turbinas final

UNIVERSIDADE TECNOLGICA FEDERAL DO PARAN DEPARTAMENTO ACADMICO DE ELETROTCNICA CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELTRICA NFASE ELETROTCNICA Flvia Batista Marsengo Janio Denis Gabriel Lins Welinon Garcia Leal Rodrigo Zanardini Martins

TURBINAS

CURITIBA 2009

Flvia Batista Marsengo Janio Denis Gabriel Lins Welinon Garcia Leal Rodrigo Zanardini Martins

TURBINAS

Trabalho solicitado pelo professor Gilberto Manoel Alves para a disciplina de Gerao de Energia, do curso de Engenharia Industrial Eltrica, nfase Eletrotcnica, da Universidade Tecnolgica Federal do Paran.

CURITIBA 2009

3 SUMRIO LISTA DE ILUSTRAES E TABELAS.............................................................4 INTRODUO......................................................................................................5 1 SIMBOLOGIA....................................................................................................9 2 DEFINIO.....................................................................................................10 3 FUNO..........................................................................................................11 4 APLICAES.................................................................................................12 5 CLASSIFICAO...........................................................................................13 5.1 TURBINA PELTON......................................................................................13 5.2 TURBINA TURGO........................................................................................14 5.3 TURBINA FRANCIS.....................................................................................16 5.4 TURBINA KAPLAN......................................................................................18 5.4 TURBINA FLUXO CRUZADO (MICHELL-BANKI).....................................20 5.4 TURBINA BULBO........................................................................................22 5.5 TURBINA TIPO SIFO................................................................................24 5.6 TURBINA TIPO S.........................................................................................26 5.7 TURBINA AXIAL..........................................................................................27 5.8 TURBINA TIPO HIDROCINTICA..............................................................29 6 CONSTITUIO..............................................................................................31 7 FUNCIONAMENTO.........................................................................................33 7.1 FUNCIONAMENTO EM CONDIES ANORMAIS....................................33 8 ESPECIFICAO...........................................................................................36 9 INSTALAO.................................................................................................37 10 NORMAS.......................................................................................................38 11 PREOS........................................................................................................40 12 FABRICANTES.............................................................................................41 CONCLUSO.....................................................................................................42 REFERNCIAS..................................................................................................43

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LISTA DE ILUSTRAES E TABELAS

FIGURA 1 - ESQUEMA DE UMA USINA HIDRELTRICA................................5 FIGURA 2 - SIMBOLOGIA DE UMA TURBINA..................................................9 FIGURA 3 MICROGERADOR DE UMA TURBINA........................................10 FIGURA 4 MICROGERADOR DE TRS TURBINAS....................................10 FIGURA 5 TURBINA PELTON.......................................................................11 FIGURA 6 - GERADOR ACOPLADO A RODA DGUA.................................12 FIGURA 7 - turbina tipo pelton........................................................................14 FIGURA 8 - TURBINA TURGO OPERANDO COM EIXO VERTICAL.............15 FIGURA 9 - TURBINA TURGO OPERANDO COM EIXO HORIZONTAL........15 FIGURA 10 - TURBINA FRACIS DE EIXO HORIZONTAL...............................17 FIGURA 11 - TURBINA FRANCIS.....................................................................18 FIGURA 12 - Turbina kaplan............................................................................19 FIGURA 13 - ROTOR KAPLAN DE PS MVEIS..........................................19 FIGURA 14 - TURBINA DE FLUXO CRUZADO...............................................20 FIGURA 15 - TURBINA convencional de fluxo curzado................................22 FIGURA 16 - TURBINA TIPO BULBO..............................................................23 FIGURA 17 - ESQUEMA DE UMA TURBINA SIFO.......................................24 FIGURA 18 - ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO DA TURBINA TIPO S........26 FIGURA 19 - ESQUEMA DE UMA TURBINA AXIAL.......................................27 FIGURA 20 - CORTE DE UMA TURBINA AXIAL.............................................28 FIGURA 21 - TURBINA HIDROCINTICA........................................................30 FIGURA 22 - Turbina hidrocintica com difusor...........................................30 FIGURA 23 - Grupo turbina-gerador instalado no RIO.................................30 FIGURA 24 - ESQUEMA CONSTITUCIONAL DE UMA TURBINA.................32 FIGURA 25 - TURBINA FRANCIS OPERANDO FORA DA REGIO DE PROJETO COM SOBRECARGA......................................................................34 FIGURA 26 - EXEMPLO DE TURBINA FRANCIS COM CAVITAO............35 Tabela 1 - Especificao da Turbina...............................................................36

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INTRODUO A energia hidrulica transformada em energia eltrica atravs de usinas hidreltricas, que forma uma barragem no curso da gua. Quando as comportas da barragem so abertas a gua passa pelas laminas da turbina, fazendo-a girar, esse movimento se repete fazendo com que o gerador ligado turbina transforme energia mecnica em energia eltrica. FIGURA 1 - ESQUEMA DE UMA USINA HIDRELTRICA

Ser apresentado a seguir um histrico sobre o surgimento, com os marcos relevantes na evoluo, das turbinas hidrulicas: 1403 Desenho mais antigo de uma roda dgua que se conhece, com eixo vertical; 1550 J. Besson descreve a primeira turbina axial de reao com ps de madeira, construda na regio de Toulouse, na Frana; 1730 Bernouilli publica em seu livro uma frmula para o clculo da fora exercida por um jato dgua; 1750 J.A. Segner idealiza a primeira mquina fazendo uso do jato dgua, instalada em Nrten, prximo a Gttingen (rio Leine, Alemanha); 1754 Euler estabelece a equao fundamental das mquinas de fluxo, admitindo escoamento unidirecional e nmero infinito de ps; 1824 C. Burdin apresenta Academia de Paris projetos de turbinas de ao e reao, e prope pela primeira vez o nome turbina; 1827 Fourneyron inventa a primeira mquina hidrulica praticamente utilizvel, que se transformou posteriormente na turbina de reao;

