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Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva

1

Máquinas de Fluxo

Prof. Dr. Emílio Carlos Nelli Silva

Escola Politécnica da USP

Departamento de Engenharia Mecatrônica e Sistemas

Mecânicos


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• Introdução

Turbinas Hidráulicas

• Apresentam-se as turbinas de uso mais comum

• Características construtivas, operacionais,

condições de aplicação limites de execução e

instalação • Características operacionais e construtivas =

escolha da melhor máquina para uma dada aplicação

• São elas: Pelton, Francis e Kaplan e suas

variantes

• Formas menos comuns apenas citadas

• Seguidas as normas brasileiras relacionadas


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• Turbina Pelton • Rotação específica: nq 20, número tipo K 0,364

Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas

• Máquinas de fluxo de ação: • Energia mecânica = transformação da energia cinética do

fluxo de água através do rotor (NBR 6445)

• Turbina Pelton: segundo norma NBR 6445, turbina de ação na

qual o fluxo de água incide sob a forma de jato sobre o rotor que

possui pás em forma de duas conchas. A direção dos jatos é

paralela em relação ao plano do rotor.

• Elevadas alturas de queda e conseqüentes pequenas

vazões

• Topografia brasileira não favorece Pelton de grande porte


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• Turbina Pelton • Princípio de operação e partes principais


• Número de jatos = função da vazão disponível – 1 a 6

• Mesma Q – mais jatos = menores diâmetros = menores pás =

menor rotor

Turbina Pelton de 1 jato Corte da pá e velocidades.


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• Turbina Pelton • Princípio de operação e partes principais


• Partes principais – segundo norma NBR 6445

Componentes principais (trabalho): 1- rotor; 2– injetor; 3– defletor Demais: 4– mancal de escora; 5- conduto de distribuição; 6- agulha; 7-

acionamento do defletor; 8- anel de regulação; 9- anteparo para jato


6

• Turbina Pelton • Exemplos de turbinas Pelton


1- defletor; 2– agulha; 3– alavanca

de posição; 4- transferidor; 5- braço

de alavanca (transfere informação

para sistema de regulação);

• Posição da Agulha: define a vazão

do jato:


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• Turbina Francis • Rotação específica: 20 nq 100, número tipo

0,364 K 1,82


• Máquinas de fluxo de reação:

• Máquinas em que o trabalho está associado à variação de pressão

e energia cinética no rotor

• Exemplo: turbina Francis: segundo norma NBR 6445, turbina de

reação na qual o fluxo de água penetra radialmente no distribuidor

e no rotor, no qual as pás são fixas.

• Outros: turbinas Kaplan e todas as bombas hidráulicas de fluxo

• Altura de queda entre 45 e 750m – competem com Kaplan

e Pelton

• Grande parte da eletricidade gerada no Brasil


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• Turbina Francis • Princípio de operação e partes principais


Rotor Francis

• Água atua simultaneamente em todas as pás

• Variação de 90o no escoamento entre entrada e saída


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• Turbina Francis • Princípio de operação e partes principais


• Partes principais – segundo norma NBR 6445

Obs.: componentes adicionais (com relação à Pelton) • maior rendimento (2%)

• projeto mais complexo e > custo de instalação, operação e

manutenção


• Obs1.: menores curvaturas das pás menos perdas no escoamento

maiores rendimentos das turbinas de reação

• Obs2.: variação da direção do fluxo = esforços axiais no eixo

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• Turbina Francis • Transformação de energia em turbinas de reação


• Comportamento das pressões e velocidades:

• Obs.: parte da energia de pressão energia cinética (no distribuidor)

• Equação de Euler:

1u1u2u2uth cucuY


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• Turbina Francis • Representação gráfica e indiciação em rotores Francis


• Obs.: bombas – mesma indiciação

• Projeções parciais em planta e elevação (a de cima), em corte =>

projeção meridiana:


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• Turbina Francis • Formas construtivas de rotores Francis


• Rotores correspondentes: projeção meridiana:

• Tabela: formas construtivas das turbinas


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• Turbina Francis • Exemplo: Usina de Victoria Falls


1- rotor;

2– caixa espiral;

3– mancais;

4- gerador elétrico;

5- excitatriz;

6- válvula de esfera;

7- comporta do tubo de

sucção;


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• Turbina Francis • Triângulos de velocidade na face de sucção (Saída)

de turbinas Francis


• Vazões diferentes => pontos ou condições de operação diferentes

=> α’s diferentes


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• Turbina Francis • Triângulos de velocidade na face de sucção (Saída)

de turbinas Francis


• β1* = β1 saída sem choque;

• Ponto de máximo rendimento • Condição de projeto: saída irrotacional α1=90º mínimo de dissipação

na saída do rotor (sem rotação em torno do eixo do tubo de sucção)

• Aumento de pressão ao longo do duto reduz-se velocidade de rotação =

redução de perdas!


