trabalho final geração. 3 djalma - dany - marcos
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Trabalho sobre turbinas hidráulicasTRANSCRIPT
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
DJALMA LACERDA LOPES SEGUNDO
DANIELLY NORBERTO DE ARAÚJO
MARCOS RODRIGO SOUZA LOPES
TURBINAS HIDRÁULICAS
Campina Grande
2016
ii
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
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.
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.
vi
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
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
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.....................................................................................................
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................................................................................................................................
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
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
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
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.
14
• 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.
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.
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.
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
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.
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.
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 -
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.
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
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.
24
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.
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.
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
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
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
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
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.
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.
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.
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.
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,
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
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.
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.
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:
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:
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:
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:
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.
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.
44
REFERÊNCIAS
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http://www.antonioguilherme.web.br.com/Arquivos/turb_hidro.php/.
Acesso em: Março de 2016.
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https://energypedia.info/images/1/1b/PT-
Tecnologia_de_Aproveitamento_da_energia_hidrica-Stelio_Manhique.pdf/.
Acesso em: Março de 2016.
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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.
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Acesso em: Abril de 2016.
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Acesso em: Abril de 2016.
BRAN, R., SOUZA, Z., Máquinas de Fluxo Turbinas – Bombas -Ventiladores. 1 ed.
Rio de Janeiro, Ao Livro Técnico S.A.,1969.
FALCO, R., Apostila de Máquinas de Fluxo II – Turbinas Hidráulicas.
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MACINTYRE, A. J., Máquinas Motrizes Hidráulicas. Rio de Janeiro, Guanabara
Dois, 1983.
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TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS APLICADAS ÀS PEQUENAS, MINI E
MICROCENTRAIS HIDRÁULICAS. Disponível em:
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Acesso em: Abril de 2016.