6 1834 Fourneyron constri e instala sua turbina para uma queda de 108 m, potncia de 25 kW e rotao de 2200 rpm; 1838 J. V. Poncelet publica trabalho sobre a turbina de Fourneyron . Prope uma roda dgua de fluxo inferior com as ps acionadas parcialmente, precursora da turbina de Fluxo Cruzado; 1841 Henschel-Jonval, primeira turbina axial de reao com tubo de suco. Regulao do nvel d gua por meio de vrios anis; vazo o mais constante possvel e queda varivel; 1842 Roda tangencial de Zuppinger, para grandes quedas e vazes reduzidas; 1843 Fontaine construiu a turbina de Jonval para saltos constantes e vazes variveis, trabalhando a livre admisso; 1848 Schwamkrug idealiza a primeira turbina parcial para grandes quedas e vazes reduzidas; 1849 Francis idealiza a turbina Francis. Inicialmente com cmara aberta; 1851 Girard aperfeioou a turbina Fontaine , regulando consecutivamente as clulas, assegurando sua regulao e construindo a turbina parcial com queda a mais constante possvel; 1860 Haenel, Knop e Lehmann, constrem a turbina Girard em forma de turbina limite para vazes e alturas variveis; 1872 Fink institui as palhetas diretrizes giratrias, primeira regulao correta das turbinas de reao; 1873 J.M. Voith constri a primeira turbina Francis com palhetas diretrizes Fink; 1880 Pelton idealiza e patenteia a turbina Pelton; 1886 G. A. Pfarr constri para a empresa Voith a turbina Francis com caixa espiral; 1891 Primeiro regulador mecnico de rotao construdo por G. A. Pfarr e instalado na Usina de Lauffen; 1892 H. Bremer patenteia na Alemanha o injetor para turbina Pelton; 1903 A. G. M. Michell inventa a turbina de fluxo cruzado; 1912 Primeiros experimentos da turbina Kaplan; 1918 Banki constri e otimiza a turbina de fluxo cruzado, independente de A. G. M. Michell;

7 1924 A fbrica Charmilles constri a usina Piottino, na Sua com turbinas Francis de 300 m de queda e potncia de 22 MW; 1925 Colocao em funcionamento da primeira turbina Kaplan de grandes propores; 1926 A empresa J. M. Voith constri as primeiras turbinas Kaplan, com ps fixas e 6 MW; 1928 A empresa KMW constri a primeira turbina Kaplan de grande porte com ps mveis e potncia de 11 MW e dimetro de 5,8 m; 1930 A empresa J. M. Voith fabrica as turbinas Pelton para Usina de Henry Borden, em Cubato, S.Paulo; 1931 A empresa Escher Wyss constri a primeira turbina reversvel axial (Bomba Turbina ) enquanto que a Voith constri a primeira turbina reversvel tipo Francis, que instalada na usina reversvel de Pedreira para captao e gerao de energia (rio Pinheiros S. Paulo ); 1936 A empresa Escher Wyss constri as primeiras turbinas bulbo; 1939 As empresas J. M. Voith e Escher Wyss, constroem as turbinas Francis para queda de 87m, potncia de 85 MW e 4,5 m de dimetro; 1956 A empresa suca, Nohab, constri 3 turbinas Francis com rotores completamente soldados para a usina de Stornorfors com potncia de 147 MW; 1957 A empresa francesa, Neyrpic, constri a primeira srie de 24 bombasturbina Kaplan para a usina mar motriz de La Rance (Frana); 1965 A empresa Leningrad Metallindrustrie constri 8 turbinas Kaplan com potncia de 60 MW e dimetro externo do rotor de 10,3m, at hoje o maior que se tem notcia, para a usina Satarow, no rio Volga; 1966 A empresa italiana, Riva, constri duas turbinas Pelton de dois jatos e eixo horizontal com 130 MW cada e altura de queda 1300 m, para a usina de Monte Cerusio (Itlia); 1969 As empresas Andritz (ustria), e Escher Wyss (Sua), constroem 4 turbinas Francis com altura de queda de 672m (at ento maior do mundo), e potncia de 60 MW cada para a usina de Rosshag (ustria); 1973 A empresa canadense Dominion e americana Allis Chalmers constroem as turbinas Francis para usina de Grand Coulle II, no rio Columbia,

8 estado de Washington, at ento as maiores turbinas do mundo com dimetro externo de 10,30 m. potncia de 700 MW; 1980 A empresa Escher Wyss constri duas turbinas Pelton com potncia de 265 MW cada uma e 6 jatos, para a usina de Silz (Austria); 1981 As empresas Voith e Neyrpic, com suas associadas brasileiras Voith S.P. e Mecnica Pesada, constroem 18 turbinas com 750 MW, com dimetro da roda, tipo Francis, de 8,60 m, peso de 310 ton., para maior usina at ento construda no mundo (Itaipu Binacional); 1984 As empresas Andritz (ustria) e Escher Wyss (Sua), constroem para a usina de Husling, na ustria, duas turbinas Francis para altura de queda mxima de 740m e potncia de 180 MW. Desde ento, esta a mais alta queda para este tipo de turbina; 1991 As empresas GE Hydro e J.M. Voith iniciam a fabricao das turbinas de "Three Gorges Project", Sanxia, China, com 710 MW, e queda de 80,6 m, a qual aps concluda, com previso entre 2.020 a 2.030, ser a maior central hidreltrica do mundo, com 25.000 MW; 1998 O consrcio formado pelas empresas: VA TECH VOEST MCE, austraca, SULZER HYDRO e HYDRO VEVEY, suas, instalam a turbina Pelton de BIEUDRON, na Sua, com dois recordes mundiais, maior queda, de 1.800 m, e maior potncia para uma turbina Pelton, 423 MW, com dimetro do rotor de 3,993 m.

