turbinas hidraulicas 1 parte
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Unidade Curricular: Sistemas Fluidodinâmicos
Prof. Dr. Guillermo VilaltaDCTEF/UFSJ, Sala 2.12-MD
4.1. Introdução.
4.2. Recursos hidráulicos. Usinas hidroelétricas.
4.3. Tipos de turbinas.
4.4 Turbinas a Reação;
4.4.1 Turbinas Francis;
4.4.1.1 Principio de funcionamento. Partes;
4.5 Turbinas a Impulsão/ação;
4.5.1. Turbinas Pelton
4.5.1.1 Principio de funcionamento. Partes
TEMA IV Turbinas Hidráulicas
Unidade Curricular: Sistemas Fluidodinâmicos
Prof. Dr. Guillermo VilaltaDCTEF/UFSJ, Sala 2.12-MD
4.6. Fluxo de energia. Parâmetros fundamentais
4.7. Velocidade específica
4.8. Efeitos ambientais
TEMA IV Turbinas Hidráulicas
OBJETIVOS
1. Conhecer os principais aspectos relacionados à energia hidráulica eàs Turbinas hidráulicas:
1.1 Classificação e tipos de turbinas;
1.2 Principio de funcionamento das Turbinas;
1.3 Parâmetros de funcionamento das Turbinas;
1.4 Fluxo energia;
1.5 Velocidade específica para seleção de turbinas.
Referencias Bibliográficas
BásicaMataix, Claudio. Turbomáquinas hidráulicas. Pags. 273-320, 555-684, 685-716.
ComplementarFox & McDonald (7 edição), pags. 433-436; 494-498.Potter & Wiggert, pags. 504-515.White (4ta edição), pags, 514-519.
4. 1. Introdução
Turbinas:
Máquinas que extraem energia um fluido na forma de trabalho ou potência;
Energia de fluido, H
Energia mecânica
Elemento gerador (gerador elétrico)
Ciclo de usina termoelétrica
Alta pressão
Baixa pressão
Potência eixo Turbina/gerador
Petróleo
Origem das Turbinas: Roda Hidráulica
Classificação das Turbinas
Máquinas Motrizes: Ocorre a transformação da energia mecânica (potencial e/oucinética) fornecida por fluido em escoamento a um rotor ou pistão; Ocorre a transferência a um eixo com o objetivo de realização detrabalho; A energia mecânica é produzida a partir da redução do nívelenergético de um fluido.
Máquinas dinâmicas: A transmissão de energia se produz em um elemento dinâmico:o rotor; Principio inverso às bombas !!
Campo de Aplicação das Turbinas
4.2. Tipos de turbinas
Turbinas a vapor: O fluido de trabalho é o vapor de água;Os parâmetros do vapor dependem da capacidade do gerador de vapor;Estado termodinâmico do fluido pode variar significativamente.
Turbinas a gás: O fluido de trabalho é gás.O gás pode ter varias procedências: gás natural, biogás etc;Estado termodinâmico do fluido pode variar significativamente.
Turbinas EólicasPotência a partir do vento;Comportamento do fluido: incompressível
On-shore
Off-shore
Turbinas Hidráulicas Potência a partir da água; Comportamento do fluido: incompressível
Tipos de turbinas hidráulicas
Turbina de reaçãoO fluido ocupa todo o rotor;Máquinas de baixa altura de queda e altas vazões;Parte da variação de pressão do fluido ocorre externamente ao rotor e outra parte dentro das pás; Aceleração externa, deflexão do fluido para entrar no rotor e variação da velocidade relativa e da pressão no rotor;Podem produzir maior potência para um tamanho dado.
Diferentes tipos de turbinas a reação
Turbina Francis (centrífuga)
Turbina Kaplan-Hélice (Victor Kaplan)Entrada de água circunferencialmente através da carcaça;Água é defletida nas aletas guias para fluir (quase) axialmenteantes de entrar no rotor;axial
Victor Kaplan
Rotor de turbina Kaplan
Turbinas Kaplan
Convertem a elevada altura de queda através de um injetor, em um jato de alta velocidade e pressão atmosférica;A água do jato atinge as pás (conchas) em uma certa posição, é defletida e sai da concha com velocidade relativa aproximadamente oposta àquela com a qual ela entrou;Podem ser de jato único ou de múltiplos jatosNa passagem do rotor, as pás não são totalmente preenchida de dado.
