10 turbomáquinas hidráulicas - pt2

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Os principais tipos de turbinas hidráulicas são:
• Pelton (outros semelhantes – Michell, Banki ou Ossberger)
• Francis
• Mista (Dériaz)
• Kaplan
A divisão dos tipos de turbinas pode ainda ser feita em dois grupos:
• Turbinas de acção (actuadas por água à pressão atmosférica)
• Turbinas de reacção (escoamento sob pressão)
Hidráulica II - Turbomáquinas
Turbinas - tipos

Tomada de água para turbina

A turbina Pelton é uma turbina
hidráulica de reacção, que
funciona portanto à pressão
atmosférica. Esta é constituída
por uma roda e um ou mais
injectores, que efectuam a
transformação de energia de
pressão em energia cinética. Os
jactos de água, ao chocarem
com as pás da roda, geram o
impulso que a faz mover.
Turbinas Pelton

Turbinas Pelton

Turbinas Pelton
Corte
horizontal
de turbina
Pelton

Turbinas Pelton - Características
• Podem existir desde um (apesar de o mínimo normal serem dois) a seis
injectores.
• Os injectores possuem uma agulha que pode regular o jacto de
água, diminuindo o caudal quando necessário, e de um deflector, que pode
desviar a direcção do jacto; estes, em geral, apontam para a extremidade da
roda.
• É mais adequada para grandes quedas úteis.
• Opera com maiores velocidades de rotação do eixo do rotor.
• Funcionam com vasta gama de caudais sem perder eficiência.
• Podem sofrer erosão no caso de a água não estar bem limpa, devido à força do
impacto dos jactos de água, caso estes possuam areia, por exemplo.
• Maior facilidade de evitar altas sobrepressões.
• Maior simplicidade de manutenção.

Turbinas Francis
A turbina Francis é um tipo de turbina
de acção, que funciona com um fluxo
de água de fora para dentro. A água
sob pressão entra por um ducto em
espiral de secção decrescente, sendo
desviada por um conjunto de pás
estáticas do distribuidor para um rotor
central. A água atravessa a parede
lateral do rotor, empurrando um
conjunto de pás do rotor, saindo pela
base com pressão e velocidade
reduzidas.

Turbinas Francis
Esquema
geral de
turbina
Francis

Turbinas Francis - características
• Foi concebida por Jean-Victor Poncelet em 1820 e aperfeiçoada pelo
engenheiro norte americano James Francis em 1849.
• As pás estáticas podem ser ajustáveis.
• São as mais usadas pela sua flexibilidade e eficiência.
• Funcionam com quedas desde 10 até 650 m, a velocidades de 80 a 1000 rpm.
• Não necessitam de uma estrutura tão grande como as Pelton, com menor custo
de escavação e betonagem
• O difusor é normalmente de secção decrescente, para promover a recuperação
de parte da energia cinética e de pressão
• O caudal é tanto maior quanto maior for a abertura das directrizes

Turbinas Francis
Turbina regulada
para baixo caudal
Turbina regulada
para caudal elevado

Turbinas Kaplan
A turbina Kaplan é um tipo de turbina
axial, de acordo com o movimento do
líquido em relação à respectiva roda.
Esta assemelha-se a um propulsor de
um navio (hélice), e possui um sistema
de pás servo-controláveis, por um
sistema hidráulico a óleo sob pressão
ligado a um servomotor.

Turbinas Kaplan
Turbina Kaplan da HACKER
Turbina Kaplan da VOITH

Turbinas Kaplan

Turbinas Kaplan - características
• Foram concebidas pelo engenheiro austríaco Victor Kaplan que, a partir de
estudos teóricos e experimentais, criou um novo tipo de turbina a partir das
turbinas hélice, com a possibilidade de variar o passo das pás do rotor e do
distribuidor.
• Aplicadas em quedas baixas (até 50 metros) e grandes volumes de água
• O acionamento das pás, realizado por um sistema de bombeamento localizado
fora da turbina, é conjugado ao das palheta do distribuidor, de modo que, para
um determinada abertura do distribuidor, corresponde um determinado valor de
inclinação das pás do rotor
• Conseguem atingir altos rendimentos (até 94%)

Turbinas Kaplan - características

Turbinas – domínio de aplicação

Turbinas - parâmetros
• H0 – queda útil dos melhores rendimentos
• Q0 – caudal máximo absorvido pela turbina para H0
• P0 – potência da turbina correspondente a H0 e Q0
• n – número de rotações por minuto
• ns – número específico de rotações para a queda útil de 1 m
• np – número de pás da roda

Turbinas – número específico de rotações

Turbinas – número específico de rotações
Variação do
número
específico de
rotações com
a queda útil

Turbinas – aspectos importantes
 Uma turbina funciona com caudais e quedas úteis que variam dentro de
determinados intervalos.
 A velocidade de rotação, n, deve manter-se constante, em virtude da
necessidade de conservar invariável a frequência da rede eléctrica alimentada.
 Numa dada altura do ano (queda útil constante), o caudal absorvido varia por
se modificar ao longo do tempo o pedido de potência da rede eléctrica.
 O distribuidor é comandado por um órgão que aumenta ou diminui a abertura
de modo a repor a igualdade entre o binário motor e o resistente, para uma
dada velocidade de rotação do grupo.
 Por sua vez, a queda útil também varia lentamente ao longo do tempo, em
consequência de se modificarem os níveis da água a montante.

