trabalho final geração. 3 djalma - dany - marcos

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CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA DJALMA LACERDA LOPES SEGUNDO DANIELLY NORBERTO DE ARAÚJO MARCOS RODRIGO SOUZA LOPES TURBINAS HIDRÁULICAS Campina Grande 2016

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Trabalho sobre turbinas hidráulicas

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Page 1: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

DJALMA LACERDA LOPES SEGUNDO

DANIELLY NORBERTO DE ARAÚJO

MARCOS RODRIGO SOUZA LOPES

TURBINAS HIDRÁULICAS

Campina Grande

2016

Page 2: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

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iii

DJALMA LACERDA LOPES SEGUNDO

DANIELLY NORBERTO DE ARAÚJO

MARCOS RODRIGO SOUZA LOPES

TURBINAS HIDRÁULICAS

Trabalho da disciplina Geração de Energia

Elétrica do curso de Engenharia Elétrica da

Universidade Federal de Campina Grande

como parte dos requisitos necessários para a

aprovação.

Área de Concentração: Equipamentos de Geração de Energia Elétrica

Professor: Leimar de Oliveira

Campina Grande

2016

Page 4: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

iv

RESUMO

Atualmente, existem muitos projetos de uso e conversão de fontes de energia

renováveis com o objetivo de suprir as necessidades de energia e sustentar o

desenvolvimento econômico e social do mundo que a cada dia exige mais e mais

energia. As fontes renováveis têm características ambientais e tecnológicos, uma dessas

é energia hídrica. E por falar nesse tipo de energia é impossível não lembrar o

dispositivo que é essencial para converter essa fonte: turbinas. Assim, este trabalho visa

aprofundar o conhecimento sobre esse dispositivo, e fazer referência as tecnologias

utilizadas para a produção de energia hidroelétrica e falar sobre os mecanismos de

produção de energia hídrica em centrais hidroelétricas.

Palavras-chave: Turbinas, Energia, Relatório.

Page 5: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

v

ABSTRACT

Currently there are many projects of use and conversion of renewable energy

sources in order to supply the energy needs and support economic and social

development of the world that every day requires more and more energy. Renewable

sources have environmental and technological features of these is hydropower. And

speaking of this type of energy is impossible not to remember the device that is essential

to convert this source: turbines. This work seeks to deepen knowledge on that device,

and reference the technologies used for the production of hydropower and tell us that

energy production mechanisms in hydroelectric plants.

Keywords: Turbines, Energy, Report.

Page 6: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

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LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1: Turbina Hidráulica em uma central Hidroelétrica...........................................12

Figura 2: Turbinas Geometricamente Semelhantes.........................................................14

Figura 3: Curvas Características de rendimento x vazão de algumas turbinas...............17 Figura 4: Turbina Tipo KAPLAN...................................................................................19 Figura 5: Rotor FRANCIS...............................................................................................20

Figura 6: Rotor PELTON com bocal injetor...................................................................22 Figura 7: Turbina PELTON de 5 jatos............................................................................22 Figura 8: Funcionamento da Turbina Turgo...................................................................24

Figura 9: Turbina de Fluxo Cruzado com regulador manual..........................................25

Figura 10: Funcionamento de uma turbina Tipo Axial...................................................26

Figura 11: Funcionamento de uma turbina Tipo Sifão....................................................27

Figura 12: Funcionamento de uma Turbina Tipo S.........................................................28

Figura 13: Turbina Tipo Bulbo........................................................................................29

Figura 14: Esquema de uma Usina Hidráulica................................................................32

Figura 15: Gráfico da força na pá em função da velocidade periférica da roda..............39

Figura 16: Gráfico do Momento Hidráulico em função da velocidade periférica da

roda................................................................................................................................. 40

Figura 17: Gráfico da Potência Hidráulica em função da velocidade periférica da

roda..................................................................................................................................41

Figura 18: Gráfico do Rendimento Hidráulico em função da velocidade periférica da

roda................................................................................................. .................................42

Page 7: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

vii

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Tipos de Turbinas e suas velocidades específicas...........................................16

Tabela 2: Instalações com Turbinas KAPLAN...............................................................19

Tabela 3: Instalações com Turbinas FRANCIS..............................................................20

Page 8: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

viii

SUMÁRIO

Resumo ........................................................................................................................................................ iv

Abstract ........................................................................................................................................................ v

Lista de Ilustrações ...................................................................................................................................... vi

Lista de Tabelas .......................................................................................................................................... vii

Sumário .....................................................................................................................................................viii

1 Introdução....................................................................................................................

1.1 Breve Histórico..................................................................................................................

1.2 Turbinas Hidraúlicas.............................................................................................

1.2.1 Características e Funiconamento das Turbinas Hidráulicas ..............................

1.2.2 Classificação...................................................................................................

1.2.3 Turbinas Geometricamente Semelhante.............................................................

1.2.4 Turbinas Unidade............................................................................................

1.2.5 Potência.........................................................................................................

1.2.6 Velocidade Específica..............................................................................

1.2.7 Energia Utilizada...........................................................................................

1.2.8 Rendimento......................................................................................................

2 Tipos de Turbinas...................................................................................................................

2.1 Principais Tipos de Turbinas.......................................................................................

2.1.1 Turbina Tipo KAPLAN..............................................................................................

2.1.2 Turbina Tipo FRANCIS.............................................................................................

2.1.3 Turbina Tipo PELTON...............................................................................................

2.2 Outros Tipos de Turbinas

2.2.1 Turbina Tipo Turgo......................................................................................

2.2.2 Turbina de Fluxo Cruzado.........................................................................................

2.2.3 Turbina Tipo Axial.............................................................................................................

2.2.4 Turbina Tipo Sifão.............................................................................................................

2.2.5 Turbina Tipo S...................................................................................................................

2.2.6 Turbina Tipo Bulbo............................................................................................................

2.2.7 Bomba centrífuga como Turbina........................................................................................

3 Geração Hidrelétrica.............................................................................................................

3.1 Usinas Hidrelétricas............................................................................................................

3.1.1 Tipos de Usinas Hidrelétricas...................................................................

3.2 Hidrelétricas no Brasil.......................................................................................................

3.2.1 Turbinas utilizadas nas Usinas Hidrelétricas do Brasil.............................................

3.3 Turbinas na Maior Hidrelétrica do Mundo..........................................................................

4 Principais Causas de "Perdas" de Energia.........................................................................

5 Seleção do Tipo de Turbina.....................................................................................................

Page 9: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

ix

5.1 Rotação............................................................................................................................

5.2 Escolha do Tipo de Turbina...........................................................................................

6 Curvas de Desempenho....................................................................................................

6.1 Força na Pá.....................................................................................................................

6.2 Momento Hidráulico.....................................................................................................

6.3 Potência Hidráulica.........................................................................................................

6.4 Rendimento Hidráulico....................................................................................................

7 Conclusão..........................................................................................................................

Referências................................................................................................................................

Page 10: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

10

1 INTRODUÇÃO

No Brasil as usinas hidrelétricas correspondem a cerca de 90% da energia

elétrica produzida no país, onde a energia primária das mesmas é a energia potencial

gravitacional da água contida num reservatório elevado, em que antes de se tornar

energia elétrica, a energia primária deve ser contida em energia cinética de rotação. O

dispositivo que realiza essa transformação é a turbina.

