Características de Funcionamento de Turbinas Hidráulicas

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Centro de Ciências Exatas e Tecnologia
Engenharia Mecânica
 8º Período 
Máquinas de Fluxo II
Prof. Dener Almeida
Características de Funcionamento de Turbinas Hidráulicas
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Máquinas de Fluxo I
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CARACT. DE FUNCIONAMENTO DE TURB. HIDRÁULICAS 
A geração de energia elétrica por meio de centrais hidrelétricas é de grande importância para o crescimento do Brasil;
Trata-se de uma forma de energia de baixo impacto ambiental quando comparada a outras formas de obtenção (energia nuclear e combustíveis fósseis);
Deve-se considerar em um projeto, mesmo de uma fonte de energia renovável, além dos aspectos técnicos e econômicos, as consequências ambientais e sociais do projeto;
O potencial disponível para a construção de grandes centrais está praticamente esgotado (Michels, 1991). 
Introdução
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CARACT. DE FUNCIONAMENTO DE TURB. HIDRÁULICAS 
Introdução
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CARACT. DE FUNCIONAMENTO DE TURB. HIDRÁULICAS 
Introdução
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CARACT. DE FUNCIONAMENTO DE TURB. HIDRÁULICAS 
Introdução
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CARACT. DE FUNCIONAMENTO DE TURB. HIDRÁULICAS 
Introdução
Pode-se utilizar os aproveitamentos da região Amazônica. Porém nesta região apresenta o quilowatt instalado possui um alto custo;
Desta forma, a viabilização de pequenos aproveitamentos hidroenergéticos de baixo custo e impacto ambiental apresenta-se como uma alternativa com grandes vantagens (meio rural)
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CARACT. DE FUNCIONAMENTO DE TURB. HIDRÁULICAS 
Objetivos
Tratar os componentes das centrais hidrelétricas, sobretudo das máquinas de fluxo motoras.
Estudar curvas características de funcionamento das máquinas motoras. 
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CARACT. DE FUNCIONAMENTO DE TURB. HIDRÁULICAS 
Centrais Hidrelétricas
Uma central hidrelétrica transforma em trabalho útil a energia hidráulica (cinética ou potencial) disponível em recintos de água;
A Eletrobrás classifica as centrais hidrelétricas de acordo com a potência:
microcentrais: ;
minicentrais: ;
 pequenas centrais: ;
 médias centrais: 
 grandes centrais: 
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CARACT. DE FUNCIONAMENTO DE TURB. HIDRÁULICAS 
Centrais Hidrelétricas
Figura 1. Minicentral hidroelétrica 
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Centrais Hidrelétricas
Figura 2. Central Hidrelétrica
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Centrais Hidrelétricas
Figura 3. Central Hidrelétrica com Turbina Francis
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Centrais Hidrelétricas
Figura 4. Central Hidrelétrica com Turbina Pelton
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CARACT. DE FUNCIONAMENTO DE TURB. HIDRÁULICAS 
Centrais Hidrelétricas
Figura 5. Central Hidrelétrica com Turbina Kaplan
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CARACT. DE FUNCIONAMENTO DE TURB. HIDRÁULICAS 
Centrais Hidrelétricas
A central hidrelétrica é constituída por:
barragem: 
aumenta o desnível de um rio para produzir a queda; 
regulariza as vazões mediante a criação de um grande reservatório;
eleva o nível da água para possibilitar a entrada da mesma em um conduto forçado ou em uma tubulação adutora.
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Tomada d’água: 
capta e permite o acesso da água à tubulação que a conduzirá à turbina; 
 apresenta: 
 - grades para impedir a entrada de corpos estranhos transportados pelo curso d’água que possam danificar as turbinas;
 - comportas de serviço para impedir, momentaneamente, o fornecimento de água (revisões e concertos);
 - comportas de emergência para fechamento da tomada d’água no caso de manutenção da comporta de serviço. 
