PONTIFICIA UNIVERSIDADE CATOLICA DE MINAS GERAIS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELETRICA

CENTRAIS ELETRICAS

CENTRAIS HIDRELETRICAS

2000

IDIREITOS AUTORAIS RESERVADOS

1. POTENCIAL HIDRAULICO 1.1 Generalidades

INDICE1 1 2

1.2 Definicao de Alguns Termos Comuns em Hidrologia

1.2.1 Elementos relativos a bacia hidrografica

2 34

1.2.2 Elementos relativos ao curso d'agua 1.3 Fluviometria

1.3.1 Uso de flutuadores 1.3.2. Uso de Tubo de Pitot 1.3.3 Uso de vertedores 1.3.4 Uso de molinetes 2. NOCOES GERAIS SOBRE USINAS HIDROELETRICAS 2.1 Generalidades 2.2 A Hidroeletricidade para o Brasil 2.3 Fatores que Influem na Localizacao de uma Usina Hidroeletrica 3. CLASSIFICACAO DAS USINAS HIDROELETRICAS 4. PRINCIPAIS PARTES DA CENTRAL HIDROELETRICA 4.1 Centrais de Desvio 4.2 Centrais de Represamento 4.3 Barragens

5 6 7 911 11 13 15 16 18 19 19 20

4.3.1 Barragens a gravidade 4.3.2 Barragens a arco 4.3.3 Barragens a arco-gravidade 5. OBRAS ACESSORIAS DAS BARRAGENS 5.1 Descarregadores de Vaziies Excedentes

21 23 2424 24

n 411

5.1.1 Descarregadores de superficie ou vertedores 5.1.2 Descarregadores de fundo 5.2 Tomadas de Agua 5.3 Conducao de Aducao da Agua 5.3.1 Condutos de baixa pressao 5.3.2 Condutos forcados 5.4 Camara de Carga 5.5 Chamines de Equilibrio 5.6 Restituicao da Agua ao Leito do Rio 6. GENERALIDADES SOBRE TURBINAS HIDRAULICAS 6.1 Principais componentes 6.2 Classificacao das Turbinas Hidraulicas Turbina de acao Turbina de reacao 6.3 Variacio da Energia Hidraulica em Instalacoes com Turbinas de Acao e de Reacio 6.4 Campo de Emprego das Turbinas Hidraulicas 6.4.1 Introducao 6.4.2 A escolha da turbina 6.5 Turbinas Pe1ton 6.5.1 Generalidades 6.5.2 Constituicao mecanica da turbina Pe1ton 6.6 Turbinas Francis 6.6.1 Generalidades 6.6.2 Constituicao mecanica da turbina Francis 6.6.3 Instalacoes com turbinas Francis

24 25 26 27 27 27 29 31 33 34 34 35 36 37

38 38 38 39 43 43 44 46 46 47 59

6.7 Turbinas Mice e Kaplan 6.7.1 Desenvolvimento 6.7.2 Turbina Mice 6.7.3 Turbinas Kaplan 7. EXEMPLO DE CALCULO PARA DETERNIINACAO DE UM APROVEITAMENTO HIDRAULICO 8. A GERACAO HIDROELETRICA NO ESTADO DE MINAS GERAIS 9. GRAFICOS, DESENHOS E FIGURAS

50 50 53 54 57 59 62

1. POTENCIAL HIDRAULICO

1.1 GeneralidadesOs elementos basicos de uma fonte de potencial hidraulico do:

411

rios e cursos d'agua em geral; uma altura ou queda disponivel que permits o aproveitamento do caudal na producAo de energia.

A potancia hidraulica bruta em urn curso d'agua , assim, dada por: N*_ QH * 75

onde: N* = potencia hidraulica bruta, em CV Q = vazio turbinada ou descarga derivavel, em m 3/s 11* = altura bruta ou queda topografica entre as cotas do nivel d'agua de montante e jusante, em metro De uma maneira geral, a determinacao da queda bruta um mero problema de topografia. A determinacao da descarga derivivel e de suas variaciies a, contudo, urn problema que demanda estudos bem mais cuidadosos e demorados. Torna-se necessario, portanto, que o engenheiro dedicado a hidroeletricidade tenha bons conhecimentos de hidrologia para bem poder avaliar as possibilidades de um aproveitamento hidroeletrico. A hidrologia , no seu sentido mais amplo, a ciencia que estuda a ocorrencia, a circulacao e a distribuicao de agua na natureza, bem como responde pela analise dos fenomenos e pelas leis naturals que os explicam. A avaliacao da descarga derivivel ou vazAo turbinada requer, portanto, esses conhecimentos de hidrologia, importando, inclusive, o conhecimento de fatores que afetam o regime do curso d'agua como precipitac5es, evaporaclo e infiltracao das aguas.

