem ser de um jato, dois, quatro ou seis

jatos e, excepcionalmente, de 3 jatos. Quanto maior o nmero de jatos maior a potncia parauma mesma queda, maior o desgaste por abraso se a gua tiver areia em suspenso e menor o

tamanho do rotor (o que representa uma reduo no custo por unidade de potncia instalada).A incidncia de jatos sobre o rotor em cada volta depende do nmero de jatos, de modo

que, quanto maior a queda, menor dever ser o nmero de impactos sobre a p por minuto(verfigura 8.15)

Quanto ao posicionamento do eixo as turbinas Pelton podem ser de:Eixo horizontal: geralmente utilizada para um ou dois jatos, a instalao mais

econmica, de fcil manuteno, alm de ser possvel montar, numa mesma rvore, doisrotores.

Eixo vertical: geralmente utilizado para quatro ou seis jatos sobre as ps do rotor.A figura 8.16 mostra as caractersticas da turbina Pelton em funo da queda e da

potncia. A figura 8.17 mostra o nmero de jatos em funo da rotao e da queda. A figura

8.18 mostra um grfico para determinao da potncia, da rotao e do dimetro do rotor daturbina Pelton em funo da queda e da vazo.


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Figura 8.15 Nmero de impactos do jato sobre uma p, por minuto.

Figura 8.16 Grfico da Hitachi para escolha da turbina Pelton.


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Figura 8.17 Nmero de jatos de turbina Pelton em funo de H e ns.

Figura 8.18 Grfico da Escher Wyss para determinao de N (MW), n (rpm) e Droda (m).

As turbinas Pelton so recomendadas para quedas elevadas, para as quais a descarga(vazo) aproveitvel normalmente reduzida, uma vez que a captao se realiza em altitudesonde o curso d'gua ainda de pequeno deflvio.

Por serem de fabricao, instalao e regulagem relativamente simples, alm deempregadas em usinas de grande potncia, so tambm largamente empregadas em micro-usinas, em fazendas, etc., aproveitando quedas e vazes bem pequenas para gerao dealgumas dezenas de CV.


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8.3.3. Turbinas Hlice

A necessidade de obteno de turbinas com velocidades considerveis em baixas quedase grandes descargas, o que no vivel com as turbinas Francis, deu origem em 1908 sturbinas Hlice ou Propeller.

O rotor assumiu a forma de uma hlice de propulso, o que explica o nome dado a estasturbinas, figura 8.19.O distribuidor mantm o aspecto que tem nas turbinas Francis, mas a distncia entre as

ps do distribuidor e as do rotor bem maior do que a que se verifica para as turbinas Francisde alta velocidade especfica.

A figura 8.20 mostra o rotor e o distribuidor da turbina hlice.

Figura 8.19 Rotor de turbina Hlice (ps fixas).

Figura 8.20 Rotor de 8 ps de uma turbina Hlice com as ps direcionadas ao distribuidor.


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As turbinas Hlice so do tipo axial, de reao e de ao total como as turbinas Francis.As demais caractersticas so as mesmas que as das turbinas Kaplan que sero vistas a seguir.Elas so utilizadas em baixa quedas e com grandes descargas (vazes).

8.3.4. Turbinas KaplanEm 1912, o engenheiro Victor Kaplan (1876-1934), aps estudos tericos e

experimentais, concebeu um novo tipo de turbina a hlice, comportando a possibilidade devariar o passo ou inclinao das ps.

A figura 8.21 mostra um corte longitudinal de uma turbina Kaplan indicando os seusprincipais componentes.

Figura 8.21 Corte longitudinal de uma turbina Kaplan.

A figura 8.22 mostra o mecanismo de controle do ngulo das ps do rotor. Os principaiscomponentes de uma turbina Kaplan so descritos a seguir.1)Distribuidor. Se assemelha ao das turbinas Francis, tendo as mesmas finalidades. As ps dodistribuidor, tem sua inclinao comandada por um sistema anlogo ao das turbinas Francis, eficam a uma distncia considervel das ps do rotor. Deve haver uma sincronizao entre osngulos das ps do rotor e as do distribuidor.2)Rotor: Possui ps que podem ser ajustveis variando o ngulo de acordo com a demanda de

potncia.3) Tubo de suco: Tem as mesmas finalidades e a mesma forma dos tubos de suco paraturbinas Francis.