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1 SIMBOLOGIA A simbologia utilizada para representar as turbinas em projetos eltricos : FIGURA 2 - SIMBOLOGIA DE UMA TURBINA

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2 DEFINIO Roda Hidrulica, cujo eixo vertical gira debaixo da gua. Mquina constituda por uma roda com ps e que acionada por gua, vapor ou gs. A turbina hidrulica de reao definida segundo norma brasileira NBR 6445 (Turbinas hidrulicas, turbinas-bombas e bombas de acumulao) como aquela em que o trabalho mecnico obtido pela transformao da energia cintica e de presso de gua em escoamento atravs das partes girantes. FIGURA 3 MICROGERADOR DE UMA TURBINA

Fonte: http://www.alterima.com.br/index.htm FIGURA 4 MICROGERADOR DE TRS TURBINAS

Fonte: http://www.alterima.com.br/index.htm

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3 FUNO As turbinas hidrulicas so projetadas para transformar a energia hidrulica (a energia de presso e a energia cintica) de um fluxo de gua, em energia mecnica. Para isto, utiliza-se de ps que, quando movimentadas pelo fluxo de gua, fazem com que a turbina gire acionando um eixo que pode estar conectado a um gerador eltrico, produzindo energia eltrica. FIGURA 5 TURBINA PELTON

Fonte: http://www.alterima.com.br/rodapelton.htm

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4 APLICAES Atualmente so mais encontradas em usinas hidreltricas, onde so acopladas a um gerador eltrico, o qual conectado rede de energia. Contudo tambm podem ser usadas para gerao de energia em pequena escala, para as comunidades isoladas. A Figura 5 mostra um gerador acoplado a uma roda dgua, o princpio de funcionamento de um rotor de roda dgua assemelha-se com o rotor Pelton. FIGURA 6 - GERADOR ACOPLADO A RODA DGUA

Fonte: http://www.alterima.com.br/rodapelton.htm

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5 CLASSIFICAO As turbinas hidrulicas dividem-se diversos tipos, sero apresentadas algumas a seguir. Cada um destes tipos adaptado para funcionar em usinas com uma determinada faixa de altura de queda e vazo. As vazes volumtricas podem ser igualmente grandes em qualquer uma delas, mas a potncia ser proporcional ao produto da queda (H) e da vazo volumtrica (Q).

5.1 TURBINA PELTON So adequadas para operar entre quedas de 350 m at 1100 m, sendo por isto muito mais comum em pases montanhosos. Este modelo de turbina opera com velocidades de rotao maiores que os outros, e tem o rotor de caracterstica bastante distinta. Os jatos de gua ao se chocarem com as "conchas" do rotor geram o impulso. Dependendo da potncia que se queira gerar podem ser acionados os 6 bocais simultaneamente, ou apenas cinco, quatro, etc.. O nmero normal de bocais varia de dois a seis, igualmente espaados angularmente para garantir um balanceamento dinmico do rotor. Um dos maiores problemas destas turbinas, devido alta velocidade com que a gua se choca com o rotor, a eroso provocada pelo efeito abrasivo da areia misturada com a gua, comum em rios de montanhas. As turbinas pelton, devido a possibilidade de acionamento independente nos diferentes bocais, tem uma curva geral de eficincia plana, que lhe garante boa performance em diversas condies de operao. O rotor Pelton utilizado em usinas hidroeltricas com duas caractersticas: alta queda, baixa vazo. Instaladas em rios de baixa vazo, obtm-se a fora necessria para gerao de energia devido a altura de queda da gua. O rotor Pelton, tambm chamado de roda Pelton, o que mais se assemelha s antigas rodas dgua. A roda Pelton pode ser acoplada em micro turbinas, micro usinas e usinas hidreltricas com funo de acionar os geradores.

14 FIGURA 7 - TURBINA TIPO PELTON

Fonte: http://energiabrazil.com

5.2 TURBINA TURGO A turbina Turgo uma mquina de impulso similar a turbina Pelton. Entretanto, o jato desenhado para atingir o plano do rotor em um determinado ngulo. Neste tipo de turbina a gua entra por um lado do rotor, saindo pelo lado oposto. Como consequncia dessa passagem, o fluxo total de gua que o rotor da turbina Turgo pode aceitar no est sujeito a qualquer interferncia, principalmente quando da sua sada das ps o que acontece com o retorno do jato nas conchas da turbina Pelton ou mesmo interferindo com o prprio jato da entrada (HARVEY, Adam; e outros, 1998). Assim, a turbina Turgo pode ter um rotor de dimetro menor que o rotor da turbina Pelton, para uma potncia equivalente. Possui, portanto, uma alta velocidade rotao.

15 FIGURA 8 - TURBINA TURGO OPERANDO COM EIXO VERTICAL

Fonte: http://meusite.mackenzie.com.br/mellojr/ FIGURA 9 - TURBINA TURGO OPERANDO COM EIXO HORIZONTAL

Fonte: http://meusite.mackenzie.com.br/mellojr/

16 Como a turbina Pelton, a turbina Turgo trabalha em uma grande faixa de rotaes e no necessita de vedaes especiais nos mancais, uma vez que a cmara no trabalha com presso maior que a atmosfera. A turbina Turgo possui tambm certas desvantagens com relao a turbina Pelton: primeiro, mais difcil de fabricar que a turbina Pelton, uma vez que as ps, possuem forma complexa, sobrepostas e mais frgeis que as conchas da turbina Pelton; segundo, o esforo do jato causa uma reao axial nos mancais alm do esforo radial normal. Isso provocar o uso de mancais de rolamentos auto-compensadores ou mesmo de rolos cnicos ao invs dos simples rolamentos de esferas normalmente adotados. O rotor da turbina Turgo fundido, normalmente, em ao juntamente com as ps, o que requer uma pequena fundio, necessitando de modelo, moldes e todo aparato de uma pequena oficina de fundio. No se tem notcia desse tipo de turbina utilizada no Brasil. Na relao de inventrio do SIPOT (Sistema de Informao do Potencial Hidreltrico Brasileiro), no se encontra meno de qualquer instalao com a utilizao desse tipo de turbina. Porm, bastante usada na ndia onde foi levada pelos ingleses, existindo empresas que constroem esse tipo de turbina para potncias de 10 3.000 kW, com quedas entre 24 e 200 m ( Joyti Ltd).

5.3 TURBINA FRANCIS So adequadas para operar entre quedas de 40 m at 400 m. A Usina hidreltrica de Itaipu assim como a Usina hidreltrica de Tucuruvi, Furnas e outras no Brasil funcionam com turbinas tipo Francis com cerca de 100 m de queda d' gua. A turbina Francis largamente aplicada, pelo fato das suas caractersticas serem muito favorveis a diversas situaes. Atualmente se constroem essas turbinas para grandes aproveitamentos de energia cintica, podendo ultrapassar a potncia unitria de 750 MW.