00

1.2 Definigao de Alguns Termos Comuns em HidrologiaDentre um nitmero considerivel destes, destacaremos aqueles que mais comumente comparecem em hidroeletricidade e. inclusive. sao imprescindiveis ao estudo dos aproveitamentos hidraulicos. Para maior clareza, sao os mesmos divididos em dois grupos: Elementos relativos bacia hidrograflca Elementos relativos ao curso d'agua.1.2.1 Elementos relativos bacia hidrografica

io

1. Afluxo da bacia: volume total da precipitacao na bacia em um dado interval de tempo.

2. Altura do fluxo: espessura da lamina d'agua de volume igual ao afluxo da bacia, suposta uniformemente distribuida na superficie da mesma. 3. Defluxo da bacia: volume total de agua que deixa a bacia em um dado interval de tempo.4. Altura do defluxo: espessura da lamina d'agua de volume igual ao defluxo, suposta uniformemente distribuida na superficie da bacia.1.2.2 Elementos relativos ao curso d'agua

4.

1. Defliivio: volume total de agua que passa nusna seccio transversal de um curso d'agua em determinado tempo. Tem-se, assim, deflitvio anual, mensal e diario, expressos em milhoes de metros cnbicos. 2. Descarga: deflnvio na unidade de tempo, isto 6, metros cnbicos por segundo. 3. Descarga diaria: media aritmetica das descargas que ocorrem durante o dia. 4. Descargas medias mensal e anual: media aritmetica das descargas que ocorrem durante o mess e durante o ano, respectivamente. 5. Descarga minima anual: menor descarga oconida durante o ano. 6. Descarga maxima anual: maior descarga ocorrida durante o ano.

7. Descarga maxima absoluta: maior descarga que se presume possa ocorrer, em qualquer tempo.8. Descarga minima absoluta: menor descarga que se sabe tenha ocorrido em estiagetn excepcional e que pode produzir-se de longos em longos periodos.

9. Descarga media normal de n anos: media aritmetica das descargas minis para n anos consecutivos. Dentre esses elementos, influem diretamente no estudo basic de uma usina hidroeletrica: Descarga media (diaria, mensal ou anual): medida durante um periodo de varios anos, torna-se o valor basic para determinacao da capacidade de usina e para estimativa da producao de energia. * Descarga minima: para avaliacao disponivel e, muitas vezes, servindo de base para estabelecer a implantacdo de uma usina termoeletrica auxiliar. * Descarga maxima: para permitir inna instalacao segura, influindo na escolha e dimensionamento adequado dos vertedores e comportas de seguranca, visando conferir ao aproveitamento, seguranca para evitar os perigos de enchentes para as propriedades do montante.

1.3 FluviometriaA fluviometria e a parte da hidrog;rafia que estuda a medicio das descargas ou vazoes dos dos ou outros cursos d'agua, medicoes estas necessaria detenninacao do potencial hidraulico disponivel. Estas descargas caracterizam-se por extrema variabilidade, muitas vezes, em amplos limites, sendo esta variabilidade ou grau de irregularidade medido pela relacao entre a descarga maxima e a minima. 0 quadro abaixo da ideia do grau de irregularidade de algtms rios brasileiros. Quadro I - Grau de regularidade de alguns rios do Brasil

41

Bacia Parana Leste Sao Francisco Parana Lagoa dos Patos Grande

Rio

Qmax/Qmin11200 20 ' 5 1 547 2.133 22,7 1 94 11 8.336 _ 1 757 39 3.991 _ 1 102,4 3.050 396 1 7,7

Regime do Rio estavel estavel uniforme regular mstavel e irregular

Paraiba do Sul Sao Francisco Iguacu Jacui

,

4

Quanto aos processos empregados para a medicio da vazao, cumpre ressaltar que a aplicacAo dos mesmos , acima de tudo, fbncao das condicOes locais. Para se ter tuna ideia da variedade destes processos, suficiente dizer que, para a execucao dos mesmos, lanca-se mao desde o uso de simples flutuadores ate o uso de radio-isotopos, em processos mais sofisticados e de maior responsabilidade. Dentre estes tantos processos, as condic5es locais, quase sempre, possibilitam o emprego dos seguintes: Flutuadores.

Tubos de Pitot.

V ertedores. Molinetes.

