Turbina Francis

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Turbinas 
Hidráulicas
Prof. Daniel D.O. dos Santos
 Cláudio Augusto Dias Filho
Luiz Fernando M. de Almeida
Paulo José F. de Almeida
Rafael Gomes Andrade
Vergílio Torezan S. Del Claro
Turbina 
Francis
 – Idealizada em 1849, tendo o nome do seu inventor

 – Primeira turbina foi construída pela Voith em 1873, 
passando por aperfeiçoamentos constantes

 – É largamente aplicada pelo fato das suas características 
cobrirem um grande campo de rotação específica.

 – Turbinas atuais podem ultrapassar a potências de 750 
MW.

 – As turbinas construídas entre 1930 a 1950 não possuíam 
rendimentos superiores a 85%, hoje ultrapassam a 92% 
para grandes máquinas.
Introdução
Introdução
Turbina Francis da Usina Hidrelétrica de Três 
Gargantas – China
Rotor
 – Rotores de tamanhos 
pequenos e médios 
podem ser construídos 
em uma só peça fundida.

 – O material mais 
empregado é o aço com 
12 a 15% de cromo.
 – Pode-se dimensionar turbinas com rotores 
duplos, porém apenas para turbinas de eixo 
horizontal.
Funcionamento
Distribuidor – O distribuidor (ou sistema diretor) é 
constituído de um conjunto de pás dispostas em 
torno do rotor de maneira a ajustar um melhor 
ângulo de entrada para cada valor de vazão, 
diminuindo assim as perdas hidráulicas.

 – As pás possuem um eixo de rotação paralelo 
ao eixo da turbina e movimentam-se 
simultaneamente desde uma admissão máxima 
até o fechamento total.
Distribuidor
Distribuidor
Caixa Caracol – A caixa caracol (espiral) para as turbinas de 
pequeno porte normalmente é fundida em 
aço ou ferro fundido e bi-partida para facilitar 
a montagem e desmontagem do conjunto.

 – É projetada de tal forma que garanta 
descargas parciais iguais em todos os canais 
formados pelas pás do distribuidor. Para isso, 
sua seção é gradativamente decrescente no 
sentido do escoamento.
Caixa Caracol
Caixa Caracol
Caixa Caracol
Aplicações – As turbinas Francis são as mais empregadas 
no Brasil em todas as categorias de centrais 
hidrelétricas.

 – As usina hidrelétricas de Itaipu, Tucuruí, 
Furnas, Foz do Areia, Salto Pilão e outras no 
Brasil funcionam com turbinas tipo Francis, 
com cerca de 100m de queda d’água.
Aplicações
 – Usina Hidrelétrica de Itaipu (PR) - 20 máquinas

 – Usina Hidrelétrica de Tucuruí (PA) - 12 máquinas

 – Usina Hidrelétrica de Ilha Solteira (SP/MS) - 20 máquinas

 – Usina Hidrelétrica de Itá (RS/SC) - 5 máquinas

 – Usina Hidrelétrica Itaúba (RS) - 4 máquinas

 – Usina Hidrelétrica Castro Alves (RS)* - 3 máquinas
Aplicações
Aplicações
Turbina Francis (azul) e gerador (vermelho) usados na 
Usina Hidrelétrica de Foz do Areia
Aplicações
Aplicações
Turbina Francis Eletrobrás-Furnas 
Aplicações
Turbinas 
Pelton
Introdução
 – São empregadas em locais com grande 
desnível e pequena vazão, geralmente áreas 
montanhosas e terrenos de grande altitude. 

 – São também denominadas rodas Pelton, 
turbinas tangenciais ou de ação.

