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Acadêmicos: Adriano Fernades de Barros Valmor Schirmann Filho Professor: Imar de Souza Soares Junior Sobre Turbinas hidráulicas Turbinas hidráulicas são máquinas de fluxo de longa história,que vêm sendo projetadas, construídas e colocadas em operação há cerca de duzentos anos. Inicialmente, foram utilizadas como substitutas das milenares rodas de água no acionamento de moinhos,teares e pequenas manufaturas. A esquerda rodas d’água e a direita os primeiros modelos de turbinas hidráulicas Requisitos técnicos Deve possibilitar o aproveitamento da diversidade de saltos do sistema, cobrindo ampla faixa de alturas e vazões disponíveis; O aproveitamento deve efetuar-se com bons valores de rendimento e com boas características hidrodinâmicas, O eixo/árvore poderá dispor-se horizontal,inclinado ou verticalmente A velocidade angular deve ser a mais elevada possível Deve apresentar boa regulagem Todos os elementos importantes, especialmente os órgãos de regulagem e mancais,devem ser de fácil manutenção. Nota:As modernas turbinas hidráulicas dos tipos Pelton , Francis, Kaplan e Hélice , cumprem bem todas essas condições, superando largamente outros tipos de motores hidráulicos e competindo economicamente com outras máquinas motoras, como os motores diesel e as turbinas a vapor e a gás. O aproveitamento dos recursos hídricos no Brasil para a geração de energia elétrica foi iniciado no final do século XIX, inicialmente com o aproveitamento através de Pequenas Centrais Hidrelétricas. Porém intensificou-se após o término da Segunda Guerra Mundial, pois houve no país um grande processo de industrialização, ocasionando o aumento da demanda por energia elétrica(criação da ELETROBRÁS,).Essa grande demanda por energia fez com que surgissem grandes empresas estatais(estaduais e federais) e construções de usinas de grande porte. Só depois de esgotados os principais aproveitamentos dos grandes recursos hídricos, com políticas de proteção ambiental restringindo a construção de grandes reservatórios, é que as chamadas PCH’s (Pequenas Centrais Hidrelétricas) A turbina Kaplan é muito utilizada em usinas hidrelétricas de pequenas quedas e de grandes vazões. Devido ao grande impacto ambiental que usinas de grande porte causam, as pequenas centrais vem sendo uma solução à solicitação energética do país USINAS HIDRELÉTRICAS A força da água foi percebida pelo homem desde as antigas civilizações. Há registro de esquemas elaborados cerca dos anos de 2500 a.C. Muitas aplicações foram desenvolvidas na busca de melhoria da qualidade de vida das civilizações,mas, somente em 1751, Euler desenvolveu a “equação turbina”, como nomeado por ele, em que descreve a correlação entre o fluxo de água e a performance da turbina, que ainda hoje é a base técnica da tecnologia. Esta teoria só foi possível ser desenvolvida graças ao físico Johan Andréas von Seguer que, em meados do século XVIII, construiu a primeira máquina de alta pressão. A energia oriunda da força da água, ou seja, hidráulica, se apóia em dois fatores básicos: a altura da queda da água e o volume de água disponível, como pode ser observado abaixo Energia ~ queda x volume Definição de uma Usina hidrelétrica A concepção básica de uma usina hidrelétrica é uma barragem de concentração de armazenamento de água, um conduto para condução da água até a casa de máquinas, onde estão as turbinas/geradores. A energia disponível na água, em razão da altura da queda e do volume, é convertida em energia mecânica por meio da turbina que, através do eixo, transmite a energia mecânica ao gerador elétrico que, por sua vez, converte esta energia mecânica em energia elétrica. As Usinas Hidrelétricas são construídas harmonizando construção civil,equipamentos mecânicos e equipamentos elétricos Barragem – consiste na contenção da água, por meio de concreto ou terra para represamento do volume especificado em