Projeto da Turbina - Sistema Hidroelétricos

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Universidade de Brasília – UnB
Faculdade UnB Gama – FGA
Engenharia de Energia
Projeto da Turbina
Autor: Paulo Henrique Alves dos Reis
Orientador: Prof. Dr. Luciano Gonçalves Noleto
Brasília, DF
2018
Paulo Henrique Alves dos Reis
Projeto da Turbina
Universidade de Brasília – UnB
Faculdade UnB Gama – FGA
Orientador: Prof. Dr. Luciano Gonçalves Noleto
Brasília, DF
2018
Lista de ilustrações
Figura 1 – Campo de aplicação de turbinas hidráulicas. Fonte:(HENN, 2006). . . . 8
Figura 2 – Exemplos de turbinas hidráulicas. Fonte:(BRASIL, 2010). . . . . . . . 12
Figura 3 – Representação do triângulo de velocidades de uma turbina Peltron. . . 12
Figura 4 – Representação do triângulo de velocidades de uma turbina Kaplan. . . 13
Figura 5 – Representação do triângulo de velocidades de uma turbina Francis. . . 13
Lista de tabelas
Tabela 1 – Valores de 𝑛𝑞𝐴 indicados para diferentes tipos de máquinas de fluido. . 7
Tabela 2 – Dimensões das Grandezas segundo o sistema 𝑀𝐿𝑇Θ. . . . . . . . . . . 9
Sumário
1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 PROJETO DA TURBINA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1 O Tipo e Classificação da Turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Análise Dimensional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Semelhança . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4 Triângulo de Velocidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4.1 Turbinas Peltron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4.2 Turbina Kaplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4.3 Turbina Francis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4.4 Velocidade de Disparo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5 Fator de Capacidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.6 Altura de Sucção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3 CONCLUSÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
5
1 Introdução
As turbinas são máquinas que extraem energia de uma corrente de fluido denomi-
nado fluido de trabalho. Segundo o fluido de trabalho elas podem ser turbinas hidráulicas
(água), turbinas eólicas (ar) ou turbinas a vapor e a gás. A conversão de energia é feita
por meio de um conjunto de lâminas integradas ao eixo da turbina chamado de roda ou
rotor. São utilizadas para acionar sistemas mecânicos ou para acionar geradores de energia
elétrica que desempenham um papel muito importante na geração de energia em todo o
mundo (ALÉ, 2010).
1.1 Objetivos
Este trabalho tem por objetivo principal o projeto da turbina, que consiste no
dimensionamento de uma turbina para um dado aproveitamento hidrelétrico. Os objetivos
específicos consistem em:
◇ Calcular a rotação específica e classificar a turbina;
◇ Determinar o valor do fator de capacidade e tempo de disparo;
◇ Determinar os triângulos de velocidades para diferentes turbinas;
◇ Avaliar o risco de cavitação.
6
2 Projeto da Turbina
As turbinas hidráulicas são, por definição, máquinas de fluxo motrizes, ou seja,
transformam a energia potencial da água em trabalho mecânico. Sua construção envolve
um Rotor: conjunto de pás, lâminas, ou conchas, fixadas ao eixo da turbina; Anel dis-
tribuidor: parte fixa, que possui ação diretriz, ou seja, conduzir a água para o rotor;
Gerador: acoplado à turbina por um eixo, converte energia mecânica em elétrica. O
fluido de trabalho é a água, de modo que o escoamento é considerado incompressível
(NOLETO, 2018). Segundo Noleto (2018), as classificações mais gerais de turbinas são:
≫ Modo de atuação do fluido
∘ Turbinas de Ação: O fluido incidente no rotor é dotado quase que exclusivamente de
energia cinética, sem perda de queda líquida.
∘ Turbinas de Reação:O fluido incidente no rotor possui energia cinética e de pressão,
com perda de queda líquida.
≫ Segundo a trajetória do fluido no rotor
∘ Radial: Trajetória que circula o eixo do rotor.
∘ Axial: Trajetória paralela ao eixo do rotor.
∘ Tangencial: Trajetória normal ao eixo do rotor.
