UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁDEPARTAMENTO ACADÊMICO DE CONSTRUÇÃO CIVIL

CURSO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO CIVIL

ALEXANDRE LUVIZOTTI LOPESGABRIELA CAVASSIN

USINAS HIDRELÉTRICAS E TURBINAS PARA GERAÇÃO DE ENERGIA

TRABALHO DA DISCIPLINA DE HIDRÁULICA

CURITIBA2010

SUMÁRIO

.....................................................................................Turbinas! 3

......................................................................................Justificativa! 3

...........................................................................Máquinas de Fluxo! 3

.............................................................................Tipos de Turbinas! 4

.................................................Características de Desempenho! 5

.......................................................................Turbinas de Impulsão! 5

.........................................................................Turbinas de Reação! 7

.......................................................................Velocidade Específica! 9

.......................................................................................Usinas! 11

................................................................Itaipu - Turbinas Francis! 11

............................Governador Parigot de Souza - Turbinas Pelton! 12

.........................................................Belo Monte - Turbinas Bulbo! 14

...............................................................Velocidade Específica! 15

....................................................................................Usina Itaipu! 15

..............................................Usina Governador Parigot de Souza! 15

..........................Usina Belo Monte (casa de força complementar)! 15

.................................................................................Conclusão! 16

..............................................................................Referências! 17

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TURBINAS

Justificativa

Pelo grande potencial hídrico do Brasil e pelo relativo baixo custo de usinas hidrelétricas se comparado a outras fontes de energia tem-se esta como a principal fonte de energia elétrica do país. Para se aproveitar todo esse potencial é indispensável conhecer as turbinas ideais para cada situação.

Máquinas de Fluxo

     Os dispositivos fluidomecânicos que direcionam o fluido com lâminas ou pás fixadas em um elemento rotativo são denominadas turbomáquinas. Nas máquinas de deslocamento positivo, a transferência de energia é feita por variações de volume no qual o fluido está confinado. Toda a troca de energia numa turbomáquina é resultado da interação entre o rotor sobre a corrente de fluido.

     As turbomáquinas podem ser classificadas de acordo com a geometria do percurso do fluido. Nas máquinas de fluxo radial (ou centrífugas), a trajetória do fluido é essencialmente radial. Nas máquinas axiais, a trajetória do fluxo é aproximadamente paralela à linha de centro da máquina. Nas máquina de fluxo misto, a direção da trajetória do fluido varia moderadamente.

     As máquinas que adicionam energia a um fluido realizando trabalho sobre o fluido são denominadas bombas e quando o escoamento é líquido ou pastoso; ventiladores, sopradores ou compressores quando lidam com gás ou vapor. As máquinas que extraem energia de um fluido na forma de trabalho (ou potência) são chamadas turbinas. Nas turbinas hidráulicas, o fluido de trabalho é a água (incompressível).

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Tipos de Turbinas

Turbinas Pelton: São turbinas de impulsão, acionadas por jatos livres de alta velocidade. Nem a pressão, nem a velocidade relativa ao rotor mudam enquanto o fluido passa sobre as conchas da turbina. Então, a aceleração e a queda de pressão do fluido ocorrem em bocais externos às pás.

Turbinas Francis: São turbinas de reação, onde a água entra circunferencialmente através da carcaça da turbina e escoa em direção ao rotor. A água entra no rotor quase radialmente e é defletida para baixo para sair na direção axial. A água saindo do rotor escoa através de um difusor conhecido como tubo de extração antes de entrar no coletor.

Turbinas Kaplan: É uma turbina hélice de reação, e a entrada de água é similar à turbina Francis, mas é defletida para escoar quase axialmente antes de entrar no rotor.

Turbinas Bulbo: É uma unidade geradora composta por uma turbina Kaplan e um gerador envolto por uma cápsula. A cápsula fica imersa no fluxo d´água e o gerador fica posicionado no mesmo eixo do rotor, o que possibilita seu uso em locais de pouca queda d’água.

