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Trabalho sobre tipos de turbinas, método de escolha e demais

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UNIVERSIDADE TECNOLGICA FEDERAL DO PARAN DEPARTAMENTO ACADMICO DE ELETROTCNICA ENGENHARIA INDUSTRIAL ELTRICA/ELETROTCNICA

CAMILE THAIS DA ROCHA CERCAL DANIELE RAMOS PAOLA MARIANI DA SILVA RAFAEL MERIGUE

TURBINAS

CURITIBA 2012

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CAMILE THAIS DA ROCHA CERCAL DANIELE RAMOS PAOLA MARIANI da silva RAFAEL MERIGUE

TURBINAS

Trabalho acadmico apresentado disciplina de Gerao de Energia, do Curso Superior de Engenharia Industrial Eltrica nfase em Eletrotcnica do Departamento Acadmico de Eletrotcnica DAELT da Universidade Tecnolgica Federal do Paran UTFPR, como requisito para obteno de nota parcial dessa disciplina. Professor Dr. Gilberto Manoel Alves.

CURITIBA 2012

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LISTA DE ILUSTRAESFigura 1 Partes principais de uma turbina. ................................................................................. 14 Figura 2 Desenho mostrando o funcionamento de uma pequena turbina Pelton com eixo horizontal e apenas um bocal........................................................................................................... 18 Figura 3 Sala de mquinas de hidreltrica Parigot de Souza. ................................................. 20 Figura 4 Desenho do esquema de funcionamento de uma turbina Francis de eixo vertical. ............................................................................................................................................................... 21 Figura 5 Rotor turbina axial tipo Hlice. ................................................................................... 23 Figura 6 Desenho esquemtico de funcionamento de uma turbina axial. ............................. 24 Figura 7 desenho esquemtico de funcionamento de uma turbina Kaplan........................... 25 Figura 8 Rotor Kaplan com ps mveis. ..................................................................................... 26 Figura 9 Rotor Kaplan com ps mveis. ..................................................................................... 26 Figura 10 Desenho esquemtico de funcionamento de uma turbina Bulbo. ......................... 28 Figura 11 Desenho de uma turbina tipo Bulbo. .......................................................................... 29 Figura 12 Funcionamento da turbina Turgo. .............................................................................. 30 Figura 13 Turbina Turgo. ............................................................................................................... 31 Figura 14 desenho do esquema de funcionamento de uma turbina tipo Sifo. .................... 33 Figura 15 Desenho do esquema de funcionamento de uma turbina tipo S. ....................... 34 Figura 16 Grfico mostrando o campo de aplicao das BFTs e a comparao com o campo das turbinas hidreltricas para micro e minicentrais hidreltricas. ................................ 36 Figura 17 Potncia no rotor da turbina conforme velocidade da corrente. ............................ 38 Figura 18 Rendimentos de alguns tipos de turbinas com variaes de vazes, mantido constante. ............................................................................................................................................ 40 Figura 19 Seleo do tipo de turbina pela rotao especfica. ................................................ 45 Figura 20 Danos causados por cavitao em uma Turbina Francis....................................... 46 Figura 21 Escoamento em tubo.................................................................................................... 48 Figura 22 Altura geomtrica de Suco Positiva (turbina no afogada). ............................... 49 Figura 23 Altura geomtrica de Suco Negativa (turbina afogada). ..................................... 50

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LISTA DE TABELASTabela 1 Rendimentos propostos para avaliao de instalaes de micro, mini e pequenas centrais hidreltricas. ......................................................................................................................... 40 Tabela 2 Classificao das turbinas pelas rotaes especificas , .......... 43

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SUMRIO

1. INTRODUO ........................................................................................................ 5 2. DEFINIO ............................................................................................................. 6 3. HISTRICO ............................................................................................................ 7 4. PARTES PRINCIPAIS ........................................................................................... 12 4.1. CAIXA ESPIRAL 4.2. PR-DISTRIBUIDOR 4.3. DISTRIBUIDOR 4.4. ROTOR E EIXO 4.5. TUBOS DE SUCO 12 12 12 13 13

