RELATORIO LACTEC INDEX TEST UNIDADE 1 PCH CAJU

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INSTITUTO DE TECNOLOGIA 
PARA O DESENVOLVIMENTO RELATÓRIO 
DOCUMENTO Nº 
0688 – R0 
ENDEREÇO 
Centro Politécnico da UFPR - Caixa Postal 19067 - CEP 81531-980 - Curitiba - PR 
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DOC - 14 Data: jan/2011 Revisão: 04 
 
TÍTULO: DETERMINAÇÃO DO RENDIMENTO RELATIVO ATRAVÉS 
DO ENSAIO DE ÍNDICE E DA CONJUGAÇÃO DAS PÁS 
DO ROTOR DA UNIDADE #1 DA PCH CAJU 
OBJETO/ESCOPO: Determinação do rendimento relativo através do ensaio de 
índice e da conjugação das pás do rotor da Un#1 
REVISÕES: RA Emissão inicial 
 
 RB Ajustes conforme e-mail de 26/09/2011 
 RC Incluída queda bruta e líquida do ensaio na Tabela 1. Incluído 
gráfico na conclusão 
 R0 Revisão Final 
 
 
SOLICITANTE/DESTINATÁRIO: HISA – Hidráulica Industrial S.A. 
 
NÚMERO DE ANEXOS: 
 
 
EAQ 
Ensaios e análises qualificados 
 
SET 
Serviços tecnológicos, consultoria 
 
TRA 
Transferência de conhecimentos 
 
P&D 
Projetos 
 
OUTROS 
Especificar: 
EQUIPE TÉCNICA: 
• Luciano Fedalto – Engenheiro Mecânico – 
Pesquisador 
• Leonardo Meneghini Pires – Engenheiro 
Mecânico 
• Luís Gustavo Tomal Ribas - 
RELATOR RESPONSÁVEL: 
João Nestor Stenzel 
Engenheiro Mecânico – CREA – PR 002226D 
DPME 
APROVAÇÃO: 
Lauro Elias Neto 
Gerente da Área de Mecânica e Emissões - 
DPME 
 
 
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ÍNDICE 
1. OBJETIVO .................................................................................................................................... 3 
2. CARACTERÍSTICAS DA TURBINA E DO GERADOR ................................................................. 3 
2.1 TURBINA KAPLAN TIPO “S” MONTANTE ............................................................................ 3 
2.2 GERADOR ............................................................................................................................ 3 
3. EQUIPAMENTOS UTILIZADOS ................................................................................................... 3 
4. ENSAIO PARA DETERMINAR O RENDIMENTO RELATIVO E A CONJUGAÇÃO DAS PÁS DO 
ROTOR ................................................................................................................................................ 4 
5. CONCLUSÃO ............................................................................................................................. 10 
ANEXO 01 Exemplo de cálculo Rotor com 30% de abertura ...................................................... 13 
ANEXO 02 Exemplo de cálculo Rotor com 75% de abertura ...................................................... 21 
ANEXO 03 Certificado de calibração Wattímetro ........................................................................ 28 
ANEXO 04 Certificado de calibração Transdutor de Pressão ..................................................... 32 
ANEXO 05 Certificado de calibração Transdutor Diferencial ....................................................... 34 
 
 
 
 
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1. OBJETIVO 
O objetivo dos ensaios realizados na unidade #1 da PCH CAJU no período 
de 08 a 11/08/2011 foi o de determinar o rendimento relativo através do 
ensaio de índice e o de verificar a conjugação das pás do rotor em função 
à abertura do distribuidor para queda líquida de 28,87 m. O ensaio foi 
realizado conforme norma IEC 60041, Cláusula 15. 
2. CARACTERÍSTICAS DA TURBINA E DO GERADOR 
2.1 TURBINA KAPLAN TIPO “S” MONTANTE 
• Potência Mecânica ................................................................................. 5.150 kW 
• Queda Líquida Nominal ........................................................................... 28,87 m 
• Vazão Nominal ..................................................................................... 20,05 m³/s 
• Rotação.................................................................................................... 360 rpm 
2.2 GERADOR 
• Potência Aparente ............................................................................... 5.420 kVA 
• Tensão Nominal ....................................................................................... 6.900 V 
• Fator de Potência Nominal............................................................................. 0,92 
• Velocidade Síncrona ................................................................................ 360 rpm 
3. EQUIPAMENTOS UTILIZADOS 
a) Potência na saída do gerador (Anexo 03) 
• Wattímetro Yokogawa 
• Modelo: 7605-03 WT230 
• Nº. de série: 27D115905 
b) Pressão diferencial na entrada e antes do distribuidor (Anexo 05) 
• Transdutor diferencial Rosemount de ± 250 mbar 
• Modelo: 1151 
• Nº. de série: 2349228 – 07/06 
c) Pressão na entrada da turbina (Anexo 04) 
 