 – Há turbinas Pelton operando em pequenas 
quedas em fazendas e áreas afastadas com 
geração de algumas dezenas de kW até 
instalações com quedas de 1765 m em 
Reiβeck-Kreuzeck, na Áustria, e 1869 m em 
Valais, na Suíça, com geração de 423 MW.
Características da turbina
 – Estas turbinas se caracterizam por serem 
compostas de uma roda com pás e jatos tangenciais 
à roda. O movimento é gerado pela transmissão de 
energia cinética do jato d'água para as pás da roda.

 – O número de pás geralmente é arbitrário, porém o 
número de jatos depende do projeto (1, 2, 3, 4, 5 ou 
6). 

 – Inicialmente, as turbinas eram montadas com eixo 
horizontal. Para acrescentar jatos e elevar a potência 
foram desenvolvidas turbinas com eixo vertical. 
Quanto maior o número de jatos, maior a potência 
útil que pode ser aproveitada, permitindo também a 
elevação da rotação e redução do diâmetro do rotor.
Características
Introdução
Características
Introdução
Características
Características
VÍDEO 01
TURBINA PELTON
Características da turbina
Características
Características da turbina
Características
Características da turbina
Características
Bicos injetores
 – Invariavelmente o jato de água será circular, 
para normalizar o escoamento e reduzir a área 
lateral do jato, minimizando as perdas por atrito. 

 – O bocal geralmente tem a forma de um tronco de 
cone, com ângulo da geratriz entre 60 e 90°, e um 
diâmetro de saída de 1.12 à 1.27 vezes o diâmetro 
do jato, fazendo com que na posição de abertura 
máxima haja apenas 10% de obstrução de área 
pela agulha. O diâmetro de entrada do bocal deve 
ser adotado entre 2.6 e 2.8 vezes o diâmetro do 
jato.
Bicos Injetores
Características da turbina
 – O mecanismo de abertura e fechamento da 
agulha deve ser extremamente robusto e deve 
respeitar um tempo de comando adequado para 
que se evite efeitos dinâmicos no canal de 
alimentação (golpe de aríete).
Bicos Injetores
Bicos injetores
Bicos Injetores
Fabricação – Até 1930, as rodas costumavam ser 
fabricadas por partes, pá por pá, e 
montadas num disco.

 – Com a evolução dos processos de 
fabricação, possível hoje fabricar a roda 
numa única peça única fundida e/ou 
usinada. É possível fundir monoblocos com 
mais de 30 toneladas, com grande 
precisão e qualidade.
Fabricação
Fabricação
Fabricação
Fabricação
Fabricação
Fabricação
Fabricação
Fabricação
Fabricação
Fabricação
Fabricação
VÍDEO 02
TURBINA PELTON
Manutenção
 – Devido à ação abrasiva extrema sofrida pelo bico 
injetor e pela agulha, estes devem ser fabricados 
em materiais altamente resistentes ao desgaste.

 – Geralmente são fabricados em aço inoxidável 
(12% Cr e 5% Ni), porém para casos mais 
exigentes, onde a queda é maior e os abrasivos na 
água são mais duros usa-se outros materiais, 
como aços ao tungstênio, vanádio e aços 
cromados até 0.5mm de espessura. 

 – Também se fabricam estas peças em stellita 
(W-Co-Cr) que possui extrema resistência à 
abrasão.
Manutenção
Manutenção
Manutenção
Manutenção
Manutenção
 – Usina Hidrelétrica Governador Pedro 
Viriato Parigot de Souza (PR)
● 4 máquinas

 – Usina Hidrelétrica Henry Borden (SP)
● 14 máquinas
Aplicações
Turbinas 
Kaplan
– Idealizada pelo engenheiro 
austríaco Viktor Kaplan em 
1912
– Um novo conceito de turbina 
hélice: – pás reguláveis
– Grandes vazões e alturas 
moderadas
Introdução
Turbinas Kaplan
Introdução
 – Turbina do tipo axial