projeto. Neste barramento,haverá uma local onde a água será conduzida para a casa de máquinas, chamada de tomada d’água. Casa de força – obra de construção civil em que se localizam as unidades geradoras da usina. Nesta unidade, encontram-se as turbinas mecânicas,os geradores elétricos e todos os equipamentos elétricos e auxiliares de operação da usina Subestação – local onde se localizam o transformador elétrico de energia e os equipamentos de conexão e de segurança, protegendo a usina de eventuais problemas técnicos que possam ocorrer na linha de transmissão. NOTA: Apesar de haver equipamentos elétricos, auxiliares, transformadores e etc. Que demandam elevados graus de desenvolvimento técnicos e, portanto, são indispensáveis à operação e à qualidade da usina hidrelétrica, cabe às turbinas hidráulicas o papel de peça chave na determinação da concepção técnica de uma usina hidrelétrica. Os principais tipos de turbinas hidráulicas se classificam em Pelton, Francis e Kaplan. Fotos Turbinas Francis Fotos Turbinas Pelton Características das principais turbinas Tipo Queda d’água Vazão de água Performance Pelton Alta Baixa Baixa Aproximadamente 90% Francis Alta e média Alta e média Até 96% Kaplan Média e baixa Alta e média Até 95% Turbinas Kaplan A turbina tipo Kaplan foi inventada em 1912, por Viktor Grotav Franz Kaplan,um engenheiro austríaco. Alguns experimentos foram realizados com sucesso, mas a consolidação desta tecnologia veio a ocorrer em 1925, com a instalação de uma turbina de oito MW na UHE Lilla Edet, na Suécia. Esta usina é considerada como o marco definitivo de qualificação da turbina tipo Kaplan como a solução técnica ideal para usinas hidrelétricas com baixas quedas e altas vazões de água. A turbina Kaplan é responsável pela grande evolução na técnica de construção e aproveitamento de geração hidráulica, especialmente por apresentar excelente eficiência para aplicação em baixa queda e, em especial, variação da vazão turbinada, o que a difere tecnicamente das demais turbinas e, particularmente,em relação às turbinas tipo Francis. O grande diferencial técnico percebido por Viktor Kaplan foi fornecer à turbina a capacidade de se regular por meio da movimentação das pás das rodas da turbina, gerando um equipamento com uma significativa flexibilidade operacional obtida nas variações de vazões e de quedas. Formas de regular as pás de uma Turbina Kaplan A direita uma engrenagem planetária, Que produz movimento sincronizado para Todas as pás da turbina. Além de uma engrenagem A regulagem pode ser dada por um servomotor hidráulico A esquerda mais um modelo de engrenagem planetária, A direita modelo de servo-motor Vantagens : Ao longo do desenvolvimento das tecnologias de geração de energia hidráulica, as turbinas da família tipo Kaplan foram a causa de grande impacto no meio técnico. Isso se deve, ainda hoje, devido à ampla faixa de operação que esses tipos de turbinas se ajustam. Os dois componentes básicos do conceito da turbina Kaplan são: distribuidor capaz de regular a vazão de água à necessidade de geração e a roda da turbina capaz de se ajustar a variações que possam ocorrer nas quedas d’água. Essas habilidades técnicas da turbina tipo Kaplan conferem a ela o poder de conjugação queda X vazão adequadas, sendo estes quesitos não acessíveis às turbinas dos tipos Pelton e Francis. Quando se aplicam as turbinas do tipo Kaplan a projetos hidrelétricos é fornecida, à usina, uma capacidade suplementar de operação que tende a contribuir para ganhosenergéticos da usina. As turbinas da família Kaplan são dimensionadas para aproveitamentos de baixa queda Complementa-se a esta definição, em alguns casos, a capacidade de gerar energia com grandes vazões. A ausência de uma regulação técnica possibilita a aplicação de outros tipos de turbinas à baixa queda. Isso se deve, muitas vezes, pela busca de solução de baixo custo com turbinas do tipo Francis, em detrimento