Turbinas Hidráulicas.pdf

Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva
1
Máquinas de Fluxo
Prof. Dr. Emílio Carlos Nelli Silva
Escola Politécnica da USP
Departamento de Engenharia Mecatrônica e Sistemas
Mecânicos

2
• Introdução
Turbinas Hidráulicas
• Apresentam-se as turbinas de uso mais comum
• Características construtivas, operacionais,
condições de aplicação limites de execução e
instalação
• Características operacionais e construtivas =
escolha da melhor máquina para uma dada aplicação
• São elas: Pelton, Francis e Kaplan e suas
variantes
• Formas menos comuns apenas citadas
• Seguidas as normas brasileiras relacionadas

3
• Turbina Pelton
• Rotação específica: nq 20, número tipo K 0,364
Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas
 
• Máquinas de fluxo de ação:
• Energia mecânica = transformação da energia cinética do
fluxo de água através do rotor (NBR 6445)
• Turbina Pelton: segundo norma NBR 6445, turbina de ação na
qual o fluxo de água incide sob a forma de jato sobre o rotor que
possui pás em forma de duas conchas. A direção dos jatos é
paralela em relação ao plano do rotor.
• Elevadas alturas de queda e conseqüentes pequenas
vazões
• Topografia brasileira não favorece Pelton de grande porte

4
• Turbina Pelton
• Princípio de operação e partes principais
• Número de jatos = função da vazão disponível – 1 a 6
• Mesma Q – mais jatos = menores diâmetros = menores pás =
menor rotor
Turbina Pelton de 1 jato Corte da pá e velocidades.

5
• Turbina Pelton
• Partes principais – segundo norma NBR 6445
Componentes principais (trabalho): 1- rotor; 2– injetor; 3– defletor
Demais: 4– mancal de escora; 5- conduto de distribuição; 6- agulha; 7-
acionamento do defletor; 8- anel de regulação; 9- anteparo para jato

6
• Turbina Pelton
• Exemplos de turbinas Pelton
1- defletor; 2– agulha; 3– alavanca
de posição; 4- transferidor; 5- braço
de alavanca (transfere informação
para sistema de regulação);
• Posição da Agulha: define a vazão
do jato:

7
• Turbina Francis
• Rotação específica: 20 nq 100, número tipo
0,364 K 1,82
 
 
• Máquinas de fluxo de reação:
• Máquinas em que o trabalho está associado à variação de pressão
e energia cinética no rotor
• Exemplo: turbina Francis: segundo norma NBR 6445, turbina de
reação na qual o fluxo de água penetra radialmente no distribuidor
e no rotor, no qual as pás são fixas.
• Outros: turbinas Kaplan e todas as bombas hidráulicas de fluxo
• Altura de queda entre 45 e 750m – competem com Kaplan
e Pelton
• Grande parte da eletricidade gerada no Brasil

8
• Turbina Francis
Rotor Francis
• Água atua simultaneamente em todas as pás
• Variação de 90o no escoamento entre entrada e saída

9
• Turbina Francis
• Partes principais – segundo norma NBR 6445
Obs.: componentes adicionais (com relação à Pelton)
• maior rendimento (2%)
• projeto mais complexo e > custo de instalação, operação e
manutenção

• Obs1.: menores curvaturas das pás  menos perdas no escoamento
 maiores rendimentos das turbinas de reação
• Obs2.: variação da direção do fluxo = esforços axiais no eixo
10
• Turbina Francis
• Transformação de energia em turbinas de reação
• Comportamento das pressões e velocidades:
• Obs.: parte da energia de pressão  energia cinética (no distribuidor)
• Equação de Euler:
1
u
1
u
2
u
2
u
th c
u
c
u
Y 


11
• Turbina Francis
• Representação gráfica e indiciação em rotores Francis
• Obs.: bombas – mesma indiciação
• Projeções parciais em planta e elevação (a de cima), em corte =>
projeção meridiana:

12
• Turbina Francis
• Formas construtivas de rotores Francis
• Rotores correspondentes: projeção meridiana:
• Tabela: formas construtivas das turbinas

13
• Turbina Francis
• Exemplo: Usina de Victoria Falls
1- rotor;
2– caixa espiral;
3– mancais;
4- gerador elétrico;
5- excitatriz;
6- válvula de esfera;
7- comporta do tubo de
sucção;

14
• Turbina Francis
• Triângulos de velocidade na face de sucção (Saída)
de turbinas Francis
• Vazões diferentes => pontos ou condições de operação diferentes
=> α’s diferentes

15
• Turbina Francis
• Triângulos de velocidade na face de sucção (Saída)
de turbinas Francis
• β1
* = β1  saída sem choque;
• Ponto de máximo rendimento
• Condição de projeto: saída irrotacional  α1=90º  mínimo de dissipação
na saída do rotor (sem rotação em torno do eixo do tubo de sucção)
• Aumento de pressão ao longo do duto  reduz-se velocidade de rotação =
redução de perdas!

