sfm-2014-aula-27

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Máquinas motrizes com a finalidade de transformar a maior parte da energia de
escoamento contínuo da água que atravessa em trabalho mecânico.
Primeira máquina motriz hidráulica: 
Rodas d´água (Virtruvio, 100 A.C.) 
Classificação
Segundo a variação de pressão estática
Turbinas de Ação ou Impulso.
• Nestas a pressão estática permanece constante entre a entrada e saída do rotor.
• Ex: Turbinas Pelton Turbinas Turgo Turbinas Michell-Banki
Turbina de Reação ou sobrepressão:
• A pressão estática diminui entre a entrada e saída do rotor.
• Ex: Turbinas Francis, Turbina Deriaz, Turbina Kaplan e de Hélice.
Segundo a direção do fluxo através do rotor:
• Turbinas de fluxo tangencial, radial (centrigufa e centrípeta), semi-axial e de fluxo 
axial.
Segundo a admissão do rotor:
• Turbinas de admissão parcial e total.
Atendendo a disposição do eixo de rotação, podem ser classificadas em:
• Turbinas de eixo vertical
• Turbinas de eixo horizontal
Componentes de uma turbina
Uma turbina compõe-se dos seguintes elementos :
Rotor - roda móvel, elemento principal, consiste numa série de pás ou conchas unidas a 
um eixo.
Distribuidor - parte fixa que serve de união entre o rotor e a tubagem forçada.
Tubagem forçada - conduz a água, sob pressão, até ao distribuidor.
Tubo de aspiração - Serve de união entre a turbina e a restituição para o rio. 
Turbina Zuppinger
Forom as primeiras turbinas que se utilizaram, introduzidas pela primeira chamada
roda tangencial Zuppinger desenvolvida pelo pelo engenheiro suíço de igual nome,
em 1846.
Turbinas de Acção
Turbina Schwamkrug, (1850)
Radial y centrífuga
Turbina Girard, (1863)
Axial com o rotor para fora da água; enquanto o canal não subir de nível, funciona
como uma turbina de ação normal, enquanto que se o nível subir eo rotor ficar imerso,
trabalha como uma turbina de reação, mas não nas melhores condições; atualmente não
é usada.
Turbina Michel, o Banki
O fluxo de água atravessa o rotor cilíndrico transversalmente com duas passagens pelas
pás. Se utiliza para pequenas e grandes quedas.
A faixa em que a turbina BANKI pode
trabalhar é muito vasta, com quedas em
torno de 200m e caudais reduzidos (20 l/s).
A turbina BANKI aplica-se aos
aproveitamentos hidroeléctricos de
pequenas potências até 2.000 kW, daí o
seu “reaparecimento” após anos de
esquecimento, devido ao entusiasmo que
se está a criar em torno das minihídricas.
considerada uma turbina de acção, na 
qual o fluxo de água atravessa o rotor 
cilíndrico transversalmente com duas 
passagens pelas pás.
Turbinas Pelton (1829-1908)
A principal característica é a velocidade do jato na de saída do bocal, que pode chegar,
dependendo da queda entre 150 a 180 m/s.
se clasifican generalmente por la posición del eje que mueven
Sendo que W2=kW1 Com k=0.8 
O ângulo θ é denominado ângulo de deflexão do jato. O ângulo da pá que utilizamos em 
bombas e ventiladores é dado como complemento do ângulo de deflexão β2 = 180 −θ
β2 tem um limite mínimo , em torno de 40
– 50, para permitir uma boa saída da água. 
Em geral β2 =100
dteórica HgV ⋅⋅= 21
dreal HgmV ⋅⋅= 21 m=0.97 -0.98
dreal HV 29.41 = Com m=0.97 
Velocidade absoluta de entrada (V1)
Velocidade tangencial ou periférica de entrada (U1)
2
1
1
teórica
teórica
VU =
h
teórica
real
VU η⋅= 2
1
1
Sendo o ηh=0.90 -0.92 
realreal VU 11 45.0 ⋅=
dHU 942.11 =
rU ⋅= ω
60
nDU ⋅⋅Π=
Velocidade relativa de entrada (W1)
111 UVW −=
Diâmetro do jato (do)
1
0
4
V
Qd ⋅Π=
Numero de pás (Z)
)7.012(15.1
0d
RZ ⋅+=
No caso ideal, sem atrito k=1 e θ=1800
(β2=0). Neste caso a eficiência máxima é 
100%.
• Na prática quando considera-se o atrito 
k=0,8 a 0,85.
• O ângulo da pá é geralmente. θ=1650.
A maior queda, em turbina PELTON, situa-se na Suíça, (Dixence) com 1750m e potência
de 65 MW.
A maior potência é gerada no aproveitamento de Cubatão (Brasil) com 719m de queda e 
110 MW
No século XVIII, Leonard Euler (1707-1783) desenvolveu uma roda de reação com
distribuidor fixo, verdadeira precursora da turbina.