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Figura 8.22a Detalhe do sistema de movimentao das ps de uma turbina Kaplan.

Figura 8.22b Rotor Kaplan em corte total e parcial (esquemtico).

4) Caracol ou caixa espiral: Pode ter seo transversal circular nas turbinas de pequenacapacidade e nas quedas consideradas relativamente grandes para turbinas Kaplan, mas, nasunidades para grandes descargas e pequenas quedas, a seo aproximadamente retangular ou


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Figura 8.26 Turbina bulbo, da Escher Wyss. Vista do rotor , do bulbo e de parte do tubo desada de gua.

Figura 8.27 Turbina bulbo Escher Wyss.


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Figura 8.28 Usina de Gersthein (Frana). Grupo bulbo.

8.3.8. Turbinas Straflo

So turbinas do tipo axial caracterizadas pelo escoamento retilneo que em inglssignifica "straight flow", cuja contrao dos vocbulos originou o nome STRAFLO. Narealidade, as trajetrias das partculas lquidas so hlices cilndricas, que em projeomeridiana so retas paralelas ao eixo.

Neste tipo de turbina o indutor do alternador colocado na periferia do rotor da turbinaformando um anel articulado nas pontas das ps da hlice, as quais podem ser de passovarivel, anlogas s da turbina Kaplan. Por esta razo tambm denominada turbina

geradora de anel ou perifrica.As juntas hidrostticas montadas entre a carcaa girante, funcionam como um agente depresso e vedao.

Uma vantagem desta turbina de no haver a necessidade de colocar o gerador nointerior de um bulbo, o que, como vimos, cria problemas de limitao das dimenses dogerador e de resfriamento. A colocao do alternador na prpria periferia do rotor da turbina

possibilita uma instalao compacta e a obteno de fator de potncia maior que o conseguidocom outros tipos em igualdade de condies de queda, descarga e custo de obras civis.

As turbinas STRAFLO so adequadas para usinas de baixa queda, de 3 at 40m edimetro de rotor de at cerca de 10m.

Do mesmo modo que as turbinas de bulbo e tubulares, as turbinas STRAFLO podem ser

instaladas com eixo horizontal ou inclinado.As figuras 8.29 e 8.30 mostram uma maquete em corte e uma seo transversal de uma

turbina STRAFLO, respectivamente.


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Figura 8.29 Representao de turbina Straflo de ps fixas.

Figura 8.30 Seo transversal tpica de turbina Straflo de ps fixas e mancais convencionais;1- ps diretrizes fixas, 2- ps diretrizes mveis do distribuidor, 3- ps fixas do rotor, 4-

gerador.

8.4. Velocidades das Turbinas Hidrulicas

8.4.1. Nmero real de rotaes.

As turbinas acionam diretamente os geradores de energia eltrica, de modo que,

naturalmente, ambos tm o mesmo nmero de rotaes. Mas nos alternadores, pela formacomo so construdos, existe uma dependncia entre o nmero de pares de plos (p), onmero de rpm(n) e a freqncia em Hz (f) na forma:


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p

fn

=

60.

Para f=60hz n=3600/p. Assim, podemos construir uma tabela que relaciona n e p. (tab.1).As velocidades reais das turbinas, podem ser determinadas a partir da tab.2.

As turbinas de grandes potncias tem baixa rotao real de modo a reduzir acomplexidade dos problemas de estabilidade mecnica, momentos nos mancais e a melhoraras condies para a regularizao do movimento. Tambm, por razes construtivas,empregam-se, como visto, baixa velocidade real para turbinas de elevado ns e altas rotaesreais para pequenos valores de ns.

Tabela 1: Rotaes por minuto sncronos do alternador trifsico em funo do nmero depares de plos.