Figura: Diagramas de turbinas hidráulicas

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CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHO

Para especificar máquinas de fluxo para sistemas de escoamento, o projetista deve conhecer o aumento de pressão (ou de altura de carga), o torque, o requisito de potência e a eficiência de uma máquina. Para uma dada máquina, cada uma destas características é uma função da vazão; as características para máquinas similares dependem do tamanho e da velocidade de operação.

No procedimento de teste de uma turbina, um dinamômetro é usado para absorver a potência produzida pela turbina, enquanto a velocidade e o torque são medidos. Os testes de turbinas são conduzidos à velocidade constante sob carga variável, enquanto o consumo de água é medido e a eficiência calculada.

Turbinas de Impulsão

As turbinas de impulsão são escolhidas quando a altura de carga disponível excede cerca de 300m. A maioria das turbinas de impulsão são rodas Pelton. Uma turbina de impulsão é suprida com água com altura de carga elevada por meio de um longo duto chamado tudo de adução ou adutor. A água é acelerada por meio de um bocal e descarregada como um jato livre de alta velocidade à pressão atmosférica. O jato choca-se contra pás em forma de concha, montadas na periferia de uma roda giratória. A energia cinética do jato é transferida enquanto ele é defletido pelas pás. A potência gerada pela turbina é controlada, para uma velocidade de jato constante, pela variação da vazão da água atingindo as pás. A água descarregada da roda, a uma velocidade relativamente baixa, cai dentro do coletor.

A altura de carga bruta disponível é a diferença entre os níveis do reservatório de alimentação e do coletor. A altura de carga efetiva ou líquida, H, usada para calcular eficiência, é a altura de carga total na entrada do bocal, medida na elevação da linha do centro do bocal.

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Portanto, nem toda a carga líquida é convertida em trabalho na turbina: uma parte é perdida por ineficiência da turbina, uma outra parte é perdida no bocal e mais uma outra é perdida como energia cinética residual na saída do escoamento. Na prática, o tubo de adução é geralmente dimensionado de modo que a altura de carga líquida na potência nominal seja 85 a 95% da altura de carga bruta.

Figura: Esquema de uma turbina de impulsão, e as definições de alturas de

carga

Figura: Desempenho real e ideal para velocidade variável em uma turbina de

impulsão

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Além de perdas no bocal, o atrito na roda e nos mancais e o atrito superficial entre o jato e a pá reduzem o desempenho em comparação com o caso ideal, sem atrito.

O pico de eficiência da turbina de impulsão corresponde ao pico de potência, desde que os testes sejam conduzidos com a altura de carga e vazão constantes. Para a turbina ideal, isso ocorre quando a velocidade do rotor é metade da velocidade do jato. Nesta velocidade do rotor, o fluido sai da turbina na mais baixa velocidade absoluta possível, minimizando, portanto, a perda de energia cinética de saída. Se a velocidade na saída é minimizada, o trabalho na turbina é maximizado.

Turbinas de Reação

Para alturas de cargas menores, as turbinas de reação têm melhor eficiência do que as turbinas de impulsão. Em contraste como o escoamento numa bomba centrífuga, o escoamento numa turbina de reação entra no rotor na seção radial maior (mais externa) e descarrega na seção radial menor (mais interna), após transferir a maior parte de sua energia ao rotor. As turbinas de reação tendem a ser máquinas de alta vazão e baixa carga.

As turb inas de reação t raba lham che ias de água . Conseqüentemente, é possível usar um tubo de extração, para recuperar uma fração da energia cinética que permanece na água que sai do rotor. A altura de carga bruta disponível é a diferença entre a altura de carga do reservatório de alimentação e a altura de carga do coletor. A altura de carga efetiva ou líquida, H, usada para calcular eficiência, é a diferença entre a elevação da linha de energia imediatamente a montante da turbina e aquela do tubo de extração da descarga. A carga líquida disponível para a turbina é igual a carga bruta menos as perdas na tubulação de alimentação e a perda de energia cinética na saída da turbina; sem o tubo de extração, a

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velocidade na saída e a energia cinética seriam relativamente grandes, porém com o tubo de extração elas são pequena, resultando em um aumento na eficiência da turbina. Ainda, o difusor do tubo de extração reduz a pressão através da turbina, e por conseqüência aumenta a produção de energia.