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• Transdutor Rosemount de 0 a 10,3 bar 
• Modelo: 3051 
• Nº. de série: 0498281 
d) Níveis – 
• Nível Montante antes das Grades: Vegawell 52 n° de Série 20020944. 
• Nível Montante depois das Grades: Vegawell 52 n° d e Série 20020943. 
• Nível Jusante: Vegawell 52 n° de Série 20020942. 
4. ENSAIO PARA DETERMINAR O RENDIMENTO RELATIVO E A CONJUGAÇÃO 
DAS PÁS DO ROTOR 
A determinação da conjugação entre as pás do rotor e as palhetas do 
distribuidor de uma turbina de dupla regulação para operação em seu 
melhor rendimento é realizada através do ensaio de índice. Neste ensaio é 
realizada a medição da pressão diferencial entre duas tomadas 
piezométricas adequadamente instaladas. No caso de uma turbina com 
caixa espiral estes pontos são localizados em uma seção radial da caixa 
espiral sendo que a tomada de alta pressão é localizada na geratriz 
externa da caixa e a tomada de baixa pressão próxima ao distribuidor.No 
caso de uma turbina “S” como a da PCH Caju foi necessária a instalação 
destas tomadas de modo que fornecessem uma pressão diferencial, 
semelhante à figura 68 da Cláusula 15.2.1.3 da IEC 60041. A tomada de 
alta pressão foi instalada em quatro orifícios antes da curva de entrada da 
turbina e a tomada de baixa pressão foi utilizada a existente antes do 
distribuidor. 
O ensaio foi realizado fixando-se as pás do rotor de 30 a 75 % e variando-
se as palhetas do distribuidor de 30 % à abertura necessária para reduzir o 
rendimento em cada um daqueles patamares, respectivamente. 
Com os dados obtidos, foi calculado o rendimento relativo, vazão relativa e 
queda líquida pelo método de índice como é mostrado nos exemplos 
 
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chamados de 30 e 75 % de abertura do rotor nos Anexos 01 e 02. Os 
dados obtidos foram transferidos para a Tabela 1 (página 6). 
Esta Tabela apresenta os seguintes valores: 
a) CSM = Curso do Servomotor, variável; 
b) Abertura do rotor: Fixo na abertura do ensaio; 
c) Potência do Gerador obtido do Wattímetro item 3. a); 
d) Potência da Turbina obtida através de 
PT
PG
ηG
:=
 ; 
e) Rendimento Relativo obtido através de 
ηrel
PT
Wk
:=
; 
f) Queda Bruta do Ensaio obtida com os transdutores Nível Montante antes das 
Grades e Nível Jusante; 
g) Queda Líquida do Ensaio obtida por iteração como mostra o Anexo 01, páginas 5/7 
a 6/7; 
h) Vazão relativa na queda do ensaio obtida por iteração como mostra o Anexo 01, 
páginas 5/7 a 6/7; 
i) Vazão Corrigida para 28.87 m obtida através de Q K Wk⋅:= ; 
j) Vazão Corrigida para 28.87 m em porcentagem da vazão nominal 20.05 m³/s 
obtida através de 
Q%c
Qsp
20.05
:=
; 
k) Potência da Turbina Corrigida para 28.87 m obtida através de 
Psp PT
28.87m
HT






1.5
:=
; 
l) Rendimento Relativo ao Modelo para 28,87 m obtido por interpolação de 
η
C Psp1⋅
Wksp
:=
 . 
 
