02 Turbinas Hidráulicas

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BACHARELADO EM ENGENHARIA MECÂNICA 
DISCIPLINA: MÁQUINAS DE FLUXO 
PROFESSOR: JOSÉ JUNIO URBANO 
AULA 02 
TURBINAS HIDRÁULICAS 
INTRODUÇÃO 
DEFINIÇÃO DE TURBINAS HIDRÁULICAS: 
As turbinas hidráulicas são máquinas motrizes que transformam a energia hidráulica 
em energia mecânica. Seu principal uso está relacionada a conversão de energia 
hidráulica em energia mecânica - rotação do eixo da turbina – e, por fim, a energia 
mecânica é convertida em energia elétrica. 
 
Hidrelétrica de Itaipu 
CAMPO DE APLICAÇÃO DAS TURBINAS HIDRÁULICAS 
CAMPO DE APLICAÇÃO DAS TURBINAS HIDRÁULICAS 
A figura a seguir apresenta o campo de aplicação dos principais tipos de turbinas 
hidráulicas, levando em consideração a altura de queda, a vazão e potência. 
Pode-se verificar, na figura, que existem regiões de sobreposição, onde mais de um 
tipo de turbina é possível. 
Esse fato se deve à ampla gama de turbinas que podem ser aplicadas em um 
espectro muito grande de aplicações, tornando difícil definir exatamente onde 
estão as melhores escolhas para cada utilização. 
Deve-se então levar em consideração o custo do gerador, o risco de cavitação, 
custo de construção civil, flexibilidade de operação, facilidade de manutenção, 
entre outros. 
 
CAMPO DE APLICAÇÃO DAS TURBINAS HIDRÁULICAS 
Centrais com turbinas hidráulicas: 
• Microcentrais: até 100 kW 
• Minicentrais: de 100 a 1.000 kW 
• Pequenas centrais: de 1.000 a 30.000 kW 
• Médias centrais: de 30.000 a 100.000 kW 
• Grandes centrais: acima de 100.000 kW 
Campo de aplicação das turbinas hidráulicas 
CLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS HIDRÁULICAS 
Turbinas 
Hidráulicas 
Turbinas de 
Reação 
Turbinas de 
Impulsão 
Turbinas Tubulares 
Turbinas de 
Escoamento Axial 
Turbinas Francis 
Turbina Turgo 
Turbina Pelton 
Turbina Michell-Blanki 
Turbinas Straflo 
Turbinas Bulbo 
Turbinas de pás fixas (Propeller e Hélice) 
Turbinas de pás ajustáveis (Kaplan) 
Lentas 
Normais 
Rápidas 
Extra Rápidas 
CLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS HIDRÁULICAS 
Nas turbinas de impulsão a pressão estática permanece constante entre a entrada 
e saída do rotor. Exemplos: turbinas Pelton, Turgo e Michell- Blanki. 
 
Turbina Pelton Turbina Turgo 
Turbina Michell- Blanki 
CLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS HIDRÁULICAS 
Turbina Pelton 
CLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS HIDRÁULICAS 
Nas turbinas de reação ocorre redução da pressão estática ao atravessar o rotor. 
Exemplo: turbinas Francis, Kaplan e Hélice. 
 
Turbina Francis Turbina Kaplan Turbina Hélice 
CLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS HIDRÁULICAS 
Turbina Francis Turbina Hélice 
CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DAS TURBINAS 
Estes equipamentos são compostos por um distribuidor, um rotor, um tubo de 
sucção e a carcaça (caracol ou voluta). Como parte da instalação de uma máquina 
destas pode-se destacar ainda o reservatório, a tubulação forçada e o canal de 
fuga. 
Principais componentes das turbinas hidráulicas 
CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DAS TURBINAS 
O distribuidor é um elemento estático que tem por funções: acelerar o fluxo de 
água, dirigir a água para o rotor e regular a vazão. 
 
O rotor é o elemento fundamental de transformação de energia, formado por uma 
série de palhetas. 
 
A voluta (ou carcaça) é o elemento que contêm todos os componentes da turbina. 
Nas turbinas Francis e Kaplan tem a forma de uma espiral. 
 
O tubo de sucção só existe nas turbinas a reação e tem forma de duto divergente e 
é localizado após o rotor. Sua função é recuperar a altura entre a saída do rotor e o 
nível de água na descarga; recuperar parte da energia cinética da velocidade 
residual da água na saída do rotor, a partir do desenho do tipo de difusor. 
CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DAS TURBINAS 
Externamente à turbina tem-se o reservatório, que armazena o fluido que passará 
pela turbina. 
 