A turbina Francis é usualmente escolhida quando 15≤H≤300m e a turbina Kaplan é usada quando para cargas de 15 m ou menos. O desempenho de turbinas de reação e de impulsão podem ser medidos do mesmo modo, contudo, nas turbinas de reação as cargas brutas são menores, qualquer variação no nível de água durante a operação é mais significativa. As medições devem ser feitas para uma série de alturas de carga, a fim de definir o desempenho de uma turbina de reação.

Figura: Esquema de uma turbina de reação, e as definições de alturas de

carga

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Figura: Desempenhos de turbina de reação testado em campo e previsto em

modelo

A turbina de reação tem eficiência máxima superior àquela da turbina de impulsão, mas a eficiência da turbina de reação varia bruscamente com a carga.

Velocidade Específica

Os coeficientes adimensionais formam a base para a escolha de turbinas a se utilizar. Um parâmetro útil é chamado velocidade específica e, para turbinas, depende da rotação da máquina (ω), da potência nominal (P) e da altura de carga (H), assim como a massa específica do fluido (ρ) e da aceleração da gravidade (g), constantes nesse caso:

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A velocidade específica é adimensional quando todas as variáveis estão no Sistema Internacional de unidades (ω[s-1]; P[W]; ρ[kg.m-3]; g[m.s-2]; H[m]).

Embora a velocidade específica seja um parâmetro adimensional, é comum usar equações com unidades não coerentes, tornando o Ns um parâmetro dimensional, dessa forma, podendo somente ser comparado com outros Ns de mesma unidade. O Ns também se torna dimensional quando se omite os termos referentes à massa específica e à gravidade, que são constantes no caso de turbinas hidráulicas.

É comum caracterizar uma máquina pela sua velocidade específica no ponto de projeto. É verificado que esta velocidade específica caracteriza os aspectos de projeto hidráulico de uma máquina. Baixas velocidades específicas correspondem à operação eficiente de turbinas de fluxo tangencial (como a roda Pelton). Médias velocidades específicas correspondem à operação eficiente de máquinas de fluxo radial (como as turbinas Francis). Altas velocidades específicas correspondem à operação eficiente de máquinas de fluxo axial (como turbinas Kaplan/bulbo).

Figura: Proporções geométricas Típicas de turbinas comerciais variando com

a velocidade específica Ns

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USINAS

Itaipu - Turbinas Francis

A Usina de Itaipu é, atualmente, a maior usina hidrelétrica do mundo em geração de energia. Com 20 unidades geradoras e 14.000 MW de potência instalada, fornece 19% da energia consumida no Brasil e abastece 77% do consumo paraguaio.

Em 2009, a usina de Itaipu atingiu a quarta maior produção anual de energia em seus 25 anos de geração. Foram 91.651.808 megawatts-hora (MWh) produzidos ao longo do ano passado.

O recorde histórico de produção de energia ocorreu em 2008, com a geração de 94.684.781 megawatts-hora (MWh). O recorde anterior foi em 2000, quando Itaipu gerou 93.427.598 MWh.

Figura: Corte Esquemático das Unidades Geradoras na Usina Itaipu

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Ficha Técnica:

•Turbinas Francis: 20 un.

•Rotação: 90,9/92,3 rpm

•Vazão Nominal Unitária: 645 m³/s

•Queda Bruta Normal: 120 m

Governador Parigot de Souza - Turbinas Pelton

A Usina Hidrelétrica Governador Pedro Viriato Parigot de Souza possui a potência de 260 MW, e está situada no município de Antonina. Seu reservatório está localizado na Rodovia BR-116 (trecho Curitiba - São Paulo), no município de Campina Grande do Sul, a 50 km de Curitiba.