O potencial hidráulico é proporcionado pela vazão hidráulica e pela

concentração dos desníveis existentes ao longo do curso de um rio. Isto pode se dar de

uma forma natural, quando o desnível está concentrado numa cachoeira; através de uma

barragem, quando pequenos desníveis são concentrados na altura da barragem ou

através de desvio do rio de ser leito natural, concentrando-se os pequenos desníveis

nesses desvios.

Basicamente, uma usina hidrelétrica compõe-se das seguintes partes: barragem,

sistemas de captação e adução de água, casa de força e sistema de restituição de água ao

leito natural do rio, onde cada parte é projetada harmoniosamente para operar

eficientemente em conjunto.

A primeira hidrelétrica do Brasil foi construída em 1833, em Diamantina-MG,

utilizando águas do Ribeirão do Inferno, afluente do rio Jequitinhonha, com 0.5 MW

(megawatts) de potência e linha de transmissão de dois quilômetros.

Hoje em dia, a potência instalada das unidades aumentou significativamente

chegando a 14 mil MW, em que o princípio básico de funcionamento para produção e

transmissão da energia se mantém inalterado. O que evoluiu foram as tecnologias que

permitiram a obtenção de maior eficiência e confiabilidade do sistema.

Os principais fatores que influenciaram em uma usina hidrelétrica são: altura da

queda d’água, vazão, capacidade ou potência instalada, tipo de turbina empregada,

localização, tipo de barragem e reservatório. Todos são independentes, ou seja, a altura

da queda d’água e a vazão dependem do local de construção e determinará a capacidade

instalada – que, por sua vez, determina o tipo de turbina, barragem e reservatório.

Neste trabalho será apresentado o que são turbinas hidráulicas, dispositivo este,

que por muitas vezes passa despercebido e pouco se sabe que é devido a elas, como já

Page 11: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

11

foi dito anteriormente, (devidamente acopladas a um gerador) que é feito o

aproveitamento da energia hidráulica para geração de energia elétrica com eficiência de

90% de conversão de energia primária em energia secundária.

A utilização da energia hidráulica foi uma das primeiras formas de substituição

do trabalho animal pelo mecânico, principalmente para o bombeamento de água e

moagem de grãos. Dentre as características energéticas mais importantes destacam-se a

disponibilidade de recursos, facilidade de aproveitamento e, principalmente, seu caráter

renovável. É, atualmente, a principal fonte geradora de energia em mais de 30 países e

representa cerca de 20% de toda a energia elétrica gerada no mundo.

1.1 BREVE HISTÓRICO

Desde antes de Cristo, o homem já utilizava as máquinas motrizes hidráulicas

sendo que as primeiras realmente práticas foram as rodas d’água.

Um século antes de Cristo, Vitrúvio, projetou e instalou várias rodas d’água

para o acionamento de dispositivos mecânicos. Apesar de serem extremamente simples

e de fácil construção, elas satisfizeram as exigências impostas durante séculos. Contudo,

como eram utilizadas para baixas quedas, menor que 6 metros, e também, devido a

baixa rotação e potência foram perdendo espaço a medida que Era Industrial avançava,

reduzindo-as a casos muito especiais.

No século XVIII, período que teve grande desenvolvimento da ciência

hidráulica, Daniel Bernoulli (1700-1782) lançou os fundamentos da hidrodinâmica e

estabeleceu a sua famosa equação de conservação de energia para líquidos.

Ainda no séc. XVIII, Leonard Euler (1707-1783), inventou uma roda de reação

com distribuidor fixo, a qual podemos dizer que foi a precursora da turbina. Em 1751,

Euler publicou seu primeiro trabalho sobre turbo-máquinas, dois anos depois, em 1754,

estabeleceu a equação que leva o seu nome e é a base para o estudo do funcionamento

das máquinas de reação.

Somente no século XIX, o termo turbina apareceu e deve-se a Claude Burdin

(1790-1873) que publicou o seguinte trabalho: “Das turbinas hidráulicas ou máquinas

rotativas de grande velocidade”. Porém foi um de seus discípulos, Benoit Fourneyron 9

Page 12: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

12

(1802-1867) que em 1827, construiu um turbina centrífuga de 6 CV e 80% de

rendimento, a primeira turbina industrial.

1.2 TURBINAS HIDRÁULICAS

1.2.1 CARACTERÍSTICAS E FUNCIONAMENTO DAS TURBINAS HIDRÁULICAS

As turbinas hidráulicas possuem um princípio comum de funcionamento. A água

entra na turbina vinda de um reservatório ou de um nível mais alto e escapa para um

canal de nível mais baixo. A água que entra é conduzida por um duto fechado até um

conjunto de palhetas ou injetores que transferem a energia mecânica (energia de pressão

e energia cinética) do fluxo de água em potência de eixo. A pressão e a velocidade da

água na saída são menores que na entrada. A água que sai da turbina é conduzida por

um duto até um canal inferior.

O eixo do rotor da turbina é suportado por mancais de escora e contra-escora

axialmente e radialmente por mancais de guia. As palhetas podem ser fixas no rotor ou

estáticas e podem ser ajustadas para controlar a velocidade de rotação ou o fluxo e a

potência gerada.

As principais causas de uma diminuição na eficiência das turbinas são as perdas

hidráulicas e mecânicas. Hoje em dia, a eficiência de uma turbina hidráulica está em

torno de 85 a 95%. As turbinas hidráulicas são encontradas em hidrelétricas e são

acopladas em geradores que transformam a potência de eixo em potência elétrica, neste

caso a água é conduzida até a turbina através de uma tubulação chamada conduto

forçado, sendo posteriormente descarregada via conduto de sucção em um curso d’água

abaixo da turbina.

FIGURA 1: TURBINA HIDRÁULICA EM UMA CENTRAL HIDROELÉTRICA

Page 13: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

13

Independentemente do tipo de turbina, alguns componentes podem ser chamados

de órgãos essenciais. São eles:

• Distribuidor: é um elemento fixo. Suas funções são: direcionar a água à roda

segundo uma direção adequada; modificar a vazão, ou seja, alterar o seção de saída do

distribuidor, indo de zero, fechado, até a abertura máxima; e a transformação total ou

parcial da energia de pressão em energia cinética na entrada da roda.

• Rotor ou roda: é um órgão móvel, gira em torno de um eixo. Está munido com

um sistema de pás fixas a um eixo e é responsável por transformar grande parte da

energia hidráulica em trabalho mecânico.

• Difusor ou tubo de sucção: também é uma parte fixa e suas funções são:

recuperar a altura entre a saída da roda e o nível do canal de fuga; recuperar parte da

energia cinética correspondente a velocidade residual da água na saída da roda.

• Carcaça: é uma parte fixa. Conduz a água do conduto forçado até o

distribuidor, garantindo descargas parciais iguais em todos os canais formados pelas pás

do distribuidor.

1.2.2 CLASSIFICAÇÃO

Dentre as formas de classificação de turbinas as duas mais comuns são:

A) Segundo a variação da pressão estática, ação ou impulso e reação:

• Ação ou impulso: a pressão na tubulação cai até a pressão atmosférica logo que

a água sai do distribuidor. A energia cinética aumenta na passagem de saída do

distribuidor e perde intensidade ao atingir as pás, de modo que, a velocidade da água ao

sair da pá é menor do que quando a atingiu. Exemplo: turbina Pelton.