16
• Turbina Francis
• Triângulos de velocidade na face de pressão
(Entrada) de turbinas Francis
• Obs.1: comportamento diferente do da face de sucção;
• Obs. 2: ponto ótimo   entrada sem choque (mínima dissipação) –
condição de projeto
*
2
2 



17
• Turbina Kaplan
• Rotação específica: 95 nq 310, número tipo
1,729 K 5,642
 
 
• Turbina de reação, na qual o fluxo de água tem direção radial no
distribuidor, aproximadamente axial na entrada do rotor, analogamente às
turbinas hélice, porém na qual as pás têm passo regulável em funcionamento
• 2 variantes adicionais: hélice e bulbo
• Altura de queda entre 2 e 60m – competem com Francis ultra rápidas em
alturas de queda mais elevadas (> nq)
• Alternativa onde há restrição quanto a área inundada (ex: proximidade com
cidades)
• número de pás: 4 a 8 – aumento = redução das tensões de flexão no eixo
que suporta o conjunto, em balanço

18
• Turbina Kaplan
Rotores
Kaplan
• Água atua simultaneamente em todas as pás
• Kaplan de eixo vertical: variação de 90o no
escoamento entre entrada do distribuidor e
entrada do rotor
• Bulbo: escoamento aproximadamente axial
Rotor
Andritz

19
• Turbina Kaplan
• Princípio de operação e
partes principais
• Partes principais – segundo norma
NBR 6445
Obs.: partes específicas: rotor, caixa semi-
espiral (< 360o), cubo do rotor, ogiva e variador
de rotação (= geradores menores)
• Partes não mostradas:
• Caixa semi-espiral
• Tubo de sucção, pás fixas do pré-
distribuidor, e palhetas diretrizes
do distribuidor (ver Francis)
• Mecanismo de movimentação das
pás: interior da ogiva
ogiva
cubo
pá
Usina Hidrelétrica de Estreito

20
• Turbina Kaplan
• Representação gráfica e indiciação em rotores
Kaplan
• Projeções parciais em planta e elevação (a
superior): projeção meridiana

21
• Turbina Kaplan
• Exemplos de turbinas Kaplan
• Kaplan de eixo vertical

22
• Turbina Kaplan
• Exemplos de turbinas Kaplan
• Bulbo

23
• Formas construtivas adicionais
• Aproveitamentos de menor porte = rotores iguais aos
anteriores, mas com demais componentes mais simples
• Ou novas formas de rotores, menos eficientes ou mais caras
• Exemplo: Turbina Diagonal ou Dèriaz
• Aplicadas em alturas de queda entre 30 e 130m
• Custo elevado; características da Kaplan e Francis

24
• Turbina tubular com gerador periférico (Straight
flow ou Straflo)
• Reguláveis ou em forma
hélice
• Turbina e gerador = unidade
integral = não há eixo ligando-
os
• 1-Rotor, 10-Estator, 2-Pá, 8-
Tubo de sucção

25
• Turbina de fluxo transversal ou Michell-Bànki
• Turbinas de ação
• Simplicidade = pequenas
centrais hidrelétricas
• 6-válvula de aeração = impedir
pressões muito abaixo da
atmosférica  integridade
estrutural da máquina

26
• Turbina para pequenos ou micro aproveitamentos
• Também chamadas de “standard” pelos fabricantes = dimensões
padrão e condições operacionais pré-definidas = aproveitamentos
devem estar adequados às máquinas
• Versões simplificadas e reduzidas das de grande porte = reduzir
custos de fabricação e atingir mercado específico
• Demanda limitada; aproveitamentos privados

27
• Partes componentes de turbinas
• Caixa espiral e pré-distribuidor
• Caixa espiral: NBR 6445 –
conduzir o fluxo de água
recebido da adutora até o
distribuidor. Obs.: seções
transversais reduzem-se.
• pré-distribuidor: pás fixas
entre os anéis 4 e 5 – rigidez
estrutural da caixa e pré-
orientação do escoamento para
o distribuidor.

