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Máquinas Hidráulicas Aplicadas à Engenharia Mecânica Claudio Monico Innocêncio 93 6 TURBINAS HIDRÁULICAS Apresentação Neste bloco veremos o contexto das turbinas hidráulicas, desde a sua importância para o universo da hidráulica até o detalhamento de classificação e dos tipos por funcionalidades. Os aspectos técnicos de dimensionamento e controle operacional serão abordados para total dimensão de sua praticidade no meio industrial e na Engenharia Mecânica. 6.1 Introdução e classificação 6.1.1 Introdução Diretamente falando, turbinas são equipamentos que tem por finalidade transformar a energia de escoamento (hidráulica) em trabalho mecânico (máquinas motoras). É uma máquina com a finalidade de transformar a maior parte da energia de escoamento contínuo da água que a atravessa em trabalho mecânico. Resumidamente, seria um sistema fixo hidráulico e um sistema rotativo hidromecânico destinados, respectivamente, à orientação da água em escoamento e à transformação em trabalho mecânico A parte rotativa de uma bomba se chama impulsor e a parte rotativa de uma turbina se chama rotor. Quando o fluido de trabalho é a água, as turbomáquinas são chamadas de turbinas hidráulicas. Quando o fluido de trabalho é o ar e a energia é extraída do vento, a máquina é chamada apropriadamente de turbina eólica. Estes equipamentos são compostos por um distribuidor, um rotor, um tubo de sucção e a carcaça (ou voluta). 94 Como parte da instalação de uma máquina destas, pode-se destacar ainda o reservatório, a tubulação forçada e o canal de fuga. O distribuidor é um elemento estático que tem a função de acelerar o fluxo de água transformando a energia; 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 (ou álabes). O tubo de sucção só existe nas turbinas de 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. E finalmente 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. Externamente à turbina, tem-se o reservatório que armazena o fluido que passará pela turbina. A tubulação forçada 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. 6.1.2 Como se classificam as turbinas Os principais tipos de turbina são aquelas de impulso e de reação. O tipo predominante de máquina de impulso é a roda Pelton (inventada por Lester Allen Pelton) que é apropriada para um range de alturas de 150-2000 m. As turbinas de reação são de dois tipos principais: 1. Turbinas de escoamento radial ou misto. 2. Turbinas de escoamento axial. 95 Dos tipos de escoamentos radiais predominam a turbina Francis (patenteada por Samuel Dowd e aperfeiçoada por James Bicheno Francis). As turbinas Dériaz são similares às turbinas Francis, rápidas, mas com um mecanismo que permite variar a inclinação das pás do rotor. Os tipos principais de máquinas axiais são turbinas de hélice (Propeller) cujas pás do rotor são fixas e as turbinas Kaplan com as pás do rotor ajustáveis. Outros tipos de máquinas axiais são as turbinas Tubulares, Bulbo e Straflo. Pode-se classificar as turbinas conforme a direção do fluxo através do rotor, podendo ser de fluxo tangencial (ex. Pelton), fluxo radial semi-axial (ex. Francis) e fluxo axial (ex. Kaplan). Ou então, de modo geral, como sugere a Figura 6.1. Fonte: MAGALHÃES, 2019 Figura 6.1 – Classificação das turbinas hidráulicas 96 As turbinas podem ser classificadas em turbinas de ação (ou impulso) e em turbinas de reação. Esta forma de classificação leva em conta a variação de pressão estática. No primeiro grupo, a pressão estática permanece constante entre a entrada e saída do rotor. Exemplos do primeiro grupo são as turbinas Pelton, Turgo e Michell- Blanki, conforme mostra a Figura 6.2. Fonte: Alé, 2001 Figura 6.2 - Turbinas Pelton (esquerda), Turgo (centro) e Michell-Blanki (direita) Já no segundo grupo, ocorre redução da pressão estática ao atravessar o rotor. Exemplos são as turbinas Francis, Kaplan e Hélice, conforme a Figura 6.3. Fonte: Alé, 2001 Figura 6.3 – Turbinas Francis (esquerda), Kaplan (centro) e Hélice (direita) 97 6.2 Tipos de turbinas hidráulicas Você vai perceber e comprovar que cada tipo de turbina recebeu o nome de seu inventor. Segue abaixo o detalhamento de perfis de alguns tipos de turbinas: a. Turbinas Francis Essa turbina recebe o nome do engenheiro inglês James Bicheno Francis (1815-1892) que a concebeu em 1848. Foi resultado do aperfeiçoamento da turbina Dowd, patenteada em 1838 por Samuel Dowd (1804-1879). 