• Reação: a energia de pressão cai desde a entrada do distribuidor até a saída do

receptor, aumentando no difusor. O difusor é essencial nesses tipos de turbinas.

Exemplo: turbinas Francis e Kaplan.

B) Segundo a direção do fluxo através do rotor, radial, axial, tangencial,

diagonal:

• Radial: o fluxo é aproximadamente perpendicular ao eixo de rotação.

Exemplo: turbina Fourneyron.

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• Axial: o fluxo é aproximadamente paralelo ao eixo de rotação. Exemplos:

turbinas Kaplan, Bulbo, Straflo

• Tangencial: o fluxo de água é lançado sob a forma de um jato sobre um

número limitado de pás. Exemplo: turbina Pelton.

• Diagonal: o fluxo muda gradativamente da direção radial para a axial.

Exemplo: turbina Francis.

1.2.3 TURBINAS GEOMETRICAMENTE SEMELHANTE

São turbinas desenvolvidas sob o mesmo desenho com alteração de suas

dimensões e de suas potências, ou ainda, são turbinas cujas dimensões se alteram

simultânea e proporcionalmente sem que sejam alteradas suas formas geométricas. A

figura a seguir demonstra o que foi dito:

FIGURA 2: TURBINAS GEOMETRICAMENTE SEMELHANTES

1.2.4 TURBINAS UNIDADE

É uma turbina, hipotética, geometricamente semelhante a uma família de

turbinas, que operando a uma altura disponível H=1m, fornece uma potência mecânico

motriz igual a 1cv, operando em condições semelhantes a todos os outros membros da

família.

Page 15: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

15

A turbina unidade é a mesma para todas as turbinas geometricamente

semelhantes de uma família e que constituem uma série de turbinas. Quando analisados,

todos os membros da família operam com o mesmo rendimento.

Convenção: Todas as vezes que se menciona turbina unidade de uma série,

estará se referindo a turbinas semelhantes e em condições normais de funcionamento,

isto é, trabalhando com o máximo rendimento.

1.2.5 POTÊNCIA

Para determinar a potência que uma turbina pode extrair de um fluxo de água,

usa-se a seguinte expressão:

𝑃 = 𝜌.𝑄.𝐻.𝑔. 𝜂

Onde:

P = potência da turbina (kW);

𝜌 = densidade (kg/m³);

Q = vazão volumétrica (m³/s);

H = queda de nível (m);

g = gravidade (m/s²);

𝜂 = eficiência.

1.2.6 VELOCIDADE ESPECÍFICA

A velocidade específica (Ns) é a velocidade com que pode a turbina pode girar e

pode ser calculada usando a expressão:

𝑁𝑠 = 𝑁. 𝑃

𝐻1.25

Onde:

Ns = velocidade específica (m/s);

N = velocidade de rotação (rpm);

H = queda de nível (m);

P = potência da turbina (kW);

𝜂 = eficiência.

Page 16: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

16

Abaixo, tem-se, algumas turbinas e suas velocidades específicas:

TABELA 1: TIPOS DE TURBINAS E SUAS VELOCIDADES ESPECÍFICAS

Onde:

A = Turbina de ação;

R = Turbina de reação.

1.2.7 ENERGIA UTILIZADA

Quando um fluxo de água passa por uma turbina hidráulica, a turbina extrai a

energia da água, se não for considerado a fricção, a diferença da água entre o ponto 1

(E1) e a energia da água no ponto 2 (E2) representa a energia total da água (Ed) que

chega a turbina entre os dois pontos. Assim, a energia utilizada por um turbina é:

𝐸𝑑 = 𝐸1 − 𝐸2

Onde:

Ed = energia total da água entre os dois pontos;

E1 = energia da água no ponto 1;

E2 = energia da água no ponto 2.

Page 17: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

17

1.2.8 RENDIMENTO

É a relação entre a potência mecânica que a turbina coloca a disposição do

gerador e a potência que o fluido coloca na entrada do seu rotor.

É função de muitas variáveis:

- Potência nominal da turbina;

- Porcentagem do fluido turbinado;

- Tipo de turbina;

- Fabricante;

- Montagem ou posição física do eixo;

FIGURA 3: CURVAS CARACTERÍSTICAS DE RENDIMENTO X VAZÃO DE ALGUMAS

TURBINAS

Page 18: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

18

2 TIPOS DE TURBINAS

2.1 PRINCIPAIS TIPOS DE TURBINAS

Cada tipo de turbina é adequado para uma determinada faixa de altura de queda

e as vazões volumétricas podem ser grandes em qualquer uma delas, mas a potência

será proporcional ao produto da queda (H) e da vazão volumétrica (Q). Existem vários

tipos de turbinas, porém algumas delas não são mais usadas como: Jonval, Fontaine,

Schwamkrug e Zuppinger. E há outras que estão em operação como: Hélice, Bulbo,

Straflo, Kaplan, Francis e Pelton.

Serão destacados os três tipos de turbinas principais tanto no Brasil como no

mundo.

2.1.1 TURBINA TIPO KAPLAN

As turbinas Kaplan foram criadas pelo engenheiro austríaco Victor Kaplan

(1876-1934) que, por meio de estudos teóricos e experimentais criou um novo tipo de

turbina a partir das turbinas de Hélice com a possibilidade de variar o passo das pás.

Surge então uma turbina de Hélices com pás reguláveis. O mecanismo que permite

regular o ângulo de inclinação da pá conforme a descarga, sem que ocorra uma variação

considerável do rendimento, fica alojado num peça com o formato de uma ogiva e é

comandado por um regulador automático de velocidade.

Os principais componentes de uma turbina Kaplan são: o distribuidor, suas pás

são chamadas de diretrizes, rotor, tubo de sucção e caixa espiral.

As turbinas Kaplan são adequadas para operar em baixas alturas de queda e com

grandes e médias vazões.

Page 19: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

19

FIGURA 4: TURBINA KAPLAN

Algumas instalações com turbinas Kaplan no Brasil:

TABELA 2: INSTALAÇÕES COM TURBINAS KAPLAN

Instalação H(m) Q(m³/s) N(CV) N(rpm)

Sobradinho – Rio São Francisco 27,2 715 242000 75

Jupiá – Rio Paraná 23 462 140000 78

Cachoeira Dourada – Rio Paranaíba 33,5 307 115490 82

Volta Grande – Rio Grande 26,2 430 140038 85,7

2.1.2 TURBINA TIPO FRANCIS

A turbina Francis foi desenvolvida por James Bicheno Francis (1815-1892)

nascido na Inglaterra. Em 1874, nos EUA, ficou encarregado de estudar uma turbina

para o aproveitamento energético do desnível de um rio, focando seu interesse na

máquina centrípeta de Samuel Dowd (1804-1879). As modificações que Francis fez no

equipamento foram tão importantes que a turbina acabou ganhando o seu nome.

Page 20: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

20

As turbinas Francis são essencialmente centrípetas e utilizam o tubo de sucção,

proposto inicialmente por Jonval em 1843, para conduzir a água da saída do rotor até o

poço. O tubo de sucção permite que a água escoe de forma contínua ao invés de se

descarregada livremente na atmosfera. Isso implica em um ganho na energia cinética na

saída do rotor e também, num ganho do desnível topográfico entre saída do rotor e o

nível da água no poço.

FIGURA 5: ROTOR FRANCIS

A distribuição da água sobre as pás do rotor é feita por meio de pás diretrizes,

que são controladas externamente as quais distribui simétrica e simultaneamente a água

sobre as pás do rotor.

