MÁQUINAS HIDRÁULICAS

PROF.: KAIO DUTRA

AULA 14 – TURBINAS HIDRÁULICAS

Centrais Hidroelétricas◦ A energia hidráulica encontra-se no mares, rios

e reservatórios, sob a forma potencial e cinéticae podem ser transformadas em trabalho pelautilização das centrais hidroelétricas, mediante autilização de desníveis naturais ou criadosartificialmente.

◦ As centrais com turbinas hidráulicas sãoclassificadas de acordo com a potência:◦ Micro centrais: P<100KW

◦ Minicentrais: P=100 a 1000KW

◦ Pequenas centrais: P= 1 a 30MW

◦ Médias centrais: P=30 a 100MW

◦ Grandes centrais: P > 100MW

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Centrais Hidroelétricas◦ Uma central hidroelétrica, geralmente, é constituída de

uma barragem que tem como finalidade o aumento dodesnível da água e armazenagem para controle dageração.

◦ Para controlar o nível do reservatório, usa-se comportasque são abertas conforme a necessidade.

◦ A água é conduzida por dutos onde encontram-seinstaladas as turbinas hidráulicas que transformam aenergia cinética da água em trabalho de eixo, gerandoenergia elétrica por intermédio de um gerador elétrico.

◦ Após a passagem pela turbina, a águe seu curso natural.

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Centrais Hidroelétricas◦ O gerador é um dispositivo que funciona através da

indução eletromagnética. Em sua forma mais simples,consiste numa espira em forma de retângulo. Ela ficaimersa num campo magnético e gira em torno de umeixo perpendicular às linhas desse campo. Quandofazemos a espira girar com movimento regular, o fluxomagnético que atravessa sua superfície variacontinuamente. Surge assim, na espira, uma correnteinduzida periódica. A cada meia volta da espira o sentidoda corrente se inverte, por isso ela recebe o nome decorrente alternada.

◦ Os geradores são ligados a uma subestação que onde éfeita a transformação de tensão para distribuição narede.

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Centrais Hidroelétricas◦ A energia disponível para geração de trabalho na

turbina é denominada “altura de queda disponível”representado pela letra H. Este e determinada pelaseguinte formulação:

◦ H=He-Hp

◦ Onde:◦ He = Desnível geométrico entre o reservatório e a turbina;

◦ Hp = Perda de carga nos dutos até a chegada na turbina.

◦ H é geralmente apresentado em mca (metros coluna deágua).

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Centrais Hidroelétricas◦ Segue as maiores centrais hidrelétricas:◦ 1º - Três Gargantas (China): 18.200 MW

◦ 2º - Itaipu (Brasil/Paraguai): 14.000 MW

◦ 3º - Guri (Venezuela): 10.000 MW

◦ 4º - Tucuruí I e II (Brasil): 8.370MW

◦ 5º - Grand Coulee (EUA): 6.494 MW

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Turbinas Hidráulicas◦Os principais tipos de turbina são:◦ Impulso: ◦ Reação:

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Turbinas Hidráulicas◦ Turbinas Francis:◦ A Figura mostra um corte longitudinal de uma turbina

Francis, indicando os órgãos principais. Essencialmenteconstam das seguintes partes:

◦ Uma caixa, geralmente com forma de caracol do tipofechado;

◦ Um distribuidor dotado de pás orientáveis, paraproporcionar a descarga correspondente à potênciademandada, com o ângulo mais adequado para aentrada da água no rotor;

◦ Um rotor dotado de pás com formato especial;◦ Um tubo de sucção que conduz a água que sai do rotor a

um poço ou canal de fuga.

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Turbinas Hidráulicas◦ Turbinas Francis:◦ As turbinas Francis são máquinas

de reação e o posicionamento doeixo podem ser:

◦ Horizontal

◦ Vertical

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Turbinas Hidráulicas◦ Turbinas Francis:◦ Instalação aberta: Quando a turbina é colocada

num poço, ao qual a água é conduzida em umcanal de adução, havendo geralmente umacomporta para que se possa esvaziá-la namanutenção. Este tipo de instalação éconveniente apenas para pequenas quedas (até10 m) e potências pequenas.

◦ Instalação fechada: Quando a queda é superiora 10 m é preferível colocar a turbina numa caixaà qual a água é conduzida em uma tubulaçãoforçada. Estas caixas tem a forma de caracol,voluta ou espiral e são envolvidas pelo concretoarmado.

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Turbinas Hidráulicas◦ Turbinas Pelton:◦ A turbina Pelton é um turbina de impulsão

constituída de um ou mais distribuidores eum receptor (rotor).◦ Distribuidor: O distribuidor é um bocal de forma

apropriada a guiar a água, proporcionando um jatocilíndrico sobre a pá do receptor.