17 uma tpica turbina de reao, pois recebe gua sob presso na direo radial e descarrega numa direo axial, havendo transformao tanto de energia cintica como de energia de presso em trabalho. A vazo trazida at a turbina pelo conduto forado dirigida em direo radial para a roda e, ao sair, ganha uma direo axial indo para o canal de fuga atravs do tubo de suco. A roda Francis apresenta um ntimo contato com a gua que percorre os seus canais, no sendo, por isto, recomendvel o seu emprego em usinas cuja gua possua alto teor de slidos em suspenso, que acarretam excessivo desgaste da roda por eroso. As turbinas Francis podem ser instaladas de eixo horizontal ou vertical, sendo este ultimo mais comum nas usinas de grande potencia. FIGURA 10 - TURBINA FRACIS DE EIXO HORIZONTAL

Fonte: Fonte: http://energiabrazil.com

18 FIGURA 11 - TURBINA FRANCIS

Fonte: http://www.esbrno.com/en/non-ferrous-metal-castings.html

5.4 TURBINA KAPLAN So adequadas para operar entre quedas at 60 m. A nica diferena entre as turbinas Kaplan e a Francis o rotor. Este se assemelha a um propulsor de navio (similar a uma hlice). Um servo-motor montado normalmente dentro do cubo do rotor responsvel pela variao do ngulo de inclinao das ps. O acionamento das ps conjugado ao das palhetas do distribuidor, de modo que para uma determinada abertura do distribuidor, corresponde um determinado valor de inclinao das ps do rotor. As Kaplans tambm apresentam uma curva de rendimento "plana" garantindo bom rendimento em uma ampla faixa de operao. A usina hidroeltrica de Trs Marias funciona com turbina Kaplan. A tendncia e tambm a necessidade de se obter rotores mais velozes levou a construo, por Victor Kaplan, das turbinas hlices. A seguir, decorrente de pesquisas e experincias que mostravam haver uma estreita relao entre as potencias das hlices da roda, a abertura das aletas e o rendimento, construiu-se uma turbina dotada de um dispositivo de regulagem que possibilitava as hlices acompanhar a variao das aletas.

19 Assim as turbinas deste tipo, com ps mveis no rotor, passaram a ser chamadas de turbinas Kaplan, enquanto as ps fixas receberam o nome de turbinas Hlice. Cada p est individualmente presa ao ncleo, possuindo movimento de rotao em torno de seu prprio eixo, mudando de ngulo. Este movimento simultneo para todas as ps. Essas turbinas so comuns em baixas quedas. Pensa-se atualmente em estender seu campo de aplicao para saltos mdios, em considerao a sua grande flexibilidade de ao frente s variaes de capacidade e tambm s variaes de velocidade e queda, graas as regulao das ps motrizes. FIGURA 12 - TURBINA KAPLAN

Fonte: http://meusite.mackenzie.com.br/mellojr/ FIGURA 13 - ROTOR KAPLAN DE PS MVEIS

Fonte: http://www.ucmr.com/

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5.4 TURBINA FLUXO CRUZADO (MICHELL-BANKI) A turbina Michell-Banki convencional tambm conhecida como turbina de Fluxo Cruzado ou Fluxo Transversal (Cross-Flow), Michell e Michell-Ossberger, classificada como uma turbina de ao e de entrada radial, com admisso parcial. As partes principais de uma turbina Michell-Banki convencional so: a pea de transio, o injetor, a p diretriz, o rotor e a tampa. Estes elementos tambm so parte integrante da turbina Michell-Banki Proposta, como observado na figura 14. FIGURA 14 - TURBINA DE FLUXO CRUZADO

Fonte: http://www.agro.unitau.br/

21 As turbinas Michell-Banki se adaptam muito bem para a gerao em mini e micro-centrais hidreltricas, isto por ser muito simples, terem baixos custos de fabricao, de instalao e de manuteno, podendo ainda ser usadas em amplos intervalos de rotao especfica e vazo, sem diminuir ou variar de maneira aprecivel a eficincia. Devido a essas vantagens, a turbina MichellBanki torna-se muito atrativa. A instalao do tubo de suco numa turbina incrementa a energia absorvida pelo rotor e como conseqncia, o aumento da potncia gerada. A funo do tubo de suco gerar uma presso negativa na sada do rotor, com isto pode-se ter uma variao de presso entre a entrada e a sada do rotor, a qual aproveitada para incrementar a potncia gerada pela turbina. A vlvula de ar o elemento que permite o ingresso de ar dentro da turbina para evitar afogamento do rotor. A energia trocada entre o rotor de uma turbomquina e o fluido que a atravessa se apresenta de duas formas: como energia de presso e como energia cintica, sendo que a energia de presso deve ser medida por uma coluna de fluido (Hpr= altura manomtrica do rotor), a qual leva em conta a variao de presso no rotor. Se a altura manomtrica do rotor igual a zero a mquina chamada de ao e se a altura manomtrica diferente de zero a mquina chamada de reao. A turbina Michell-Banki convencional uma mquina de ao, portanto a altura manomtrica do rotor igual a zero. Ao instalar um tubo de suco aparece um grau de reao, isto , a altura manomtrica do rotor ser diferente de zero. A turbina de fluxo cruzado, embora j bastante difundida em muitos pases no apresenta grande penetrao no Brasil. Na lista oficial do SIPOT, no se encontra qualquer meno de um tipo desta turbina instalada com registro oficial. A figura 15 apresenta o esquema de uma turbina de fluxo cruzado convencional.

22 FIGURA 15 - TURBINA CONVENCIONAL DE FLUXO CURZADO


5.4 TURBINA BULBO A turbina bulbo apresenta-se como uma soluo compacta da turbina Kaplan, podendo ser utilizada tanto para pequenos quanto para grandes aproveitamentos. Caracteriza-se por ter o gerador montado na mesma linha da turbina em posio quase horizontal e envolto por um casulo que o protege do fluxo normal da gua. empregada na maioria das vezes para aproveitamentos de baixa queda e quase sempre a fio dgua. Sua concepo compacta de uma turbina Kaplan reduz consideravelmente o volume das obras civis, tornando a mesma de menor custo. Em compensao, o custo do equipamento eletromecnico, turbina e gerador so maiores que os das turbinas convencionais, pela tecnologia e processos de fabricao aplicveis em termos de ajustes e vedaes.