Algumas instalações com turbinas Francis:

TABELA 3: INSTALAÇÕES COM TURBINAS FRANCIS

Instalações no Brasil H(m) Q(m³/s) N(CV) n(rpm)

Itaipu – Rio Paraná 50,8 660 971000 92,3

Furnas – Rio Grande 88,9 190 210000 150

Tucuruí – Rio Tacantins 60,8 576 430000 84

Instalações no Mundo H(m) Q(m³/s) N(CV) n(rpm)

Churchill Falls – Canadá 312 - 650000 -

Grand Coole – EUA 87 - 820000 -

Page 21: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

21

2.1.3 TURBINA TIPO PELTON

A turbina Pelton foi criada pelo americano Allan Lester Pelton. Em 1878 iniciou

experimentos evolvendo rodas d’água que o conduziram a invenção de um novo

conceito de rodas d’água baseadas no chamado “splitter”.Como todas as turbinas, a

Pelton possui um distribuidor e um rotor. O distribuidor possui um formato de bocal

injetor que guia o fluxo de água proporcionando um jato cilíndrico sobre a pá do rotor.

O Rotor tem um determinado número de pás as quais, possuem um formato de concha e

são presas na periferia de um disco que gira em torno de um eixo.

A turbina Pelton ou de impulso é geralmente utilizada em usinas cuja altura

d’água é maior do que 250m, embora seja também utilizada para alturas menores. Há

instalações nos Alpes europeus onde a altura chega a quase 1800m.

As turbinas de impulso são geralmente de eixo horizontal, com o gerador

montado ao lado da turbina. O rotor da turbina de eixo horizontal, com o gerador

montado ao lado da turbina. O rotor da turbina é acionado direcionando-se o fluxo

d’água contra as pás através de injetores, de odo a tirar proveito da grande quantidade

de movimento da água. Existe também um dispositivo extrator para drenar a água das

pás quando estas se movimentam no sentido ascendente, de modo a aumentar a

eficiência da unidade.

A regulação de velocidade de turbinas Pelton é realizada ajustando-se o fluxo de

água nos injetores através de válvulas agulhas que podem ser deslocados

longitudinalmente a fim de variar a abertura do injetor. O ajuste da válvula de agulha se

presta a variações relativamente pequenas na vazão d’água e consequentemente na

potência da turbina. Este esquema não se presta a grandes variações súbitas de vazão,

contudo, já que turbinas de impulso são utilizada para grandes alturas e condutos

forçados longos. A razão para isto é que uma variação súbita de vazão provoca o

fenômeno conhecido como golpe de aríete.

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22

FIGURA 6: ROTOR PELTON COM BOCAL INJETOR

As turbinas Pelton são aplicadas geralmente em usinas hidrelétricas com quedas

elevadas para qual a vazão é reduzida. Este tipo de turbina é de fácil fabricação,

instalação e regulagem relativamente simples além de serem empregadas em usinas de

grande potência, são também largamente utilizadas para quedas e vazões bem pequenas,

gerando apenas algumas dezenas de cv.

Essas turbinas podem ser de eixo vertical ou horizontal e podem ter até 6 jatos

d’água.

FIGURA 7: TURBINA PELTON DE 5 JATOS

Page 23: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

23

2.2 OUTROS TIPOS DE TURBINAS

Este capítulo tratará dos principais tipos de turbinas e máquinas utilizadas para

geração de energia em micro, mini e pequenas centrais hidráulicas. São preferíveis os

termos geração de energia e centrais hidráulicas à geração de eletricidade e central

hidrelétrica, pelo fato de uma pequena turbina poder gerar energia exclusivamente para

o uso mecânico, vindo a acionar diretamente certos tipos de máquinas sem a

necessidade da transformação em energia elétrica.

As apresentações resumidas de cada tipo de turbina ou aplicações a seguir darão

uma idéia bastante ampla de como pode ser feito um aproveitamento hidráulico

principalmente no âmbito dos pequenos aproveitamentos hidráulicos para utilização

motriz ou para a geração de energia elétrica, ajudando na decisão para se obter o melhor

equilíbrio, econômico, social e ambiental.

Nem sempre a melhor técnica em termos de projeto e rendimento ou um menor

custo será a melhor escolha para atender as necessidades locais em termos de

distribuição de recursos de um empreendimento isolado como as agroindústrias e as

cooperativas.

2.2.1 TURBINA TIPO TURGO

A turbina Turgo é uma máquina de impulso similar a turbina Pelton. Entretanto,

o jato é desenhado para atingir o plano do rotor em um determinado ângulo (na prática

se usa normalmente 200).

Neste tipo de turbina a água entra por um lado do rotor, saindo pelo lado oposto.

Como conseqüência dessa passagem, o fluxo total de água que o rotor da turbina turgo

pode aceitar não está sujeito a qualquer interferência principalmente quando da sua

saída das pás o que acontece com o retorno do jato nas conchas da turbina Pelton ou

mesmo interferindo com o próprio jato da entrada (HARVEY, Adam; e outros, 1998).

Assim, a turbina Turgo pode ter um rotor de diâmetro menor que o rotor da

turbina Pelton, para uma potência equivalente. Possui, portanto uma alta rotação em

rpm.

Page 24: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

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FIGURA 8: FUNCIONAMENTO DA TURBINA TURGO

Como a turbina Pelton, a Turbina Turgo trabalha em uma grande faixa de

rotações e não necessita de vedações especiais nos mancais, ema vez que a câmara não

trabalha com pressão maior que a atmosfera. A turbina Turgo possui também certas

desvantagens com relação a turbina Pelton: primeiro, é mais difícil de fabricar que a

turbina Pelton, uma vez que as pás, possuem forma complexa, sobrepostas e mais

frágeis que as conchas da turbina Pelton; segundo, o esforço do jato causa uma reação

axial nos mancais além do esforço radial normal. Isso provocará o uso de mancais de

rolamentos autocompensadores ou mesmo de rolos cônicos ao invés dos simples

rolamentos de esferas normalmente adotados. O rotor da turbina Turgo é fundido,

normalmente, em aço juntamente com as pás, o que requer uma pequena fundição,

necessitando de modelo, moldes e todo aparato de uma pequena oficina de fundição,

não sendo assim de grande praticidade para a maioria das pequenas oficinas. Não se tem

notícia desse tipo de turbina utilizada no Brasil. Na relação do inventario do SIPOT

(Sistema de Informação do Potencial Hidrelétrico Brasileiro), não se encontra menção

de qualquer instalação com a utilização desse tipo de turbina.

2.2.2 TURBINA DE FLUXO CRUZADO

A turbina de fluxo cruzado, também chamada de fluxo transversal, Michel-

Banki, Michel – Ossberger, ou simplesmente Banki, tem o comportamento de uma

turbina de ação, estando no mesmo nível de classificação das turbinas Pelton e Turgo.

Page 25: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

25

FIGURA 9: TURBINA DE FLUXO CRUZADO COM REGULADOR MANUAL

A turbina de fluxo cruzado, embora já bastante difundida em muitos países não

apresenta grande penetração no Brasil. Na lista oficial do SIPOT, não se encontra

qualquer menção de um tipo desta turbina instalada com registro oficial.

2.2.3 TURBINA DO TIPO AXIAL

A turbina axial tradicional também chamada de propeller consiste basicamente

de um rotor, similar a hélice de navio, ajustada internamente na continuação de um

conduto, com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a tubulação muda de direção.

