RELATORIO LACTEC INDEX TEST UNIDADE 2 PCH CAJU

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INSTITUTO DE TECNOLOGIA 
PARA O DESENVOLVIMENTO RELATÓRIO 
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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 #2 DA PCH CAJU 
OBJETO/ESCOPO: Determinação do rendimento relativo através do ensaio de 
índice e da conjugação das pás do rotor da Un#2 
REVISÕES: RA Emissão inicial 
 
 
 
 
 
 
 
 
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 ....................................................................................................................................... 12 
ANEXO 01 Exemplo de cálculo Rotor com 30% de abertura .......................................................... 13 
ANEXO 02 Exemplo de cálculo Rotor com 60% de abertura .......................................................... 20 
ANEXO 03 Certificado de calibração Wattímetro .............................................................................. 27 
ANEXO 04 Certificado de calibração Transdutor de Pressão.......................................................... 31 
ANEXO 05 Certificado de calibração Transdutor Diferencial ........................................................... 33 
 
 
 
 
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1. OBJETIVO 
O objetivo dos ensaios realizados na unidade #2 da PCH CAJU no período 
de 10 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 umaturbina “S” como a da PCH Caju foi necessária a instalação 
destas tomadas semelhante à figura 68 da Cláusula 15.2.1.3 da IEC 
60041, de modo que fornecessem uma pressão diferencial. 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. 
Deve-se observar que a abertura do rotor da unidade #2 é de 51 mm 
enquanto o da unidade #1 é de 56 mm. Portanto os resultados serão 
diferentes aos desta unidade. 
 
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O ensaio foi realizado fixando-se as pás do rotor de 28 a 80 % e variando-
se as palhetas do distribuidor de 20 % 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 no 
Anexo 01. 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 
G
G
T
PP
η
= ; 
e) Rendimento Relativo obtido através de 
Wk
PT
rel =η ; 
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 
05.20
% spc
QQ = ; 
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 
 
O ponto máximo de cada rendimento relativo da expressão 
Wk
PT
rel =η é 
feito coincidir com o ponto correspondente da curva Rendimento – 
Potência x Vazão do Gráfico 1 (chamado de rendimento contratado). 
 
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Gráfico 1: Rendimento e Potência na Queda Nominal 
A vazão relativa é obtida por iteração como é mostrada na página 5/6 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 28.5, 37.6%, 46.8%, 56,1%, 61.0%, 65.5%, 70.2%, 74.9% e 79,8% 
(os dois últimos pontos não foram utilizados devido a instabilidade da 
medição da pressão diferencial). A tangente envoltória aos pontos 
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 0.5% 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 3. 
Tendo em vista que, para a implementação destes valores no regulador, 
os valores de abertura do distribuidor deverão ser números inteiros, estes 
foram ajustados para uma reta no intervalo de 28 a 65% como mostra o 
Gráfico 3. A equação obtida para este intervalo é y = 1,3523x - 15,221 
fornecendo os valores de abertura do rotor da Tabela 4 neste intervalo. 
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 0, 10 e 20 % de abertura do 
distribuidor deverá ser verificada a melhor conjugação para evitar 
cavitação. Para abertura do distribuidor acima de 70% foi fixado o valor de 
80% para abertura do rotor. 
 
 
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Gráfico 2: Rendimento Relativo, Curva de Conjugação da Un #2 
 
Tabela 3: Pontos de valores máximos ou tangente às curvas 
 
 
 
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Gráfico 3 
 
Tabela 4 
 
 
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5. CONCLUSÃO 
Como mostra o Gráfico 4 o rendimento relativo obtido no ensaio para a 
queda líquida nominal de 28,87 m, está dentro da incerteza de ± 0,5 % do 
ensaio comparando-se com o “rendimento contratado”, menor que o erro 
de ± 2,0 % normalmente usado para este tipo de ensaio. Observa-se que a 
incerteza no ensaio da unidade #2 foi maior que o da unidade #1 (porém 
menor que os ± 2% comum para este tipo de ensaio) porque foi realizado 
ensaio com uma abertura final do distribuidor maior (71% na Un#2 contra 
65% na Un#1), região de maior instabilidade da medição da pressão 
diferencial (isto ocorre porque a tomada de baixa pressão está localizada 
entre o pré-distribuidor e o distribuidor). 
 
Gráfico 4: Rendimento Relativo do ensaio e Rendimento Contratado 
 
 
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ANEXO 01 
Exemplo de cálculo 
Rotor com 30% de abertura 
 
 
 
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PARA O DESENVOLVIMENTO RELATÓRIO 
DOCUMENTO Nº 
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ANEXO 02 
Exemplo de cálculo 
Rotor com 60% de abertura 
 
 
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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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