28
• Distribuidor e acionamento das palhetas diretrizes
• Distribuidor: pás móveis entre os anéis 4 e 5 – orientação do
escoamento e controlar a vazão para o rotor.
• Acionamento: anel de regulação 1, movido por 1 ou 2 motores
hidráulicos
Sistema
hidráulico
que controla
as palhetas
móveis do
distribuidor
Itaipu
Eixo da
turbina

29
• Tubo de sucção
• NBR 6445 –
finalidade: grande
parte da energia
cinética  energia de
pressão + conduzir a
água até o canal de
fuga ou o início de
uma nova estrutura
hidráulica.
• seção transversal
crescente = aumento
de pressão.
• Máquinas Francis e Kaplan de eixo vertical

30
• Tubo de sucção
• Máquinas Francis e Kaplan de eixo vertical
• Hidrelétrica Norris:
• Máquina
Bulbo:

31
• Mancais para turbinas
• Deslizamento: sapatas intermediárias e filme de óleo sob pressão
entre elas (submetido a resfriamento)
• Mancal de escora • Mancal de guia • Mancal combinado

32
• Análise das formas construtivas
• Escolha por rotação específica: superposição de formas construtivas.
Exemplo: Francis e Kaplan
• Objetivo: apresentação de informações técnicas sobre as principais formas
construtivas visando permitir uma análise comparativa mais profunda
• Além de aspectos técnicos: econômicos e de financiamento da obra

33
• Rendimento comparado
• Rendimentos máximos: Francis, Kaplan e Bulbo > Pelton
• Rendimento em função da vazão: diverso
• Obs.: Máquinas de ação: velocidade do jato depende da altura da queda e para
altas quedas esta pouco varia => força do jato pouco varia => rendimento pouco
varia

34
• Rendimento comparado
• Kaplan: segunda melhor curva (menor variação de η) – dupla
regulação = mudar ângulo das pás na operação = busca da melhor
condição operacional para cada vazão
• Curva de rendimento da turbina Kaplan de dupla regulação:

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• Superposição das formas construtivas Pelton-Francis
• Pelton: não afogada
• Pelton: diâmetro menor,
mas casa de máquinas maior
• Francis: tubo de sucção:
custo elevado
• Operação sob
mesma altura de
queda e potência:
• Fator de preço (ref.: Francis 20MW): • Relação de preços: fornecimento de conjunto
completo de peças sobressalentes em aço inox

36
• Superposição das formas construtivas Pelton-Francis
• Tabela com principais características comparadas (Escher-Wyss):
Tabela 4.3.6 –83
• Obs.: Pelton –
manutenção com pessoal
menos qualificado;
reduzida massa dos
rotores = aquisição de
sobressalente; fácil
retirada do rotor

37
• Superposição das formas construtivas Francis - Kaplan
• Operação sob mesma altura de queda e potência (50m e 50MW):
• Francis: D2<D1 => distribuidor e caixa espiral
menores
• Kaplan: cubo: módulos de velocidade maiores =
• maior sensibilidade à ocorrência de cavitação =
maior submergência
• maior velocidade à saída do rotor = tubos de
sucção maiores
• Portanto (maiores submergências e tubos de
sucção) maiores volumes escavados
• Kaplan: dupla regulação
• eleva custo de projeto, execução, montagem e
manutenção
• reduz sensibilidade a variações de altura de
queda e vazão

38
• Pré-dimensionamento de diâmetros de turbinas
• Tomando como referência levantamentos estatísticos das
máquinas em operação => diagramas relacionando diâmetros
específicos de turbinas com a rotação específica, tendo-se como
parâmetros das curvas, os adimensionais ø e φ
• Com os diagramas: valor inicial para o diâmetro de turbinas
conforme o seguinte equacionamento:
• Diâmetro específico: • Diâmetro do rotor:

39
• Transformação de energia em turbinas
Turbinas Hidráulicas
• Fluxo de energia em turbinas: cada forma
específica de perda identificável ao longo do
trajeto da partícula fluida entre a entrada e saída
da máquina
• Análise = sob aspectos global e interno
• Global = máquina = caixa preta: somente modelo
termodinâmico importa (equações do trabalho e
potência discutidos anteriormente)
• Interno = perdas

40
• Análise global
Turbinas Hidráulicas: Transformação de Energia
• I: face de sucção da
máq.; região de
menor pressão
• II: face de pressão
da máq.; região de
maior pressão
• máq. adiabática =
troca de calor nula:
∆Q=0
• regime permanente:
cte
m 

• Modelo:

41
• Análise global
• Conceitos na análise: definições resumidas nas equações
seguintes:
• Trabalho específico:
• Altura de queda:
• Potência fluida:
• Rendimentos:
• ηu : útil =
• ηi : interno =
• ηm : mecânico =
• ηh : hidráulico =
• Obs.: f indica fluido e t indica teórico (número infinito de pás e largura
pequena do canal)
específica
energia
da
variação
I
I
Y I
II 


g
Y
altura
H 

QgH
QY
Y
m
Pf 



 
f
u
u P
P


f
i
i P
P


i
u
m P
P


f
t
h P
P



42
• Análise interna
• Fluxo de potência:
• Contribuição de cada um dos componentes para perdas e rendimento:
• Francis com
Re=6 106

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