P 4 6 8 12 16 18 20 24 30 36 40 45 60n 900 600 450 300 225 200 180 150 120 100 90 80 60

Tabela 2: Nmero real de rpm das turbinas.Propeller, Kaplan,

Bulbo50 a 150 rpm

Francis 80 a 300 rpmPelton 200 a 750 rpm

8.4.2. Aumento de velocidade

O custo do grupo turbina-gerador diminui com o aumento da velocidade angular quepode ser conseguido com a reduo do dimetro (das dimenses do rotor). Essas vantagens,aliadas necessidade muitas vezes de utilizar pequenas quedas, tem feito com que o progresso

no projeto das turbinas evolusse para obteno de velocidades que podem, at certo ponto,ser consideradas altas. Dois recursos so utilizados:a-Dar formas adequadas a seus rgos essenciais, especialmente o rotor.

b-Agrupar numa rvore, vrios rotores iguais, alimentados separadamente, constituindo, assimas chamadas turbinas mltiplas. Trata-se de uma instalao em paralelo em que cada unidadese apresenta com um rotor de pequeno dimetro, permitindo, assim, obter uma maiorvelocidade angular para um mesmo valor de velocidade perifrica.

8.5. Rendimento das Turbinas Hidrulicas

A figura 8.31 mostra o rendimento das principais turbinas hidrulicas em funo dadescarga. A figura 8.32 mostra o comportamento do rendimento em funo da potncia til

para as principais turbinas hidrulicas.


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Figura 8.31 Variao do rendimento com a descarga para os diversos tipos de turbina.

Figura 8.32 Variao do rendimento com a potncia til.

8.6. Campo de Aplicao das Turbinas Hidrulicas

Teoricamente no impossvel construir turbinas de um tipo qualquer para todas as velocidades especficas, porm aprtica do projeto e os resultados obtidos com as turbinas instaladas tem mostrado que cada um dos tipos s pode serempregado com bom rendimento para valores de ns compreendido entre determinados limites, o que significa dizer que, de


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um certo modo, essa grandeza especfica (determina) o tipo de turbina a ser usada numa instalao caracterizada pelosvalores de Q, H e n.

A prtica mostrou ainda que, para valores dados de queda e potncia, os custos das turbinas e da instalao como umtodo diminuem quando a velocidade especfica aumenta.

A tabela 3 mostra o campo de aplicao das principais turbinas, em funo de n e H, baseada em turbinas instaladasapresentam no s bons rendimentos, mas tambm os menores custos.

Tabela 3: Campo de aplicao dos diversos tipos de turbinas.Tipos de turbinas ns(rpm) nq=ns/3,36 (rpm) H (m)Pelton 1 jato1 jato1 jato2 jatos2 jatos4 jatos

6 jatos

1818-2526-3526-3536-5040-50

51-7172-90

5,35,3-7,47,7-10,47,7-10,410,7-14,911,9-14,9

15,1-21,021,4-26,8

800800-400400-100800-400400-100400-100

500-200400-100

Francis muito lentalentanormalrpida (ou Driaz)extra-rpida

55-7071-120121-200201-300301-450

16,4-20,821,1-35,736,0-59,559,8-89,289,6-133,9

600-200200-100100-7070-2525-15

PropellerKaplanBulboTubularesStraflo

8 ps7 ps6 ps5 ps4 ps

250-320321-430431-530534-620624 em diante

74,4-95,295,5-128,0128,3-157,7159,0-184,5185 em diante

70-5050-4040-3030-2030

A figura 8.33 mostra a representao grfica desta tabela.

Figura 8.33 Campo de ampliao das turbinas Pelton, Francis e Kaplan de acordo com aqueda e a velocidade especfica.


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8.7. Caractersticas de algumas Turbinas Hidrulicas instaladas no Brasil

A tabela 4 mostra H, Q, n e N bem como o fabricante e o tipo das Turbinas Hidrulicasinstaladas nas principais usinas brasileiras.

