Aula04 Tur MAQUINA DE FLUXO

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Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva 
1 
Máquinas de Fluxo 
 
Prof. Dr. Emílio Carlos Nelli Silva 
 
 
Escola Politécnica da USP 
Departamento de Engenharia Mecatrônica e Sistemas 
Mecânicos 
 
 
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• Introdução 
Turbinas Hidráulicas 
• Apresentam-se as turbinas de uso mais comum 
• Características construtivas, operacionais, 
condições de aplicação limites de execução e 
instalação 
• Características operacionais e construtivas = 
escolha da melhor máquina para uma dada aplicação 
• São elas: Pelton, Francis e Kaplan e suas 
variantes 
• Formas menos comuns apenas citadas 
• Seguidas as normas brasileiras relacionadas 
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3 
• Turbina Pelton 
• Rotação específica: nq 20, número tipo K 0,364 
Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
 
• Máquinas de fluxo de ação: 
• Energia mecânica = transformação da energia cinética do 
fluxo de água através do rotor (NBR 6445) 
• Turbina Pelton: segundo norma NBR 6445, turbina de ação na 
qual o fluxo de água incide sob a forma de jato sobre o rotor que 
possui pás em forma de duas conchas. A direção dos jatos é 
paralela em relação ao plano do rotor. 
• Elevadas alturas de queda e conseqüentes pequenas 
vazões 
• Topografia brasileira não favorece Pelton de grande porte 
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• Turbina Pelton 
• Princípio de operação e partes principais 
Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• Número de jatos = função da vazão disponível – 1 a 6 
• Mesma Q – mais jatos = menores diâmetros = menores pás = 
menor rotor 
Turbina Pelton de 1 jato Corte da pá e velocidades. 
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• Turbina Pelton 
• Princípio de operação e partes principais 
Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• Partes principais – segundo norma NBR 6445 
Componentes principais (trabalho): 1- rotor; 2– injetor; 3– defletor 
Demais: 4– mancal de escora; 5- conduto de distribuição; 6- agulha; 7- 
acionamento do defletor; 8- anel de regulação; 9- anteparo para jato 
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• Turbina Pelton 
• Exemplos de turbinas Pelton 
Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
1- defletor; 2– agulha; 3– alavanca 
de posição; 4- transferidor; 5- braço 
de alavanca (transfere informação 
para sistema de regulação); 
• Posição da Agulha: define a vazão 
do jato: 
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• Turbina Francis 
• Rotação específica: 20 nq 100, número tipo 
0,364 K 1,82 
Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
 