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, podendo ser classificadas em: lenta, normal, rápida ou extrarrápida. 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. 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. Sua faixa de operação vai de 45 a 400 m de carga e de 10 a 700 m3/s. 98 b. Turbinas Kaplan Essa turbina recebe o nome do engenheiro austríaco Victor Kaplan (1876-1934) que a concebeu em 1912. Ela 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. c. Turbinas Pelton Também chamada de roda Pelton, recebeu o nome do engenheiro estadunidense Lester Allen Pelton (1829- 1908) que a patenteou em 1880. 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, o 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. Tem ainda um defletor de jato, que intercepta o jato, desviando-o das pás quando ocorre diminuição violenta da potência demandada pela rede de energia. 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. d. Turbinas Tubulares, Bulbo e Straflo O aproveitamento de certos desníveis hidráulicos, muito reduzidos, pode não ser possível nem com turbinasKaplan (de eixo vertical), o que levou ao desenvolvimento de turbinas de hélice com eixo horizontal, ou com pequena inclinação. Esse tipo de turbina é aplicado em usinas a “fio d’água” e em usinas maré-motrizes. 99 Turbina tubular: o rotor, de pás fixas ou orientáveis, é colocado em um tubo por onde a água escoa. O eixo, horizontal ou inclinado, aciona um alternador externo ao tubo. Turbina de bulbo: Trata-se de 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: Trata-se de uma turbina de escoamento retilíneo (straight flow) de volume reduzido. Adequadas para quedas de até 40m e rotor de até 10m de diâmetro. Reduz bastante o custo das obras de construção civil. 6.3 Velocidade Especifica das Turbinas Quando vimos o conteúdo de bombas, definimos outro parâmetro adimensional útil, a velocidade específica de bomba (NSp), com base em CQ e CH. Poderíamos usar a mesma definição de velocidade especifica para turbinas, mas como CP e não CQ é o parâmetro adimensional independente para as turbinas, nós definimos a velocidade especifica de turbina (NSt) de modo diferente, ou seja, em termos de CP e CH. Então, calculamos a velocidade especifica de turbina como: A velocidade especifica de turbina também é chamada de velocidade especifica de potência. Comparando as definições da velocidade especifica de bomba e da velocidade especifica da turbina temos: 100 Em pratica, a turbina-bomba pode operar com vazões e rotações diferentes quando atua como uma turbina, em comparação com a situação em que atua como uma bomba, uma vez que o ponto de eficiência ótima da turbina não é, necessariamente, igual àquele da bomba. Porém, quando em caso simples em que a vazão e a rotação são iguais para as operações de bomba e turbina, temos: 6.4 Perdas, Potência e Rendimento Hidráulico 6.4.1. Perda de carga Vamos considerar o fluxo de energia transferido da queda da água para a turbina e depois para o gerador. Existem diversas formas de dissipação de energia, desde a energia inicial fornecida pela queda de água até a energia final fornecida para o gerador pela turbina. O desnível topográfico da água desde o reservatório superior até a localização da turbina nos fornece a queda bruta da água H b). Para chegar até a turbina, a água escoa por uma tubulação onde ocorrem perdas de cargas na tubulação (H p). Segundo Alé (2001), a energia disponível (Hd) antes de chegar na turbina é dada por: Hd=Hb−Hp Quando o fluido entra na turbina ocorrem perdas de energia devido as perdas por atrito no interior da turbina. Essas são denominadas perdas hidráulicas (Jh). 