2.1 O Tipo e Classificação da Turbina
A velocidade de rotação específica (𝑛𝑞𝐴) está associada à forma e às proporções
dos rotores de máquinas de fluxo. O seu valor é um elemento fundamental para a seleção
do tipo de máquina mais adequado à determinada situação onde cada família ou classe
de máquinas hidráulicas apresenta uma faixa particular da rotação específica (HENN,
2006). Considerando os valores obtidos de salto energético (𝑌 = 539 𝐽/𝑘𝑔) e vazão (𝑄 =
1068 𝑚3/𝑠) que antecederam este trabalho, pode-se calcular a rotação específica como:
𝑛𝑞𝐴 = 1000 𝑛
𝑄1/2
𝑌 3/4
(2.1)
A turbina está acoplada ao gerador e por isso possuem a mesma velocidade de
rotação, o gerador por sua vez está sincronizado à rede elétrica que neste caso possui
Capítulo 2. Projeto da Turbina 7
frequência de 60 𝐻𝑧, com isso calcula-se a velocidade de rotação da turbina:
𝑛 = 60𝑓
𝑝
= 60 · 605 = 12 𝑟𝑝𝑠 (2.2)
Logo a rotação específica:
𝑛𝑞𝐴 = 1000 𝑛
𝑄1/2
𝑌 3/4
= 1000 · 121068
1/2
5393/4 = 3505
A Tabela 1 mostra os valores de 𝑛𝑞𝐴 indicados para diferentes tipos de máquinas
de fluido.
Tabela 1 – Valores de 𝑛𝑞𝐴 indicados para diferentes tipos de máquinas de fluido.
Máquinas de Fluido 𝑛𝑞𝐴
Turbina Hidráulica do Tipo Peltron 5 a 70
Turbina Hidráulica do Tipo Francis Lenta 50 a 120
Turbina Hidráulica do Tipo Francis Normal 120 a 200
Turbina Hidráulica do Tipo Francis Rápida 200 a 320
Turbina Hidráulica do Tipo Michell-Banki 30 a 210
Turbina Hidráulica do Tipo Dériaz 200 a 450
Turbina Hidráulica do Tipo Kaplan e Hélice 300 a 1000
Turbina a Vapor e a Gás com Admissão Parcial 6 a30
Turbina a Vapor e a Gás com Admissão Total 30 a 300
Bomba de Deslocamento Positivo <30
Bomba Centrífuga 30 a 250
Bomba Semi-axial ou de Fluxo Misto 250 a 450
Bombas Axial 450 a 1000
Compressor de Deslocamento Positivo <20
Ventilador e Turbocompressor Centrífugo 20 a 330
Ventilador e Turbocompressor Axial 330 a 1800
Fonte: Adaptado de Henn (2006).
Comparando com o valor de 𝑛𝑞𝐴 com a Tabela 1 percebe-se que não é possível
determinar o tipo da turbina utilizando esse parâmetro, no entanto, a Figura 1 mostra
o campo de aplicação das turbinas considerando a vazão, altura e potência no qual é
possível determinar a turbina apropriada. Para que fosse possível identificar a turbina
caracterizá-la melhor foi necessário utilizar seis turbinas dividindo a vazão em seis partes
iguais.
Capítulo 2. Projeto da Turbina 8
Figura 1 – Campo de aplicação de turbinas hidráulicas. Fonte:(HENN, 2006).
