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Turbinas Hidraulicas

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Operao de Turbinas Hidrulicas e Reguladores de Velocidade

Fundao de Pesquisa e Assessoramento Indstria

CAPTULO 1 - GENERALIDADES SOBRE TURBINAS HIDRULICAS

1.1 CONCEITOS E DEFINIES 1.1.1 - Mquina de Fluxo Mquina de Fluxo uma mquina de fluido, em que o escoamento flui continuamente e opera transformaes do tipo Emecnica Ecintica Epresso. Exemplos: Turbinas hidrulicas, turbina a vapor de fluxo, turbina a gs e bombas centrfugas. 1.1.2 Classificao das Mquinas de Fluxo As mquinas de fluxo podem ser: Motoras: transformam energia do tipo Epresso Evelocidade E mecnica Exemplos: turbinas hidrulicas, turbina a vapor de fluxo e turbina a gs Geradoras: transformam energia do tipo: Emecnica Evelocidade Epresso Exemplos: Compressor de fluxo e bombas de fluxo. As mquinas de fluxo podem ser trmicas ou hidrulicas. Nas mquinas de fluxo trmicas, o fluido compressvel, enquanto que, nas hidrulicas, o fluido incompressvel. Neste curso, estudaremos as mquinas de fluxo hidrulicas motoras, ou seja, as turbinas hidrulicas.

1.2 Turbinas Hidrulicas - Tipos Turbinas Pelton: Mquinas de ao, escoamento tangencial. Operam altas quedas e baixas vazes. Podem ser de um (01) jato, dois (02) jatos, quatro (04) jatos e seis (06) jatos. O controle da vazo realizado na agulha e injetor. A Figura 1.1 mostra uma turbina Pelton de dois (02) jatos, com suas partes principais, enquanto a figura 1.2 apresenta uma turbina Pelton de seis (06) jatos.

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Figura 1.1 Turbina Pelton, de dois (02) jatos e eixo horizontal

Figura 1.2 Turbina Pelton com seis (06) jatos

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Exemplos de Centrais Hidreltricas com Turbinas Pelton CENTRAL HIDRELETRICA SO BERNARDO Cidade: Piranguu MG, Empresa: CEMIG Q H n Pe 3 [m /s] [m] [rpm] [kW] 0,286 599 1200 1345 0,286 599 1200 1345 0,860 599 1200 4043 CENTRAL HIDRELTRICA CUBATO 2 Cidade: Cubato SP, Empresa: ELETROPAULO Q H n Pe [m3/s] [m] [rpm] [MW] 12,7 684 450 65 Obs: So seis (06) grupos geradores e cada turbina possui quatro (04) jatos. Turbinas Francis: Mquinas de reao, escoamento radial (lenta e normal) e escoamento misto (rpida). Operam mdias vazes e mdias quedas. O controle da vazo realizado no distribuidor ou sistema de ps mveis. A figura 1.3 mostra a turbina Francis em duas vistas, apresentando suas partes principais. Os rotores lento, normal e rpido so mostrados na figura 1.4.

Figura 1.3 Partes principais da turbina Francis.

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Figura 1.4 Rotores Francis lento, normal e rpido.

Exemplos de Centrais Hidreltricas com Turbinas Francis CENTRAL HIDRELTRICA LUZ DIAS Cidade: Itajub MG, Empresa: EFEI (CEMIG) Q H n 3 [m /s] [m] [rpm] 3,75 28 720 3,75 28 720 3,75 28 720 Obs.: O rotor de cada turbina duplo (gmeo) CENTRAL HIDRELTRICA ITAIP Cidade: Foz do Iguau PR, Empresa: FURNAS Q H n 3 [m /s] [m] [rpm] 680 118,4 91,6 Obs.: 18 mquinas iguais, com cada gerador tendo potncia 700 [MW]

Pe [kW] 900 900 900

Pe [MW] 715

Turbinas axiais: Mquinas de reao, escoamento axial. Operam grandes vazes e baixas quedas. O controle de vazo realizado: turbina Hlice ps do distribuidor (simples regulagem) e turbina Kaplan ps do distribuidor e ps do rotor. A figura 1.5 mostra um rotor de uma turbina Hlice e um rotor de uma turbina Kaplan. A figura 1.6 apresenta o desenho da turbina Kaplan da Central Hidreltrica Machicura (Chile), e a figura 1.7 mostra o arranjo da Central Hidreltrica Liga III (Sucia) . Existem outros tipos de turbinas axiais como tubulares S e as Bulbo, ambas com rotores Kaplan. A figura 1.8 mostra uma turbina axial, tipo tubular S.

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Figura 1.5 - Rotor Hlice - Axial de simples regulagem (foto direita), rotor Kaplan - Axial de dupla regulagem

Figura 1.6 Turbina Kaplan da Central Hidreltrica de Machicura, Chile; (duas) 02 mquinas de 36,7 [m], 144,2 [m3/s] e 48,4 [MW].-5 -

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Figura 1.7 Arranjo da Central Hidreltrica Liga III, Sucia; uma (01) mquina com 39 [m], 516 [m3/s] e 182,6 [MW].