A tubulação forçada que tem por função encaminhar o fluido do reservatório para a 
entrada da turbina. 
 
E o canal de fuga, que recebe o fluido que entregou energia hidráulica para a 
turbina. 
CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DAS TURBINAS 
Componentes de um sistema hidrelétrico típico de uma turbina Francis 
PRINCIPAIS TURBINAS HIDRÁULICAS 
TURBINAS FRANCIS 
 É uma turbina de reação, com eficiência na faixa de 90%. Utilizada para alturas 
de 20 a 700 m, essa ampla faixa de aplicação a faz o tipo de turbina mais usada 
no mundo. 
 Nas turbinas Francis o rotor fica internamente ao distribuidor, de modo que a 
água, ao atravessar o rotor, aproxima-se do eixo. São vários os formatos 
possíveis para rotores desse tipo de turbina, e dependem da velocidade 
específica da turbina, podem ser classificadas em: lenta, normal, rápida ou extra 
rápida. 
 O distribuidor tem um conjunto de pás dispostas em volta do rotor, e que 
podem ser orientadas durante a operação, assumindo ângulos adequados às 
descargas, de modo a reduzir a perda hidráulica. As pás do distribuidor têm um 
eixo de rotação paralelo ao eixo da turbina, podendo, ao girar, maximizar a 
seção de escoamento ou fechá-la totalmente. 
PRINCIPAIS TURBINAS HIDRÁULICAS 
TURBINAS FRANCIS 
 É o tipo de turbina mais utilizada, pois pode trabalhar de forma eficiente em 
uma ampla faixa de condições de operação. Isto porque a altura de queda e a 
vazão são os dois fatores mais importantes para o desempenho de turbinas, e 
estão sujeitos a variações sazonais, sendo que a turbina Francis consegue se 
adaptar bem a esta sazonalidade. 
Turbinas Francis 
PRINCIPAIS TURBINAS HIDRÁULICAS 
TURBINAS KAPLAN 
 Foi resultado do aperfeiçoamento da turbina Hélice. 
 Ao contrário das turbinas Hélice, cujas pás são fixas, no sistema de Kaplan elas 
podem ser orientadas, variando a inclinação das pás, com base na descarga. 
Turbinas Kaplan 
PRINCIPAIS TURBINAS HIDRÁULICAS 
TURBINAS PELTON 
 Tem sua forma muito similar às antigas rodas d’água utilizadas em moinhos. 
 Possui como distribuidor um bocal, que tem forma apropriada a guiar a água até 
as pás do rotor. 
 As turbinas podem ter um, dois, quatro e seis jatos. Internamente ao bocal 
possui uma agulha para ajuste da vazão. 
 O rotor tem uma série de pás em formato de conchas dispostas na periferia, 
que fazem girar o rotor. 
 Nesses casos a atuação do defletor deve ser considerada ao invés da redução 
da vazão pelo uso da agulha, pois a ação rápida da agulha pode causar uma 
sobre pressão no bocal, nas válvulas e ao longo da tubulação forçada. 
 Além do defletor, algumas turbinas Pelton de elevada potência têm um bocal 
direcionado para o dorso das pás de forma a atuar na frenagem. 
PRINCIPAIS TURBINAS HIDRÁULICAS 
TURBINAS PELTON 
 
Turbinas Pelton 
PRINCIPAIS TURBINAS HIDRÁULICAS 
TURBINAS TUBULARES, BULBO e STRAFLO 
 O aproveitamento de certos desníveis hidráulicos, muito reduzidos, pode não 
ser possível nem com turbinas Kaplan (de eixo vertical), o que levou ao 
desenvolvimento de turbinas de hélice com eixo horizontal, ou com pequena 
inclinação. 
 Turbina tubular: o rotor, de pás fixas ou orientáveis, é colocado num tubo por 
onde a água escoa. O eixo, horizontal ou inclinado, aciona um alternador 
externo ao tubo. 
 Turbina de bulbo: é uma evolução da tubular, onde o rotor tem pás orientáveis e 
existe um bulbo (câmara blindada) colocado no interior do tubo adutor de 
água, que contêm um sistema de transmissão de engrenagens, que transmite 
movimento do eixo da hélice ao alternador. 
 Turbina Straflo: é uma turbina de escoamento retilíneo de volume reduzido. 
Adequadas para quedas de até 40 m e rotor de até 10 m de diâmetro. Reduz 
bastante o custo das obras de construção civil. 
PRINCIPAIS TURBINAS HIDRÁULICAS 
TURBINAS TUBULARES, BULBO e STRAFLO 
Turbina Tubular Turbina Bulbo Rotor da turbina Straflo 
TEORIA DA TURBINA HIDRÁULICA 
EFICIÊNCIA E POTÊNCIA HIDRÁULICA 
 A teoria para máquinas que realizam trabalho sobre o fluido (por exemplo, as 
bombas) pode ser usada para a análise de máquinas que extraem trabalho de 
um fluido. 
 Essas máquinas são denominadasturbinas. 
 A principal diferença é que os termos denotando torques, trabalho e potência 
serão negativos em vez de positivos. 
 