Tendo como base os valores de vazão (178 𝑚3/𝑠), altura (55 𝑚) e potência (518 𝑀𝑊 )
como parâmetros de entrada para o gráfico de figura 1, verifica-se que a turbina mais apro-
priada para esse aproveitamento hidráulico é a do tipo Francis ou Dériaz, no entanto, a
utilização das turbinas Dériaz se encontra quase no limite de sua aplicação e por isso será
utilizado a turbina Francis. Devido a mudança no valor da vazão é necessário recalcular
o valor da rotação específica:
𝑛𝑞𝐴 = 1000 𝑛
𝑄1/2
𝑌 3/4
= 1000 · 12178
1/2
5393/4 = 1431
Segundo Bran e Souza (1980) para a turbina Francis as equações a seguir são
utilizadas como uma primeira orientação, são elas:
𝑉1𝑚á𝑥
2 𝑌 = 0, 16
𝐷2
𝐷1
= 0, 78 𝑏0
𝐷1
= 0, 31 (2.3)
Assim a velocidade máxima na entrada do tubo de sução (𝑉1𝑚á𝑥) e o seu diâmetro
(𝐷1𝑚í𝑛) são calculados da seguinte forma:
𝑉1𝑚á𝑥 =
√︁
0, 16 · 2𝑌 =
√
0, 16 · 2 · 539 = 13, 13 𝑚/𝑠
𝐷1𝑚í𝑛 =
√︃
4 · 𝑄
𝜋 · 𝑉1𝑚á𝑥
=
√︃
4 · 178
𝜋 13, 13 = 4, 15 𝑚
Capítulo 2. Projeto da Turbina 9
O diâmetro do rotor:
𝐷2 = 0, 78𝐷1 = 0, 78 · 4, 15 = 3, 24 𝑚
Não será problema utilizar a velocidade máxima no duto de 7 𝑚/𝑠 definida no
projeto doconduto, sendo a velocidade máxima permitida de 13, 13 𝑚/𝑠. Segundo Noleto
(2018) o número de pás pode ser calculada de acordo com a equação 2.4.
𝑍 = 12 · 0, 05𝐷′ = 12 · 0, 05 · 3, 24 = 2 𝑝á𝑠 (2.4)
De acordo com Noleto (2018) considerando o número de pás e a alta rotação
específica, tem-se que a turbina é classificada como normal.
2.2 Análise Dimensional
A análise dimensional consiste na aplicação de um método para reduzir o número
e a complexidade das variáveis experimentais que afetam um dado fenômeno físico, se
esse fenômeno depende de 𝑛 variáveis dimensionais, a análise dimensional irá reduzir o
problema para 𝑘 variáveis, em que 𝑛 − 𝑘 = 1, 2, 3 ou 4 dependendo da complexidade do
problema. Na mecânica dos fluidos as quatro dimensões básicas normalmente consideradas
são a massa (M), comprimento (L), tempo (T) e a temperatura (Θ) (WHITE, 2011).
A Tabela 2 mostra algumas variáveis que serão utilizadas neste trabalho no sistema
𝑀𝐿𝑇Θ.
Tabela 2 – Dimensões das Grandezas segundo o sistema 𝑀𝐿𝑇Θ.
Grandeza Símbolo Dimensões
Potência 𝑃 [𝑀𝐿2𝑇 −3]
Massa Específca 𝜌 [𝑀𝐿−3]
Comprimento 𝐿 [𝐿]
Vazão 𝑄 [𝐿2𝑇 −3]
Rotação 𝑛 [𝑇 −1]
Salto Energético 𝑌 [𝐿2𝑇 −2]
Fonte: Adaptado de White (2011).
As principais variáveis relacionadas ao escoamento de um fluido são as presentes
na Tabela 2. A potência transferida entre a máquina e o fluido é uma função dependente
das variáveis mostradas na equação a seguir:
𝑃 = 𝑓(𝜌, 𝑁, 𝐷, 𝑄, 𝑌 ) (2.5)
Capítulo 2. Projeto da Turbina 10
Segundo o teorema dos Pi de Buckingham, as dimensões recorrentes (k) envolvidas
no problema são [M], [L] e [T], dessa forma a quantidade de grupos Π adimensionais é
dado pela subtração da quantidade de variáveis (n) pelo número de dimensões recorrentes,
com isso: 𝑛 = 6 e 𝑘 = 3, o que resulta em 3 grupos Π adimensionais.