101 A energia disponível após as perdas hidráulicas é denominada energia motriz (Hm) (ALÉ, 2001). Hm=Hd−Jh Onde a energia motriz é dada pela diminuição das perdas hidráulicas da energia disponível. Então, a energia na saída da turbina (no eixo) denominada de altura útil (Hu) é dada pela diminuição da energia motriz nas perdas mecânicas (Jm) (ALÉ, 2001). Hu=Hm−Jm O rendimento global da turbina (ηt), quantifica a relação entre toda a energia útil (Hu) do sistema e a energia disponível pela queda da água (Hd). A Figura 6.4 mostra a relação da energia e perdas. Fonte: ALÉ, 2001 Figura 6.4 - Relações entre rendimento e queda de água em turbinas hidráulicas 102 a. Altura ou Queda Bruta Representada pela diferença de cotas entre o nível mais elevado da turbina e o nível onde a turbina se encontra (ALÉ, 2001). Hb=z1−z0 b. Altura da Perda de Carga Conforme Alé (2001), a perda de carga do sistema pode ocorrer pelos acessórios e tubulação. No caso de centrais hidrelétricas, a perda de carga por tubulação é obtida utilizando a equação de Hazen-Williams definida como: Onde: Q - Vazão (m³/s) λ- Coeficiente de Hazen-Williams (ver tabela 1) D - Diâmetro interno da tubulação (m) L - Comprimento da tubulação Tabela 6.1: Coeficiente de Hazen-Williams ( ) λ Fonte: ALÉ, 2001. 103 c. Altura ou Queda Disponível Representa a altura disponível na entrada da turbina (ALÉ, 2001). H=Hb−Hp d. Altura ou Queda Motriz Representa a energia hidráulica realmente fornecida para a turbina. Hm=H−Jh As perdas hidráulicas podem ser compostas por perdas de atrito, perdas por vazamento entre o rotor e a carcaça da turbina, dentre outras (ALÉ, 2001). e. Altura ou Queda Útil Energia na saída da turbina. É avaliada como a altura de queda motriz menos as perdas mecânicas (Jm) dissipada pelos mancais e equipamentos auxiliares acoplados a árvore da turbina, por exemplo (ALÉ, 2001). 6.4.2 Potência de uma turbina a) Potência eficaz (total) As perdas hidráulicas ocorrem no interior das máquinas hidráulicas e as perdas mecânicas acontecem devido ao atrito mecânico que ocorre externamente entre as suas partes fixas e girantes. Assim, nem toda energia cedida ou recebida pelo fluido pode ser transformada em trabalho mecânico no eixo da máquina, tem-se, então, a potência eficaz ou efetiva que é expressa pela potência entregue/recebida do fluido somadas às potências perdidas no processo. 104 • “Pef“ é a potência eficaz no eixo da máquina; • “Pi” é a potência interna; • “Ppm” é a potência perdida mecânica. A potência efetiva ou eficaz (Pef) é definida como sendo a potência entregue pela turbina. Todas as perdas internas e externas produzem uma perda de potência que reduz a entrega ou aumenta a necessidade de potência eficaz das máquinas. Unidades: 1 HP=1,0138 CV = 745,7 W 1 CV = 0,9863 HP = 735,5 W b) Potência interna (Pi) Considerando somente as perdas internas obtêm-se a potência interna: c) Potência hidráulica Definindo a potência hidráulica, temos o produto do peso de fluido que passa através da máquina, na unidade de tempo, pela altura de queda ou elevação; portanto este conceito é útil tanto para bombas como para turbinas hidráulicas. Assim, pode-se escrever: 105 γ: peso específico em [N/m3] Q: vazão em volume [m3/s] H: altura de queda ou elevação [m] Ph: potência hidráulica [W] g: gravidade (adota-se nesta apostila o valor de 9,81 m/s2) ρ: massa específica [kg/m3] Então, potência hidráulica é a potência entregue à máquina motora (turbina) pelo fluido. Esta potência difere da potência efetiva devido à perdas que ocorrem nas transformações de energia. d) Potência bruta Conceito utilizado para turbinas, é a potência contida no desnível topográfico da instalação, sendo uma função da queda bruta. e) Potência no gerador elétrico O conceito utilizado para turbinas, é a potência elétrica nos terminais do gerador. É a potência hidráulica multiplicada pelo rendimento da turbina (ηt), rendimento de transmissão (ηTR) e rendimento do gerador (ηge). O produto dos três rendimentos é o rendimento global (ηG). 