 – Rendimento elevado e praticamente constante

 – Pode ser utilizada com quedas de 3m à 60m

 – Grande flexibilidade de operação frente as 
variações de vazão e também altura de queda
Características
Descrição
Turbinas Kaplan
Descrição
Descrição
– 2 mecanismos para regulação
– Devem atuar de modo sincronizado
Distribuidor
Distribuidor
Fabricação
Distribuidor
VÍDEO 03
TURBINA KAPLAN
Mecanismo
Fabricação
Mecanismo
VÍDEO 04
TURBINA KAPLAN
 – Usina Hidrelétrica de Ferreira Gomes (AP) – 3 máquinas

 – Usina Hidrelétrica de Estreito (MA/TO) – 8 máquinas

 – Usina Hidrelétrica de Aimorés (MG/ES) – 3 máquinas
 – Usina Hidrelétrica de Porto Estrela (MG) – 2 máquinas
 – Usina Hidrelétrica de Lajeado (TO) – 5 máquinas

 – Usina Hidrelétrica Eng. Souza Dias (MS/SP) – 14 máquinas

 – Usina Hidrelétrica Mário Lopes Leão (SP) - 3 máquinas

 – Usina Hidrelétrica Monte Claro (RS)* - 2 máquinas

 – Usina Hidrelétrica 14 de Julho (RS)* - 2 máquinas
Aplicações
Aplicações
14 de Julho Monte Claro Castro Alves
Turbinas Kaplan
Comparação
Turbinas 
Bulbo
Descrição
 – Solução compacta da turbina Kaplan.

 – Permite a geração de energia em 
pequenas quedas d’água (fio d’água), com 
médias e grandes vazões.

 – Substitui a montagem axial vertical da 
Kaplan por um perfil encapsulado 
horizontal.
Ref. Componentes
1 Tubo de acesso ao gerador
2 Câmara de adução
3 Bulbo ou cápsula
4 Sistema de óleo do rotor5 Gerador síncrono
6 Mancais de guia
7
Estrutura (e/ou pilar) de 
sustentação
8 Tubo de acesso à turbina
9 Distribuidor
10 Pás do rotor
11 Cubo
12 Ogiva ou cone
13 Tubo de descarga ou sucção
Descrição
Descrição
Imagens Reais
Descrição
Imagens Reais
Descrição
Imagens Reais
Descrição
Vantagens
 – Seu perfil encapsulado horizontal permite:
● Descarga direta do fluxo do rio
● Ótima eficiência com grandes vazões
● Pequenos reservatórios
 – Compacta

 – Volume reduzido das obras civis:
● Concretagem,
● Escavações,
● Reduz o número de máquinas e operários
 – Redução das dimensões dos tubos de adução e 
sucção.

 – Redução dos impactos ambientais, sociais e 
econômicos, tais quais:
● Redução das áreas inundadas
● Redução das degradação do ecossistema
● Reduz investimentos em negociação de terra e 
campanhas de reparação do meio ambiente
 
 – Aproveita a vazão do próprio rio.

 – Permite a construção de pequenas usinas em 
cascata
Vantagens
Desvantagens de sua 
utilização
– Limitação de potência devido a dificuldade de 
refrigeração do gerador.

 – Mancais necessitam de cuidados especiais e 
recomendações fornecidas pelo fabricante. 

 – Sua forma compacta exige mais investimentos 
em tecnologia e melhores componentes 
eletrônicos.

 – Exige um eficiente sistema de vedação.

Desvantagens
 Kaplan
– Perfil de escoamento axial disposto verticalmente
Comparação
 Bulbo:
– Perfil de escoamento axial disposto horizontalmente
Comparação
 Kaplan: (médios reservatórios)
– Altura de operação em torno de 60 m
– Vazão de operação em torno de 30 m³/s
– Potência gerada em torno de 100 MW
Comparação
 Bulbo: (pequenos reservatórios – fio d’água)
– Altura de operação abaixo de 20 m
– Vazão de operação em torno de 50 m³/s
– Potência gerada em torno de 75 MW
Comparação
Instalação
Comparação entra as instalações das turbinas Kaplan e Bulbo (Souza et al., 2009)
Comparação
Aplicação
 Usina Hidrelétrica de Santo Antônio
Aplicação
Introdução
 – Localização:
● Rio Madeira,
● Estado de Rondônia,
● Proximidades da cidade de Porto Velho.