◦ Rotor: O rotor consta de um certo número de páscom forma de concha especial, dispostas naperiferia de um disco que gira preso a um eixo.

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Turbinas Hidráulicas◦ Turbinas Pelton:◦ Cada pá possui um gume médio de defletem o fato,

suavizando seu impacto, que forma que o eixo nãosofra grandes variações de velocidade.

◦ Quanto ao número de jatos, as turbinas Peltonpodem ser: de um jato, dois, quatro ou seis jatos e,excepcionalmente, de 3 jatos. Quanto maior onúmero de jatos, maior a potência para uma mesmaqueda, maior o desgaste por abrasão se a água tiverareia em suspensão e menor o tamanho do rotor (oque representa uma redução no custo por unidade depotência instalada).

◦ A incidência de jatos sobre o rotor, em cada volta,depende do número de jatos, de modo que, quantomaior a queda, menor deverá ser o número deimpactos sobre a pá por minuto.

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Turbinas Hidráulicas◦ Turbinas Pelton:◦ A turbina pode ser horizontal ou vertical:

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Turbinas Hidráulicas◦ Turbinas Pelton:◦ O gráfico ao lado pode ser usado para

escolha do número de jatos para turbinasPelton Hitachi:

◦ As turbinas Pelton são recomendadas paraquedas elevadas, para as quais a descargaaproveitável normalmente é reduzida, umavez que a captação se realiza em altitudesonde o curso d'água ainda é de pequeno.

◦ Por serem de fabricação, instalação eregulagem relativamente simples, além deempregadas em usinas de grande potência,são também largamente empregadas emmicro usinas, em fazendas, etc.,aproveitando quedas e vazões bempequenas para geração de algumas dezenasde CV.

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Turbinas Hidráulicas◦ Turbinas Kaplan:◦ A necessidade de obtenção de turbinas

com velocidades consideráveis embaixas quedas e grandes descargas, oque não é viável com as turbinas Francis,deu origem em 1908 às turbinas Héliceou Propeller que após modificaçõesficaram conhecidas como turbinasKaplan.

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Turbinas Hidráulicas◦ Turbinas Kaplan:◦ Estas turbulas possuem os seguintes

componentes básicos:◦ Distribuidor: Se assemelha ao das turbinas

Francis, tendo as mesmas finalidades. As pásdo distribuidor, têm sua inclinaçãocomandada por um sistema análogo ao dasturbinas Francis, e ficam a uma distânciaconsiderável das pás do rotor. Deve haveruma sincronização entre os ângulos das pásdo rotor e as do distribuidor.

◦ Rotor: Possui pás que podem ser ajustáveisvariando o ângulo de acordo com ademanda de potência.

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Turbinas Hidráulicas◦ Turbinas Kaplan:◦ Quanto ao número de pás as turbinas

Kaplan podem ser de:◦ 4 pás (para 10 < H < 20m);

◦ 5 pás (para 12 < H < 23m);

◦ 6 pás (para 15 < H < 35m);

◦ 8 pás (para H > 35m).

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Turbinas Hidráulicas◦As turbinas acionam diretamente os geradores de

energia elétrica, de modo que, naturalmente,ambos têm o mesmo número de rotações. Mas nosalternadores, pela forma como são construídos,existe uma dependência entre o número de paresde polos (p), o número de rpm(n) e a frequência emHz (f), na forma:

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Turbinas Hidráulicas◦Rendimento de turbinas

hidráulicas:

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Turbinas Hidráulicas◦Velocidade específica para turbinas hidráulicas:◦ A velocidade específica adimensional pode ser interpretada como a velocidade

de operação na qual a máquina produz potência unitária e carga unitária, estapode ser calculada da seguinte forma:

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Turbinas Hidráulicas◦Velocidade específica para turbinas

hidráulicas:◦ A velocidade específica pode ser utilizada

para comprar máquinas de tamanhosdiferentes, visto que máquinas commesma velocidade específica sãosemelhantes.

◦ Esta também pode ser utilizada paraescolha da turbina mais adequada,operado em níveis adequados deeficiência, utilizando o quadro ao lado:

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Turbinas Hidráulicas◦ Campo de aplicação de turbinas hidráulicas:

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Turbinas Hidráulicas

◦ Campo de aplicação deturbinas hidráulicas:

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Turbinas Hidráulicas◦ Características de turbinas

hidráulicas instaladas noBrasil.

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Exemplo 1◦ Calcule a velocidade específica de uma turbina hidráulica operando com

uma altura de carga de 150 metros, rotação de 150 rpm e um potência aser gerada 9000 cv. Informe uma possível turbina para estascaracterísticas.

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Trabalho Proposto◦Variando a rotação específica e para

uma altura de carga de 120 metros erotação de 150 rpm, compare ageração de potência das turbinashidráulicas apresentadas na tabela.

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