Aula 4_Hidráulica Aplicada - Turbinas Hidráulicas

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CURSO DE GRADUAÇÃO EM 
ENGENHARIA CIVIL
Profª. Danielle Freire de Araújo
TURBINAS HIDRÁULICAS
OPERAÇÃO DAS MÁQUINAS 
HIDRÁULICAS
MÁQUINAS MOTORAS
 Na hidráulica as máquinas de fluxo podem ser classificadas em máquinas
geradoras, que correspondem as bombas hidráulicas e máquinas motoras,
que correspondem as turbinas (hidrogeradores e turbinas à vapor).
 As turbinas são constituídas essencialmente por duas partes : o
distribuidor e o rotor . O primeiro conduz a água ao rotor, segundo a
direção adequada a um melhor rendimento, e este efetua a
transformação em energia mecânica.
 Turbinas são máquinas para converter energia hidráulica em energia
elétrica.
 O custo total de uma usina hidrelétrica (reservatório, tubulações,
turbinas, etc.) é mais alto do que o de uma central termelétrica mas
ela tem muitas vantagens, algumas das quais são:
1. Alta eficiência
2. Flexibilidade de operação
3. Fácil manutenção
4. Baixo desgaste
5. Suprimento de energia potencialmente inesgotável
6. Nenhuma poluição
TURBINAS
TURBINAS
TURBINA FRANCIS
ROTOR FRANCIS
EIXO FRANCIS
TURBINA KAPLAN
ROTOR KAPLAN
TURBINA HÉLICE
TURBINA PELTON
ROTOR PELTON - AÇO INOX
EIXO PELTON
FUNCIONAMENTO DE TURBINAS
 Os principais tipos de turbina são aquelas de ação (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. de escoamento radial ou misto
2. de escoamento axial
 Dos tipos de escoamentos radiais predomina 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.
TURBINAS DE AÇÃO E REAÇÃO
TURBINAS DE AÇÃO E REAÇÃO
 As turbinas de ação não
funcionam imersas na água
turbinada, mas sim ao ar livre; a
água encontra a roda móvel (rotor)
através de jatos, sendo a pressão
de entrada e de saída iguais.
 As turbinas de reação trabalham
no seio da água turbinada. A água
penetra na roda móvel por toda a
periferia, fazendo a descarga
paralelamente ao eixo de rotação.
Nas turbinas de reação a pressão à
saída é inferior à entrada. Estas
turbinas são normalmente utilizadas
para médias e baixas quedas.
 Instalação aberta. Quando a turbina é colocada num poço, ao
qual vem ter a água conduzida em um canal de adução, havendo
geralmente uma comporta ou adufa para que se possa esvaziá-la
na manutenção. Este tipo de instalação é conveniente apenas
para pequenas quedas (até 10 m) e potências pequenas
(algumas centenas de CV). Vale ressaltar que quando a descarga
é grande e o desnível é pequeno, há vantagem de se utilizar um
tubo de sucção curvo.
 Instalação fechada. Quando a queda é superior a 10 m é
preferível colocar a turbina numa caixa à qual vem ter a água
conduzida em uma tubulação forçada (pentstock). Estas caixas
tem a forma de caracol, voluta ou espiral e são envolvidas pelo
concreto armado.
INSTALAÇÕES DE TURBINAS
Turbina de Instalação aberta
Turbina de Instalação fechada
APROVEITAMENTO HIDROELÉTRICO
É de fundamental importância para o dimensionamento e estudo do comportamento
das máquinas hidráulicas o conhecimento das grandezas que influenciam no seu
funcionamento. Estas máquinas tem seu funcionamento definido através de três
grandezas básicas distintas, consideradas como características fundamentais das
máquinas hidráulicas:
1. Vazão [m3 /s]: representa o fluxo de material líquido ou gasoso através da
máquina.
2. Altura de queda [metro ou mCA]: A altura de queda é definida como a diferença
de alturas, entre as seções de entrada 2 da máquina e de saída 1, convenientemente
escolhidas;
3. Rotação da máquina [RPM]: representa a característica cinemática da máquina;
4. Outras grandezas fundamentais: também são importantes as grandezas
derivadas, como a potência hidráulica, potência mecânica (aqui denominada potência
efetiva), torque e o rendimento total.
TURBINAS DE AÇÃO
TURBINAS DE REAÇÃO
TURBINA TIPO BULBO 
CLASSIFICAÇÃO DAS MH
b) Conforme direção do escoamento ( fig. 2 )
b1) RADIAIS: o escoamento é predominantemente radial
Ex.: bombas centrífugas
b2) MISTAS: o escoamento é dito diagonal, isto é, parte axial e 
parte radial.