O primeiro grupo:
Π1 = 𝜌𝑎𝑁 𝑏𝐷𝑐𝑃 𝑑 (2.6)
Π1 =
[︂
𝑀
𝐿3
]︂𝑎 [︂ 1
𝑇
]︂𝑏
[𝐿]𝑐
[︃
𝑀𝐿2
𝑇 3
]︃𝑑
= 𝑀0𝐿0𝑇 0
Fazendo 𝑑 = 1, tem-se:
𝑀 → 𝑎 + 1 = 0 ⇒ 𝑎 = −1
𝑇 → −𝑏 − 3 = 0 ⇒ 𝑏 = −3
𝐿 → −3𝑎 + 𝑐 + 2 = 0 ⇒ 𝑐 = −5
Dessa forma:
Π1 = 𝜌−1𝑁−3𝐷−5𝑃 =
𝑃
𝜌𝑁3𝐷5
(2.7)
O segundo Grupo:
Π2 = 𝜌𝑎𝑁 𝑏𝐷𝑐𝑄𝑑 (2.8)
Π2 =
[︂
𝑀
𝐿3
]︂𝑎 [︂ 1
𝑇
]︂𝑏
[𝐿]𝑐
[︃
𝐿3
𝑇 1
]︃𝑑
= 𝑀0𝐿0𝑇 0
Fazendo 𝑑 = 1, tem-se:
𝑀 → 𝑎 = 0
𝑇 → −𝑏 − 1 = 0 ⇒ 𝑏 = −1
𝐿 → −3𝑎 + 𝑐 + 3 = 0 ⇒ 𝑐 = −3
Dessa forma:
Π2 = 𝜌0𝑁−1𝐷−3𝑄 =
𝑄
𝑁𝐷3
(2.9)
O terceiro Grupo:
Π3 = 𝜌𝑎𝑁 𝑏𝐷𝑐𝑌 𝑑 (2.10)
Π3 =
[︂
𝑀
𝐿3
]︂𝑎 [︂ 1
𝑇
]︂𝑏
[𝐿]𝑐
[︃
𝐿2
𝑇 2
]︃𝑑
= 𝑀0𝐿0𝑇 0
Fazendo 𝑑 = 1, tem-se:
𝑀 → 𝑎 = 0
𝑇 → −𝑏 − 2 = 0 ⇒ 𝑏 = −2
𝐿 → −3𝑎 + 𝑐 + 2 = 0 ⇒ 𝑐 = −2
Dessa forma:
Π3 = 𝜌0𝑁−2𝐷−2𝑌 =
𝑌
𝑁2𝐷2
(2.11)
Capítulo 2. Projeto da Turbina 11
2.3 Semelhança
As máquinas são consideradas semelhantes, quando possuem semelhança geomé-
trica, cinemática e dinâmica. Nesse sentido, partindo do pressuposto que duas máquinas,
protótipo e modelo são semelhantes, se torna possível determinar os parâmetros do mo-
delo com base nos parâmetros do protótipo. A análise dimensional resultou nos grupos
adimensionais Π1, Π2 e Π3 que são os coeficientes de potência (𝐶𝑝), coeficiente de vazão
(𝐶𝑄) e coeficiente de altura (𝐶𝐻) respectivamente.
Considerando um dado modelo, a razão de escala geométrica necessária para se
obter os valores de potência de 518, 58 𝑀𝑊 e vazão de 1068 𝑚3/𝑠 determinados no projeto
do aproveitamento, pode ser obtida por meio do coeficiente de vazão. Uma máquina
semelhante possui seu coeficiente de vazão iguais, dessa forma tendo o protótipo designado
pelo subscrito p e o modelo reduzido designado pelo m, tem-se:
𝐶𝑄𝑝 = 𝐶𝑄𝑚 (2.12)
𝑄𝑝
𝑁𝑝𝐷3𝑝
= 𝑄𝑚
𝑁𝑚𝐷3𝑚
(2.13)
Para um modelo reduzido de 0, 025 𝑚 de diâmetro e protótipo de 4, 15 𝑚, tem-se:
𝑄𝑝
𝑄𝑚
𝑁𝑚
𝑁𝑝
=
(︂
𝐷𝑝
𝐷𝑚
)︂3
(2.14)
𝑄𝑝
𝑄𝑚
𝑁𝑚
𝑁𝑝
= 2, 18 · 10−7 (2.15)
2.4 Triângulo de Velocidades
O triângulo de velocidades como próprio nome já diz, é um triângulo composto
por três componentes vetoriais de velocidade: a velocidade de rotação (�⃗�), a velocidade
absoluta (�⃗� ), a velocidade relativa (�⃗� ), e considerando ainda a decomposição vetorial
das suas componentes normais (𝑉𝑛) e tangenciais (𝑉𝑡) de modo que a relação entre elas é
a seguinte:
�⃗� = �⃗� + �⃗� (2.16)
A determinação do triângulo de velocidades permite obter a informação necessária
para o cálculo da potência absorvida ou liberada pela turbomáquina, descreve os movi-
mentos absoluto e relativo da água no rotor e fornece informações sobre a transferência
Capítulo 2. Projeto da Turbina 12
de energia entre fluido e rotor. A Figura 2 mostra exemplos de turbinas hidráulicas, os
próximos tópicos serão destinados a mostrar o triângulo de velocidades destes três tipos
de turbinas.