 
• Máquinas de fluxo de reação: 
• Máquinas em que o trabalho está associado à variação de pressão 
e energia cinética no rotor 
• Exemplo: turbina Francis: segundo norma NBR 6445, turbina de 
reação na qual o fluxo de água penetra radialmente no distribuidor 
e no rotor, no qual as pás são fixas. 
• Outros: turbinas Kaplan e todas as bombas hidráulicas de fluxo 
• Altura de queda entre 45 e 750m – competem com Kaplan 
e Pelton 
• Grande parte da eletricidade gerada no Brasil 
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• Turbina Francis 
• Princípio de operação e partes principais 
Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
Rotor Francis 
• Água atua simultaneamente em todas as pás 
• Variação de 90o no escoamento entre entrada e saída 
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• Turbina Francis 
• Princípio de operação e partes principais 
Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• Partes principais – segundo norma NBR 6445 
Obs.: componentes adicionais (com relação à Pelton) 
• maior rendimento (2%) 
• projeto mais complexo e > custo de instalação, operação e 
manutenção 
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• Obs1.: menores curvaturas das pás  menos perdas no escoamento 
 maiores rendimentos das turbinas de reação 
• Obs2.: variação da direção do fluxo = esforços axiais no eixo 
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• Turbina Francis 
• Transformação de energia em turbinas de reação 
Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• Comportamento das pressões e velocidades: 
• Obs.: parte da energia de pressão  energia cinética (no distribuidor) 
• Equação de Euler: 
1u1u2u2uth cucuY 
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• Turbina Francis 
• Representação gráfica e indiciação em rotores Francis 
Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• Obs.: bombas – mesma indiciação 
• Projeções parciais em planta e elevação (a de cima), em corte => 
projeção meridiana: 
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• Turbina Francis 
• Formas construtivas de rotores Francis 
Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• Rotores correspondentes: projeção meridiana: 
• Tabela: formas construtivas das turbinas 
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• Turbina Francis 
• Exemplo: Usina de Victoria Falls 
Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
1- rotor; 
2– caixa espiral; 
3– mancais; 
4- gerador elétrico; 
5- excitatriz; 
6- válvula de esfera; 
7- comporta do tubo de 
sucção; 
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• Turbina Francis 
• Triângulos de velocidade na face de sucção (Saída) 
de turbinas Francis 
Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• Vazões diferentes => pontos ou condições de operação diferentes 
=> α’s diferentes 
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• Turbina Francis 
• Triângulos de velocidade na face de sucção (Saída) 
de turbinas Francis 
Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• β1
* = β1  saída sem choque; 
• Ponto de máximo rendimento 
• Condição de projeto: saída irrotacional  α1=90º  mínimo de dissipação 
na saída do rotor (sem rotação em torno do eixo do tubo de sucção) 
• Aumento de pressão ao longo do duto  reduz-se velocidade de rotação = 
redução de perdas! 
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• Turbina Francis 
• Triângulos de velocidade na face de pressão 
(Entrada) de turbinas Francis 
Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• Obs.1: comportamento diferente do da face de sucção; 
• Obs. 2: ponto ótimo   entrada sem choque (mínima dissipação) – 
condição de projeto 
*
22 
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17 Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• Turbina Kaplan 
• Rotação específica: 95 nq 310, número tipo 
1,729 K 5,642 
 