Normalmente três ou quatro pás são utilizadas quando a altura de queda é

relativamente baixa, podendo ter até oito pás para maiores alturas. A entrada da água é

regulada por palhetas diretrizes. O rendimento dessa turbina com vazões menores

daquela do ponto normal de funcionamento tende a baixar de maneira considerável, até

mais acentuada que na turbina Francis.

Embora o perfil das pás deva ser executado de maneira a otimizar as forças

oriundas das pressões exercidas sobre as mesmas, projetos tem sido idealizados com

seções mais planas, que oferecem menos eficiência, porém são mais fáceis de serem

fabricadas. Essa espécie de projeto pode ser considerada seriamente para aplicações em

micro centrais onde baixo custo e facilidade de fabricação são prioritários (HARVEY,

Adam, 1998).

É também possível, na maioria das vezes considerar a caixa espiral da turbina

axial de concreto.

Page 26: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

26

Usinas de maiores escalas, como algumas pequenas centrais, podem fazer uso de

uma versão mais sofisticada da turbina axial.

FIGURA 10: FUNCIONAMENTO DE UMA TURBINA TIPO AXIAL

Variando o passo das pás do rotor simultaneamente com as palhetas do

distribuidor, pode-se conseguir bons rendimentos com vazões parciais. As turbinas

axiais, nas quais torna-se possível a variação dos passos das pás do rotor são chamadas

de turbinas propeller de pás variáveis ou, como são mais conhecidas; turbinas Kaplan.

Alguns tipos de turbinas axiais podem possuir um conjunto de pás diretrizes dispostas

de maneira radial, juntamente com uma caixa espiral. As pás do rotor podem ser

construídas ou fundidas, ou estampadas e soldadas ou montadas no cubo, normalmente

fundido. Para pequenas turbinas, do tipo propeller, as pás e o rotor podem ser fundidos

em uma só peça. No caso da turbina Kaplan, o sofisticado mecanismo de controle das

pás no rotor, pode encarecer sua fabricação e tornar a sua aplicação inviável quando

comparado às outras turbinas na mesma faixa de aplicação.

As turbinas axiais vêm apresentando grande interesse para quedas pequenas em

rios de maiores vazões que habitualmente se consideraria para instalações da turbinas

tipo Francis e fluxo cruzado. A turbina axial deu origem a uma série de variantes, além

do conceito da turbina Kaplan, como: a turbina Bulbo, a turbina Sifão, a turbina S, tanto

de jusante quanto de montante e até a turbina Strafflo. No Brasil a turbina axial tem seu

uso bastante difundido, aparecendo no inventário das usinas hidrelétricas de pequeno

porte do SIPOT como a mais usada depois da turbina Francis. Na região Centro-Oeste,

apresenta grandes condições de aplicação devido as características hidrológicas aí

existentes. Contudo deve-se salientar, que é aquela que apresenta o maior custo em

Page 27: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

27

relação ao kW instalado, quando comparada com as tradicionais, Francis simples e

Pelton.

2.2.4 TURBINA TIPO SIFÃO

Para aproveitamentos de baixas quedas, normalmente inferiores a 5m pode-se

utilizar os grupos eletromecânicos equipados com as turbinas axiais especiais para essa

finalidade, denominadas tipo "Sifão". Os equipamentos hidrogeradores para os grupos

"Sifão", são de concepção simples. Um conduto em chapas de aço convenientemente

calandradas e soldadas ou mesmo parcialmente em concreto, é instalado acima dos

níveis de montante e jusante da água. A partida do grupo é realizada a partir de uma

bomba de vácuo, criando assim um fluxo contínuo da água no interior do conduto. A

parada da turbina, é conseguida pela admissão de ar no Sifão.

Os equipamentos hidromecânicos e a obra civil associada, normalmente

utilizadas em instalações tradicionais podem ser assim economizadas. A turbina é

constituída de um distribuidor fixo e um rotor tipo axial que pode ser ou propeller (com

pás fixas), ou Kaplan (com pás móveis), Figura 3.11.

Os conjuntos de turbinas Sifão podem ser montados quase que completamente

em fábrica, reduzindo assim os custos de instalação na obra.

FIGURA 11: FUNCIONAMENTO DE UMA TURBINA DO TIPO SIFÃO

O controle de operação da turbina Sifão, requer certos cuidados, principalmente

na partida com a ligação da bomba de vácuo, e a certeza da tomada completa da água na

Page 28: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

28

tubulação eliminando a existência do ar, o que poderá prejudicar o perfeito

funcionamento do conjunto turbina - gerador. Na sua instalação, a turbina deverá ficar

localizada de tal maneira que o ponto inferior da roda esteja acima do nível máximo de

montante. O ponto superior de saída do tubo de sucção deverá estar localizado no

mínimo 0,3 m do nível de jusante de funcionamento. A altura de sucção, ou seja, a

posição do ponto superior da roda em relação ao nível de jusante de funcionamento,

deverá ser definido em cada caso pelo fabricante do equipamento.

2.2.5 TURBINA TIPO S

As turbinas axiais tipo "S" tem sua aplicação, principalmente para

aproveitamento de baixas quedas, entre 5 e 20 m, podendo em alguns casos chegar a 25

m de queda. Seu emprego em projetos de pequenos aproveitamentos é conveniente por

apresentar flexibilidade de operação, simplicidade de montagem e facilidade de acesso e

manutenção. Cada dimensão de turbina pode ser fornecida, dependendo das variações

de altura de queda e vazão em quatro variantes:

Distribuidor móvel e rotor de pás móveis;

Distribuidor fixo e rotor de pás móveis;

Distribuidor móvel e rotor de pás fixas;

Distribuidor fixo e rotor de pás fixas;

FIGURA12: FUNCIONAMENTO DE UMA TURBINA TIPO S

Grandes variações requererão, geralmente, instalações de turbinas com pás

móveis (tipo Kaplan). No caso de aplicação de turbinas com distribuidor fixo, a partida

Page 29: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

29

e a parada da unidade deverá ser assegurada por um órgão de segurança, geralmente

uma comporta vagão ou por uma válvula borboleta. A Alstom-ABB, em Taubaté,

fornece este tipo de turbinas para alturas entre 3 e 22m, vazões entre 9 e 50 m3/s e faixa

de potência de 500 à 5000 kW, com diâmetros de rotores que variam de 1,50 m até 2,65

m. Existe ainda a possibilidade do rotor trabalhar no lado de montante ou jusante,

dependendo do lado onde fica situado o grupo gerador.

2.2.6 TURBINA TIPO BULBO

A turbina bulbo apresenta-se como uma solução compacta da turbina Kaplan,

podendo ser utilizada tanto para pequenos quanto para grandes aproveitamentos. Se

caracteriza por ter o gerador montado na mesma linha da turbina em posição quase

horizontal e envolto por um casulo que o protege do fluxo normal da água.

É empregada na maioria das vezes para aproveitamentos de baixa queda e quase

sempre a fio d’água. Sua concepção compacta de uma turbina Kaplan reduz

consideravelmente o volume das obras civis, tornando a mesma de menor custo. Em

compensação, o custo do equipamento eletromecânico, turbina e gerador é maior que os

das turbinas convencionais, pela tecnologia e processos de fabricação aplicáveis em

termos de ajustes e vedações. Pela relação do SIPOT, podemos encontrar algumas

dessas turbinas instaladas nos mais diversos estados brasileiros, de potências variando

de 0,43 MW (Aripuanã.– MT –CEMAT) até 42 MW ( Igarapava –SP/MG – CEMIG),

ou ainda as futuras turbinas da usina de Canoas, com 80 MW (Grupo Votorantim).