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Centrais Hidrelétricas
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Centrais Hidrelétricas
conduto forçado: 
tubulação submetida à pressão interna pela qual a água é conduzida a casa de força. 
casa de força:
local onde estão instalados o gerador e a turbina. 
chaminé de equilíbrio:
encontra-se em instalações de grande altura de queda e grandes distâncias entre a tomada d’água e a casa de força;
separa o trecho de baixa e de alta pressão da tubulação. 
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Centrais Hidrelétricas
chaminé de equilíbrio:
impede que a onda de sobrepressão provocada pelo golpe de aríete se propague pela região de baixa pressão da tubulação;
fornece um rápido suprimento de água à turbina no caso de um brusco aumento da carga dos geradores.
câmara de carga: 
 substitui a chaminé de equilíbrio em micro e minicentrais hidrelétricas onde a alimentação do conduto forçado se realiza por meio de canais de superfície livre;
é uma expansão da extremidade do canal de modo a formar um pequeno reservatório, conectado à extremidade superior do conduto forçado.
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Centrais Hidrelétricas
Figura 6. Central Hidrelétrica com câmara de carga
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Centrais Hidrelétricas
Após acionar a turbina a água é restituída a um canal de fuga ou à calha natural do rio;
Isto é realizado de maneira direta em turbinas de ação;
No caso das turbinas de reação, a restituição é realizada por meio de um tubo de sucção.
Quando um tubo de sucção é empregado, a altura de queda bruta da central ou altura de queda geométrica é dada por:
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Centrais Hidrelétricas
Para turbinas de ação:
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CARACT. DE FUNCIONAMENTO DE TURB. HIDRÁULICAS 
Centrais Hidrelétricas
A altura de queda disponível ou salto energético específico expressa em altura de coluna d’água, H, é dada por:
onde:
altura disponível em 
altura de queda geométrica em 
perda de carga na tubulação ou perda de energia por atrito da água com as paredes da tubulação em .
(1)
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Golpe de Aríete e regulagem de turbinas hidráulicas
Golpe de aríete é uma variação brusca de pressão em um escoamento variável devido à interrupção brusca do escoamento líquido;
Há uma conversão da energia de velocidade da corrente líquida estancada em energia de pressão;
Atua em ondas alternadas de pressão ao longo do conduto forçado da central hidrelétrica;
Decresce com o tempo devido à dissipação de energia por atrito;
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Centrais Hidrelétricas
Figura 7. Golpe de Aríete
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Instalações de bombeamento
fechamento rápido da válvula;
desligamento súbito do motor de acionamento;
avaria do sistema de alimentação de energia
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Golpe de Aríete e regulagem de turbinas hidráulicas
O escoamento variável é devido à:
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Golpe de aríete e regulagem de turbinas hidráulicas
Turbinas hidráulicas
alteração da vazão absorvida pela turbina;
adaptação da potência gerada à demanda do sistema elétrico
A variação de vazão é comandada pelo regulador de velocidade, que atua sobre o sistema diretor da turbina.
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CARACT. DE FUNCIONAMENTO DE TURB. HIDRÁULICAS 
Golpe de aríete e regulagem de turbinas hidráulicas
A determinação das pressões extremas atingidas durante o fenômeno do golpe de aríete torna-se extremamente importantepara o correto dimensionamento de tubulações.
sobrepressão provocada pelo golpe de aríete ;
 comprimento do conduto forçado ;
 velocidade de escoamento da água antes do fechamento ;
 tempo de fechamento do sistema diretor da turbina . 
(2)
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Golpe de aríete e regulagem de turbinas hidráulicas
O sistema de regulagem da turbina deve atuar sobre o sistema diretor da máquina de maneira a impedir sobrevelocidades de rotação e sobrepressões excessivas provenientes do golpe de aríete.