Tabela 4: Caractersticas de algumas turbinas hidrulicas instaladas no BrasilUsina Tipo H (m) Q (m3.s-1) N (rpm) N (CV)Itaip - Rio ParanPaulo Afonso IV - Rio S FranciscoItumbiara - Rio Paranabagua Vermelha - Rio GrandeSo Simo - Rio ParanabaFoz de Areia - Rio IguauTucuru - Rio TocantinsEstreito - Rio GrandeFurnas (Alpinpolis) - Rio GrandeIlha Solteira - Rio ParanMarinbondo - Rio GrandeSalto Osrio - Quedas Iguau

Passo Fundo - Rio Passo FundoPorto Colmbia - Rio GrandeXavantes - Rio ParanapanemaCapivara - Rio ParanapanemaPromisso - Rio TiteJupi - Rio ParanPorto Primavera - Rio ParanSobradinho - Rio So FranciscoMoxot - Rio So FranciscoBernardo Mascarenhas (Trs Marias) -Volta Grande - Rio GrandeJupi - rio ParanBarra Bonita - Rio TiteParigot de Souza - Rio CapivariCubato 1- Henry BordenCubato 2 - Fonte, (primitiva)Fontes antigas - Rio Pira

FrancisFrancisFrancisFrancisFrancisFrancisFrancisFrancisFrancisFrancisFrancisFrancis

FrancisFrancisFrancisFrancisKaplanKaplanKaplanKaplanKaplanKaplanKaplan(5ps)KaplanKaplanPeltonPeltonPeltonPelton

12013580139,971,329,860,860,888,94660,372

25319,373,748,425,025,419,227,221,057,226,22324714,3719,5684310

660385522500420302576306,5190389319240

48464141,5375380400751715550150430462148101212,71,53

94,212094,79594,7128,685113,515086100120

30086129100909867758016485,778,41295143601501094

971.500577.600481.000312.712370.000457.000429.880231.000210.000225.000242.000214.500

150.000111.000144.000225.000120.000140.000177.000242.000150.05790.000140.038107.06047.40087.20092.27489.23219.264

Voith. Mec. Pesada Neyrpic, Creusot, BS1Voith, BardellaBVVS, Bardella, VoithNeyrpicNeyrpic & Mec. Pesada--------VoithNohab e BardellaHitachi, Voith. Neyrpic, Asgen, Creusot Escher Wyss, Franco, Tosi, Riva Calzoni

Voith, Creusot, Mec. PesadaMitsubishi e HitachiMitsubishiBardellaEscher WyssLening METSKODAEscher Wyss, Calzoni, Mec. Pesada, AsgenMecnica PesadaLMZDominion

Voith GMBHDominion

Escher WyssEscher WyssCharmillesCharmilles, Voith, Allis Chalmers


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Charmilles, DominionEscher Wyss

8.8. Pr-Dimensionamento das Turbinas Hidrulicas

Nesta seo apresentaremos um roteiro juntamente com alguns grficos que nospossibilitar fazer um pr-dimensionamento das turbinas hidrulicas dentro, claro, daslimitaes do texto desenvolvido.

8.8.1. Dados para o Dimensionamento das Turbinas Hidrulicas

Para o dimensionamento de qualquer Turbinas Hidrulicas indispensvel,subsidiariamente, conhecer:

- As caractersticas fsicas e qumicas do fluido de trabalho;- As caractersticas locais, no que se refere ao ambiente e ao local de instalao;- As caractersticas operacionais.

Desse modo, mais especificamente, deve-se conhecer:

- Quedas (H);- Vazes (Q);- Altura do nvel d'gua de jusante;- Caractersticas do sistema que ser acionado.

8.8.2. Pr-Dimensionamento de Turbinas Francis

a)DADOS BSICOS

Q (m3/s): vazo para o ponto de projeto (nominal).H (m): queda disponvel para o ponto de projeto.n (rps): rotao da turbina para ponto de projeto.

b)CLCULOS PRELIMINARES

-Trabalho especfico (y).-Rotao especfica (qa).