23 Basicamente trata-se de uma unidade geradora composta de uma turbina Kaplan e um gerador envolto por uma cpsula (bulbo) por onde a gua flui ao seu redor antes de chegar s ps da turbina. A cpsula por sua vez fica imersa no fluxo d'gua, isto acarreta em um equipamento que exige uma vedao mais precisa o que impacta em um espao menor para acesso de manuteno. Operam em quedas abaixo de 20 m. Foram inventadas na dcada de 30, as primeiras foram construdas pela empresa Escher Wyss em 1936. A maior unidade tipo Bulbo construda encontra-se no Japo, na usina de Tadami que possui 65,8 MW de potncia, queda de 19,8m e rotor com dimetro de 6,70 metros. No Brasil existe o planejamento da construo das Usinas de Santo Antnio e Jirau, constando no projeto de cada usina a instalao de 44 turbinas do tipo Bulbo com potncia unitria igual a 73 MW e 75 MW, respectivamente. As turbinas a serem instaladas nestas usinas passaro a ser as maiores turbinas bulbo do mundo. FIGURA 16 - TURBINA TIPO BULBO


24 5.5 TURBINA TIPO SIFO Para aproveitamentos de baixas quedas, normalmente inferiores a 5m pode-se utilizar os grupos eletromecnicos equipados com as turbinas axiais especiais para essa finalidade, denominadas tipo "Sifo". Os equipamentos hidro-geradores para os grupos "Sifo", so de concepo simples. Um conduto em chapas de ao convenientemente calandradas e soldadas, ou mesmo parcialmente em concreto, instalado acima dos nveis de montante e jusante da gua. A partida do grupo realizada a partir de uma bomba de vcuo, criando assim um fluxo contnuo da gua no interior do conduto. A parada da turbina conseguida pela admisso de ar no Sifo. Os equipamentos hidro-mecnicos e a obra civil associada, normalmente utilizada em instalaes tradicionais, podem ser assim economizados. A turbina constituda de um distribuidor fixo e um rotor tipo axial que pode ser propeller (com ps fixas), ou Kaplan (com ps mveis), figura 17. FIGURA 17 - ESQUEMA DE UMA TURBINA SIFO


25 Os conjuntos de turbinas Sifo podem ser montados quase que completamente em fbrica, reduzindo assim os custos de instalao na obra. No Brasil, a Alstom-ABB, antiga Mecnica Pesada, em Taubat, padronizou e produz esse tipo de turbina, sendo utilizada em baixas quedas, de 1 4,5 m aproximadamente, com vazes entre 2,0 e 3,0 m/s e uma faixa de potncia entre 60 a 600 kW disponveis em 6 dimetros entre 1,18 m e 2,12m. Para potncias at 450 kW, a multiplicao da rotao entre a turbina e o gerador feita por intermdio de polia e correia, e para potncias acima de 450 kW, a multiplicao feita utilizando-se redutor de engrenagens. Conhecendo-se a queda lquida e a vazo turbinvel, com o auxlio de um baco, pode-se estimar a potncia nos bornes do gerador e determinar as dimenses principais da turbina (dimetros do rotor e do cubo). Pode-se notar que as dimenses desse tipo de turbina so relativamente grandes, o que de certa forma poder encarecer a parte de transporte e a utilizao de equipamentos de levantamento utilizados na sua montagem de obra, principalmente se a instalao for realizada em lugares mais remotos do territrio nacional e de difcil acesso. Por outro lado, deve-se acrescentar o fato de que o conjunto pode trabalhar desabrigado, reduzindo os custos com as obras civis, que em casos extremos pode chegar at a 15% do valor dos equipamentos eletromecnicos (Alstom ABB, 1998). O controle de operao da turbina Sifo requer certos cuidados, principalmente na partida com a ligao da bomba de vcuo, e a certeza da tomada completa da gua na tubulao eliminando a existncia do ar, o que poder prejudicar o perfeito funcionamento do conjunto turbina - gerador. Na sua instalao, a turbina dever ficar localizada de tal maneira que o ponto inferior da roda esteja acima do nvel mximo de montante. O ponto superior de sada do tubo de suco dever estar localizado no mnimo 0,3 m do nvel de jusante de funcionamento. A altura de suco, ou seja, a posio do ponto superior da roda em relao ao nvel de jusante de funcionamento, dever ser definido em cada caso pelo fabricante do equipamento.

26 5.6 TURBINA TIPO S As turbinas axiais tipo "S" tem sua aplicao, 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 conveniente por apresentar flexibilidade de operao, simplicidade de montagem e facilidade de acesso e manuteno. Cada dimenso de turbina pode ser fornecida, dependendo das variaes de altura de queda e vazo em quatro variantes: - Distribuidor mvel e rotor de ps mveis; - Distribuidor fixo e rotor de ps mveis; - Distribuidor mvel e rotor de ps fixas; - Distribuidor fixo e rotor de ps fixas. O esquema de funcionamento desse tipo de turbina pode ser visualizado na figura abaixo: FIGURA 18 - ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO DA TURBINA TIPO S

Fonte: http://meusite.mackenzie.com.br/mellojr/ Grandes variaes requerero, geralmente, instalaes de turbinas com ps mveis (tipo Kaplan). No caso de aplicao de turbinas com distribuidor fixo, a partida e a parada da unidade devero ser asseguradas por um rgo de segurana, geralmente uma comporta vago ou por uma vlvula borboleta.

27 A Alstom-ABB, em Taubat, fornece este tipo de turbinas para alturas entre 3 e 22m, vazes entre 9 e 50 m3/s e faixa de potncia de 500 5000 kW, com dimetros de rotores que variam de 1,50 m at 2,65 m.