do benefício energético. A existência de uma regulação técnica mais rigorosa pode resultar em maior benefício de energia às usinas hidrelétricas classificadas como baixas quedas. A turbina Kaplan(dotada de pás móveis) mantém alta eficiência em ampla faixa de variação de carga”, sugere reconhecimento da versatilidade técnica da turbina Kaplan. A definição de máquinas diferentes para manter o mesmo nível de eficiência pode onerar o projeto ou deixar de maximizar a eficiência energética do aproveitamento hidráulico. O desenvolvimento técnico da turbina Kaplan vem ocorrendo lentamente o que pode ser notado com a recomendação crescente de aplicação a quedas d’água cada vez maiores. Isso significa o alargamento da faixa de aplicação e,conseqüentemente, transcende a tradicional faixa de aplicação de máquinas Francis. As turbinas da família Kaplan, concebidas para baixas quedas, estão em amplo desenvolvimento e já se aproximam para aplicação em projetos com, aproximadamente, 80 metros de queda d’água; É notório um avanço acentuado da Kaplan sobre a faixa de aplicação de turbinas Francis; A turbina Francis eleva sua faixa de operação à faixa da turbina Pelton. Turbina Bulbo Consiste em um modelo semelhante as Turbinas Kaplan. são adequadas para locais com pouca altura e muita vazão sua rotação pode variar de 600 a 1150rpm, diferente dos modelos Kaplan tradicionais .O que obriga a ter um gerador com grande número de pólos devido a sua rotação e seu diâmetro que geralmente são elevados Turbina da família Kaplan, tipo bulbo Partes de uma Turbina Hidráulicas Uma turbina é constituída por vários componentes, mostrados na Figura, dentre os quais podem-se citar cinco como principais: caixa espiral, pré-distribuidor, distribuidor,rotor e eixo, tubo de sucção. Estes são brevemente descritos a seguir Vista explodida de uma turbina Francis A caixa espiral é uma tubulação de forma toroidal que envolve a região do rotor. Esta parte fica integrada à estrutura da usina, não sendo possível ser removida ou modificada facilmente. Tem como função distribuir a água igualmente na entrada da turbina, e é fabricada em chapas de aço carbono soldadas em segmentos. Ela conecta-se ao Conduto Forçado na seção de entrada, e ao Pré-distribuidor na seção de saída. Caixa Espiral Pré-distribuidor: A função do pré-distribuidor é direcionar a água para a entrada do distribuidor. É composto de dois anéis superiores, entre os quais são montados um conjunto de 18 a 36 palhetas fixas, com perfil hidrodinâmico de baixo arraste, de modo a não gerar perda de carga e a não provocar turbulência no escoamento. É uma parte sem movimento,soldada à caixa espiral e fabricada geralmente com chapas de aço carbono O distribuidor,geralmente é composto de uma série de 18 a 36 palhetas móveis, acionadas por um mecanismo hidráulico montado na tampa da turbina, o qual não fica em contato com a água. Todas as palhetas têm seu movimento conjugado, isto é, todas se movem ao mesmo tempo e de modo igual. O acionamento é feito por um ou dois pistões hidráulicos que operam numa faixa de pressão de 20 bar nas mais antigas, até 140 bar nos modelos mais recentes. O distribuidor controla a potência da turbina, uma vez que regula a vazão de água. É um sistema que pode ser operado manual ou automaticamente, tornando o controle da turbina praticamente isento de interferência do operador. Distribuidor: Tubo de sucção: Tubo de sucção é um tubo de saída de água, geralmente apresentando um diâmetro final maior do que o inicial, desacelerando o fluxo de água após esta ter passado pela turbina e devolvendo-a ao rio na parte jusante da casa de força. No rotor da turbina ocorre a conversão do movimento do fluido em rotação do eixo. Rotor é tudo que gira em torno do seu próprio eixo, apoiado em qualquer tipo de estrutura que fornece sustentação, produzindo movimentos de rotação. Qualquer máquina rotativa, como turbinas, compressores, redutores, entre