5. CLASSIFICAO DAS TURBINAS ...................................................................... 15 5.1. TURBINAS DE REAO 5.2. TURBINAS DE AO 15 15

6. TIPOS DE TURBINAS .......................................................................................... 16 6.1. TURBINA PELTON 6.2. TURBINA FRANCIS 6.3. TURBINA AXIAL 6.4. TURBINA BULBO 6.5. TURBINA TURGO 6.6. TURBINA SIFO 6.7. TURBINA TIPO S 6.8. BOMBA CENTRFUGA FUNCIONANDO COMO TURBINA (BFT) 6.9. TURBINA PARA GUAS CORRENTES 16 20 22 27 29 32 34 35 37

7. CRITRIOS PARA A SELEO DE TURBINAS .................................................. 39 8. CAVITAO.......................................................................................................... 46 9. CONCLUSO........................................................................................................ 51 10. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .................................................................... 52

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1. INTRODUODesde o surgimento da civilizao agrcola e o desenvolvimento das necessidades bsicas do homem, o desafio da fora dgua e sua utilizao vem sendo colocados entre os principais requisitos da existncia do homem e de seu avano econmico e cultural. Um exemplo disso a quantidade de esquemas hidrulicos encontrados na Mesopotmia e no Imprio Egpcio da poca dos Faras, por volta de 3.000 a 2.000 anos A. C. Na idade mdia a utilizao da energia em cidades que possuam cursos dgua, freqentemente determinava a produtividade de seus negcios e seu apogeu comercial. Assim por exemplo a fora econmica dos Augsburg na Baviera, muito antes do aparecimento da famosa famlia de mercadores Fluggers, foi concentrada por inmeros artesos com colocao de mquinas hidrulicas nos meandros dos rios Leach e Wertach. Leonardo da Vinci, naturalmente, tambm pesquisou a utilizao da fora hidrulica. Seus projetos de turbinas para acionar laminadores, mquinas txteis e outros equipamentos, os quais admite-se nunca foram colocadas em prtica, j eram bastante avanados para a poca. No sculo XVII, foi construdo um esplndido dispositivo aqutico nos jardins do rei francs Lus XIV, em Versailles, acionado por uma mquina movida pela gua, com um custo enorme. Ela tinha algo em torno de 100 HP, era um triunfo tecnolgico na poca, mas com um rendimento muito baixo, no passando de apenas 6,5%. Este trabalho tratar dos principais tipos de turbinas e mquinas utilizadas para gerao de energia em micro, mini e pequenas centrais hidrulicas. So preferveis os termos gerao de energia e centrais hidrulicas gerao de eletricidade e central hidreltrica, pelo fato de uma pequena turbina poder gerar energia exclusivamente para o uso mecnico, vindo a acionar diretamente certos tipos de mquinas sem a necessidade da transformao em energia eltrica.

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2. DEFINIOTurbina um equipamento construdo para captar e converter energia mecnica e trmica contida em um fluido, em trabalho de eixo. Os principais tipos encontrados so: Turbinas a vapor; Turbinas a gs; Turbinas hidrulicas Turbinas aeronuticas; Turbinas elicas. A forma construtiva bsica a mesma para todos os tipos: um rotor dotado de certo nmero de ps ou palhetas, ligados a um eixo que gira sobre um conjunto de mancais de deslizamento ou mancais de pastilha (mancais de rolamento, por questes de durabilidade no so usados). As turbinas podem ser usadas para movimentar outro equipamento mecnico rotativo, como uma bomba, compressor ou ventilador, ou podem ser usadas para a gerao de eletricidade e nesse caso so ligadas a um gerador. Tambm tem aplicao na rea de propulso naval, ou aeronutica.

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3. HISTRICOOs seguintes marcos so relevantes na evoluo das turbinas hidrulicas: (Fontes: Lauria, Douglas,1993. MOSONYI, Emil.1988 - Vol. I. Brief Historical Survey , pag. 119 - 131 . SARRATE, I. Lana, 1967). 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 uni direcional 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. 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