5.7 TURBINA AXIAL A turbina axial tradicional, tambm chamada de propeller, consiste basicamente de um rotor, similar a hlice de navio, ajustada internamente na continuao de um conduto, com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a tubulao muda de direo. Normalmente trs ou quatro ps so utilizadas quando a altura de queda relativamente baixa, podendo ter at oito ps para maiores alturas. A entrada da gua regulada por palhetas diretrizes. O rendimento dessa turbina com vazes menores daquela do ponto normal de funcionamento tende a baixar de maneira considervel, at mais acentuada que na turbina Francis. Embora o perfil das ps deva ser executado de maneira a aperfeioar as foras oriundas das presses exercidas sobre as mesmas, os projetos tm sido idealizados com sees mais planas, que oferecem menos eficincia, porm so mais fceis de serem fabricadas. Essa espcie de projeto pode ser considerada seriamente para aplicaes em micro centrais, onde baixo custo e facilidade de fabricao so prioritrios (HARVEY, Adam, 1998). FIGURA 19 - ESQUEMA DE UMA TURBINA AXIAL


28 FIGURA 20 - CORTE DE UMA TURBINA AXIAL

Fonte: http://meusite.mackenzie.com.br/mellojr/ tambm possvel, na maioria das vezes, considerar a caixa espiral da turbina axial de concreto. Variando o passo das ps do rotor simultaneamente com as palhetas do distribuidor, pode-se conseguir bons rendimentos com vazes parciais. As turbinas axiais, nas quais torna-se possvel a variao dos passos das ps do rotor so chamadas de turbinas propeller de ps variveis ou, como so mais conhecidas turbinas Kaplan. Alguns tipos de turbinas axiais podem possuir um conjunto de ps diretrizes dispostas de maneira radial, juntamente com uma caixa espiral. As ps do rotor podem ser construdas ou fundidas, ou estampadas e soldadas ou montadas no cubo, normalmente fundido. Para pequenas turbinas, do tipo propeller, as ps e o rotor podem ser fundidos em uma s pea. No caso da turbina Kaplan, o sofisticado mecanismo de controle das ps no rotor, pode encarecer sua fabricao e tornar a sua aplicao invivel quando comparado s outras turbinas na mesma faixa de aplicao. As turbinas axiais vm apresentando grande interesse para quedas pequenas em rios de maiores vazes que habitualmente se consideraria para instalaes da turbinas tipo Francis e fluxo cruzado. A turbina axial deu origem a uma srie de variantes, alm do conceito da turbina Kaplan, como: a turbina Bulbo, a turbina Sifo, a turbina S, tanto de jusante quanto de montante e at a

29 turbina Strafflo, essa ultima utilizada em baixssimas quedas dgua e apresenta grupo rotor da turbina inserido dentro do rotor o gerador. No Brasil a turbina axial tem seu uso bastante difundido, aparecendo no inventrio das usinas hidroeltricas de pequeno porte do SIPOT como a mais usada depois da turbina Francis. Na regio Centro-Oeste, apresenta grandes condies de aplicao devido s caractersticas hidrolgicas existentes. Contudo deve-se salientar que a turbina axial a que apresenta o maior custo em relao ao kW instalado, quando comparada com as tradicionais, Francis simples e Pelton.

5.8 TURBINA TIPO HIDROCINTICA Uma turbina hidrocintica consiste em um cilindro oco de metal, de tamanho variado, entre de quatro a nove metros de comprimento, com uma hlice acoplada em seu interior. Suspensa por um brao mecnico instalado na margem ou flutuando em bias no meio de um rio, a mquina aproveita a prpria correnteza para girar a hlice e acionar um gerador, geralmente de ims permanentes. Alguns fatores fazem da turbina hidrocintica uma boa opo para utilizao em reas de comunidades prximas a rios e locais de preservao. Alm de no precisar de grande obras de engenharia para funcionar, com perigo de alterao na flora e fauna local, as turbinas hidrocinticas so projetadas de forma que tanto peixes de grande porte quanto outros menores no corram perigo de sofrer um acidente com as ps da hlice. Uma turbina desse tipo tem vida mdia projetada de 30 anos, com produo ininterrupta de energia. A manuteno deve ser feita a cada seis meses, trocando-se peas de custo baixssimo se necessrio. As turbinas podem ser instaladas praticamente em qualquer rio com correnteza. Adaptaes para aproveitar quedas d'gua ou pequenos desnveis so possveis e s aumentam a potncia gerada. Alm disso, as mquinas podem ser instaladas em srie, para atender a demandas maiores. As figuras abaixo mostram alguns exemplos de turbinas hidrocinticas.

30 FIGURA 21 - TURBINA HIDROCINTICA

Fonte: Projeto Turbina Hidrocintica - UNB FIGURA 22 - TURBINA HIDROCINTICA COM DIFUSOR

Fonte: Projeto Turbina Hidrocintica - UNB FIGURA 23 - GRUPO TURBINA-GERADOR INSTALADO NO RIO

Fonte: Projeto Turbina Hidrocintica - UNB

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6 CONSTITUIO Uma turbina constituda basicamente por cinco partes: caixa espiral, pr-distribuidor, distribuidor, rotor e eixo, tubo de suco. Caixa espiral: uma tubulao de forma toroidal que envolve a regio do rotor. Esta parte fica integrada estrutura civil da usina, no sendo possvel ser removida ou modificada. O objetivo distribuir a gua igualmente na entrada da turbina. fabricada com chapas de ao-carbono soldadas em segmentos. A caixa espiral conecta-se ao conduto forado na seco de entrada, e ao prdistribuidor na seco de sada. Pr distribuidor: A finalidade do pr-distribuidor direcionar a gua para a entrada do distribuidor. composta de dois anis superiores, entre os quais so montados um conjunto de palhetas fixas, com perfil hidrodinmico de baixo arrasto, otimizando sua influncia na perda de carga e turbulncia no escoamento. uma parte sem movimento, soldada caixa espiral e fabricada com chapas ou placas de ao carbono. Distribuidor: O distribuidor composto de uma srie palhetas mveis, acionadas por um mecanismo hidrulico montado na tampa da turbina (sem contato com a gua). Todas as palhetas tm o seu movimento conjugado, isto , todas se movem ao mesmo tempo e de maneira igual. O acionamento feito por um ou dois pistes hidrulicos que operam numa faixa de presso de 20 bar nas mais antigas, at 140 bar nos modelos mais novos. Estes pistes hidrulicos controlam o anel de regulao, ao qual esto acopladas as palhetas diretrizes. H casos em que no h anel de regulao para sincronizar o movimento de abertura e fechamento das palhetas. Neste caso, so utilizados diversos servomotores, sendo cada um designado a movimentar uma nica palheta diretriz. O distribuidor controla a potncia da turbina, pois regula vazo da gua. um sistema que pode ser operado manualmente ou em modo automtico, tornando o controle da turbina praticamente isento de interferncia do operador. Rotor e eixo: O rotor da turbina onde ocorre a converso da potncia hidrulica em potncia mecnica no eixo da turbina.