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Figura 1.8 Turbina axial, tipo tubular S, rotor Kaplan e eixo horizontal. Exemplos de Centrais Hidreltricas com Turbinas Axiais CENTRAL HIDRELTRICA JOS TOGNI (BORTOLAN) Cidade: Poos de Caldas MG, Empresa: DME Q H n [m3/s] [m] [rpm] 7 12 450 Obs.: A turbina do tipo tubular S CENTRAL HIDRELTRICA TAQUARU Empresa: CESP Q H n [m3/s] [m] [rpm] 511 21,9 85,7 Obs.: cinco (05) mquinas iguais

Pe [kW] 556

Pe [MW] 103

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1.3 ROTAO ESPECFICA Definio: uma grandeza que define a geometria ou o tipo de rotor da mquina de fluxo.

1.3.1 Rotao Especfica para Turbinas Hidrulicas Sistema internacional: nqA

n qA =

10 3 . n . Q

(H . g )

(1)

3/ 4

n rps Q m 3 / s H m g m / s 2 Sistema tcnico: nqt

n qt =

n. Q H3/4

(2)

n rpm Q m 3 / s H m Sistema Ingls: nqt (USA)

n qt ( USA) = Relaes

n. Q H3/ 4

(3)

n rpm Q gpm H ps

n q A = 3.n q t

n qt ( USA) = 51,6.n q t

(4)

1.3.2 Faixas de Rotaes Especficas das Turbinas Hidrulicas As figuras 1.9 e 1.10 ilustram a faixa das rotaes especficas turbinas hidrulicas nqA no sistema internacional.

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Figura 1.9 Rotaes especficas das turbinas hidrulicas

Figura 1.10 Altura de queda versus rotao especfica.

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1.4 EQUAES DAS TURBINAS HIDRULICAS 1 4.1 Alturas de Quedas 1.4.1.1 Altura de queda bruta: Hb a diferena entre os nveis de montante e jusante quando a vazo igual a zero. A Figura 1.11 apresenta uma central hidreltrica de acumulao, onde mostra os nveis de montante (NM) e jusante (NJ) da mesma, bem como as alturas de queda bruta (Hb), de suco (Hs), as cotas de referncias (z1 e z3), a medida de presso na entrada da turbina (pm) e o grupo gerador (turbina + gerador). 1.4.1.2 Altura de queda total: Ht a soma das alturas de presso, dinmica e potencial em uma determinada seo.

Ht =

p v2 + +z .g 2g

(5)

p [m] - altura da presso .g N - presso manomtrica em uma determinada seo m2 Kg - massa especfica da gua m3 m g - acelerao da gravidade s2

p

v2 [m] - altura dinmica 2g

v - velocidade mdia na seo considerada s z [m] - altura potencial, cota geomtrica medida no ponto da seo considerada em relao ao nvel do mar ou outra referncia fixa.

m

1.4.1.3 Altura de queda lquida ou til: H a altura correspondente a diferena de alturas totais entre a entrada e a sada da turbina.

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Na figura 1.11, a admisso ou entrada da turbina o ponto 1 e a sada o ponto 3. A equao 6 mostra a altura de queda lquida da turbina.2 p1 p3 v1 v 2 3 H= + + ( z1 z 3 ) .g 2g

(6)

A expresso da altura de queda lquida pode ser determinada atravs da altura de queda bruta.

H = Hb Hp 01 Hp 2 3

(7)

Hp01 [m] - perda de carga do nvel de montante (0) at a entrada da turbina

(1).Hp23 [m] - perda de carga da entrada do tubo de suco (2) at sua sada (3).

Figura 1.11 Instalao com turbina hidrulica do tipo Francis.

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Para a turbina Pelton, que no possui tubo de suco, as equaes da turbina podem ser representadas da forma a seguir. As figuras 1.12 e 1.13 mostram as instalaes com turbina Pelton. Equao da turbina (ensaio)

H=

2 p1 v 1 + + z1 z s .g 2g

(8)

Equao da instalao (em funo da queda bruta)

H = Hb Hpo1

(9)

Onde Hp da expresso 6 representa a perda de carga no sistema de 01 admisso. Outras instalaes podem ser encontradas para estudo, na norma da ABNT NB-228/1990 (NBR 11374) - Turbinas hidrulicas Ensaio de campo.

Figura 1.12 Instalao com turbina Pelton

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Figura 1.13 Instalao com turbina Pelton 1.4.1.4 Altura geomtrica de suco: Hs a altura do eixo da turbina at o nvel de jusante. 1.4.2 Potncias 1.4.2.1 Potncia bruta: Pb Potncia equivalente vazo Q da turbina sob a queda bruta.

Pb = .g.Q .Hb .10 3Pb [kW] - potncia bruta Kg - massa especfica da gua m3 m s2 m3 Q s

(10)

g

- acelerao da gravidade - vazo - altura de queda bruta

Hb [m]

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1.4.2.2

Potncia do sistema de admisso: Pas

Potncia equivalente vazo Q da turbina sob a queda do sistema de admisso (queda brut