Ex.: turbina Francis.
b3) AXIAIS: o escoamento é axial.
Ex.: ventiladores axiais, turbina hélices ou Kaplan.
b4) TANGENCIAS: o escoamento é tangencial.
Ex.: turbina Pelton
DIREÇÃO DO FLUXO
MÁQUINA TANGENCIAL
1. Calcule a altura de queda e a potência efetiva (mecânica) do
aproveitamento hidroelétrico esquematizado na figura, sendo o
rendimento total igual a 89% , conhecendo-se os seguintes dados:
Q = 0,4 [m³/s]
Diâmetro na tubulação de entrada = 300 [mm]
Diâmetro do tubo na saída = 500 [mm]
altura do tubo de sucção na saída = 200 [mm]
EXERCÍCIO PROPOSTO
Q = 0,4 [m³/s]
Diâmetro na tubulação de entrada = 300 [mm]
Diâmetro do tubo na saída = 500 [mm]
Rendimento = 89% = 0,89
P1 = 4,0 m.c.a = 39,224 kPa
P1/Y + V1²/2g + z1 = P2/Y + V2²/2g + z2 + HQ
1º) Determinar as velocidades na entrada e saída da turbina:
V1 = Q/A1 A1 = r² r = D/2 = 300/2 = 150 mm = 0,150 m
V1 = 0,4/0,07065 A1 =  (0,150)²
V1 = 5,66 m/s A1 = 0,07065 m²
V2 = Q/A2 A2 = r² r = D/2 = 500/2 = 250 mm = 0,250 m
V2 = 0,4/0,19625 A2 =  (0,250)²
V2 = 2,04 m/s A2 = 0,19625 m²
2º) Determinar a pressão na saída da turbina:
P = F/A
F = Pfluido = Peso Específico = .g
O peso específico para água: 10.000 N/m³
P2 = 10.000/ 0,19625 1 mca = 9,806 kPa
P2 = 50.955 Pa = 50,96 kPa
P2 = 5,197 m.c.a
3º) Determinar a altura de queda (HQ):
P1/Y + V1²/2g + z1 = P2/Y + V2²/2g + z2 + HQ
(P1 – P2)/Y + (V1² - V2²)/2g + (z1 – z2) = HQ
(39,224 – 5,197)/10.000 + [(5,66²) – (2,04)²]/20 + 1,5 = HQ
38,704 + 1,394 + 1,5 = HQ
HQ = 38,994 m
4º) Determinar a potência da turbina:
NT = Y.Q.HQ/
NT = 10.000 . 0,4 . 38,994 / 0,89
NT = 175254 Watts
NT = 175,25 kW
2. Determinar a altura de queda e a potência hidráulica da turbina
Francis, conhecendo-se:
vazão: 156 [l/s]
pressão no manômetro de entrada da máquina: 3,2 [mCA]
diâmetro da tubulação na entrada: 280 [mm].
Despreze a velocidade do escoamento na saída da turbina.
EXERCÍCIO PROPOSTO
DIMENSIONAMENTO DE RESERVATÓRIOS DE RIO
 O uso consultivo da água: é aquele em que há perdas de água no uso
como na irrigação. Em uma hidroelétrica é um uso não-consultivo.
 Conforme Dingman, 2002 uso não-consultivo é a porção da água do rio
que fica disponível para algum uso.
 A porção da água do rio que é descarregada na superfície ou na água
subterrânea é chamada de escoamento de retorno.
MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO
Conforme Uehara, 2002 basicamente existem dois métodos para se
dimensionar o volume útil de reservatórios:
1. Métodos estocásticos: são aqueles que propiciam o cálculo de
probabilidades, como por
exemplo, a probabilidade de ocorrência de falhas.
2. Métodos determinísticos: são aqueles que tratam os resultados de
forma única, por exemplo, baseando-se apenas na série histórica
existente. Dentre eles, está o método do diagrama de massas de Rippl.
A. Volume útil
Conforme Uehara, 2002 o volume útil de um reservatório corresponde ao
volume compreendido entre os níveis de água mínimo operacional e
máximo operacional conforme mostra a figura.
DIMENSIONAMENTO DE 
RESERVATÓRIOS DE RIO
B. Volume de Espera
O volume de espera ou volume para controle de cheias, corresponde à
parcela do volume útil do reservatório destinada ao amortecimento de ondas
de cheia, visando ao atendimento as restrições de vazão de jusante conforme
mostram as figurasabaixo. Nível de água máximo de um reservatório
corresponde à sobre elevação máxima do nível de água, medida a partir do
NA máximo operacional, disponivel para a passagem de ondas de cheia.