outros, possuem eixos rotativos apoiados em mancais de deslizamento, rolamento ou magnéticos. Esse conjunto é chamado de Rotor. ROTOR: Construção de rotores e componentes de turbina As turbinas hidráulicas e seus componentes podem ser fabricados de diferentes materiais e através de diferentes métodos. A escolha dos materiais deve levar em conta principalmente: custos, integridade estrutural, resistência à corrosão e à erosão por cavitação e facilidade de manutenção Em resumo, pode-se dizer que a escolha do material e do método de fabricação mais apropriados é feita objetivando- se componentes com a melhor relação custo-benefício e que garantam um bom desempenho quando em operação O processo de fabricação de rotores de turbinas hidráulicas é composto geralmente por duas etapas principais: fundição e soldagem. Em termos de materiais, há duas configurações típicas aplicadas: aço carbono fundido revestido por soldagem com aço inoxidável; ou aço inoxidável martensítico macio (AIMM) fundido do tipo CA-6NM,alternativa mais utilizada atualmente pelos fabricantes Inicialmente, a maioria dos rotores das turbinas hidráulicas e seus acessórios eram feitos de aços carbono-manganês (C-Mn) fundidos contendo em torno de 0,2% de carbono,sendo mais comum o de especificação ASTM A 27. As áreas dos rotores que fossem consideradas mais susceptíveis à erosão por cavitação eram protegidas por uma camada de revestimento soldada ou por placagem com um aço inoxidável austenítico, sendo este último um material mais resistente a este fenômeno. A partir da década de 70, grandes rotores e componentes começaram a ser fabricados em aços inoxidáveis martensíticos macios (AIMM) contendo 11 a 13%Cr e 1 a 6%Ni, sendo mais comumente utilizado ode especificação ASTM A 743 CA-6NM Esta mudança se deu, dentre outros fatores, a este último oferecer melhor soldabilidade do que os aços inoxidáveis martensíticos convencionais. além de maior facilidade de fundição tenacidade ao impacto cerca de três vezes maior, maior resistência à erosão por cavitação, à abrasão e a corrosão. Cavitação: O fenômeno denominado cavitação consiste na formação, evolução e colapso de bolhas de vapor ou de gás, que pode acontecer em fases líquidas em gradientes de pressão,tanto em condições estáticas como também em condições dinâmicas. De acordo com o teorema de Bernoulli, um fluido ao ser acelerado sofre uma redução da pressão estática, sendo que quando o mesmo passa, por exemplo, por um bocal ou uma válvula, a pressão pode cair a um valor menor que a pressão mínima em que ocorre a vaporização do mesmo (Pv) àquela temperatura, gerando as bolhas de vapor. Quando tais bolhas são levadas pelo fluxo até regiões onde a pressão estática local ultrapassa a pressão de vapor elas entram em colapso devido a uma condensação praticamente instantânea. Cavitação em Turbinas Hidráulicas: O fenômeno de cavitação tem sido de grande preocupação para o setor hidrelétrico, uma vez que pode ocorrer em qualquer estrutura hidráulica de uma usina, como por exemplo,no vertedouro , válvulas, canais,condutos, comportas e principalmente nas turbinas hidráulicas. Nas últimas décadas, o crescente tamanho das usinas hidrelétricas devido a razões econômicas levou a uma maior velocidade do fluxo de água nos equipamentos,o que conseqüentemente leva a uma maior susceptibilidade de falhas nos componentes hidráulicos, tanto através de erosão por corrosão como por cavitação. A erosão por cavitação causa danos nas superfícies os quais penetram até 10mm por ano em componentes críticos tais como palhetas de turbinas, carcaças ,rotores dentre outros Métodos para prevenir e controlar a cavitação em turbinas hidraúlicas: Utilização de modelos protótipos em menor escala para a definição de parâmetros de projetos, os quais, entretanto, não são totalmente confiáveis por não retratarem exatamente as mesmas condições de operação do projeto real e também