106 6.4.3 – Rendimento de uma turbina a) Rendimento total A potência efetiva se relaciona com a potência hidráulica por meio do rendimento total da instalação, que é sempre menor que 1. Como é difícil a determinação das perdas, é usual adotar-se outra grandeza denominada de rendimento total, a qual permite avaliar estas perdas. A tabela 6.2 mostra os rendimentos orientativos para turbinas: Tabela 6.2 - Rendimentos orientativos para turbinas Fonte: Alé, 2001 b) Rendimento do gerador (ηge) Tem a relação mostrada a seguir e fica na faixa de 90 a 97%. 107 c) Rendimento da transmissão (ηTR) O rendimento da transmissão diz respeito às perdas provocadas pela potência entregue pelo eixo da turbina e a potência recebida pelo gerador.Neste processo podem ocorrer perdas caso a transmissão seja feita por polias e correias, ou outro elemento de transmissão que possam ser usados. d) Rendimento de geração (ηG) O rendimento de geração está relacionado com as perdas no gerador, que fazem com que a potência elétrica entregue pelo gerador seja diferente da potência recebida por este, conforme a tabela 6.3. Tabela 6.3 - Rendimento global (ηG) de geração de turbinas hidráulicas Fonte: Alé, 2001. 6.5 Curvas Características Assim como as bombas, as turbinas hidráulicas são constituídas de um rotor, formado por pás e um sistema de guias. O distribuidor, que pode ser constituído de um sistema de pás móveis em torno do rotor ou de um ou mais injetores. O distribuidor tem por finalidade direcionar e conduzir a água até o rotor. Ao contrário do que ocorre na bomba, a água, ao deslocar-se dentro da turbina com uma certa velocidade e energia de pressão, transforma sua energia em trabalho motor da turbina. 108 Parte da pressão provinda da água é responsável pelo seu aumento de velocidade dentro do distribuidor, de modo que ela ainda possua energia de pressão quando em contato com as pás do rotor. Durante a passagem da água pelo rotor, a pressão da água é reduzida e, consequentemente, sua velocidade aumenta ainda mais. Esse acréscimo de velocidade, em contato com as pás, é responsável pela rotação do eixo da turbina. A Figura 6.5 apresenta as curvas características de uma bomba, mantendo-se uma velocidade constante, sendo todos os seus parâmetros, H, P, η e Q, apresentados em porcentagem, em relação ao seu ponto de operação ótimo. Ponto de ocorrência do maior rendimento da máquina. Fonte: Adaptado de Monterrey, 1974 Figura 6.5: Curvas características de uma bomba centrífuga em função da Vazão 109 O projeto de uma turbina deve ser levado em conta sua potência e ponto de operação para que seja definida a curvatura das pás e seu dimensionamento, tornando seu rendimento o maior possível. Essas curvas são mostradas nas Figuras 6.6, 6.7, 6.8, 6.9 e 6.10. Como pode ser notado na Figura 6.6, a turbina lenta é mais apropriada quando há maiores variações em sua velocidade. A Fig. 6.7 mostra que a potência é diretamente proporcional à vazão enquanto que o rendimento, após o seu ponto ótimo à medida que a vazão aumenta, é reduzido. Por meio desta figura, conclui-se que, a partir da potência ótima da máquina, à medida que esta aumenta, o rendimento diminui. A Figura 6.9 apresenta a variação da potência da turbina com a sua velocidade. A Figura 6.10 apresenta a vazão em função da velocidade da turbina. Para o caso de turbina Francis lenta, observa-se que, à medida que a velocidade da turbina aumenta, a sua vazão diminui. Com essas figuras pode-se concluir a importância de um bom projeto da turbina para que ela sempre opere em seu estado ótimo, não ocorrendo queda no rendimento da mesma. 