4 Turbinas Hidráulicas

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FBUNI
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
DISCIPLINA DE PRODUÇÃO DE ENERGIA
Turbinas Hidráulicas
Profa. Ma. Rebeca Catunda Pereira
Fortaleza, 28 de fevereiro de 2023
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2. Hidrelétricas
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➢ Tipos de Turbinas:
✓ Turbinas Pelton
✓ Turbinas Francis
✓ Turbinas Kaplan
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➢ Turbinas Pelton
Inventada por Lester A. Pelton (1829-1808). Trata-se de uma turbina de ação
de fluxo tangencial e de admissão parcial. Opera eficientemente para
condições de grandes saltos e baixas vazões. O processo do escoamento se
realiza a pressão atmosférica.
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❑ São turbinas de ação porque utilizam a velocidade do fluxo de água para
provocar o movimento de rotação. A sua constituição física consiste numa
roda circular que na sua periferia possui um conjunto de copos ou conchas
sobre os quais incide(m), tangencialmente, um(s) jato(s) de água dirigido(s)
por um ou mais injetores distribuídos de forma uniforme na periferia da
roda.
❑ Nas turbinas Pelton, não há um sistema de palhetas móveis, e sim um
bocal com uma agulha móvel, semelhante a uma válvula. O controle da
vazão é feito por este dispositivo. A potência mecânica fornecida por estas
turbinas é regulada pela atuação nas válvulas de agulha dos injetores.
❑ Um injetor consta de um bocal de seção circular com uma agulha de
regulação a qual move-se axialmente variando a seção do fluxo.
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❑ Estas turbinas podem ser de eixo vertical ou horizontal e são utilizadas em
aproveitamentos hidrelétricos caracterizados por pequenos caudais e
elevadas quedas úteis (250 a 2500 m), sendo por isto, muito mais comuns
em países montanhosos.
❑ Um dos maiores problemas destas turbinas, devido à alta velocidade com
que a água se choca com o rotor, é a erosão provocada pelo efeito abrasivo
da areia misturada com a água, comum em rios de montanhas.
❑ As turbinas Pelton, devido a possibilidade de acionamento independente
nos diferentes bocais, tem uma curva geral de eficiência plana, que lhe
garante boa performance em diversas condições de operação, tendo um
rendimento de até 93%.
❑ A usina Gov. Parigot de Souza no Paraná opera com esta turbina com 754 m.
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➢ Turbinas Francis
São turbinas de reação porque o
escoamento na zona da roda se processa a
uma pressão inferior á pressão
atmosférica.
Esta turbina é caracterizada por ter uma
roda formada por uma coroa de aletas
fixas, as quais constituem uma série de
canais hidráulicos que recebem a água
radialmente e a orientam para a saída do
rotor numa direção axial.
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❑ A entrada de água na turbina ocorre simultaneamente por múltiplas
comportas de admissão dispostas ao redor da roda, e o trabalho é
exercido sobre todas as aletas ao mesmo tempo para fazer rodar a
turbina e o gerador.
❑ Os outros componentes desta turbina são a câmara de entrada, a qual
pode ser aberta ou fechada com uma forma espiral, o distribuidor
constituído por uma roda de aletas fixas ou móveis que regulam o caudal
e o tubo de saída da água.
❑ Estas turbinas se utilizam em quedas úteis superiores aos 20 metros até
400 m, e possuem uma grande adaptabilidade a diferentes quedas.
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❑ A usina hidrelétrica de Itaipu assim como a usina hidrelétrica de Tucuruí,
a grande maioria das usinas do sistema Chesf (exceto Sobradinho e
Apolônio Sales que usam Kaplan), Furnas e outras no Brasil funcionam
com turbinas tipo Francis com cerca de 100 m de queda d' água.
❑ As turbinas Francis, comparada às Pelton, têm um rendimento máximo
mais elevado, velocidades maiores e menores dimensões.
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➢ Turbinas Kaplan e Hélice 
São turbinas de reação, adaptadas às
quedas baixas de até 60 m e vazões
elevadas. São constituídas por uma
câmara de entrada que pode ser aberta ou
fechada, por um distribuidor e por uma
rotor com quatro ou cinco pás em forma
de hélice.
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❑ Quando estas pás são fixas diz-se que a turbina é do tipo Hélice. Se as
pás são móveis, o que permite variar o ângulo de ataque por meio de
um mecanismo de orientação que é controlado pelo regulador da
turbina, diz-se que a turbina é do tipo Kaplan.
❑ As turbinas Kaplan são reguladas através da ação do distribuidor e com
auxílio da variação do ângulo de ataque das pás do rotor o que lhes
confere uma grande capacidade de regulação.
❑ A Usina de Três Marias funciona com a turbina Kaplan.
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➢ Escolha preliminar do tipo de turbina 
❑ Turbinas são máquinas para converter energia hidráulica em energia
elétrica.
❑ Para selecionar o modelo de turbina mais adequado para cada instalação,
vários fatores devem ser levados em consideração, entre eles queda, vazão
e velocidade de rotação.
❑ As turbinas Pelton operam mais economicamente com cargas acima de 300
m. Cargas de até 300 m são possíveis para turbinas Francis e para turbinas
Hélice são normalmente usadas para cargas menores que 30 metros.
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➢ Classificação das Turbinas de acordo com a variação da pressão estática:
✓ Turbinas de Ação ou Impulso;
✓ Turbinas de Reação ou Propulsão;
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▪ Ação ou Impulso:
Quando o escoamento através do rotor ocorre sem variação de pressão, ou
seja, nestas turbinas a pressão estática permanece constante entre a entrada
e saída do rotor. O trabalho mecânico é obtido pela obtenção da energia
cinética da água em escoamento através do rotor.