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• Turbina Francis • Triângulos de velocidade na face de pressão

(Entrada) de turbinas Francis


• Obs.1: comportamento diferente do da face de sucção;

• Obs. 2: ponto ótimo entrada sem choque (mínima dissipação) –

condição de projeto

*

22


17 Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas

• Turbina Kaplan • Rotação específica: 95 nq 310, número tipo

1,729 K 5,642

• Turbina de reação, na qual o fluxo de água tem direção radial no

distribuidor, aproximadamente axial na entrada do rotor, analogamente às

turbinas hélice, porém na qual as pás têm passo regulável em funcionamento

• 2 variantes adicionais: hélice e bulbo

• Altura de queda entre 2 e 60m – competem com Francis ultra rápidas em

alturas de queda mais elevadas (> nq)

• Alternativa onde há restrição quanto a área inundada (ex: proximidade com

cidades)

• número de pás: 4 a 8 – aumento = redução das tensões de flexão no eixo

que suporta o conjunto, em balanço


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• Turbina Kaplan • Princípio de operação e partes principais


Rotores

Kaplan

• Água atua simultaneamente em todas as pás

• Kaplan de eixo vertical: variação de 90o no

escoamento entre entrada do distribuidor e

entrada do rotor

• Bulbo: escoamento aproximadamente axial

Rotor

Andritz


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• Turbina Kaplan • Princípio de operação e

partes principais


• Partes principais – segundo norma

NBR 6445

Obs.: partes específicas: rotor, caixa semi-

espiral (< 360o), cubo do rotor, ogiva e variador

de rotação (= geradores menores)

• Partes não mostradas: • Caixa semi-espiral

• Tubo de sucção, pás fixas do pré-

distribuidor, e palhetas diretrizes

do distribuidor (ver Francis)

• Mecanismo de movimentação das

pás: interior da ogiva

ogiva

cubo

pá

Usina Hidrelétrica de Estreito


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• Turbina Kaplan • Representação gráfica e indiciação em rotores

Kaplan


• Projeções parciais em planta e elevação (a

superior): projeção meridiana


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• Turbina Kaplan • Exemplos de turbinas Kaplan


• Kaplan de eixo vertical


22

• Turbina Kaplan • Exemplos de turbinas Kaplan


• Bulbo


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• Formas construtivas adicionais • Aproveitamentos de menor porte = rotores iguais aos

anteriores, mas com demais componentes mais simples

• Ou novas formas de rotores, menos eficientes ou mais caras

• Exemplo: Turbina Diagonal ou Dèriaz


• Aplicadas em alturas de queda entre 30 e 130m

• Custo elevado; características da Kaplan e Francis



• Formas construtivas adicionais • Turbina tubular com gerador periférico (Straight

flow ou Straflo)

• Reguláveis ou em forma

hélice

• Turbina e gerador = unidade

integral = não há eixo ligando-

os

• 1-Rotor, 10-Estator, 2-Pá, 8-

Tubo de sucção



• Formas construtivas adicionais • Turbina de fluxo transversal ou Michell-Bànki

• Turbinas de ação

• Simplicidade = pequenas

centrais hidrelétricas

• 6-válvula de aeração = impedir

pressões muito abaixo da

atmosférica integridade

estrutural da máquina



• Formas construtivas adicionais • Turbina para pequenos ou micro aproveitamentos

• Também chamadas de “standard” pelos fabricantes = dimensões

padrão e condições operacionais pré-definidas = aproveitamentos

devem estar adequados às máquinas

• Versões simplificadas e reduzidas das de grande porte = reduzir

custos de fabricação e atingir mercado específico

• Demanda limitada; aproveitamentos privados


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• Partes componentes de turbinas • Caixa espiral e pré-distribuidor


• Caixa espiral: NBR 6445 –

conduzir o fluxo de água

recebido da adutora até o

distribuidor. Obs.: seções

transversais reduzem-se.

• pré-distribuidor: pás fixas

entre os anéis 4 e 5 – rigidez

estrutural da caixa e pré-

orientação do escoamento para

o distribuidor.


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• Partes componentes de turbinas • Distribuidor e acionamento das palhetas diretrizes


• Distribuidor: pás móveis entre os anéis 4 e 5 – orientação do

escoamento e controlar a vazão para o rotor.

• Acionamento: anel de regulação 1, movido por 1 ou 2 motores

hidráulicos

Sistema

hidráulico

que controla

as palhetas

móveis do

distribuidor

Itaipu

Eixo da

turbina


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• Partes componentes de turbinas • Tubo de sucção


• NBR 6445 –

finalidade: grande

parte da energia

cinética energia de

pressão + conduzir a

água até o canal de

fuga ou o início de

uma nova estrutura

hidráulica.

• seção transversal

crescente = aumento

de pressão.