FIGURA 13: TURBINA TIPO BULBO

Page 30: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

30

2.2.7 BOMBA CENTRÍFUGA COMO TURBINA

Nos projetos de mini e microcentrais hidrelétricas pode ser interessante o estudo de

utilização de uma bomba funcionando como turbina. Basicamente, os procedimentos de

projetos são similares tanto para a bomba como para a turbina convencional. Algumas

condições limitam a utilização das bombas como turbinas:

A operação eficiente de uma bomba requer uma constância nas condições tanto

de vazão quanto de queda, devido a falta de mecanismos de controles

hidráulicos nas BFTs, como as pás distribuidoras existentes nas turbinas, que

controlam a entrada da água no interior do rotor.

Quando acima da necessária, a vazão pode ser regulada por uma válvula de

controle; isso é freqüentemente adotado nos acionamentos diretos de

equipamentos ou interligações a rede elétrica, onde a variação de velocidade não

apresenta grandes problemas. Entretanto esse método é ineficiente, pois a

válvula reduz a altura útil dissipando considerável energia.

Sua operação mecânica é suave e silenciosa.

A altura e a vazão para o melhor ponto de rendimento quando trabalhando como

turbina, são mais altos com relação aqueles medidos quando trabalhando como

bomba.

3 GERAÇÃO HIDRELÉTRICA

Em uma instalação hidrelétrica, a barragem represa as águas de um rio,

formando um reservatório. Esta água represada é então conduzida por meio de

tubulações até uma turbina (roda com pás).

A energia potencial, existente entre o nível do reservatório antes da barragem e o

nível do rio após a barragem transforma-se em energia cinética, através da água que faz

girar a turbina.

Page 31: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

31

A turbina está ligada por um eixo a um gerador de energia elétrica que,

conseqüentemente, também entra em movimento. No gerador, a energia mecânica é

então transformada em energia elétrica.

A energia elétrica produzida vai para uma subestação de onde é distribuída para

os centros de consumo.

Em um tópico mais a frente, entraremos em maiores detalhes sobre a escolha do

tipo de turbina, onde esta escolha se dá pela dependência da altura da queda d’água e do

regime de operação da usina.

Para a geração de energia elétrica devem-se seguir as seguintes etapas:

Reservatório: também chamado de represa ou lago artificial, que é formado pelo

represamento das águas de um rio, por meio da construção de uma barragem.

Vertedouro: uma das partes mais visíveis de uma hidrelétrica é o vertedouro.

Serve para controlar o nível de água do reservatório (quando chove muito),

evitando transbordamentos.

Sistema de captação de água: a água armazenada no reservatório é conduzida

sob grande pressão através de canais ou túneis até a casa de força, onde será

gerada a energia.

Casa de força: são compostas por turbinas hidráulicas e geradores elétricos.

Turbinas: formadas por pás montadas em torno de um eixo. A pressão da água

rotaciona as pás e provoca um movimento circular do eixo, acionando o gerador.

Gerador: localizado acima das turbinas, é composto por um eletroímã fixo e um

fio bobinado no rotor, que gira com o eixo.

Corrente elétrica: ao girar entre os pólos do eletroímã, os elétrons dentro do fio

sofrem uma força devido ao campo magnético e deslocam dentro do fio,

produzindo a corrente elétrica.

O funcionamento do processo é dado basicamente pela seguinte sequência:

Potência Hidráulica Potência Mecânica Potência Elétrica

(água sob pressão) (turbinas em movimento) (Gerador)

As usinas hidrelétricas produzem cerca de um quarto da energia do planeta e

fornecem eletricidade para mais de 1 bilhão de pessoas.

Page 32: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

32

O Brasil é um dos cinco maiores produtores mundiais de geração hidrelétrica,

junto com Canadá, China, EUA e Rússia.

Cerca de 160 usinas nacionais dependem por mais de 90% da energia produzida

no país.

FIGURA 14: ESQUEMA DE UMA USINA HIDRÁULICA

3.1 USINAS HIDRELÉTRICAS

Podemos definir uma usina hidrelétrica como um conjunto de obras e

equipamentos, cujo fim é a geração de energia elétrica através do aproveitamento do

potencial hidráulico existente em um rio.

O potencial hidráulico é proporcionado pelos desníveis existentes ao longo do

curso do rio e pela vazão hidráulica. Os desníveis podem ser de três formas:

De forma natural, quando o desnível está concentrado numa cachoeira por

exemplo.

Através de uma barragem, quando pequenos desníveis são concentrados na

altura da barragem.

Page 33: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

33

Através do desvio do rio do seu leito natural, os pequenos desníveis são

concentrados nesse desvio.

3.1.1 TIPOS DE USINAS HIDRELÉTRICAS

A classificação de uma usina hidrelétrica pode ser feita em função das seguintes

variáveis: altura da queda d’água, potência instalada e tipo de reservatório.

A queda d’água, de forma geral, é definida como baixa, média e alta altura.

Segundo o CERPCH (Centro Nacional de Referência em Pequenas Centrais

Hidrelétricas, da Universidade Federal de Itajubá-Unifei) considera de baixa queda uma

altura de até 15 metros e alta queda acima de 150 metros. Contudo, não há um consenso

em relação a essas medidas.

A potência instalada determina se a usina é de grande, médio ou se é uma PCH

(Pequena Central Hidrelétrica). A ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica)

adota três classificações:

Centrais Geradoras Hidrelétricas (CGH): at é 1 MW de potência instalada.

Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCH): entre 1,1 e 30 MW de potência

instalada.

Usina Hidrelétrica de Energia (UHE): acima de 30 MW.

A potência instalada determina também o tamanho da rede de transmissão

necessário para levar a energia ao centro de consumo. Quanto maior a usina, mais

distante ela tende ficar dos grandes centros.Com relação ao tipo de reservatório temos

três tipos: acumulação, fio d’agua e reversível.

Acumulação ou armazenamento: geralmente ficam localizados nas cabeceiras

dos rios e em locais de alta queda. Dado a seu grande porte permitem grande

acúmulo de água, que nos períodos de estiagem funcionam como estoque. E

também, como são localizadas a montante das demais centrais hidrelétricas, ou

seja, numa cota mais elevada, regulam a vazão de água que irá passar pelas

outras, permitindo uma operação integrada do conjunto de usinas.

Page 34: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

34

Fio d’agua: São as usinas que não possuem um reservatório significativo,

operam com queda constante e vazão não controlada. O reservatório de

acumulação é apenas suficiente para uma regularização diária ou semanal.

Reversíveis: As usinas reversíveis são usinas que podem gerar energia elétrica,

através da queda da água de um reservatório localizado a montante para outro a

jusante, ou armazenar água em um nível mais elevado, através do bombeamento

da água de um reservatório a jusante para outro a montante. Às vezes, pode

existir mais de dois reservatórios e apenas uma usina de bombeamento é

utilizada para elevar a água num sistema de reservatórios.