Turbinas – aspectos importantes
Variação da secção do escoamento de acordo com
a abertura do distribuidor

Turbinas – variação do rendimento
 A cada par de valores do caudal e da queda útil com que uma turbina funciona
em regime permanente (n = constante) corresponde um valor de rendimento. O
seu valor mais elevado, designa-se de rendimento óptimo.

Turbinas – diagramas em colina
Às curvas que unem os
pontos do diagrama (H,
Q) ou (H, P) com igual
valor de rendimento,
chamam-se de diagrama
em colina.
À direita: ns = 111 a 178
rpm

Turbinas – diagramas em colina
Às curvas que unem os
pontos do diagrama
(H, Q) ou (H, P) com igual
valor de
rendimento, chamam-se
de diagrama em colina.
À direita: ns = 214 a 334
rpm

Turbinas – vazio e embalamento
Dois pontos de funcionamento de turbinas em regime permanente (não
representados no diagrama em colina) devem ser destacados: o funcionamento
em vazio e em embalamento.

Turbinas – vazio e embalamento
Uma turbina funciona em vazio quando gira à sua velocidade de regime e não
fornece potência ao exterior (potência e rendimento nulos). Trata-se do ponto
mais baixo dos gráficos anteriores, sendo o caudal absorvido no caso de
turbinas Pelton e Kaplan de 7% do caudal máximo para H0.
Uma turbina funciona em embalamento quando, a plena abertura do
distribuidor (caudal máximo) e com o alternador desligado da rede, atinge o
regime permanente, sendo a potência e o rendimento praticamente nulos. A
ocorrência deste regime pressupõe também que o regulador de velocidade
esteja fora de serviço. A velocidade de rotação em embalamento cresce com a
queda a que a turbina estiver submetida.
ns,embalamento = 1,8-1,9 ns,0 (Pelton) = 1,85-2,25 ns,0 (Francis)

Turbinas – queda bruta e queda útil

Turbinas – altura de aspiração
Define-se altura de aspiração (hs) de uma turbina como a diferença entre a cota
de uma secção característica da roda e o nível de água a jusante. Diz-se que a
turbina funciona em contrapressão quando a altura de aspiração é negativa.

Turbinas – estratégia para a escolha
 O intervalo de variação da queda útil fornece a primeira orientação.
 Existem intervalos de H nos quais se pode aplicar mais de um tipo de
turbina.
 Pelton: bom rendimento com variação da potência, menos problemas com
sobrepressões, manutenção mais simples.
 Francis: Menos espaço exigido, maior velocidade de rotação, rendimentos
mais altos para altas potências, menor custo da turbina (face às hélice).
 Kaplan: bons rendimentos face a ampla variação da potência e queda e
maior velocidade de rotação do que as Francis, menor custo do alternador,
roda e soleira do difusor a cotas inferiores (construção civil mais cara).

Turbinas – número de rotações

Turbinas – diâmetro de roda (Pelton)

Bombas
Uma bomba hidráulica rotodinâmica compõe-se de dois elementos principais: a
roda (ou rotor, ou ainda impulsor), que modifica as trajectórias líquidas, e o
corpo da bomba. Os trechos da conduta são o tubo de sucção/aspiração e o
tubo de impulsão/descarga. Consoante a direcção do escoamento, as bombas
classificam-se em centrífugas, mistas ou axiais.
Exemplo de
bomba
centrífuga

Bombas - tipos
Bomba centrífuga de três andares
(3 bombas em série, quando não se
consegue altura de elevação com bom
rendimento com apenas uma bomba

Bombas – domínio de aplicação

Bombas – número específico de rotações

Bombas – variação do rendimento com ns

Bombas – diagramas em colina
Diagrama em colina
de bomba centrífuga
Sulzer
[note-se as isolinhas de
rendimento e as curvas
H = H(Q) – cada uma
respeitante a uma
velocidade de rotação]

Bombas – funcionamento em vazio e curto-circuito

Bombas – influência de ns no andamento de H = H(Q)
Como se pode ver à direita, as curvas
características dependem do tipo de
bomba e da velocidade de rotação.
Com o aumento de ns, a relação H/H0
para o funcionamento em vazio
cresce.
Nas bombas centrífugas, a potência
aumenta com o caudal a partir do
vazio; nas axiais, a máxima potência
corresponde a esse ponto. Logo, não é
corrente neste tipo utilizar-se a jusante
uma válvula de regulação do caudal.

Bombas – influência de ns no andamento de H = H(Q)
Curvas H = H(Q), P = P(Q) e η = η(Q) para bombas centrífugas (a), mistas
(b) e axiais (c), em relação aos do ponto de rendimento óptimo

Bombas – ponto de funcionamento
Variação do caudal para instalações
com altura de elevação diferentes
Variação do caudal para bombas
de curva característica diferente

Bombas – bombas em série e em paralelo

Bombas – escolha de bombas

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