Aplicação típica de instalação de turbinas hidráulicas 
TEORIA DA TURBINA HIDRÁULICA 
EFICIÊNCIA E POTÊNCIA HIDRÁULICA 
Para uma turbina hidráulica, a potência hidráulica é definida como a taxa de energia 
mecânica retirada da corrente de fluido em escoamento: 
 
 
 
Onde, 
 
 
 
 
 
Para uma turbina hidráulica, a potência cedida pelo rotor (a potência mecânica) é 
menor do que a taxa de energia transferida do fluido para o rotor, porque o rotor 
tem que superar perdas por atrito, viscoso e mecânico. 
 
 
𝑊 ℎ = 𝜌𝑔𝑄𝐻𝑡 
𝐻𝑡 =
𝑝
𝜌𝑔
+
𝑉2
2𝑔
+ 𝑧
𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
−
𝑝
𝜌𝑔
+
𝑉2
2𝑔
+ 𝑧
𝑠𝑎í𝑑𝑎
 
TEORIA DA TURBINA HIDRÁULICA 
EFICIÊNCIA E POTÊNCIA HIDRÁULICA 
A potência mecânica fornecida por uma turbina é relacionada com a potência 
hidráulica pela definição da eficiência de turbina como 
 
 
 
 
 
Para obter potência máxima de uma turbina hidráulica, é importante minimizar a 
energia mecânica do escoamento de saída da turbina. 
Isso é realizado, na prática, fazendo a pressão, a velocidade e a elevação do fluido na 
saída da turbina tão pequenos quanto possível. 
A turbina deve ser montada em uma elevação mais próxima possível do nível do rio 
de coleta da descarga de água, atentando para o aumento do nível no período de 
enchente. 
 