devido aos problemas de escala Alongamento das palhetas ou aumento do número delas, estreitando e alongando os canais de distribuição entre as mesmas, de forma a uniformizar a distribuição da pressão e da velocidade do líquido no equipamento Injeção de ar em zonas de baixa pressão das rodas e dos tubos de sucção das turbinas, sendo que a quantidade de ar injetada será proporcional à rotação, já que em altas rotações o vácuo na saída das palhetas é maior e conseqüentemente maior é a chance de cavitação NOTA: Todas estas alternativas, entretanto, geram inconvenientes como a redução da eficiência e da potência da turbina, uma vez que impõem limitações às dimensões e velocidade da mesma. Considerando este fato, sob o ponto de vista do projeto, admite-se um certo grau de ocorrência de cavitação, desde que haja a possibilidade de reparos nas áreas cavitadas futuramente ou mesmo que se possa garantir uma alta resistência aos danos cavitacionais nas áreas mais críticas. Desta forma, é necessária a busca de um outro caminho para a solução do problema: a utilização de materiais mais resistentes à cavitação No Brasil, existe uma tendência ao monitoramento da cavitação nas turbinas hidráulicas através de sensores acústicos de altas freqüências (100 kHz a 1MHz) associados a hidrofones, transdutores de pressão e acelerômetros. Todos estes sistemas detectam a cavitação com sucesso, porém sistemas para a detecção da taxa de erosão de forma a definir com precisão a parada da unidade para reparo ainda se encontram em desenvolvimento Golpe de aríete e regulagem nas turbinas Chama-se golpe de aríete a elevação ou redução brusca de pressão que ocorre no escoamento variável, produzido pela interrupção brusca do escoamento de um líquido e na qual é importante considerar não só a compressibilidade do líquido como também a deformabilidade das paredes da canalização Alteração da vazão absorvida pela turbina, na partida ou na parada ou durante a operação O sistema de regulagem da turbina, deve atuar sobre o sistema diretor da máquina, variando o seu grau de abertura, de maneira a impedir sobre velocidades de rotação inadmissíveis do grupo turbina-gerador,quando ocorre rejeição de carga( redução total ou parcial do eixo da potência do eixo),evitando, ao mesmo tempo, tempos de fechamentos tão pequenos que possam provocar sobrepressões excessivas proveníentes do Golpe de Aríete Reparo de rotores e componentes de turbinas hidráulicas As turbinas hidráulicas são geralmente desenvolvidas para ter uma vida útil de cerca de 60 anos. Durante este período, ocorrem paradas para manutenção preventiva e preditiva e paradas forçadas, devido a circunstâncias não previstas, estas últimas podendo vir gerar altos custos. Cerca de metade das paradas programadas são para manutenção de equipamentos elétricos e a outra metade para a manutenção de turbinas e de seus respectivos componentes O reparo dos rotores é feito, principalmente, devido à erosão por cavitação e ao surgimento de trincas por fadiga, além do eventual reparo de possíveis defeitos de fundição durante a fabricação. Embora as trincas por fadiga sejam vistas com maior preocupação do que o dano cavitacional, este último é freqüentemente a causa da parada programada, uma vez que muda o perfil hidrodinâmico do equipamento, levando a altas tensões dinâmicas no rotor e nas estruturas associadas a ele, além de provocar queda na eficiência e redução da vida útil do equipamento A erosão por cavitação raramente causa uma parada forçada, no entanto ela aumenta significativamente o tempo gasto em uma parada programada para manutenção. A recuperação das partes danificadas é feita através de soldagem e, mais recentemente,também tem sido utilizado o recobrimento por aspersão térmica. Vários processos de soldagem têm sido utilizados nesta recuperação, entre os quais pode-se citar a soldagem com eletrodos revestidos , soldagem convencional ou pulsada com