 – Altura de queda em torno de 13m.

 – Viabilidade do processo desenvolvida por:
● Furnas Centrais Elétricas e 
● Construtora Norberto Odebrecht.
 – Licença de instalação e inicio de obras em setembro de 
2008.

 – Atualmente é administrada pela Santo Antônio Energia 
(antiga Madeira Energia S.A.)
Aplicação
Parâmetros técnicos da construção UHE Santo Antônio
Potência instalada 3.150,4 MW
Potência Assegurada (média) 2.218,0 MW
Potência unitária 71,6 MW
Unidade geradora 44 Turbinas Bulbo
Vazão turbinada 24,584 m3/s
Área do reservatório 271,3 Km2
Volume do reservatório 2,1 x 106 m3
Nível d’água do Reservatório 70,5 m
Profundidade média do reservatório 11,00 m
Profundidade máxima do reservatório 27,00 m
Maior vazão média diária registrada 47,236 m3/s
Menor Vazão média diária registrada 2,322 m3/s
Vazão média ao longo do tempo 18,6 m3/s
Comprimento total da barragem 3.100 m
Cimento 830.000 toneladas
Aço 140.000 toneladas
Aplicação
Parâmetros técnicos das turbinas Bulbo utilizadas na UHE 
Santo Antônio
Tipo Bulbo com Rotor Kaplan
Nº de unidades 44
Potência unitária nominal 71,6 MW
Potência Total nominal 3.150 MW
Velocidade Nominal 100 rpm
Queda d’água de referência 13,9 m
Peso total unitário 8.820 KN
Diâmetro do Rotor 7,5 m
Comprimento do conjunto 16,17 m
   
Parâmetros técnicos do Gerador
Potência unitária nominal 
reativa
82,25 MVA
Tensão nominal 13,8 KV
Peso do Rotor 2.300 KN
Aplicação
Aplicação
Comparação
Comparativo das usinas implantadas na bacia hidrográfica 
do Rio Amazonas
Usina
VÍDEO 05
UHE S. ANTÔNIO
Cavitação 
em 
Turbinas
Cavitação
Cavitação
 – Quedas bruscas de pressão sofridas pelo líquido em 
escoamento;

 – Nucleação, crescimento e colapso (implosão) de bolhas 
de vapor em um líquido;

 – Ondas de choque e microjatos altamente energéticos;

 – Elevadas tensões mecânicas: desgaste erosivo da 
superfície pela qual o líquido escoa

 – Intensa instabilidade hidráulica: geração de ruído e 
vibração, o que diminui o rendimento da máquina
– Gráfico Pressão x Temperatura
Cavitação
 Turbina Francis
– Pá de um rotor intensamente danificada por cavitação
(IV SMER, Seminário de Manutenção de Equipamentos 
Rotativos, Outubro 2011)
Cavitação
Cavitação nas pás do rotor da Turbina tipo Francis
Cavitação
 Turbina Francis
– Pá de um rotor intensamente danificada por cavitação
(IV SMER, Seminário de Manutenção de Equipamentos 
Rotativos, Outubro 2011)
Cavitação
 Turbina Francis
– Carcaça danificada por cavitação
(IV SMER, Seminário de Manutenção de Equipamentos 
Rotativos, Outubro 2011)
Solução
 Turbina Francis
– Tanques de ar comprimido para rebaixamento do tubo de 
sucção (Visita Técnica, 2013)
Cavitação nas pás do rotor da Turbina tipo Francis
Solução
 Turbina Francis
– Tanques de ar 
comprimido para 
rebaixamento do tubo 
de sucção (Visita 
Técnica, 2013)
Solução
 Turbina Francis
– Compressor de parafusos (Visita Técnica, 2013)
Manutenção
 – Restituição do perfil hidrodinâmico original das 
pás: solda na região cavitada

 – Comparação com um gabarito de perfil 
presente na UHE;

 – Correções posteriores podem ser feitas com 
uma esmerilhadeira ou refusão pelo processo 
TIG.


