Turbinas Hidráulicas

Prévia do material em texto

Modelo de Turbinas
Turbinas Hidráulicas
• A geração de energia hidrelétrica utiliza turbinas hidráulicas 
para acionamento dos hidrogeradores;
• Três tipos de turbinas são largamente utilizadas: turbinas 
Pelton ou de impulso, turbinas Francis ou de reação e 
turbinas Kaplan ou de hélice;
• A água é conduzida até as turbinas através de uma 
tubulação chamada conduto forçado, sendo posteriormente 
descarregada pelo conduto de sucção, abaixo da turbina.
Turbinas Pelton ou de Impulso
• São utilizadas em usinas com queda d´água maior do 
que 250 m, embora possam ser utilizadas em alturas 
menores; (Usina Hidrelétrica Gov. Parigot de Souza-PR) 
• São de eixo horizontal, com o gerador montado ao lado 
da turbina.
http://images.google.com.br/imgres?imgurl=http://www.exatecno.net/ampliacion/energia/TurbinaPelton04.jpg&imgrefurl=http://www.exatecno.net/ampliacion/energia/TurbinaPelton.htm&usg=__P-PN0IPYNOysoufwovxzf_HplG8=&h=319&w=300&sz=39&hl=pt-BR&start=3&um=1&tbnid=rOnIDLCjeHGtNM:&tbnh=118&tbnw=111&prev=/images%3Fq%3Dturbinas%2Bpelton%26hl%3Dpt-BR%26sa%3DG%26um%3D1
• A regulação de velocidade é realizada ajustando o fluxo 
de água nos injetores através de válvulas de agulha;
• A queda total de pressão da água ocorre no injetor, não 
havendo queda no momento que o jato d´água entra em 
contato com as pás;
• Toda energia cinética da água é transformada em 
trabalho mecânico de acionar o eixo ou é dissipada sob a 
forma de atrito.
Turbinas Francis ou de Reação
• Aplicadas em alturas desde menos de 10m até cerca de 
250 m;
• A queda de pressão ocorre no injetor e na turbina;
• Consequentemente, a água ocupa completamente a 
cavidade ocupada pelo rotor e a água ao fluir, transfere 
tanto energia de pressão quanto energia cinética às pás 
do rotor;
• Como todas as pás são envolvidas neste processo, o 
diâmetro da turbina de reação é menor do que uma 
turbina de impulso de mesma capacidade;
• A maioria é do tipo de fluxo radial;
• Encontram-se de eixo horizontal e vertical, porém a 
vertical é mais comum.
• O controle para este tipo de turbina é feito 
pelo distribuidor
• As turbinas de Itaipu, Tucuruí e Furnas 
são Francis
http://www.slide.com/s/Opd7tGC54T9rcPpbvYfc6OOIXr7vD531?referrer=hlnk
Turbinas Kaplan
• Ela é uma turbina de reação, pois utiliza combinação de 
pressão e velocidade da água para acionar o eixo;
• Porém, ela emprega a velocidade da água maior que a 
Francis;
• São utilizadas em alturas de queda de 15m a 60m;(Usina 
de Jupiá-SP)
• A figura abaixo mostra uma comparação de rendimento 
entre as turbinas Kaplan e Francis:
• O aumento rendimento da Kaplan implica em custos 
adicionais de fabricação e manutenção.
Conduto Forçado e Chaminés de 
Equilíbrio
• A água é conduzida pelo conduto forçado;
• Um dos problemas mais sérios associados ao conduto é 
o fenômeno de golpe de aríete (variação de pressão 
acima ou abaixo da pressão normal, causadas por 
rápidas variações na vazão no conduto);
• O golpe pode causar violentas oscilações de pressão 
que podem interferir com a operação da turbina;
• Para condutos forçados longo se utiliza a chaminé de 
equilíbrio, que alivia o golpe tanto positivo como 
negativo, o que não é feito pelo regulador de pressão, 
que só alivia o golpe positivo.
Modelo de Turbina Hidraúlica
• Aqui será desenvolvido um modelo simplificado 
de uma turbina;
• Nesse modelo, o conduto será considerado 
inelástico, de comprimento pequeno e sem 
chaminé de equilíbrio;
• O modelo mostra uma relação entre a potência 
mecânica com a abertura da válvula da turbina.
• A velocidade da água no conduto é dada por:
• u é o fator proporcional à abertura da válvula;
• g é a aceleração da gravidade;
• H é a altura hidráulica.
gHuv 2
Para pequenas perturbações em torno de um ponto de 
operação, desenvolvendo a expressão de velocidade em 
série de Taylor, em torno do ponto de operação:
em que H=H-H0 e u=u-u0 representam variações dessas 
grandezas em torno do ponto de operação.Então:
.....
00
0 




 u
u
vH
H
vvv 
ugHH
H
gu
v  0
0
0 2
2
2

• Dividindo ambos os membros pela velocidade 
base v0 , tem-se a equação em pu:
• A aceleração da coluna da água, segundo a Lei 
de Newton, é:
em que
L é o comprimento do conduto;
Ac é a área transversal do conduto;

 
é a densidade da água.
)1(
2 000 u
u
H
H
v
v 

)2(HgAv
dt
dLA cc  
• A potência mecânica da turbina é dada por:
em que a vazão q, é dada por vAc . 
• Dividindo (2) pela potência mecânica(equação em 
pu) e expressando em Laplace, tem-se:
em que é a constante da água, tempo 
para acelerar a água no conduto até atingir a 
velocidade nominal v0 , sob ação de uma altura H0 . 
gqHPm 
)3(
00 H
H
v
vsTw


0
0
gH
vLTw 
• Substituindo (3) em (1), tem-se:
• A versão linearizada da potência mecânica:
ou em pu:
)4(
2
1
1
00 u
u
sTv
v
w



vgAHHgAvP ccm  00 
)5(
000 v
v
H
H
P
P
m
m  
• Substituindo (3) e (4) em (5) tem-se:
• Assumindo os valores em pu, o modelo fica como 
no diagrama de blocos abaixo:
00
2
1
1
u
u
Ts
sT
P
P
w
w
m
m 



2
1
1
w
w
sT
sT

u
Pm
• Aplicando uma entrada tipo degrau de 
1pu, tem-se o seguinte comportamento de 
Pm
• Qual a conclusão que se tira?
Exercícios para estudo:
• Demonstrar o que foi observado, via os 
teoremas do valor inicial e final.
• Aplicar uma rampa (conclusões).
• Aplicar um impulso (conclusões).
	 Modelo de Turbinas
	Slide Number 2
	Turbinas Hidráulicas
	Turbinas Pelton ou de Impulso
	Slide Number 5
	Slide Number 6
	Turbinas Francis ou de Reação
	Slide Number 8
	Slide Number 9
	Turbinas Kaplan
	Slide Number 11
	Conduto Forçado e Chaminés de Equilíbrio
	Slide Number 13
	Modelo de Turbina Hidraúlica
	Slide Number 15
	Slide Number 16
	Slide Number 17
	Slide Number 18
	Slide Number 19
	Slide Number 20
	Slide Number 21
	Slide Number 22
	Exercícios para estudo:