arames sólidos e tubulares com fluxo metálico e soldagem com arames tubulares com fluxo não metálico, sendo estes dois últimos os mais empregados atualmente. A escolha do melhor processo em cada caso depende de fatores tais como a posição de soldagem, acessibilidade e os custos de mão-de-obra, equipamentos e consumíveis Modelo Turbina Kaplan segundo fabricante Dimensionamento de Turbinas Fluxograma: Turbinas Francis, Kaplan e Pelton - rendimentos da turbina e potências Fluxograma: Turbinas Francis, Kaplan e Pelton rotação específica da turbina Fluxograma: Turbinas Francis, e Kaplan rotação específica do rotor Fluxograma: Turbinas Francis e Kaplan cálculo do rotor e tubo de sucção Fluxograma: Turbina Kaplan cálculo do rotor e tubo de sucção Fluxograma: Turbina Kaplan cálculo da caixa espiral Fluxograma: Turbinas Francis e Kaplan altura máxima de sucção Dimensões principais de rotores do tipo Kaplan DIÂMETRO INTERNO DA CAIXA ESPIRAL DIÂMETRO INTERNO DO ROTOR DIÂMETRO EXTERNO DO ROTOR DIÂMETRO DA ENTRADA DA ESPIRAL ALTURA DO DISTRIBUIDOR Perfis Aerodinâmicos Göttingen: Exemplo utilizando o dimensionamento do rotor Pelo método de vórtice potencial. Dext= 5.2m Dint=1.21m OBS: Para um calculo mais preciso divide o diâmetro em 5 partes iguais. A partir dos cinco diâmetros, determinaram-se as dimensões padronizadas dos perfis Göttingen . Nesta tabela, estão indicadas a abscissa cartesiana X da pá, a coordenada cartesiana superior Ys da pá e a coordenada cartesiana inferior Yi da pá. Modelos de Pás do rotor calculadas através de acordo com o perfil aerodinâmico adequado Perfis Aerodinâmicos Naca: Através da •Velocidade •Número de pás •Rotação e •Alguns outros fatores pode-se determinar o perfil de acordo com os perfis aerodinâmicos NACA Ao lado tabela com alguns perfis NACA Softwares: Já foi desenvolvido softwares que são capazes de dimensionar pequenas centrais hidrelétricas,um exemplo é o HIDRWATT: Com apenas alguns Dados de entradas É possível obter, Inúmeras informações: Dados de entrada: Turbina kaplan Q (vazão do rio) 250,00 m³/s H (altura ou queda) 25,00 m HL (altitude local) 650,00 m Resultados obtidos na simulação de dimensionamento de Turbina Kaplan Y (trabalho específico) = 242,25 J/kg n1 (rotação a partir de uma provisória)=1,517 rps Zp (nº pares de pólos do alternador)= 40 N (rotação da turbina) = 1,5 rps nqA (rotação específica da turbina) = 382,7 Nt (rendimento total) =0,92 nm (rendimento mecânico) = 0,95 Nh (rendimento hidráulico)= 0,968 Ph (potência hidráulica) = 61,313MW hsmax (altura máxima de sucção) = -0,743 m Qn (vazão do rotor) = 174,30 m³/s nqAn (rotação específica do rotor) = 319,55 D’e (diâmetro exterrno do rotor) = 7,204 m Di (diâmetro interno do rotor)= 4,085 m Bo (altura do distibuidor)= 2,449 m DE (diâmetro da entrada da espiral)= 9,709 m De (diâmetro interno da caixa espiral)= 10,755 m Ls (dimensão do tubo de sucção)= 18,514 m LL (dimensão do tubo de sucção)= 33,859 m Lh (dimensão do tubo de sucção)= 8,285 m Lb (dimensão do tubo de sucção)= 23,053 m Exercícios: Curiosidade: Obrigado pela Atenção. Bibliografia HENN, E. L. Máquinas de fluido. Santa Maria:Ed. UFSM, 2001. MICHELS, A. Proposta de Modelo para Pequeno Aproveitamento Hidro energético em Pequena Bacia Sujeito a Condicionantes Ambientais e de uso Múltiplo da Água. Porto Alegre. Tese (Doutorado em PROMEC) –Universidade Federal do Rio Grande do Sul– UFRGS, Porto Alegre, 1999. FEDRIZZI, M.C. Fornecimento de Água com Sistemas de Bombeamento Fotovoltaico. São Paulo, 1997. 161p. Dissertação (mestrado em Energia) Universidade de São Paulo. BONACORSO, N.G.; Automatização dos processos de medição de superfícies e de deposição por soldagem visando a recuperação de rotores de turbinas hidráulicas de grande porte. Florianópolis: Universidade Federal de Santa Catarina,2004. 96p. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica)
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