1.3.1 Uso de flutuadoresProcesso comumente empregado em cursos d'agua de menor tamanho e que consiste em se lancar nos mesmos urn flutuador, encaminhando-o para os pontos onde os filetes sao mais velozes. Marcam-se, entao, dois pontos do curso d'agua afastados entre si pela distancia / (/ variando de 20 a 30 ) e mede-se a seguir, o tempo t gasto pelo flutuador para percorrer esta distancia.

4, 2.lc

1--1.13"" 1

`; 7,

tc

-ses

Figura 1 - Uso de flutuadores para medir velocidade media do curso d'agua

Nestas condicoes:

V

,

.

=

t

Para a velocidade media, pode-se admitir, com razoivel precisAo, que: V = 0,8 x V

-

Basta, agora, fazer o levantamento da seccAo transversal e aplicar a equacio de continuidade, ou seja: Q =A V Onde: Q: vazAo em m3/s. A: area de seccao transversal, em m2. 0 levantamento da seccAo e feito da seguinte maneira: Se o curso d'agua e artificial (canal, p.ex.), basta medir a profundidade da lamina d'agua e calcular a seccio usando o perfil conhecido da planta de construcao.

Se o curso d'agua e natural, o levantamento da seccao feito atraves da sondagetn de uma seccAo: paralelismo das margens, uniformidade da velocidade e fundo mais regular (quadro possivel).

A Figura abaixo ilustra com bastante clareza este rudimentar processo de levantamento da seccio.

fi_

e, 1

e.

fn".

3 -

-

A -

y

If -

4-

Figura 2 - Levantamento de secciio do curso d'agua.

1.3.2. Uso de Tubo de Pitot Tem a finalidade de medir a velocidade em um ponto da corrente d'agua sendo uma aplicacao imediata do teorema de Bernoulli. Consiste em utn tubo recurvado que e mergulhado em tun ponto do curso d'agua.

NA

pi

,1 eei/4,

.n

.n

nn

nn

Figura 3 - Medici-to da velocidade atraves do tubo de Pitot

A energia cinetica 6, end, transformada em energia de posicAo e, aplicando o teorema de Bernoulli, podemos escrever.

P, 0+ + V,2 _0+ P, +hy 2g Donde:

VI =v=k

V2gh

Devido ao atrito da agua com o tubo de Pitot, emprega-se um cormtivo K, variavel entre 0,5 e 1,0 de modo que a velocidade para ca1culo da vazao passa a ser:

A seguir, faz-se o levantamento da seccao e emprega-se a equacao de continuidade. 1.3.3 Uso de vertedores um processo, como os anteriores, empregado para medicao de vallies pequenas e medias em cursos d'agua naturals ou artificiais. Os vertedores sio aberturas ou entalhes de geometria definida, dispostos transversalmente corrente e sobre os quais escoa a agua.

a

2_3m

.`.

..,1

Stie

"dr,41 " et" $.0...

Figura 4 - Mediciio de vatho atraves de vertedores

Do ponto de vista terminologico, tem-se nos vertedores:

Crista ou soleira: a borda horizontal do vertedor. Faces: Sio as bordas verticais. Carga do vertedor: altura atingida pelas Aguas acima da soleira do vertedor e medida como se mostra a figura acima.Assim, chamando h a carga do vertedor ou espessura da lamina d'agua acima de sua soleira, mostra-nos a figura acima que:

h=a-cExaminando-se o escoamento da agua em vertedores (do tipo retangular, por exemplo), verifica-se que, quando a largura L do vertedor menor que a largura do canal, ocorrem contrac"Oes na lamina vertente, ou seja, os filetes inferiores, a montante, sobem e tocam a soleira, enquanto outros filetes abaixam-se. Segundo Francis, tudo se passa como se a efetiva largura do vertedor diminuisse, e tal fato influi na medicao. Assim, para o vertedor retangular sem contracio da lamina vertente, a vazao dada por:

Onde.

Q = 1,838 L h312 Q: vazao, em m3 S L: largura do vertedor h: carga do vertedor

e

,

,\

k ,. ' , ;

i1 I 'I

I1

I 1.

Figura 5 - Vertedores com contracoes (quando L < largura do canal)

Para vertedores retangulares com contracoes, teremos: Q = 1,838 (L - 0,2h) h312 As expressiks acima sAo validas para vertedores retangulares de paredes delgadas (chapa ou madeira chanfrada). Quando, contudo, a parede do vertedor tem uma espessura (e = 0,66h), o vertedor considerado de parede espessa.

...... ....,..,

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