-Rendimento (n,m,t).-Potncias (hidrulica e do eixo).

c)ESCOLHA DO TIPOBaseado na rotao especfica (qa) e tambm na altura mxima (hsmx) que poder ser instalada a turbina livre do

perigo de cavitao. Determina-se o coeficiente de cavitao ( min) no grfico 1.


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Grfico 1 - Elementos para Pr-Dimensionamento de Rotores Francis

Determina-se o nmero de plos do alternador.Determinao do tipo de rotor (lento, normal, rpido).

d)ELEMENTOS DE ORIENTAO PARA O ROTOR.

- O grfico 1 trs algumas relaes importantes em funo deqa:


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C52mx/2y ; D4m/D5e; b0/D5e;tmx; ymx; Qn/Qmx

onde:

C5mx=velocidade mxima na entrada do tubo de suco.Qn = vazo nominal.D5e=dimetro externo da aresta de sada.

D4m=dimetro mdio da aresta de entrada.

b0= largura do distribuidor.

-Dado y, determinao C5mx.

-Dado Q e calculado C5mx, determina-se (D5e)minatravs da equao da continuidade.

-Determinao de (D4m)mine (b0)min.

-Determinao do nmero e da espessura das ps do rotor.-Verificar se a equao fundamental satisfeita.-Determinao de D4m, D5e, C5 e b0.

-Determina-se os tringulos de velocidade para as arestas de entrada e sada do rotor.

e)DETERMINAO DAS CARACTERSTICAS DO INJETOR

f)DETERMINAO DAS CARACTERSTICAS DA CAIXA ESPIRAL

g)DETERMINAO DA CARACTERSTICAS DO DISTRIBUIDOR

-dimenses;-nmero de ps, espessura e passo;-outros.

h)DETERMINAO DAS CARACTERSTICAS DO TUBO DE SUCO

-forma;-comprimento;-dimetro de entrada e sada.

i)DETERMINAO DO DIMETRO DO EIXO DA TURBINA

8.8.3. Pr-Dimensionamento de Turbinas Pelton

a)DADOS BSICOS


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-Q-H


-y-t,m,h-Ph, Pef

c)ESCOLHA DO TIPO

-limitada a rotao especfica;-Determinao do nmero de injetores (jatos);

-Determinao da posio do eixo.d)CLCULO DO DIMETRO DO JATO (d0)

e)CLCULO DAS PS

-dimenses principais (grfico 2);-passo;-nmero;-inclinao da Aresta.


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Grfico 2 - Elementos para Pr-Dimensionamento de Rotores Pelton


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f)CLCULO DAS DIMENSES PRINCIPAIS DO ROTOR

-Dimetro do circulo tangente ao eixo do jato (Dm);

-Dimetro exterior do divisor (Dr);

-Dimetro externo;-Dimetro interno.

g)CLCULO DA AGULHA E DO INJETOR

-Adoo dos ngulos;-Determinao do dimetro do injetor;-Determinao do dimetro mximo da agulha;-Determinao do dimetro do cano.

8.8.4.Pr-Dimensionamento de Turbinas Kaplan

a)DADOS BSICOS-Q;-H.


-Y;-qa;-t,m,h;

-Ph, Pef.

c) ESCOLHA DO TIPO

-Baseado emqae hsmx(min'grfico 3').

-Determinao do nmero de plos do alternador.


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Grfico 3 - Elementos para Pr-Dimensionamento de Rotores Kaplan e Hlice

d)CLCULO DO ROTOR


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-Elementos de orientaes (grfico 3).

C52mx/ 2y ; Di/De; b0/De

-Dimenses principais : (dimetro externo do rotor, dimetro do cubo, seo livre para passagem de gua).-Caractersticas das ps (passo, nmero, comprimento);-Traado do diagrama de velocidades.

e)CCULO DO DISTRIBUIDOR

-Determinao do dimetro;-Determinao do nmero de ps;-Determinao das velocidades e ngulos de incidncia.

f)DETERMINAO DA ESPIRAL

-Determinao da velocidade de entrada;-Determinao das dimenses

g)DETERMINAO DO TUBO DE SUCO

-Determinao da velocidade de entrada e sada

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