Turbinas Pelton – defletor de jato sobre o rotor;
Turbinas Francis – válvulas de alívio ou de descarga automática;
Turbinas Kaplan – alteração da inclinação das pás pela atuação de mecanismos no interior do cubo do rotor e comandos pelo regulador de velocidade; 
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Golpe de aríete e regulagem de turbinas hidráulicas
Figura 8. Defletor de jato de uma turbina Pelton
O defletor desvia o jato d’água incidente sobre o rotor, permitindo um fechamento lento do sistema diretor;
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Golpe de aríete e regulagem de turbinas hidráulicas
Figura 10. Turbina Pelton com defletor de jato
Figura 9. Turbina Pelton sem defletor de jato
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CARACT. DE FUNCIONAMENTO DE TURB. HIDRÁULICAS 
Golpe de aríete e regulagem de turbinas hidráulicas
Nas turbinas Francis uma válvula de alívio desvia parte da vazão para o canal de descarga da turbina, enquanto o sistema diretor fecha lentamente.
Figura 11. Sistema diretor de turbina Francis
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Golpe de aríete e regulagem de turbinas hidráulicas
Turbinas kaplan não apresentem dispositivos para controle de sobrepressão;
No entanto, possuem sistemas de dupla regulagem, os quais possibilitam a mudança de inclinação das pás do rotor de modo a se adaptar à variação da inclinação das pás do sistema diretor;
Tal procedimento proporciona a manutenção de um alto rendimento para uma faixa bastante ampla de valores de vazão.
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Golpe de aríete e regulagem de turbinas hidráulicas
Figura 12. Mecanismo alojado no cubo de um rotor Kaplan
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Curvas características de turbinas hidráulicas
Alterando-se valores de projeto, tais como as demais grandezas também serão afetadas;
As curvas características podem ser obtidas de maneira analítica, ou semiempírica;
Para o traçado de tais curvas convém utilizar o Sistema Técnico de Unidades. 
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CARACT. DE FUNCIONAMENTO DE TURB. HIDRÁULICAS 
Curvas características de turbinas hidráulicas
Considera-se:
variáveis independentes
variáveis dependentes
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CARACT. DE FUNCIONAMENTO DE TURB. HIDRÁULICAS 
Curvas características de turbinas hidráulicas
O grau de abertura, , para turbinas Francis, Dériaz e Kaplan, é definido como a menor distância entre a cauda de uma pá do sistema diretor e a seguinte;
Para turbinas Pelton, o grau de abertura está relacionado com o curso da agulha do injetor;
Figura 11. Sistema diretor de turbina Francis, Kaplan e Pelton
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CARACT. DE FUNCIONAMENTO DE TURB. HIDRÁULICAS 
Curvas características de turbinas hidráulicas
Nas turbinas Michell-Banki, o grau de abertura é definido pela inclinação de uma única pá diretriz. 
Figura 12. Turbina Michell-Banki
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Curvas características de turbinas hidráulicas
Figura 13. Curvas para o mesmo grau de abertura de turbinas hidráulicas
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CARACT. DE FUNCIONAMENTO DE TURB. HIDRÁULICAS 
Curvas características de turbinas hidráulicas
Estas curvas podem ser traçadas mediante experimentos com o auxílio de modelos reduzidos; 
Utilizando-se as leis de semelhança, os resultados obtidos permitem a representação das curvas características e para diferentes valores de grau de abertura de determinada turbina.
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Curvas características de turbinas hidráulicas
Figura 14. Curvas para o mesmo grau de abertura de turbinas hidráulicas
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CARACT. DE FUNCIONAMENTO DE TURB. HIDRÁULICAS 
Curvas características de turbinas hidráulicas
Figura 15. Diagrama topográfico de uma turbina hidráulica
As duas curvas podem ser representadas em um único gráfico. 
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Curvas características de turbinas hidráulicas
Para cada ponto da curva retira-se o rendimento correspondente curva 
O ponto de máximo rendimento da turbina, corresponde ao cume da colina de rendimentos;
Para a velocidade de rotação da turbina corresponde a velocidade de disparo para cada grau de abertura ( e );
O máximo valor da velocidade de disparo corresponde à condição em as partes girantes da turbina e do gerador estão sujeita às maiores tensões. Desta forma, o conhecimento de tal parâmetro é fundamental para o dimensionamento do conjunto turbina-gerador. 