A Usina Gov. Parigot de Souza entrou em operação em outubro de 1970, tendo sido inaugurada oficialmente em 26 de Janeiro de 1971, quando entrou em operação comercial. Ela é a maior central subterrânea do sul do país.

A usina, inicialmente conhecida como Capivari-Cachoeira, recebeu seu nome em homenagem ao Governador Pedro Viriato Parigot de Souza, que liderou o Paraná entre 1971 e 1973, e foi, também, presidente da Copel.

Para a construção da Usina Parigot de Souza foram represadas as águas do rio Capivari, localizado no primeiro planalto paranaense, a 830 metros acima do nível do mar. Este represamento foi possível pela construção de uma barragem de terra de 58 m de altura e 370 m de comprimento. Da barragem, as águas são desviadas para o rio Cachoeira, no litoral, obtendo-se um desnível de aproximadamente 740 metros, sendo as águas conduzidas por um túnel subterrâneo de 15,4 km que atravessa a Serra do Mar.

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Na base da montanha, três grandes cavernas foram escavadas, compondo a Central Subterrânea: Sala de Válvulas, Sala de Máquinas e Sala dos Transformadores.

Figura: Roda Pelton exposta na Usina Gov. Parigot de Souza

Ficha Técnica:

•Turbinas Pelton: 4 un.

•Rotação: 514 rpm

•Diâmetro do conduto forçado: 3 m

•Velocidade da água: 426 km/h

•Queda Bruta Normal: 754 m 

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Belo Monte - Turbinas Bulbo

Belo Monte é uma usina projetada para ser construída no Rio Xingu, no Pará. Em meio a discussões entre o governo e ambientalistas, terá duas casa de força, sendo a casa complementar com 6 turbinas Bulbo e a principal com turbinas Francis. Quando entrar em operação, a energia  gerada será equivalente a 6,4% do  consumo total de eletricidade do Brasil.

Ficha Técnica (casa de força complementar):

•Turbinas Bulbo: 6 un.

•Rotação: 109,9 rpm

•Vazão Nominal Unitária: 320 m³/s

•Queda Bruta Normal: 11,5 m

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VELOCIDADE ESPECÍFICA

Utilizando o conceito de Velocidade Específica, já comentado anteriormente, calculou-se essas velocidades para cada uma das usinas avaliadas.

Usina Itaipu

Dados utilizados para o cálculo (uma unidade):

•Velocidade de rotação: 9,519 s-1;

•Potência nominal: 700 MW;

•Altura de carga: 120 m.

Resultado obtido: Ns = 1,1

Usina Governador Parigot de Souza

Dados utilizados para o cálculo (uma unidade):

•Velocidade de rotação: 53,826 s-1;

•Potência nominal: 65 MW;

•Altura de carga: 754 m.

Resultado obtido: Ns = 0,2

Usina Belo Monte (casa de força complementar)

Dados utilizados para o cálculo (uma unidade):

•Velocidade de rotação: 11,5 s-1;

•Potência nominal: 38,85 MW;

•Altura de carga: 11,5 m.

Resultado obtido: Ns = 6,2

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CONCLUSÃO

Comparando o valor de velocidade específica calculado para turbinas de cada uma das usinas aqui analisadas com o tipo de turbina ideal para cada velocidade específica, conclui-se que o tipo de turbina empregado nessas usinas está de acordo com o que foi estudado nesse trabalho, comprovando a utilidade desse número adimensional como base para a escolha de turbinas em aplicações que requerem um rendimento consideravelmente alto para justificar seu investimento, como no caso de usinas hidrelétricas.

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REFERÊNCIAS

(1) Agência Nacional de Energia Elétrica em www.aneel.gov.br(2) Companhia Paranaense de Energia em www.copel.com(3) Eletrobrás em www.eletrobras.com(4) FOX and McDONALD, 1998. Introdução à Mecânica dos Fluidos.(5) Itaipu Binacional em www.itaipu.gov.br

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