32 Tubo de suco: Duto de sada da gua, geralmente com dimetro final maior que o inicial, desacelera o fluxo da gua aps esta ter passado pela turbina, devolvendo-a ao rio parte jusante da casa de fora. FIGURA 24 - ESQUEMA CONSTITUCIONAL DE UMA TURBINA

Fonte: http://energiasesp12b.no.sapo.pt/turbina_hidraulica.htm

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7 FUNCIONAMENTO Em todos os tipos h alguns princpios de funcionamento comuns. A gua entra pela tomada de gua montante da usina hidreltrica que est num nvel mais elevado e levada atravs de um conduto forado at a entrada da turbina. Ento a gua passa por um sistema de palhetas (guias mveis) que controlam a vazo volumtrica fornecida turbina. Para se aumentar a potncia as palhetas se abrem, para diminuir a potncia elas se fecham. Aps passar por este mecanismo a gua chega ao rotor da turbina. Nas turbinas Pelton no h um sistema de palhetas mveis e sim um bocal com uma agulha mvel, semelhante a uma vlvula. O controle da vazo feito por este dispositivo. Por transferncia de quantidade de movimento parte da energia potencial dela transferida para o rotor na forma de torque e velocidade de rotao. Devido a isto a gua na sada da turbina estar a uma presso bem menor do que a inicial. Aps passar pelo rotor, um duto chamado tubo de suco conduz a gua at a parte de jusante da casa de fora (no nvel mais baixo). As turbinas Pelton tm um princpio um pouco diferente (impulso), pois a presso primeiro transformada em energia cintica, em um bocal, onde o fluxo de gua acelerado at uma alta velocidade e em seguida choca-se com as ps da turbina imprimindo-lhe rotao e torque.

7.1 FUNCIONAMENTO EM CONDIES ANORMAIS Quando as turbinas operam fora de suas condies de vazo e rotao nominais, as turbinas tipo Francis esto sujeitas a problemas relacionados a formao de vrtice no ncleo do rotor, ou mesmo, a formao da trana no tubo de suco, como mostrado na figura 25, para a turbina que opera com sobre carga de vazo Q em relao a vazo nominal Qo. A formao da trana representa uma dificuldade para a estabilidade do grupo e, tambm, pode contribuir para a vibrao mecnica. Outro problema experimental que pode ser observado a cavitao na sada do rotor, por

34 causa da diminuio da presso da gua em relao presso de vapor da gua na temperatura de operao. Na figura 26 mostrado um exemplo do efeito destrutivo da cavitao em um rotor tipo Francis. Nesta condio, as perdas de carga podem aumentar. FIGURA 25 - TURBINA FRANCIS OPERANDO FORA DA REGIO DE PROJETO COM SOBRECARGA

Fonte: Se as perdas fossem aumentadas, a rotao da turbina tenderia a diminuir e o regulador tentaria abrir mais o anel de Fick ou a vlvula reguladora de vazo, para aumentar a vazo e a rotao da turbina, tambm. No entanto, se a vazo fosse menor que a vazo nominal, que limitada pela quantidade de gua armazenada no reservatrio, a eficincia da turbina seria menor. Outro problema caracterstico, desta condio de operao, a diminuio da potncia hidrulica, uma vez que depende da vazo e da altura de queda.

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FIGURA 26 - EXEMPLO DE TURBINA FRANCIS COM CAVITAO

Fonte: Se as perdas fossem aumentadas, a rotao da turbina tenderia a diminuir e o regulador tentaria abrir mais o anel de Fick ou a vlvula reguladora de vazo, para aumentar a vazo e a rotao da turbina, tambm. No entanto, se a vazo fosse menor que a vazo nominal, que limitada pela quantidade de gua armazenada no reservatrio, a eficincia da turbina seria menor. Outro problema caracterstico, desta condio de operao, a diminuio da potncia hidrulica, uma vez que depende da vazo e da altura de queda. Segundo Saidel (1997), os problemas relacionados diminuio da eficincia poderiam ser minimizados com a turbina operando com rotao varivel. Dispondo de tecnologia que efetivasse este tipo de operao, tal como o sistema HVDC ou Ciclo-conversor, a turbina teria um grau de liberdade a mais para ajustar sua rotao s condies de operao e, consequentemente, conseguir uma rotao que melhor contribusse para aumentar sua eficincia. Todavia, com base nos resultados obtidos em laboratrio, este tipo de operao somente seria aplicvel s centrais que caracterizam-se pela variao da altura de queda. Estas centrais, normalmente, apresentam reservatrios em forma de canyon. A primeira razo reside no fato que a variao da altura de queda acarreta variao da presso na entrada da turbina. Essa presso necessria para girar o rotor da mesma. A segunda razo, a vazo que conduzida pelos condutos forados na central hidreltrica, quase sempre mantida constante, conforme a abertura da vlvula localizada na entrada da turbina.

36 8 ESPECIFICAO Para se especificar uma turbina, preciso saber o tipo, a rotao especfica, a vazo, a queda dgua, a potncia e o rendimento. TABELA 1 - ESPECIFICAO DA TURBINA

Fonte: http://www.metodoeventos.com.br/iiipch/downloads/10-102007/tarde/prof_thiago.pdf

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9 INSTALAO As turbinas hidrulicas podem ser montadas com o eixo no sentido vertical ou horizontal. Os esforos oriundos do peso prprio e da operao da mquina so suportados axialmente por mancais de escora e contra-escora e radialmente por mancais de guia, sendo que o arranjo e quantidade de mancais podem variar em cada projeto. Normalmente, devido ao seu alto custo e necessidade de ser instalada em locais especficos, as turbinas hidrulicas so usadas apenas para gerar eletricidade. Por esta razo a velocidade de rotao fixada num valor constante.