– Eletrodos de aço inox, ou Cavitalloy®, ou ainda 
Cavite (ligas de Co)
Manutenção
Manutenção
 Turbina Francis
– Rotor recuperado
(IV SMER, Seminário de Manutenção de Equipamentos 
Rotativos, Outubro 2011)
Manutenção
 Turbina Francis
– Carcaça recuperada
(IV SMER, Seminário de Manutenção de Equipamentos 
Rotativos, Outubro 2011)
Golpe de 
aríete em 
UHE's
Golpe de Aríete em Usinas Hidrelétricas
Golpe de aríete
 – Escoamento transitório

 – Aceleração ou desaceleração repentinas do 
escoamento

 – Variação bruscas de pressão: ondas de pressão

 – Geração de ruído e rompimento de tubulações

Golpe de Aríete em Usinas Hidrelétricas
Golpe de aríete
 – Controle e Proteção:
● Chaminés de Equilíbrio
● Reservatórios hidropneumáticos
● Válvulas reguladoras de pressão (de 
alívio, ou de retenção)
● Bypass
Golpe de Aríete em Usinas Hidrelétricas

– Foto de uma chaminé de equilíbrio. (Visita Técnica, 2013)
Golpe de aríete
Golpe de Aríete em Usinas Hidrelétricas
Golpe de aríete

– Foto de uma chaminé de equilíbrio. (Visita Técnica, 2013)
Golpe de Aríete em Usinas Hidrelétricas
Golpe de aríete