Ex: (Pelton, Turgo, Michel- Banki)
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• Turbinas de Ação (Impulso) a energia potencial hidráulica da queda d’água
é toda convertida em energia cinética, para depois incidir nas pás do rotor
e ser convertida em energia mecânica rotacional;
• Transferência de energia ocorre em pressão atmosférica;
• Adequadas para altas quedas e baixas vazões.
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▪ Reação: 
Quando o escoamento através do rotor ocorre com variação de pressão, ou
seja, a pressão estática diminui entre a entrada e saída do rotor. O trabalho
mecânico é obtido pela transformação das energias cinéticas e de pressão da
água em escoamento através do rotor.
Ex: Francis, Kaplan e Hélice
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• Turbinas de Reação possui pouca variação de velocidade e grande variação
na pressão;
• O rotor é submergido em um redemoinho de água;
• Ocorre diminuição de pressão a medida que a água atravessa a turbina:
Pentrada > Psaída;
• Adequada para baixas quedas e altas vazões.PPGEE - UFC / fevereiro de 2011 Renato Sampaio H. de Oliveira 19
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As três principais tecnologias de turbina hidráulica utilizadas para geração de
energia elétrica diferem entre si, sobretudo, devido ao seu princípio de
funcionamento:
✓ Pelton: 100% ação (impulso);
✓ Kaplan: 100% reação;
✓ Francis: parte ação e parte reação.
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Quanto à posição relativa entre o eixo de rotação da turbina e o fluxo de
água proveniente do conduto forçado:
✓ Pelton: 100% tangencial (ortogonal);
✓ Kaplan: 100% axial;
✓ Francis: misto, entrada tangencial e saída axial.
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➢ Componentes de uma Turbina Hidráulica
▪ Caixa espiral, 
▪ Distribuidor, 
▪ Rotor e eixo, 
▪ Tubo de sucção.
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▪ Caixa espiral 
É uma tubulação de forma toroidal que envolve a região do rotor. Esta parte 
fica integrada à estrutura civil da usina, não sendo possível ser removida ou 
modificada. O objetivo é distribuir a água igualmente na entrada da turbina. 
É fabricada com chapas de aço carbono soldadas em segmentos. A caixa 
espiral conecta-se ao conduto forçado na secção de entrada, e ao pré-
distribuidor na secção de saída.
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▪ Distribuidor 
O distribuidor é composto de uma série de 18 a 24 palhetas móveis, acionadas
por um mecanismo hidráulico montado na tampa da turbina (sem contato
com a água). Todas as palhetas têm o seu movimento conjugado, isto é, todas
se movem ao mesmo tempo e de maneira igual.
O distribuidor controla a potência da turbina, pois regula vazão da água. É um
sistema que pode ser operado manualmente ou em modo automático,
tornando o controle da turbina praticamente isento de interferência do
operador.
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✓ Elemento estático cuja finalidade é:
• Acelerara o fluxo de água transformando a energia
• Dirigir a água para o rotor
• Regular da vazão
• Pode ser do tipo injetor em turbinas de ação ou de forma axial ou semi axial 
em turbinas de reação.
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▪ Rotor e Eixo 
O rotor da turbina é onde ocorre a conversão de energia hídrica em potência 
de eixo.
Elemento fundamental das turbinas. Formado por uma serie de pás palhetas.
Neste elemento se produz a transformação de energia hidráulica da queda de 
água em energia mecânica, originada pela aceleração e desvio do fluxo.
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▪ Tubo de sucção 
Também chamado de tudo de aspiração, é o duto de saída da água,
geralmente com diâmetro final maior que o inicial, desacelera o fluxo da água
após esta ter passado pela turbina, devolvendo-a ao rio parte jusante da casa
de força.
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Aplicação
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Exercício 1: Na usina de Três Marias (Rio S. Francisco), cada turbina Kaplan
produz 91.156 [CV] com uma vazão de 150 [m3 /s] e altura de queda de 50
[m]. Calcule o rendimento total.
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Aplicação
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Exercício 2: Utilizando o gráfico para a determinação preliminar da potência 
máxima da turbina a seguir e sabendo que os dados do projeto são vazão de 
7163 m3/s, altura bruta 60,0 m e rendimento total igual a 75%, determine:
a) Qual a Potência máxima para as Turbinas Francis e Kaplan?
b) Qual a potência Bruta do projeto?
c) Qual a potência elétrica do gerador?
d) Quantas turbinas Francis e Kaplan são necessárias?
e) Qual será adotada, analisando pela quantidade?
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Aplicação
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Aplicação
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Exercício 3: Deseja-se projetar uma usina hidrelétrica com queda bruta de
220 m e vazão de 7,5 m3/s. Para isso, será utilizada turbina Francis que
possui uma tubulação forçada de ferro fundido novo com 600 m de
comprimento e 2,5 m de diâmetro. Determine:
a) A queda hidráulica disponível, ou seja, a altura nominal da turbina;
b)Trabalho disponível;
c) Velocidade de rotação da turbina (em rps e em rpm);
d) Potência hidráulica e no eixo da turbina, supondo seu rendimento 92%.
e) Potência Elétrica, supondo rendimento do gerador 95%.
f) Os rendimentos do sistema de admissão e total do aproveitamento;
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Obrigada!
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