110 Fonte: BARBOSA, 2006. Figura 6.6 - Curva característica de uma turbina Francis - Rendimento (η) x Velocidade angular (n). Fonte: BARBOSA, 2006. Figura 6.7 - Curva característica de uma turbina Francis - Rendimento e Potência x Vazão. 111 Fonte: BARBOSA, 2006. Figura 6.8 - Curva característica de uma turbina Francis - Rendimento x Potência Fonte: BARBOSA, 2006. Figura 6.9 - Curva característica de uma turbina Francis - Potência x Velocidade angular 112 Fonte: BARBOSA, 2006 Figura 6.10 - Curva característica de uma turbina Francis - Vazão x Velocidade angular Cavitação nas turbinas Lembrando sobre cavitação Como falamos no conteúdo sobre bombas, a cavitação é a formação de bolhas de vapor no líquido que flui através de qualquer turbina hidráulica. Ela ocorre quando a pressão estática do líquido cai abaixo da sua pressão de vapor. É mais provável que ocorra perto das lâminas de movimentação rápida das turbinas e na região de saída das turbinas. Quais as causas da cavitação O líquido entra nas turbinas hidráulicas em alta pressão. Esta pressão é uma combinação de componentes estáticos e dinâmicos. A pressão dinâmica do líquido é dada pela virtude da velocidade do fluxo e do outro componente, a pressão estática é a pressão real que o fluido aplica e que é atuada sobre ele. A pressão estática governa o processo de formação de bolhas de vapor ou de ebulição. Assim, a cavitação pode ocorrer perto das lâminas de movimentação rápida da turbina onde a cabeça dinâmica local aumenta devido à ação das lâminas que faz com que a pressão estática caia. 113 A cavitação também ocorre na saída da turbina, pois o líquido perde a maior parte de sua pressão e qualquer aumento na pressão dinâmica levará a queda na pressão estática causando cavitaçã. Como evitar a cavitação Levantar o problema é importante, mas saber resolvê-lo é melhor ainda. Desta forma, para evitar a cavitação durante o funcionamento, os parâmetros das turbinas hidráulicas devem ser configurados de modo que, em qualquer ponto de fluxo, a pressão estática não caia abaixo da pressão de vapor do líquido. Os parâmetros para controlar a cavitação são a pressão, a vazão e a pressão de saída do líquido. Os parâmetros de controle para operação livre de cavitação de turbinas hidráulicas podem ser obtidos por meio da realização de testes nos protótipos da turbina a ser usado. Quando a cavitação começa a subir, a eficiência da turbina cai significativamente. Por esta razão, ela deve ser evitada durante o funcionamento das turbinas hidráulicas. A separação do fluxo na saída da turbina no tubo de descarga causa vibrações que podem danificar o tubo de descarga. Para amortecer a vibração e estabilizar, o fluxo de ar é injetado no tubo de descarga. Para evitar totalmente a separação do fluxo e a cavitação no tubo de descarga, ele é submerso abaixo do nível da água na tração de cauda. Conclusão Este bloco mostrou o universo das turbinas hidráulicas, começando pela sua classificação, seus tipos, suas equações para cálculo da velocidade específica, perdas, potência e rendimento, suas curvas características e sua cavitação. Todos estes aspectos proporcionam um projeto e uma operação de Hidráulica Industrial, com bastante balanceamento e eficiência. 114 REFERÊNCIAS ALÉ, J. V. Turbinas Hidráulicas. In: ______. Sistemas Fluidomecâmicos. PUCRS, 2001. BARBOSA, B. H. Instrumentação, Modelagem, Controle e Supervisão de um Sistema de bombeamento de Água e Módulo Turbina–Gerador. 2006. Disponível em: <https://bit.ly/2WYnsSH>. Acesso em: 18 jul.2020. MAGALHÃES, H. Entendendo as turbinas. Zona da Elétrica, 2019. Disponível em: <https://bit.ly/39yD4Bm>. Acesso em: 18 jul. 2020. MECÂNICA INDUSTRIAL. Cavitação em turbinas hidráulicas: causas e efeitos. Disponível em: <https://bit.ly/3g9mH0r>. Acesso em: 18 jul. 2020. MONTERREY, N. L. Turbomáquinas Hidráulicas: princípios fundamentales. 1974.
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