– Foto de reservatório hidropneumático. 
(www.assistherm.com.br)
Golpe de aríete
 – Acidente em Sayano-Shushenskaya (Rússia)
 – Acidente em Sayano-Shushenskaya (Rússia)
Golpe de aríete
Golpe de aríete
VÍDEO 06
UHE RÚSSIA
Visita técnica a Furnas
Visita Técnica
Visita Técnica
 – Visita à Usina Hidroelétrica de Itumbiara, administrada 
pela Eletrobrás-Furnas (03/10/2013)
 – 6 unidades geradoras do tipo Francis rápida, com vazão 
individual de 87m³/s, gerando 2142MW de energia.
Visita técnica a Furnas
Visita Técnica
Visita técnica a Furnas
Visita Técnica
Visita técnica a Furnas
Visita Técnica
Visita técnica a Furnas
Visita Técnica
Visita técnica a Furnas
Visita Técnica
Visita técnica a Furnas
Diâmetro do conduto 
forçado: 10 m
Visita Técnica
Visita técnica a Furnas
Visita Técnica
Visita técnica a Furnas
Visita Técnica
Visita técnica a Furnas
Visita Técnica
Visita técnica a Furnas
Visita Técnica
Visita técnica a Furnas
Visita Técnica
Visita técnica a Furnas
Visita Técnica
Visita técnica a Furnas
Visita Técnica
Visita técnica a Furnas
Visita Técnica
Visita técnica a Furnas
Visita Técnica
Visita técnica a Furnas
Visita Técnica
VÍDEO 07
UHE ITUMBIARA
Visita técnica a Furnas
Visita Técnica
Visita técnica a Furnas
Visita Técnica
Visita técnica a Furnas
Visita Técnica
Visita técnica a Furnas
Visita Técnica
Visita técnica a Furnas
Visita Técnica
VÍDEO 08
UHEITUMBIARA
Visita técnica a Furnas
Visita Técnica
Visita técnica a Furnas
Visita Técnica
Visita técnica a Furnas
Visita Técnica
Visita técnica a Furnas
Visita Técnica
Visita técnica a Furnas
Visita Técnica
Turbinas 
Hidráulicas
Prof. Daniel D.O. dos Santos
 Cláudio Augusto Dias Filho
Luiz Fernando M. de Almeida
Paulo José F. de Almeida
Rafael Gomes Andrade
Vergílio Torezan S. Del Claro
	Slide 1
	Slide 2
	Introdução
	Introdução
	Rotor
	Funcionamento
	Distribuidor
	Slide 8
	Caixa Caracol
	Caixa Caracol
	Aplicações
	Slide 12
	Aplicações
	Aplicações
	Slide 15
	Introdução
	Características da turbina
	Introdução
	Introdução
	Características da turbina
	Características da turbina
	Características da turbina
	Características da turbina
	Bicos injetores
	Características da turbina
	Bicos injetores
	Fabricação
	Fabricação
	Slide 29
	Fabricação
	Fabricação
	Slide 32
	Manutenção
	Manutenção
	Manutenção
	Slide 36
	Slide 37
	Turbinas Kaplan
	Turbinas Kaplan
	Turbinas Kaplan
	Turbinas Kaplan
	Turbinas Kaplan
	Slide 43
	Slide 44
	Slide 45
	Slide 46
	Slide 47
	Slide 48
	Slide 49
	Slide 50
	Slide 51
	Slide 52
	Introdução
	Introdução
	Slide 55
	Imagens Reais
	Imagens Reais
	Slide 58
	Vantagens
	Vantagens
	Desvantagens de sua utilização
	Comparação
	Comparação
	Características
	Características
	Instalação
	Aplicação
	Introdução
	Slide 69
	Slide 70
	Slide 71
	Slide 72
	Slide 73
	Slide 74
	Cavitação
	Slide 76
	Cavitação nas pás do rotor da Turbina tipo Francis
	Cavitação nas pás do rotor da Turbina tipo Francis
	Cavitação nas pás do rotor da Turbina tipo Francis
	Cavitação nas pás do rotor da Turbina tipo Francis
	Cavitação nas pás do rotor da Turbina tipo Francis
	Cavitação nas pás do rotor da Turbina tipo Francis
	Cavitação nas pás do rotor da Turbina tipo Francis
	Slide 84
	Cavitação nas pás do rotor da Turbina tipo Francis
	Cavitação nas pás do rotor da Turbina tipo Francis
	Slide 87
	Golpe de Aríete em Usinas Hidrelétricas
	Golpe de Aríete em Usinas Hidrelétricas
	Golpe de Aríete em Usinas Hidrelétricas
	Golpe de Aríete em Usinas Hidrelétricas
	Golpe de Aríete em Usinas Hidrelétricas
	Slide 93
	Golpe de Aríete em Usinas Hidrelétricas
	Slide 95
	Visita técnica a Furnas
	Obrigado!!!
	Visita técnica a Furnas
	Visita técnica a Furnas
	Visita técnica a Furnas
	Visita técnica a Furnas
	Visita técnica a Furnas
	Visita técnica a Furnas
	Visita técnica a Furnas
	Visita técnica a Furnas
	Visita técnica a Furnas
	Visita técnica a Furnas
	Visita técnica a Furnas
	Visita técnica a Furnas
	Visita técnica a Furnas
	Visita técnica a Furnas
	Visita técnica a Furnas
	Visita técnica a Furnas
	Visita técnica a Furnas
	Visita técnica a Furnas
	Visita técnica a Furnas
	Visita técnica a Furnas
	Visita técnica a Furnas
	Visita técnica a Furnas
	Visita técnica a Furnas
	Visita técnica a Furnas
	Visita técnica a Furnas
	Visita técnica a Furnas
	Slide 124