3.2 HIDRELÉTRICAS NO BRASIL

As hidrelétricas no Brasil correspondem a 90% da energia elétrica produzida no

país. A instalação de barragens para a construção de usinas iniciou-se no Brasil a partir

do final do século XIX, mas foi após a Segunda Grande Guerra Mundial (1939-1945)

que a adoção de hidrelétricas passou a ser relevante na produção de energia brasileira.

Apenas de o país apresentar o terceiro maior potencial hidráulico do mundo

(atrás apenas de Rússia e China), o Brasil importa parte da energia hidrelétrica que

consome. Isso porque a maior hidrelétrica das Américas e segunda maior do mundo, a

Usina de Itaipu, não é totalmente brasileira. Por se encontrar na divisa do país com o

Paraguai, 50% da produção da usina pertence ao país vizinho que, na incapacidade de

consumir esse montante, vende o excedente para os brasileiros. Além do mais, o Brasil

também compra energia produzida pelas hidrelétricas argentinas de Garabi e Yaceritá.

A partir de 1990, houve uma redução no investimento em construções de

hidrelétricas no país. Com isso, em 1995, ocorreu um amplo processo de privatização

do setor elétrico, com a perspectiva de que tal medida proporcionasse ampliação de

investimentos nesse setor. Entretanto, tais expectativas não foram atendidas e as

consequências foram os sucessivos apagões e o estabelecimento de uma crise energética

no Brasil, que culminou no racionamento de energia realizado em 2001.

Posteriormente, o governo brasileiro ampliou a realização de estudos e de

projetos para a ampliação de usinas hidrelétricas no país, acarretando para a construção,

Page 35: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

35

principalmente, de usinas de pequeno porte distribuídas por todo o país. A preferência

na construção de pequenas usinas se deve ao fato de que essas geram menos impactos

ambientais.

3.2.1 TURBINAS UTILIZADAS NAS USINAS DO BRASIL

A Usina hidrelétrica de Itaipu assim como a Usina hidrelétrica de Tucuruí,

Furnas e entre outras, funcionam com turbinas tipo Francis com cerca de 100 m

de queda d'água.

A Usina Hidrelétrica Parigot de Souza, no Paraná, tem 4 turbinas tipo Pelton de

65 MW, com queda bruta normal de 754 m.

3.3 TURBINAS NA MAIOR HIDRELÉTRICA DO MUNDO

Hidroelétrica de Três Gargantas é a maior hidroelétrica do mundo. Construída no

Rio Yangtzé (o maior Rio da China), apresenta um fluxo irregular, com uma capacidade

de geração total de 22.500 MW (700MW x 32 turbo geradores). A usina é composta de

34 turbinas do Tipo FRANCIS, sendo 32 turbinas principais capacidade de geração de

700MW/20KV/50HZ e 2, com capacidade de 50 MW cada, para alimentação da infra

estrutura da Usina.

4 PRINCIPAIS CAUSAS DE "PERDAS" DE ENERGIA

Perdas hidráulicas: a água tem que deixar a turbina com alguma velocidade, e

esta quantidade de energia cinética não pode ser aproveitada pela turbina.

Perdas mecânicas: são originadas por atrito nas partes móveis da turbina e calor

perdido pelo aquecimento dos mancais.

Parada de máquina: a inserção dos molinetes, dependendo do local de medição,

poderá ser feita com uma demorada parada de máquina. Pode ainda, em alguns casos,

ser necessário esvaziar o conduto para avaliação das condições de como proceder ao

Page 36: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

36

ensaio, antes de se fazerem as medições. Durante a medição, os molinetes aumentam a

perda de carga localizada no conduto.

5 SELEÇÃO DE TIPO DE TURBINA

Uma turbina é selecionada para atender a uma determinada queda e vazão, que

dependem das características locais onde a usina será instalada. A seleção depende

ainda de outra grandeza, que é o número de rotações por minuto do gerador elétrico que

a turbina irá acionar.

5.1 ROTAÇÃO

Os geradores de energia elétrica são acionados diretamente pelas turbinas, uma

vez que, os dois são acoplados, possuem o mesmo número de rotações. Pela forma

como são construídos os geradores, existe uma dependência entre as grandezas, pares de

polos p, rotações por minuto n e frequência da corrente fr.

𝑛 =60.𝑓𝑟

𝑝

Como no Brasil utilizamos a frequência de 60 Hz temos:

𝑝 =3600

𝑛

Segundo MACINTYRE (1983), turbinas de grande potência têm baixa rotação

real para poder reduzir a complexidade dos problemas de estabilidade mecânica,

momento nos mancais e também, para melhorar as condições para a regularização do

movimento.

Page 37: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

37

Rotação Específica

A turbina unidade de uma dada turbina, a uma turbina geometricamente

semelhante a essa, que sob uma queda de 1 metro fornece uma potência de 1 CV

funcionando em condições análogas. Logo, todas as turbinas geometricamente

semelhantes e que constituem uma série de turbinas são, portanto, a mesma

turbina unidade. A série de turbinas é caracterizada pela forma de suas unidades

e pelas grandezas que caracterizam o funcionamento de suas turbinas unidade as

quais, essas ultimas são chamadas de grandezas específicas. Se alterarmos o

grau de admissão de uma turbina unidade ela perde a sua característica, ou seja,

deixa de fornecer 1 CV. Define-se então a rotação específica do seguinte modo:

rotação específica ns ou número específico de rotações por minuto é, o número

de rotações por minuto da turbina unidade da turbina dada e de todas as outras

que forem geometricamente semelhantes a ela e funcionando em condições

análogas.

A rotação específica é dada pela seguinte fórmula.

𝑛𝑠 =𝑛 . 𝑁

𝐻 . 𝐻4

5.2 ESCOLHA DO TIPO DE TURBINA

Inicialmente nas primeiras décadas de invenções e projetos de turbinas a escolha

era feita de forma arbitrária e por tentativas, mas que deu lugar ao método baseado em

dados obtidos de turbinas já instaladas, cujo comportamento ofereceu base para

previsões e conclusões para a elaboração de novos projetos. Com esse último método, a

prática mostrou que, cada um dos tipos de turbinas só pode ser empregado com bom

rendimento para uma determinada faixa de valores de ns.

As grandezas conhecidas para a seleção de uma turbina para uma dada

instalação são a descarga Q, a queda He o número de rotações por minuto n, como já foi

mostrado nas tabelas 2 e 3.

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38

6 CURVAS DE DESEMPENHO

Neste capítulo o foco é a análise do comportamento da turbina através das suas

curvas de desempenho. Analisando o comportamento desta quando fora do regime para

o qual foi dimensionado.

Todos os gráficos a seguir foram gerados desconsiderando as perdas

mecânicas, de forma que quando trabalhando em regime normal a turbina opere em

máximo rendimento. Numa situação real considerando todas as perdas possíveis, as

curvas de desempenho não seriam muito diferentes das que serão geradas, por isso

como uma primeira análise os resultados obtidos a seguir são satisfatórios.

6.1 FORÇA NA PÁ

No subitem determinamos através da equação a força na pá a qual está reescrita

abaixo:

𝑭 = 𝝆. 𝑸. (𝑽𝟎 − 𝑼).[𝟏 + 𝒌. 𝐜𝐨𝐬(𝜷𝟐)]

Plotando a equação acima como função da velocidade periférica da roda obtemos

o seguinte gráfico:

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39

FIGURA 15: GRÁFICO DA FORÇA NA PÁ EM FUNÇÃO DA VELOCIDADE PERIFERICA DA

RODA

Podemos concluir do gráfico anterior que a força na pá assume seu valor máximo

quando a velocidade periférica da roda é nula, isto é, a força atinge um valor máximo de

1,4.106 N quando a roda está parada. Quando a velocidade periférica da roda atinge o

mesmo valor que a velocidade do jato a força se torna nula, uma vez que não há mais a

ação do jato.