(a) Turbina tipo Kaplan. (b) Turbina tipo Francis. (c) Turbina tipo Peltron.
Figura 2 – Exemplos de turbinas hidráulicas. Fonte:(BRASIL, 2010).
2.4.1 Turbinas Peltron
As turbinas Peltron são turbinas de ação, no qual um fluxo de água paralelo em
relação ao plano do rotor incide sobre as pás em formato de concha. De acordo com Noleto
(2018), elas são geralmente utilizadas em aproveitamentos com pequenas vazões e grandes
quedas, com rotação específica alta podendo alcançar 90% de rendimento.
Para este tipo de turbina o triângulo de velocidades é formado por um jato que
incide idealmente paralelo em relação ao eixo do rotor resultando em uma única com-
ponente de velocidade na entrada. A Figura 3 mostra a representação do triângulo de
velocidades de uma turbina Peltron.
V1
V2
W1
W2
U1 U2
Vt2 Wt2
Vn2
α2 β2
Figura 3 – Representação do triângulo de velocidades de uma turbina Peltron.
2.4.2 Turbina Kaplan
A turbina Kaplan é de reação do tipo axial composta por várias pás móveis ajus-
táveis com uma certa inclinação chamada ângulo de ataque, elas possuem eixo vertical ou
Capítulo 2. Projeto da Turbina 13
horizontal e são adequadas para operar em baixas quedas, entretanto, com médias e altas
vazões.
O triângulo de velocidades dessa turbina possui como simplificação uma compo-
nente de velocidade na saída totalmente vertical, o que é chamado de saída meridional.
A Figura 4 mostra a representação do triângulo de velocidades para a turbina Kaplan.
V1
V2=Vn2
W1 W2
U1 U2
Vt1 Wt1 Wt2
Vn1
α1
α2β1 β2
Figura 4 – Representação do triângulo de velocidades de uma turbina Kaplan.
2.4.3 Turbina Francis
A turbina do tipo Francis é caracterizada como uma turbina de reação motriz,
nesse tipo de turbina o fluxo d’água é orientado e distribuído igualmente, na direção
radial, por toda periferia da entrada do rotor, saindo na sua direção axial, ela é utilizada
geralmente para trabalhar em altas velocidades.
O triângulo de velocidades dessa turbina possui como simplificação uma compo-
nente de velocidade meridional na entrada (𝛼1 = 90∘). A Figura 5 mostra a representação
do triângulo de velocidade de uma turbina do tipo Francis.
V1=Vn1
V2W1
W2
U1 U2
Vt2Wt1 Wt2
Vn2
α1 α2β1
β2
Figura 5 – Representação do triângulo de velocidades de uma turbina Francis.
Capítulo 2. Projeto da Turbina 14
2.5 Velocidade de Disparo
Segundo Noleto (2018), "a velocidade de disparo ou de embalamento (Runaway
speed) é a situação de máxima rotação da turbina, quando o gerador é retirado do sistema
e o distribuidor continua em abertura plena". O conhecimento da velocidade de disparo é
de grande importância pois corresponde às maiores tensões suportadas pelo material das
partes girantes da turbina e do gerador (HENN, 2006). Ela pode ser calculada como:
𝑛𝑚á𝑥 = 𝑛𝑛
(︂3
2 +
𝑛𝑞𝐴
513
)︂
= 12
(︂3
2 +
1431
513
)︂
= 51, 47 𝑟𝑝𝑠 (2.17)
2.6 Fator de Capacidade
Segundo Noleto (2018), "o fator de capacidade é a relação entre a energia efeti-
vamente gerada (considerando disponibilidade de vazão) 𝐸ú𝑡𝑖𝑙 e a energia gerada caso a
central trabalhe todo o tempo em potência plena 𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙".