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10 NORMAS As normas nacionais que regem a instalao, manuteno,

funcionamento, ensaios e todas as caractersticas dos pra-raios de resistor no linear utilizados nas redes eltricas de distribuio so: NBR10069 - Mancais de deslizamento para turbinas hidrulicas, turbinas-bombas e bombas de acumulao; NBR10280 - Determinao de parmetros bsicos de turbinas hidrulicas para pequenas centrais hidreltricas (PCH); NBR10393 - Sistema de regulao de turbinas hidrulicas Ensaios; NBR10684 - Smbolos dimensionais e parmetros caractersticos de turbinas hidrulicas; NBR11212 - Recomendaes para elaborao de especificaes tcnicas de pequenas turbinas hidrulicas para pequenas centrais hidreltricas (PCH); NBR11374 - Turbinas hidrulicas - Ensaio de campo; NBR12591 - Dimenses principais de turbinas hidrulicas para pequenas centrais hidreltricas (PCH); NBR13471 - Recomendaes para elaborao de especificaes tcnicas de mini e microturbinas hidrulicas para pequenas centrais hidreltricas (PCH); NBR5365 - Excitatrizes girantes de mquinas sncronas; NBR6412 - Turbinas hidrulicas - Recepo de modelos;

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NBR6445 - Turbinas hidrulicas, turbinas-bombas e bombas de acumulao; NBR9581 - Turbinas hidrulicas - Bombas de acumulao e turbinasbombas - Verificao da eroso por cavitao; NBR9969 - Turbinas hidrulicas para pequenas centrais hidreltricas.

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11 PREOS O projeto de uma turbina hidrulica especfico para cada usina hidreltrica. Isto se deve ao fato de que a seleo de uma turbina hidrulica baseada na queda e vazo disponvel no local onde a turbina ser instalada, o que resultar em mquinas com rotaes, dimetros e potncias diferentes, resultando em projetos quase que exclusivos para cada usina.

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12 FABRICANTES Abaixo apresentada uma lista de fabricantes de Turbinas Hidrulicas e conjuntos Geradores. Alston Power Hydro (Frana) - www.hydro.power.alstom.com Alterima Ind. Com. Geradores LTDA - www.alterima.com.br Betta Hidroturbinas - www.bettahidroturbinas.com.br GR Mquinas Hidrulicas e Eltricas - www.hidrogr.com.br Hacker Usinas Hidreltricas e Equipamentos - www.hacker.ind.br Hidroenergia Engenharia e Automao - www.hidroenergia.com.br NH Geradores - www.nhgeradores.com.br Mecamidi Hydro Expert (Frana) - www.mecamidi.com Voith Siemens Hydro Power Generation (Alemanha) -

www.voithsiemens.com Turbinas Hidrulicas Wirz - www.turbinaswirz.com.br HISA Hidrulica Industrail SA - www.hisa.com.br

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CONCLUSO As normas e literaturas pesquisadas indicam a importncia da utilizao de turbinas em diferentes situaes com o objetivo de produo de energia eltrica a partir da energia potencial da gua. Verifica-se que o desenvolvimento das turbinas foi muito grande desde o momento que se teve a concepo de uma turbina, ainda na Idade Mdia. So de fundamental importncia nos sistemas eltricos porque esto no incio, na gerao de energia. Seu estudo mais aprofundado trouxe um desenvolvimento tecnolgico muito grande para a humanidade.

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REFERNCIAS Alterima Ind. Com. Geradores LTDA

Avenida Salime Nacif 652, Centro Manhuau - MG - Cep: 36900-000 Tel/fax: 33-3331-1409 ou 33-8806-7409 Brazilian Conglomerados Tecnolgicos Rua Pilar , n-10 Bairro: Timb Cidade : Camaragibe PE Cep:54768-360 energiasesp12b.no.sapo.pt/turbina_hidraulica.htm ESTADO DA ARTE DAS PCHs Prof. Dr. Geraldo Lcio Tiago Filho. CERPCH IRN UNIFEI Campos, M. C. , Anlise das Incertezas das Medidas nos Ensaios de Turbinas Hidrulicas no LHEP Mestrado , EFEI, Fevereiro 1993. Campos Barros J.G. Saidel M. A ., Ingran L., Westphalen M. ,Adjustable Speed Operation of Hydro Eletric Turbine Generators, Electra ,No. 167, Agosto 1996 Farell C. e J. S. Gulliver, Hydro mechanics of Variable Speed Turbines, Journal of Energy Engineering, Volume 113, No. 1, pp 1 -13, 1987 Guilherme A . G. Lima, Moraes R. M., Olivert J. A .,Velocidade Ajustavel : Maior Eficincia da Gerao com Menor Impacto Ambiental, EM, Abril 1997 Green, Daniel A ., Generation More Efficiently with Adjustable Speed Machines, Hydro Review, Volume 13, No. 2, pp 18 27, , Abril 1994

44 La Houille Blanche , Comportement dynamique des turbomachines hydrauliques , nmero 1/ 2 , 1980 Norma ABNT NB 6412 / 80 Recepo em modelos de turbinas hidrulicas ensaios procedimentos Norma ABNT NB 9581 / 86 Turbinas hidrulicas Testes de verificao da eroso por cavitao Saidel, M., A., dos Reis, L., B., Hydro Eletric Generation in Speed Adjustable: Increasing of Power Efficiency and Environment Integration of Using, Anais do IV Congresso Latino-Americano de Fluido-Mecnica, EFEI - Itajub - MG Brasil, pp. 152-157, 7 a 10 de Abril de 1997 Souza H. A, Nelson A. C. V. , Anlise Preliminar de Turbinas Hidrulicas para Operar com Rotao Varivel , Anais do Third Congress of Generation and Tramsmission of Novembro de 1997. Souza, Z. , Apostila : Comportamento de Mquinas de Fluxo , EFEI, 1995. Vivier, L., Turbines Hydrauliques et Leur Rgulations, ditions Albin Michel, Paris, 1966 Ulith, P., Comportamento no Servio das Turbinas Francis, Anales del I Seminario de Ingeniera Hidromecanica, VOITH , 1976 Site pessoal prof. Antnio Mello [acesso em 21 mar 2008]. Tipos de turbinas hidrulicas aplicadas s pequenas, mini e microcentrais hidrulicas JAN/2008. Disponvel em: http://www.copel.com/dis/normas/especifica% C3%A7%C3%A3o/portugu%C3%AAs/ntc0033.PDF> Electric Power, Campos de Jordo, So Paulo, Brasil,

45 IGHEM - Jssica Brandt [acesso em 21 mar 2008]. Estado da Arte das PCHs DEZ/2004. Disponvel em: http://www.ighem.org/Paper2004/ 3BrandtDoering.pdf

AGNCIA BRASIL [acesso em 21 mar 2008]. Saiba o que mudou no projeto das hidreltricas de Jirau e Santo Antnio - JUN/2007. Disponvel em: http://www.agenciabrasil.gov.br/noticias/2007/06/04/materia.2007-0604.5907832463/view

turbinas final

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