 
• Turbina de reação, na qual o fluxo de água tem direção radial no 
distribuidor, aproximadamente axial na entrada do rotor, analogamente às 
turbinas hélice, porém na qual as pás têm passo regulável em funcionamento 
• 2 variantes adicionais: hélice e bulbo 
• Altura de queda entre 2 e 60m – competem com Francis ultra rápidas em 
alturas de queda mais elevadas (> nq) 
• Alternativa onde há restrição quanto a área inundada (ex: proximidade com 
cidades) 
• número de pás: 4 a 8 – aumento = redução das tensões de flexão no eixo 
que suporta o conjunto, em balanço 
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• Turbina Kaplan 
• Princípio de operação e partes principais 
Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
Rotores 
Kaplan 
• Água atua simultaneamente em todas as pás 
• Kaplan de eixo vertical: variação de 90o no 
escoamento entre entrada do distribuidor e 
entrada do rotor 
• Bulbo: escoamento aproximadamente axial 
Rotor 
Andritz 
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• Turbina Kaplan 
• Princípio de operação e 
partes principais 
Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• Partes principais – segundo norma 
NBR 6445 
Obs.: partes específicas: rotor, caixa semi-
espiral (< 360o), cubo do rotor, ogiva e variador 
de rotação (= geradores menores) 
• Partes não mostradas:• Caixa semi-espiral 
• Tubo de sucção, pás fixas do pré-
distribuidor, e palhetas diretrizes 
do distribuidor (ver Francis) 
• Mecanismo de movimentação das 
pás: interior da ogiva 
ogiva 
cubo 
pá 
Usina Hidrelétrica de Estreito 
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• Turbina Kaplan 
• Representação gráfica e indiciação em rotores 
Kaplan 
Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• Projeções parciais em planta e elevação (a 
superior): projeção meridiana 
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• Turbina Kaplan 
• Exemplos de turbinas Kaplan 
Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• Kaplan de eixo vertical 
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22 
• Turbina Kaplan 
• Exemplos de turbinas Kaplan 
Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• Bulbo 
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• Formas construtivas adicionais 
• Aproveitamentos de menor porte = rotores iguais aos 
anteriores, mas com demais componentes mais simples 
• Ou novas formas de rotores, menos eficientes ou mais caras 
• Exemplo: Turbina Diagonal ou Dèriaz 
Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• Aplicadas em alturas de queda entre 30 e 130m 
• Custo elevado; características da Kaplan e Francis 
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24 Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• Formas construtivas adicionais 
• Turbina tubular com gerador periférico (Straight 
flow ou Straflo) 
• Reguláveis ou em forma 
hélice 
• Turbina e gerador = unidade 
integral = não há eixo ligando-
os 
• 1-Rotor, 10-Estator, 2-Pá, 8-
Tubo de sucção 
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25 Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• Formas construtivas adicionais 
• Turbina de fluxo transversal ou Michell-Bànki 
• Turbinas de ação 
• Simplicidade = pequenas 
centrais hidrelétricas 
• 6-válvula de aeração = impedir 
pressões muito abaixo da 
atmosférica  integridade 
estrutural da máquina 
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26 Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• Formas construtivas adicionais 
• Turbina para pequenos ou micro aproveitamentos 
• Também chamadas de “standard” pelos fabricantes = dimensões 
padrão e condições operacionais pré-definidas = aproveitamentos 
devem estar adequados às máquinas 
• Versões simplificadas e reduzidas das de grande porte = reduzir 
custos de fabricação e atingir mercado específico 
• Demanda limitada; aproveitamentos privados 
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• Partes componentes de turbinas 
• Caixa espiral e pré-distribuidor 
Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• 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. 
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• Partes componentes de turbinas 
• Distribuidor e acionamento das palhetas diretrizes 
Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• Distribuidor: pás móveis entre os anéis 4 e 5 – orientação do 
escoamento e controlar a vazão para o rotor. 
• Acionamento: anel de regulação 1, movido por 1 ou 2 motores 
hidráulicos 
Sistema 
hidráulico 
que controla 
as palhetas 
móveis do 
distribuidor 
Itaipu 
Eixo da 
turbina 
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• Partes componentes de turbinas 
• Tubo de sucção 
Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• NBR 6445 – 
finalidade: grande 
parte da energia 
cinética  energia de 
pressão + conduzir a 
água até o canal de 
fuga ou o início de 
uma nova estrutura 
hidráulica. 
• seção transversal 
crescente = aumento 
de pressão. 
• Máquinas Francis e Kaplan de eixo vertical 
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• Partes componentes de turbinas 
• Tubo de sucção 
Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• Máquinas Francis e Kaplan de eixo vertical 
• Hidrelétrica Norris: 
• Máquina 
Bulbo: 
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31 