𝐹𝐶 = 𝐸ú𝑡𝑖𝑙
𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
· 100 [%] (2.18)
A 𝐸ú𝑡𝑖𝑙 é a energia elétrica fornecida à rede de transmissão, ela leva emconsideração
todas as perdas e pode ser calculada da seguinte forma:
𝐸ú𝑡𝑖𝑙 = 𝜂𝑡𝜂𝐺𝜌𝑔𝐻𝑄𝑡 (2.19)
onde:
∘ 𝐸ú𝑡𝑖𝑙= energia elétrica produzida [𝑊ℎ];
∘ 𝜌= massa específica [𝑘𝑔/𝑚3];
∘ 𝑔= aceleração da gravidade [𝑚/𝑠2];
∘ 𝑄= vazão de operação [𝑚3/𝑠];
∘ 𝜂𝑡= rendimento total da turbina;
∘ 𝜂𝐺= rendimento total do gerador;
∘ 𝑡= tempo para esvaziar o reservatório [ℎ];
Capítulo 2. Projeto da Turbina 15
A energia total 𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 é toda energia disponível no sistema que pode ser cedida ao
fluido, ela é calculada como:
𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝜌𝑔𝑄𝐻𝑡 (2.20)
Considerando apenas o volume útil do reservatório determinado no projeto hidro-
lógico, calcula-se o seu tempo de enchimento:
𝑡 = 𝑉𝑢
𝑄𝑀𝐿𝑇
= 3, 47 · 10
9 𝑚3
1068 𝑚3/𝑠 = 902, 51 ℎ (2.21)
Para calcular a 𝐸ú𝑡𝑖𝑙 é necessário ainda considerar as perdas de projeto (0, 15 𝑚)
somadas as perdas de carga (7, 592 𝑚), resultando em um 𝐻 = 47, 25 𝑚. Os valores de
𝜂𝑡 = 0, 96 e 𝜂𝐺 = 0, 94 foram definidas no projeto do aproveitamento, dessa forma:
𝐸ú𝑡𝑖𝑙 = 0, 960, 94 · 1000 𝑘𝑔/𝑚3 · 9, 81 𝑚/𝑠2 · 47, 25 𝑚 · 1068 𝑚3/𝑠 · 902, 51 ℎ
𝐸ú𝑡𝑖𝑙 = 4, 031 · 1011 𝑊ℎ
A energia total:
𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 1000 𝑘𝑔/𝑚3 · 9, 81 𝑚/𝑠2 · 1068 𝑚3/𝑠 · 55 𝑚 · 902, 51 ℎ
𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 5, 20 · 1011 𝑊ℎ
Dessa forma o fator de capacidade:
𝐹𝐶 =
4, 031 · 1011 𝑊ℎ
5, 20 · 1011 𝑊ℎ × 100 = 77, 52%
2.7 Altura de Sucção
A altura de sucção é a altura medida do nível de jusante até o eixo do rotor (para
turbinas de eixo horizontal) ou até o centro do rotor. A altura de sucção é um importante
parâmetro de projeto de dimensionamento de turbinas e centrais hidrelétricas onde o seu
correto dimensionamento evita a ocorrência de cavitação. A altura de sução pode ser
calculada como:
𝐻𝑆𝑀 = 10 − 0, 00122𝑧𝑏 − 𝜎𝐻 (2.22)
O coeficiente de Thoma para turbinas Francis indicada por Shepherd a partir de
Moody:
𝜎 = 3, 95 · 10−6𝑛2𝑞𝐴 = 3, 95 · 10−614312 = 8, 08 (2.23)
Capítulo 2. Projeto da Turbina 16
Os níveis a jusante são normalmente obtidos pela observação dos níveis do rio
no local onde irá se instalará a casa de máquinas, neste trabalho não foi possível obter
esses dados, de forma que será considerando neste projeto as características dos níveis a
jusante da usina de Estreito que utiliza uma turbina Francis e possui altura de queda de
60 m. Com isso com base nas informações da usina de Estreito encontradas no trabalho
de Queiroz (2012), o nível de jusante mínimo foi de 556,35 m, logo calcula-se a altura de
sucção:
𝐻𝑆𝑀 = 10 − 0, 00122 · 556, 35 − 8, 08 · 47, 25 = −372 𝑚
Com base nesta altura de sucção o risco de cavitação é inevitável, uma vez que é
necessário instalar a turbina a uma altura de 372 m abaixo do nível de jusante.