• Máquinas Francis e Kaplan de eixo vertical


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• Partes componentes de turbinas • Tubo de sucção


• Máquinas Francis e Kaplan de eixo vertical • Hidrelétrica Norris:

• Máquina

Bulbo:


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• Partes componentes de turbinas • Mancais para turbinas


• Deslizamento: sapatas intermediárias e filme de óleo sob pressão

entre elas (submetido a resfriamento)

• Mancal de escora • Mancal de guia • Mancal combinado


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• Análise das formas construtivas


• Escolha por rotação específica: superposição de formas construtivas.

Exemplo: Francis e Kaplan

• Objetivo: apresentação de informações técnicas sobre as principais formas

construtivas visando permitir uma análise comparativa mais profunda

• Além de aspectos técnicos: econômicos e de financiamento da obra



• Análise das formas construtivas • Rendimento comparado

• Rendimentos máximos: Francis, Kaplan e Bulbo > Pelton

• Rendimento em função da vazão: diverso

• Obs.: Máquinas de ação: velocidade do jato depende da altura da queda e para

altas quedas esta pouco varia => força do jato pouco varia => rendimento pouco

varia



• Análise das formas construtivas • Rendimento comparado

• Kaplan: segunda melhor curva (menor variação de η) – dupla

regulação = mudar ângulo das pás na operação = busca da melhor

condição operacional para cada vazão

• Curva de rendimento da turbina Kaplan de dupla regulação:



• Análise das formas construtivas • Superposição das formas construtivas Pelton-Francis

• Pelton: não afogada

• Pelton: diâmetro menor,

mas casa de máquinas maior

• Francis: tubo de sucção:

custo elevado

• Operação sob

mesma altura de

queda e potência:

• Fator de preço (ref.: Francis 20MW): • Relação de preços: fornecimento de conjunto

completo de peças sobressalentes em aço inox



• Análise das formas construtivas • Superposição das formas construtivas Pelton-Francis

• Tabela com principais características comparadas (Escher-Wyss):

Tabela 4.3.6 –83

• Obs.: Pelton –

manutenção com pessoal

menos qualificado;

reduzida massa dos

rotores = aquisição de

sobressalente; fácil

retirada do rotor



• Análise das formas construtivas • Superposição das formas construtivas Francis - Kaplan

• Operação sob mesma altura de queda e potência (50m e 50MW):

• Francis: D2<D1 => distribuidor e caixa espiral

menores

• Kaplan: cubo: módulos de velocidade maiores = • maior sensibilidade à ocorrência de cavitação =

maior submergência

• maior velocidade à saída do rotor = tubos de

sucção maiores

• Portanto (maiores submergências e tubos de

sucção) maiores volumes escavados

• Kaplan: dupla regulação • eleva custo de projeto, execução, montagem e

manutenção

• reduz sensibilidade a variações de altura de

queda e vazão



• Análise das formas construtivas • Pré-dimensionamento de diâmetros de turbinas

• Tomando como referência levantamentos estatísticos das

máquinas em operação => diagramas relacionando diâmetros

específicos de turbinas com a rotação específica, tendo-se como

parâmetros das curvas, os adimensionais ø e φ

• Com os diagramas: valor inicial para o diâmetro de turbinas

conforme o seguinte equacionamento:

• Diâmetro específico: • Diâmetro do rotor:


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• Transformação de energia em turbinas

Turbinas Hidráulicas

• Fluxo de energia em turbinas: cada forma

específica de perda identificável ao longo do

trajeto da partícula fluida entre a entrada e saída

da máquina

• Análise = sob aspectos global e interno • Global = máquina = caixa preta: somente modelo

termodinâmico importa (equações do trabalho e

potência discutidos anteriormente)

• Interno = perdas


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• Análise global

Turbinas Hidráulicas: Transformação de Energia

• I: face de sucção da

máq.; região de

menor pressão

• II: face de pressão

da máq.; região de

maior pressão

• máq. adiabática =

troca de calor nula:

∆Q=0

• regime permanente:

ctem

• Modelo:


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• Análise global

Turbinas Hidráulicas: Transformação de Energia

• Conceitos na análise: definições resumidas nas equações

seguintes:

• Trabalho específico:

• Altura de queda:

• Potência fluida:

• Rendimentos:

• ηu : útil =

• ηi : interno =

• ηm : mecânico =

• ηh : hidráulico = • Obs.: f indica fluido e t indica teórico (número infinito de pás e largura

pequena do canal)

específica energia da variaçãoIIY III

gYalturaH

QgHQYYmPf

fuu PP

fii PP

ium PP

fth PP


42 Turbinas Hidráulicas: Transformação de Energia

• Análise interna • Fluxo de potência:

• Contribuição de cada um dos componentes para perdas e rendimento:

• Francis com

Re=6 106

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