Turbina de ação/impulsão
Diferentes tipos de turbinas de ação
Turbina Pelton
Lester Allan Pelton
Turbinas Turgo
Bocal com agulha móvel para o controle de vazão
A água entra por um lado dorotor, saindo pelo lado oposto;O fluxo total de água que orotor da turbina Turgo podeaceitar não está sujeito aqualquer interferência;Rotor de diâmetro menor queo rotor da turbina Pelton, parauma potência equivalente; Possui, portanto, uma altarotação.
Principio de turbinas de reação versus ação
4.4 Turbinas de reação4.4.1 Turbina Francis
4.4.1.1 Principio de funcionamento. Partes.
CarcaçaElemento que contem os componentes da turbina. Nas turbinas Francis e Kaplan apresenta a forma de um espiral semelhante ao corpo de bombas centrifugas.
VolutaConduzir o fluido até as pás distribuidoras
Pás distribuidoras: Elemento estático cuja finalidade é:Acelerara o fluxo de água transformando a energiaDirigir a água para o rotorRegular da vazãoPode ser do tipo injetor em turbinas de ação ou de forma axial ou semi axial em turbinas de reação.
Rotor: Elemento fundamental das turbinas. Formado por uma serie de pás Se produz a transformação de energia hidráulica da queda de água em energia mecânica, originada pela aceleração e desvio do fluxo através das suas pás.
Polígono de velocidades
4.5 Turbinas de ação - Impulsão4.5.1 Turbina Pelton
4.5.1.1 Principio de funcionamento. Partes.
Pelton de jato duplicado
Principio de funcionamento
Carga de pressão
Energia cinética
Polígono de velocidades
Equação do momento da quantidade de movimento ao VC
21 cos1 uVQrT
Potência (liberada) do fluido para o rotor da turbina
21 cos1 uVQuN
2: ângulo de giro relativo ao plano horizontal:Valor ótimo=180Valores usuais: 160 a 168
Velocidade do jato em termos de carga disponível, Hd
dgHCvV 21 Cv= coeficiente de velocidade, considera as perdas no bocal, 0,92 Cv 0,98
Fator de velocidade,
dgH
r
2
Relação entre a eficiência e o fator de velocidade
2cos12 vT C
Eficiência máxima: =Cv/2
EXEMPLOUma turbina a reação, cujos raios do rotor são: r1=300 mm e r2=150 mm opera sob as seguintes condições: Q=0,057 m3/s, =25rad/s, a1=30, C1=6 m/s, a2=80e C2=3 m/s. Supondo condições ideais, encontre:a) O torque aplicado no rotor, b) a carga da turbina, c) a potência do fluido. Use =1000 kg/m3.
Solução
a) Torque
Equação de Euler
222111
2211
coscos aa
CrCrQT
CrCrQT uu
Substituindo valores
80cos315,030cos63,0057,01000T
mNT 4,84
b) Potência liberada pela turbina
Condições ideais: t=1
u
mt
N
N
mu NN
TNu kW 11,2254,84 uN
c) Carga na turbina
gHQNu
057,081,91000
2110
gQ
NH u
mH 77,3
EXEMPLOUma turbina Pelton gira a uma velocidade angular de 400 rpm, desenvolvendo 67,5 kW sob uma carga de 60 m de água. O diâmetro do tubo de admissão na base do único bocal é 200 mm. As condições de operação são: Cv=0,97, =0,46 e t=0,83. Considerando =1000 kg/m3, Determine:a) A vazão volumétrica;b) O diâmetro do jato;c) O diâmetro da roda;d) A pressão no tubo de admissão na base (entrada) do bocal.
Solução
a) Vazão volumétrica
QgH
N
d
TT
Td
T
gH
NQ
smQ / 138,083,06081,91000
500.67 3
b) Diâmetro do jato
Velocidade do jato
dgHCvV 21
smV / 3,336081,9297,01
Diâmetro do jato
j
jV
QA
j
j
jV
QDA
4
2mmD j 732
c) Diâmetro da roda
Fator de velocidade,
dgH
r
2
dgHrD 22
2
mD 754,0
d) A pressão no tubo de admissão na base (entrada) do bocal.