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Curvas características de turbinas hidráulicas
Para a (depende do tipo de turbina) a velocidade de disparo coincide com a rotação nominal da máquina;
Para , a velocidade de disparo corresponde, de maneira aproximada, ao dobro da rotação nominal da máquina 
A velocidade de disparo para turbinas Pelton é de a ;
Para turbinas Michell-Banki, .
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Curvas características de turbinas hidráulicas
Para turbinas do tipo Francis e Kaplan , geralmente, é relacionada com . Uma destas relações é dada por Sedille (1967): 
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Curvas características de turbinas hidráulicas
As curvas características para turbinas hidráulicas podem ser representadas utilizando-se grandezas unitárias e biunitárias.
Figura 14. Diagrama topográfico em grandezas unitárias
O uso das grandezas unitárias permite a correção de variações que surgem em ensaios experimentais;
Além disso, possibilita a obtenção do comportamento de uma mesma máquina para diferentes condições de operação;
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Curvas características de turbinas hidráulicas
As variáveis biunitárias podem ser aplicadas a toda as turbinas semelhantes, desde que estejam dentro dos limites impostos pela teoria da semelhança;
Figura 15. Diagrama topográfico em grandezas biunitárias para turbina Francis (teste com modelo reduzido – ITAIPU – rio Paraná)
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Curvas características de turbinas hidráulicas
Por meio do diagrama topográfico em grandezas biunitárias, juntamente com as equações representativas de tais grandezas e com a potência de eixo é possível obter as curvas características e em tamanho real;
Calcula-se inicialmente a velocidade de rotação biunitária, , através da equação:
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Curvas características de turbinas hidráulicas
Com este valor retira-se o rendimento total e o correspondente valor da vazão biunitária do diagrama. A vazão e a potência correspondentes a cada ponto de interseção são obtidas apartir da equações 5 e 6:
(6)
(5)
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Curvas características de turbinas hidráulicas
Figura 16. Curvas obtidas a partir do diagrama topográfico. 
O valor máximo da potência corresponde à máxima vazão, não ocorrendo o mesmo para o rendimento máximo;
Desta forma, é possível trabalhar com uma ampla faixa de vazões e elevados rendimentos;
No ponto de funcionamento em vazio a turbina não fornece potência útil no eixo.
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CARACT. DE FUNCIONAMENTO DE TURB. HIDRÁULICAS 
Curvas características de turbinas hidráulicas
Figura 17. Diagrama topográfico para turbinas hidráulicas do tipo Pelton
A utilidade dos diagramas topográficos com grandezas biunitárias pode ser constatada pela análise das figuras 15, 17 e 18.
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Curvas características de turbinas hidráulicas
Figura 18. Diagrama topográfico para turbinas Kaplan
O diagrama mostra que a aplicação das turbinas Kaplan para instalações de baixa altura de queda é mais adequada;
Para tal situação não é apropriada a utilização da turbina Francis (Figura 15);
A turbina Pelton é mais adequada para o trabalho em uma situação de variação de vazão do que as demais turbinas (Francis e Kaplan).
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Curvas características de turbinas hidráulicas
Figura 19. Curvas de rendimento em função da vazão para vários tipos de turbinas hidráulicas
Turbinas Pelton são mais indicadas para operação com descarga variável, sendo as do tipo Hélice menos adequadas;
A turbina Kaplan adapta-se bem à operação com vazão variável , sem perder as vantagens de uma turbina de grande operação com variação de altura de queda. 
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Curvas características de turbinas hidráulicas
Figura 20. Comparação das curvas características de uma turbina Michell-Banki com a curva característica de uma turbina Francis
Quando comparada com a turbina Francis, a Michell-Banki apresenta superioridade para faixa de baixa vazões; 
No entanto, a Francis apresenta rendimento máximo superior para elevadas vazões.
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