• Partes componentes de turbinas 
• Mancais para turbinas 
Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• Deslizamento: sapatas intermediárias e filme de óleo sob pressão 
entre elas (submetido a resfriamento) 
• Mancal de escora • Mancal de guia • Mancal combinado 
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• Análise das formas construtivas 
Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• Escolha por rotação específica: superposição de formas construtivas. 
Exemplo: Francis e Kaplan 
• Objetivo: apresentação de informações técnicas sobre as principais formas 
construtivas visando permitir uma análise comparativa mais profunda 
• Além de aspectos técnicos: econômicos e de financiamento da obra 
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33 Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• Análise das formas construtivas 
• Rendimento comparado 
• Rendimentos máximos: Francis, Kaplan e Bulbo > Pelton 
• Rendimento em função da vazão: diverso 
• Obs.: Máquinas de ação: velocidade do jato depende da altura da queda e para 
altas quedas esta pouco varia => força do jato pouco varia => rendimento pouco 
varia 
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34 Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• Análise das formas construtivas 
• Rendimento comparado 
• Kaplan: segunda melhor curva (menor variação de η) – dupla 
regulação = mudar ângulo das pás na operação = busca da melhor 
condição operacional para cada vazão 
• Curva de rendimento da turbina Kaplan de dupla regulação: 
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35 Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• Análise das formas construtivas 
• Superposição das formas construtivas Pelton-Francis 
• Pelton: não afogada 
• Pelton: diâmetro menor, 
mas casa de máquinas maior 
• Francis: tubo de sucção: 
custo elevado 
• Operação sob 
mesma altura de 
queda e potência: 
• Fator de preço (ref.: Francis 20MW): • Relação de preços: fornecimento de conjunto 
completo de peças sobressalentes em aço inox 
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36 Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• Análise das formas construtivas 
• Superposição das formas construtivas Pelton-Francis 
• Tabela com principais características comparadas (Escher-Wyss): 
Tabela 4.3.6 –83 
• Obs.: Pelton – 
manutenção com pessoal 
menos qualificado; 
reduzida massa dos 
rotores = aquisição de 
sobressalente; fácil 
retirada do rotor 
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37 Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• Análise das formas construtivas 
• Superposição das formas construtivas Francis - Kaplan 
• Operação sob mesma altura de queda e potência (50m e 50MW): 
• Francis: D2<D1 => distribuidor e caixa espiral 
menores 
• Kaplan: cubo: módulos de velocidade maiores = 
• maior sensibilidade à ocorrência de cavitação = 
maior submergência 
• maior velocidade à saída do rotor = tubos de 
sucção maiores 
• Portanto (maiores submergências e tubos de 
sucção) maiores volumes escavados 
• Kaplan: dupla regulação 
• eleva custo de projeto, execução, montagem e 
manutenção 
• reduz sensibilidade a variações de altura de 
queda e vazão 
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38 Turbinas Hidráulicas: Formas Construtivas 
• Análise das formas construtivas 
• Pré-dimensionamento de diâmetros de turbinas 
• Tomando como referência levantamentos estatísticos das 
máquinas em operação => diagramas relacionando diâmetros 
específicos de turbinas com a rotação específica, tendo-se como 
parâmetros das curvas, os adimensionais ø e φ 
• Com os diagramas: valorinicial para o diâmetro de turbinas 
conforme o seguinte equacionamento: 
• Diâmetro específico: • Diâmetro do rotor: 
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• Transformação de energia em turbinas 
Turbinas Hidráulicas 
• Fluxo de energia em turbinas: cada forma 
específica de perda identificável ao longo do 
trajeto da partícula fluida entre a entrada e saída 
da máquina 
• Análise = sob aspectos global e interno 
• Global = máquina = caixa preta: somente modelo 
termodinâmico importa (equações do trabalho e 
potência discutidos anteriormente) 
• Interno = perdas 
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• Análise global 
Turbinas Hidráulicas: Transformação de Energia 
• I: face de sucção da 
máq.; região de 
menor pressão 
• II: face de pressão 
da máq.; região de 
maior pressão 
• máq. adiabática = 
troca de calor nula: 
∆Q=0 
• regime permanente: 
 ctem 
• Modelo: 
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• Análise global 
Turbinas Hidráulicas: Transformação de Energia 
• Conceitos na análise: definições resumidas nas equações 
seguintes: 
• Trabalho específico: 
• Altura de queda: 
• Potência fluida: 
 
• Rendimentos: 
• ηu : útil = 
• ηi : interno = 
• ηm : mecânico = 
• ηh : hidráulico = 
• Obs.: f indica fluido e t indica teórico (número infinito de pás e largura 
pequena do canal) 
específica energia da variaçãoIIY III 
gYalturaH 
 QgHQYYmPf  
fuu PP
fii PP
ium PP
fth PP
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42 Turbinas Hidráulicas: Transformação de Energia 
• Análise interna 
• Fluxo de potência: 
• Contribuição de cada um dos componentes para perdas e rendimento: 
• Francis com 
Re=6 106