Equação de Bernoulli entre a SL do reservatório e a entrada do bocal
2
22
2
22 bA
QHdg
VHdgP
222 0314,02,044
mDA bb
2
22
2
22 bA
QHdg
VHdgP
2
2
0314,081,92
138,060100081,9P
kPaP 580
4.4.1.2 Fluxo de energia. Parâmetros fundamentais
Dissipação de energia desde a queda de água até gerador elétrico
inicio
final
Altura ou queda bruta, Hb
Trata-se da queda topográfica ou da diferença de cotas entre os níveis de captação (reservatório superior) da água e o canal de fuga da água (reservatório inferior).
Altura de perda de carga, Hp
Trata-se da perda de carga no sistema composta pela parda de carga e acessórios e da tubulação.
Altura disponível ou Queda hidráulica disponível, Hd
Energia disponível na entrada da turbina
pbd HHH
ALTURAS
Perdas hidráulicas, hDissipação de energia devida às perdas por atrito no interior da turbina e as perdas volumétricas por vazamento entre o rotor e a carcaça no interior da turbina.
Energia motriz, Hm
É a energia hidráulica realmente fornecida para a turbina
hHH dm
Altura útil, Hu
Energia à saída da turbina, portanto disponível para o gerador elétrico
mecmu hHH
hmec: perdas mecânicas dissipadas nos mancais e equipamentos auxiliares acoplados a arvore da turbina.
mecdu hhHH
POTÊNCIAS
Potência bruta, Nb
Potência contida no desnível topográfico QgHN bb
Potência disponível, Nd
Potência absorvida pela turbina Potência hidráulica. QgHN dd
Potência no eixo da turbina, Ne
Potência associada à potência útil.QgHN ue
Potência do gerador elétrico, Nge
Potência elétrica nos terminais do gerador. Gge gHQN
hTRtG Rendimento da turbina (t), rendimento de transmissão e hidráulico: rendimento global
RENDIMENTOS
Rendimento hidráulico, h
Relação entre a energia motriz e a energia disponível. A energia motriz é a energia cedida ao receptor da turbina para a fazer girar
d
m
d
mh
H
H
N
N
Para:
Pequenas turbinas: h88%;
Medias turbinas: h92%;
Grandes turbinas: h95-96%;
Rendimento mecânico, m
Relação entre a energia no eixo da turbina e a energia mecânica.
m
u
m
em
H
H
N
N (92 % a 99%)
Rendimento da turbina, t
Relação entre a energia no eixo da turbina e a energia disponível
d
u
d
emht
H
H
N
N (88 % a 94%)
Rendimento do geradorRelação entre a energia no eixo da turbina e a energia disponível
e
ge
geN
N (90 % a 97%)
Degeneração da energia
EXEMPLOUm modelo de turbina Francis em escala total 1/5 desenvolve 3 kW a 360 rpmsob uma carga de 1,8 m. Encontre a velocidade e a potência da turbina em tamanho real quando opera sob uma carga de 5,8 m.
Solução
Modelo (1): diâmetro (escala relativa ao protótipo ou modelo real (2) = 1/5, Nm1=3 kW, n1=360 rpm, H1=1,8m
Calcular a velocidade angular n2 e potência Nm2
vb
va
b
a
b
a
b
a
n
n
D
D
Q
Q
3
2
3
2hb
ha
b
a
b
a
bb
ab
n
n
D
D
H
H
2
2
2
2
2
2
hb
ha
b
a
b
a
b
a
b
a
n
n
D
D
P
P
2
2
2
2
2
2babbb
bbaaa
b
a
nD
nD
Nm
Nm
35
2
35
2
Leis de semelhança para máquinas de fluxo
Equação da carga
2
22)360(
5
1
8,5
8,1
bn
rpm 1292 n
Equação de potência
babbb
bbaaa
b
a
nD
nD
Nm
Nm
35
2
35
235
2 129
360
5
13
Nm
Nm2 = 434 kW
Lista sugerida
Potter (tradução da 3ª edição Norte-Americana): Prob. 12.36, 12.38, 12.39, 12.40, 12.41, 12.44, 12.47. pp. 520-521;
Fox & Mcdonald (7ª edição) Probls. 10.100, 10.101, 10.102 pp. 512.