𝜂𝑡 =
𝑊 𝑚
𝑊 ℎ
=
𝜔𝑇
𝜌𝑔𝑄𝐻𝑡
 
CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHO PARA TURBINAS 
HIDRÁULICAS 
O procedimento de teste para turbinas são conduzidos à velocidade constante sob 
carga variável, enquanto, simultaneamente, o consumo de água é medido e a 
eficiência é calculada. 
Considere uma turbina de impulsão é suprida com água com altura de carga elevada 
por meio de um longo duto chamado tubo de adução ou adutor. 
 A água é acelerada através 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. 
Turbina de impulsão Pelton 
CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHO PARA TURBINAS 
HIDRÁULICAS 
 A energia cinética do jato é transferida enquanto ele é defletido pelas pás. 
 A potência gerada pela turbina é controlada, para velocidade do jato 
essencialmente constante, pela variação da vazão da água atingindo as pás. 
 Um bocal de área variável pode ser usado para fazer mudanças pequenas e 
graduais na potência produzida. 
 A água descarregada da roda, a uma velocidade relativamente baixa, cai dentro 
do coletor. 
 O nível do coletor é ajustado de modo a evitar o alagamento da roda durante 
épocas de enchente. 
 Quando grande quantidade de água está disponível, uma potência adicional 
pode ser obtida pela conexão de duas rodas a um único eixo, ou fazendo-se um 
arranjo para que dois ou mais jatos batam em uma única roda. 
CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHO PARA TURBINAS 
HIDRÁULICAS 
Considere a seguinte figura: 
 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 de centro do 
bocal. 
Esquema de instalação de uma turbina de impulsão 
CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHO PARA TURBINAS 
HIDRÁULICAS 
 Nem toda a carga líquida é convertida em trabalho na turbina: uma parte é 
perdida por ineficiência da turbina, outra parte é perdida no bocal e ainda 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. 
Esquema de instalação de uma turbina de impulsão 
CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHO PARA TURBINAS 
HIDRÁULICAS 
 Além de perdas no bocal, atritos na roda e nos mancais e atrito superficial entre 
o jato e a pá reduzem o desempenho em comparação com o caso ideal, sem 
atrito. 
A Figura a seguir mostra resultados típicos de testes realizados com altura de carga 
constante. 
Desempenhos ideal e real para uma turbina de impulsão de velocidade variável 
CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHO PARA TURBINAS 
HIDRÁULICAS 
RESULTADOS 
 O pico de eficiência da turbina de impulsão corresponde ao pico de potência, 
desde que os testes sejam conduzidos com altura de carga e vazão constantes. 
 Para a turbina ideal, isso ocorre quando a velocidade do rotor é metade da 
velocidade do jato. 
 Nessa 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 𝑉2 é minimizada, o trabalho na turbina 𝑊 𝑚 é 
maximizado. 
 Em instalações reais, o pico de eficiência ocorre para uma velocidade da roda 
apenas ligeiramente menor que metade da velocidade do jato. 
 Essa condição fixa a velocidade do rotor, uma vez determinada a velocidade do 
jato para uma dada instalação. 
CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHO PARA TURBINAS 
HIDRÁULICAS 
OBSERVAÇÕES 
 Na prática, as turbinas hidráulicas são, em geral, operadas a velocidade 
constante, e a potência produzida é variada alterando a área de abertura da 
válvula de agulha do bocal de jato. 
 A perda no bocal aumenta ligeiramente e as perdas mecânicas tornam-se uma 
fração maior da potência produzida à medida que a válvula é fechada, de modo 
que a eficiência cai abruptamente em carga baixa. 
Relação entre eficiência e potência produzida para uma turbina de água Pelton típica 
CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHO PARA TURBINAS 
HIDRÁULICAS 
Considere uma turbina de reação: 
Para alturas de carga menores, as turbinas de reação apresentam melhor eficiência 
do que as turbinas de impulsão. 
 O escoamento em uma 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 da sua energia ao rotor. 
As turbinas de reação tendem a ser máquinas de alta vazão e baixa altura de carga. 
Uma instalação típica de turbina de reação é mostrada a seguir na qual a 
terminologia empregada para definir as alturas de carga está indicada. 
CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHO PARA TURBINAS 
HIDRÁULICAS 
Considere uma turbina de reação: 
Esquema de instalação típica de turbina de reação 
CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHO PARA TURBINAS 
HIDRÁULICAS 
As turbinas de reação trabalham cheias de água. Consequentemente, é possível 
usar um difusor, ou 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 de descarga (seção C). 
O difusor do tubo de extração, através do efeito de Bernoulli, reduz a pressão na 
descarga da turbina, resultando em uma maior queda de pressão através da turbina 
e, portanto, aumentando a produção de potência. 
CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHO PARA TURBINAS 
HIDRÁULICAS 
Desempenho de turbina de reação típica 
DIMENSIONAMENTO DE TURBINAS HIDRÁULICAS PARA 
SISTEMAS FLUIDOS 
 A queda de água tem sido considerada como uma fonte de energia renovável 
gratuita. Na realidade, a potência produzida por turbinas hidráulicas não é. 
 Os custos operacionais são baixos, mas um investimento de capital considerável 
é necessário para preparar o local e instalar o equipamento. 
 Uma análise econômica é necessária para determinar a viabilidade de possíveis 
locais de instalação. 
 Adicionalmente aos fatores econômicos, as plantas hidrelétricas de potência 
devem também ser avaliadas pelo seu impacto no meio ambiente: mudançasclimáticas, espécie aquáticas podem desaparecer, impactos na vegetação costeira 
e na vida animal, deslocamento de milhares de pessoas dos locais que serão 
inundados. 
 Para avaliar um local propício para geração de potência hidrelétrica, deve-se 
conhecer a vazão média do curso de água e a altura de carga bruta disponível 
para fazer uma estimativa preliminar do tipo de turbina, números de turbinas e 
potencial de produção de potência. 
DIMENSIONAMENTO DE TURBINAS HIDRÁULICAS PARA 
SISTEMAS FLUIDOS 
 A fim de maximizar a eficiência da máquina, é sempre um objetivo de projeto 
descarregar a água de uma turbina à pressão ambiente, tão próximo da 
elevação da corrente de água a jusante quanto possível, e com o mínimo 
possível de energia cinética residual. 
 O número de grandes fabricantes tem se limitado a uns poucos, mas as 
unidades de pequeno porte têm se tornado numerosas. 
 As perdas hidráulicas em longos tubos de suprimento (conhecidos como tubos 
de adução ou adutores) devem ser consideradas quando do projeto de 
instalação de máquinas de elevada altura de carga, como as turbinas de 
impulsão; um diâmetro ótimo para o tubo de admissão, que maximize a 
potência produzida pela turbina, pode ser determinado para essas unidades.