O nome turbina deve-se a Claude Burdin (1790-1873). Seu seguidor Benoit Fourneyron
(1802-1867) construiu mais de 100 turbinas antes de falecer.
As turbinas radiais de Forneyron tornaram-se um grande sucesso desde o início e foram
utilizadas em toda Europa continental e nos Estados Unidos, principalmente para acionar
máquinas da industria têxtil. Foram também instaladas em Niaraga Falls para gerar energia
elétrica.
Na seqüência, em 1843, surge a turbina Jonval, projetada pelo também engenheiro francês
Feu Jonval. A turbina Jonval é axial e aceita uma vazão de água muito superior à da
turbina Fourneyron, além de operar eficientemente com quedas d’água muito inferiores.
Turbina Francis - James Bicheno Francis (1815-1892)
As turbinas FRANCIS classificam-se, segundo a velocidade específica em :
Lentas - diâmetro de saída sensivelmente menor que o de entrada.
Normais - diâmetro de entrada e saída são iguais.
Rápidas - diâmetro de saída maior que o da entrada.
Muito rápidas - o bordo de entrada das pás fica muito inclinado até ao eixo o que
lhe dá características de hélice.
Estas turbinas são rigorosamente centrípetas A distribuição da água sobre as pás do rotor, é 
feita por uma série de pás distribuidoras ou pás diretrizes - externamente reguladas - as 
quais distribuem a água de forma simétrica e simultânea em todas as pás do rotor.
a primeira turbina foi construída pela firma J.M. Voith em 1873
A água entra no rotor de forma radial e sai de forma axial.
Em operação, a água entra no rotor pela periferia, após passar através da pás diretrizes as 
quais guiam o líquido em um ângulo adequado para a entrada das pás do rotor, deixando o 
mesmo axialmente em relação ao eixo.
Água atua simultaneamente em todas as pás
Variação de 90º no escoamento entre entrada e saída
Altura de queda entre 45 e 750m
A turbina Francis pode ser executada tanto com eixo na horizontal quanto na vertical. 
A construção com eixo na horizontal, ou seja, a roda trabalhando verticalmente é 
utilizada para pequenas unidades.
Francis caixa aberta (até 10 m de queda), caixa espiral (acima de 10 m)
Partes Principais- Segundo Norma NBR 6445
• Caixa espiral: NBR 6445 conduzir o fluxo de água recebido da adutora até o 
distribuidor. Obs.: seções transversais reduzem-se.
• pré-distribuidor: pás fixas entre os anéis 4 e 5 –rigidez estrutural da caixa e pré-
orientação do escoamento para o distribuidor. 
Distribuidor
pás móveis entre os anéis - orientação do escoamento e controlar a vazão para o 
rotor
Acionamento: anel de regulação 1, movido por 1 ou 2 motores hidráulicos 
Tubo difusor (tubo de sucção) de turbina Francis
o ângulo das paredes do tubo de
aspiração com o eixo longitudinal
não ultrapassa os 6º.
Para Turbinas Francis o torque pode ser definido por uma análise do triângulo de
velocidades:
Turbina Kaplan (1876-1934)
A tendência e também a necessidade de se obter rotores mais velozes levou a
construção, por Victor Kaplan, das turbinas hélices. construiu-se uma turbina dotada de
um dispositivo de regulagem que possibilitasse as hélices acompanharem a variação
das aletas.
Assim as turbinas deste tipo, com pás móveis no rotor, passaram a ser chamadas de
turbinas Kaplan, enquanto as pás fixas receberam o nome de turbinas Hélice.
Recomendada para quedas menores e altas vazões (altas velocidades). Consiste
basicamente de um rotor, similar a hélice de navio, ajustada internamente na
continuação de um conduto, com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a
tubulação muda de direção.
As turbinas de rotor Kaplan podem ter suacarcaça disposta em formato tubular ou em
caixa espiral. O acionamento e ajuste das pás do rotor e diretrizes é feito de maneira
automatizada e, em conjugação sincronizada.
Turbina Kaplan.
Outra solução semelhante a Kaplan é a turbina tipo S
As turbinas axiais tipo "S" tem sua aplicação, principalmente para aproveitamento de
baixas quedas, entre 5 e 20 m, podendo em alguns casos chegar a 25 m de queda
A Alstom, em Taubaté, fornece este tipo de turbinas para alturas entre 3 e 22m,
vazões entre 9 e 50 m3/s e faixa de potência de 500 à 5000 kW, com diâmetros de
rotores que variam de 1,50 m até 2,65 m.
As turbinas Kaplan e Hélice têm normalmente o eixo vertical, mas podem existir
turbinas deste tipo com eixo horizontal, as quais se designam por turbinas Bulbo
ou de poço
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