17
3 Conclusões
Sendo assim, por meio das informações dos relatórios que antecederam foi possível
determinar o tipo de turbina que melhor se adequa para o aproveitamento em questão,
assim como calcular seus principais parâmetros e classificá-la.
Com base no projeto da turbina, tem-se que a vazão definida inicialmente foi
dividida por seis e com isso o projeto prevê a instalação de seis turbinas para gerar 518
MW, com isso a usina se mantém como uma Grade Central Hidrelétria (UHE) como
definida no projeto do aproveitamento. Entretanto, pode não haver uma turbina com
86 MW de potência, ou não ser possível fabricá-la, sendo assim o projeto fica sujeito ao
catálogo dos fabricantes de turbinas. A mudança na turbina implica no redimensionamento
de vários parâmetros definidos anteriormente.
18
Referências
ALÉ, J. A. V. Sistemas Fluidomecânicos: Sistemas de bombeamento. 2010. Citado na
página 5.
BRAN, R.; SOUZA, Z. de. Máquinas de Fluxo:Turbinas-Bombas-Ventiladores. 2. ed.
[S.l.]: Ao Livro Técnico, 1980. Citado na página 8.
BRASIL, A. N. Apostila, TEORIA GERAL DAS MÁQUINAS DE FLUXO.
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HENN Érico A. L. Máquinas de Fluido. 2. ed. Santa Maria: [s.n.], 2006. Citado 5 vezes
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NOLETO, L. G. Sistema hidrelétricos-notas de aula. Março 2018. Citado 4 vezes nas
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QUEIROZ, F. R. Avaliação de Cavitação em Turbinas Hidráulicas por Emissão Acústica.
Dissertação (Mestrado) — UFMG, 2012. Disponível em: <http://www.bibliotecadigital.
ufmg.br/dspace/bitstream/handle/1843/BUOS-95RHAM/avalia__o_de_cavita__o_
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WHITE, F. M. Mecânica dos Fluidos. 6. ed. Porto Alegre: Mc Graw Hill Bookman, 2011.
Tradução: Mario Moro Fecchio, Nelson Manzanares Filho. Citado na página 9.
https://ufpemecanica.files.wordpress.com/2011/07/capitulo2_maquinas-de-fluxo.pdf
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http://www.bibliotecadigital.ufmg.br/dspace/bitstream/handle/1843/BUOS-95RHAM/avalia__o_de_cavita__o_em_turbinas_hidr_ulicas_por_emiss_o_ac_stica.pdf
http://www.bibliotecadigital.ufmg.br/dspace/bitstream/handle/1843/BUOS-95RHAM/avalia__o_de_cavita__o_em_turbinas_hidr_ulicas_por_emiss_o_ac_stica.pdf
http://www.bibliotecadigital.ufmg.br/dspace/bitstream/handle/1843/BUOS-95RHAM/avalia__o_de_cavita__o_em_turbinas_hidr_ulicas_por_emiss_o_ac_stica.pdf
	Folha de rosto
	Lista de ilustrações
	Lista de tabelas
	Sumário
	Introdução
	Objetivos
	Projeto da Turbina
	O Tipo e Classificação da Turbina
	Análise Dimensional
	Semelhança
	Triângulo de Velocidades
	Turbinas Peltron
	Turbina Kaplan
	Turbina Francis
	Velocidade de Disparo
	Fator de Capacidade
	Altura de Sucção
	Conclusões
	Referências