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Tabela 1 
 
 
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O ponto máximo de cada rendimento relativo da expressão 
ηrel
PT1
Wk
 é 
feito coincidir com o ponto correspondente da curva Rendimento – 
Potência x Vazão do Gráfico 1 (chamado de rendimento contratado). 
 
 
Gráfico 1: Rendimento e Potência na Queda Nominal 
A vazão relativa é obtida por iteração como é mostrada na página 5/7 do 
Anexo 01. 
Para uma melhor definição do ponto máximo, foi feito o ajuste das curvas 
através de interpolação como mostra a Tabela 2. 
 
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Tabela 2 
 
 
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Os valores do rendimento relativo para cada abertura do rotor da turbina 
são levantados em função da vazão em porcentagem da vazão nominal de 
20,05 m³/s como mostra o Gráfico 2. Estas são as curvas para abertura do 
rotor de 31%, 41,2%, 51,1%, 56,4%, 65,8% e 75,8%. Uma tangente 
envoltória aos máximos destas curvas obtém-se o rendimento relativo. 
Esta envoltória é praticamente coincidente com a curva de rendimento 
contratado do Gráfico 1, dentro da margem de erro de 0.2% como mostra 
o Gráfico 2. Neste gráfico estão plotadas também as aberturas do 
distribuidor correspondentes, obtendo-se na mesma abscissa do ponto 
máximo ou tangente da abertura do rotor o valor da conjugação do 
distribuidor. Estes pontos estão apresentados na Tabela 3 e Gráfico 4. 
Para a implementação destes valores no regulador estes foram ajustados 
para uma curva suave, obtendo-se os valores da Tabela 4 e plotados no 
Gráfico 4. Para a abertura do distribuidor de 0% o rotor deverá estar com 
uma abertura tal para evitar esforços sobre o mancal de escora na partida 
e ajuda na frenagem durante a parada. Para 10, 20 e 30 % de abertura do 
distribuidor deverá ser verificada a melhor conjugação para evitar 
cavitação. 
 e plotados no Gráfico 4. Para a abertura do distribuidor de 0% o rotor 
deverá estar com uma abertura tal para evitar esforços sobre o mancal de 
escora na partida e ajuda na frenagem durante a parada. Para 10, 20 e 30 
% de abertura do distribuidor deverá ser verificada a melhor conjugação 
para evitar cavitação. 
 
 
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Gráfico 2: Rendimento Relativo, Curva de Conjugação da Un #1 
 
Tabela 3: Pontosde valores máximos ou tangente às curvas 
ENVOLTÓRIA E ABERTURA DO DISTRIBUIDOR 
Vazão 
(%) 
Rendimento 
Relativo 
(%) 
Abertura do 
Distribuidor 
(%) 
Abertura do Rotor 
(%) 
57 89.45 42.78 31.0 
73 90.84 53.05 41.2 
81 91.32 55.90 51.1 
87 92.03 58.08 56.4 
97 92.38 65.19 65.8 
108 92.51 69.32 75.8 
 
5. CONCLUSÃO 
Como mostra o Gráfico 3 o rendimento relativo obtido no ensaio para a 
queda líquida nominal de 28,87 m, está dentro da incerteza de 0,2 % do 
 
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ensaio comparando-se com o “rendimento contratado”, menor que o erro 
de 2 % normalmente usado para este tipo de ensaio. 
 
Gráfico 3: Rendimento Relativo do ensaio e Rendimento Contratado 
 
 
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Tabela 4 
 
 
Gráfico 4 
 
 
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ANEXO 01 
Exemplo de cálculo 
Rotor com 30% de abertura 
 
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PARA O DESENVOLVIMENTO RELATÓRIO 
DOCUMENTO Nº 
0688 – R0 
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PARA O DESENVOLVIMENTO RELATÓRIO 
DOCUMENTO Nº 
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ANEXO 02 
Exemplo de cálculo 
Rotor com 75% de abertura 
 
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DOCUMENTO Nº 
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ANEXO 03 
Certificado de calibração 
Wattímetro 
 
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ANEXO 04 
Certificado de calibração 
Transdutor de Pressão 
 
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ANEXO 05 
Certificado de calibração 
Transdutor Diferencial 
 
 
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