6.2 MOMENTO HIDRÁULICO

O momento hidráulico é o que possibilita a roda de girar em torno do seu

centro de massa. Sabendo que a força do jato na pá atua a uma distância r do eixo da

turbina, podemos determinar a equação do momento hidráulico multiplicando a força

que age na pá pela distância R do eixo, obtendo a equação abaixo:

𝑀𝐻 = 𝜌.𝑄. (𝑉0 − 𝑈).[1 + 𝑘. cos(𝛽2)]

Plotando a equação acima em função da velocidade periférica da roda temos o

gráfico abaixo:

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40

FIGURA 16: GRÁFICO DO MOMENTO HIDRÁULICO EM FUNÇÃO DA VELOCIDADE

PERIFÉRICA DA RODA

Assim como na análise que fizemos para a força na pá, observamos que quando a

velocidade periférica da roda é zero o momento hidráulico atinge um valor máximo de

1,9.106 N.m. E também, quando a velocidade periférica atinge o mesmo valor que a

velocidade do jato que é 114,30 m/s, o momento se torna nulo, já que neste instante o

jato d’água não atinge mais a pá.

6.3 POTÊNCIA HIDRÁULICA

A potência hidráulica é a potência absorvida pela turbina sua equação pode ser

obtida multiplicando a equação da força pela velocidade periférica da roda conforma

abaixo:

𝑃𝑜𝑡𝐻 = 𝐹.𝑈 = 𝜌.𝑄. (𝑉0 − 𝑈).[1 + 𝑘. cos(𝛽2)]

Plotando a equação acima em função da velocidade periférica da roda temos:

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41

FIGURA 17: GRÁFICO DA POTÊNCIA HIDRÁULICA EM FUNÇÃO DA VELOCIDADE

PERIFÉRICA DA RODA

Observando o gráfico acima, vemos que a potência máxima ocorrerá quando a

velocidade periférica da roda for metade da velocidade do jato, isto é, U igual a 57,15

m/s correspondendo a uma potência de 3,97.104 kW sendo este valor um pouco maior

60 do que a potência efetiva nominal. Contudo este máximo é teórico, pois vimos que o

valor da velocidade periférica é um pouco menor que a metade o que leva a uma

potência hidráulica menor. Outro fato que podemos concluir do gráfico acima é que a

potência hidráulica é zero tanto para velocidade periférica nula quanto para velocidade

periférica igual à velocidade do jato.

6.4 RENDIMENTO HIDRÁULICO

Determinamos o rendimento hidráulico o qual podemos reescrever sua equação

pode ser determinada da seguinte forma:

𝜀 = 𝑃𝑜𝑡𝑟𝑜𝑑𝑎 𝑃𝑜𝑡𝑗𝑎𝑡𝑜 = 𝜌.𝑄. (𝑉0 − 𝑈).[1 + 𝑘. cos(𝛽2)].𝑈 𝜌. 𝑔.𝑄. 𝐻𝑛

Reescrevendo a equação explicitando Hn temos:

Page 42: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

42

𝐻𝑛 = 𝑉0 2 2. 𝑔. 𝜑2

Substituindo a equação obtemos:

𝜀 = 2.𝜑2(𝑉0 − 𝑈).[1 + 𝑘. cos(𝛽2)]

Plotando a equação acima em função da velocidade periférica da roda obtemos o

gráfico abaixo:

FIGURA 18: GRÁFICO DO RENDIMENTO HIDRÁULICO EM FUNÇÃO DA VELOCIDADE

PERIFÉRICA DA RODA

Assim como na análise que fizemos para a potência hidráulica o rendimento

máximo teórico de 91,06% corresponde a uma velocidade periférica de 57,15 m/s que é

metade da velocidade do jato, sendo esta a situação ideal. Porém, o rendimento

hidráulico real é um pouco menor que este, uma vez que a velocidade periférica é menor

do que a metade da velocidade do jato como visto em 6.2.1. O rendimento assume o

valor zero quando a velocidade periférica é zero ou quando a esta atinge a velocidade do

jato.

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43

7 CONCLUSÃO

O aproveitamento da energia hidráulica para geração de energia elétrica é feito

por meio do uso de turbinas hidráulicas, devidamente acopladas a um gerador, e são,

atualmente, as formas mais eficientes de conversão de energia primária em energia

secundária devido ao seu rendimento que varia entre 85% e 95%.

As turbinas hidráulicas apresentam uma grande variedade de formas e tamanhos.

O modelo mais utilizado é o Francis, uma vez que se adapta tanto a locais de baixa

queda quanto aos locais de alta queda. Seu eixo pode ser vertical ou horizontal, já que

trabalha totalmente submerso. Entre outros modelos destacam-se as turbinas Kaplan,

adequadas a locais de baixa queda e as turbinas Pelton, mais apropriadas a locais de

elevada queda.

A seleção da turbina é feita com base em gráficos e tabelas que relacionam a

altura da queda efetiva com a rotação específica, determinando assim qual a turbina

mais apropriada para a usina. E ainda, cada elemento da mesma deve ser dimensionado

cuidadosamente visando a maior eficiência possível para a turbina. Por exemplo,

embasado na operação em grande queda e que a água contenha impurezas como

pequenos pedaços de rocha e solo, o material utilizado tem de ser alta resistência

evitando assim o rápido desgaste e o método de fabricação do rotor visando a fácil

manutenção das pás é determinado como sendo a fundição das pás separadas da roda ao

invés da fundição do rotor num único bloco.

Os seguintes aspectos podem ser usados na classificação das usinas

hidroelétrica: altura efetiva da água, capacidade ou potência instalada, tipo de turbina

empregada, localização, tipo de barragem, reservatório, etc. Contudo, esses fatores são

interdependentes. Geralmente, a altura da queda determina os demais e uma

combinação entre a capacidade instalada determina o tipo de planta e instalação.

Page 44: Trabalho Final Geração. 3 Djalma - Dany - Marcos

44

REFERÊNCIAS

TURBINAS HIDRAÚLICAS. Disponível em:

http://www.antonioguilherme.web.br.com/Arquivos/turb_hidro.php/.

Acesso em: Março de 2016.

TECNOLOGIA DE APROVEITAMENTO DA ENERGIA HIDRÍCA. Disponível em:

https://energypedia.info/images/1/1b/PT-

Tecnologia_de_Aproveitamento_da_energia_hidrica-Stelio_Manhique.pdf/.

Acesso em: Março de 2016.

LINHA DO TEMPO DA ENERGIA. Disponível em:

http://www.eletrobras.com/elb/services/eletrobras/trilhaenergia/pdfs/linha-do-tempo-da-

energia.pdf/.

Acesso em: Março de 2016.

COSTA, A. S. 2003. “Turbinas Hidráulicas e Condutos Forçados”. Disponível em:

http://www.labspot.ufsc.br/~simoes/dincont/turb-hidr-2003.pdf/.

Acesso em: Março de 2016.

CERPCH – Centro Nacional de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétricas.

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