PEA 2040 Geracão Hidrelétrica Parte 2 V2017

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PEA - 2420 : Produção de 
Energia Elétrica
Prof. Dr. Dorel Soares Ramos
Profa Eliane Amaral Fadigas
Escola Politécnica da 
Universidade de São Paulo
Parte 2
Geração Hidrelétrica
1- RESERVATÓRIO SUPERIOR 6- TUBULAÇÃO FORÇADA 
2- BARRAGEM 7- TUBINA DE REAÇÃO 
3- TUBULAÇÃO DE PRESSÃO 8- GERADOR 
4- CHAMINÉ DE EQUILÍBRIO 9- CANAL DE FUGA 
5- BLOCOS DE ANCORAGEM 10- CASA DE MÁQUINAS 
 
TURBINA HIDRÁULICA
É uma máquina hidráulica, que, recebendo em sua porta de entrada energia 
mecânico-hidráulica de um fluido, converte essa energia em energia mecânico-
motriz.
Como as turbinas são máquinas hidráulicas reais, a energia disponibilizada em 
seu eixo mecânico é menor do que aquele fornecida pelo fluído.
Rendimento da turbina
Potência mecânico-motriz
Potência mecânico-hidráulica
TURBINA
FAMÍLIAS DE TURBINAS EÓLICAS
Um fluido porta energia nas formas em que ele é capaz de receber, isto é, 
energia de posição ou potencial,
energia de pressão e
energia cinética.
Existem turbinas que giram o seu rotor usando a energia cinética portada pelo 
fluido, tão somente ( energia de velocidade do fluido). Essas turbinas 
necessitam de acessórios que convertam as outras formas de energia portada 
pelo fluido em energia cinética e direcionem o jato deles às pás do rotor da 
turbina. Formam a grande família das turbinas de ação, e o membro mais 
representativo da família é formado pelas turbinas PELTON.
Portanto, cada família de turbinas terá suas particularidades e diante 
dessas particularidades, são , classificadas em:
�Turbinas de ação
�Turbinas de reação
Em termos de turbinas hidráulicas, o Brasil possui conhecimento 
consolidado. Tomem-se por exemplo, os aproveitamentos 
hidráulicos do quadro abaixo.
Aproveitamento Turbina N. de turbinas Potência de cada turbina
Itaipú Francis 20 971000 CV
Ilha Solteira Francis 12 225000 CV
Jupiá Kaplan 14 141000CV
Barra Bonita Kaplan 04 47.400CV
Quadro: Exemplo de aproveitamentos hidráulicos brasileiros
Disposição do conjunto turbina-gerador
De acordo com a potência a ser gerada, com limitações de espaço e com altura 
de queda d’água disponível é a posição do eixo gerador-turbina. Assim, 
podem-se encontrar, na atualidade, conjuntos gerador-turbina que operam 
com seu eixo motriz na posição:
1) Horizontal
2) Vertical
3) Inclinada em relação à vertical
Vertical
Horizontal
Turbinas de Ação
São conversores hidrodinâmicos que operam com a energia cinética da 
água, recebendo energia na forma mecânico-hidráulica e fornecendo na 
forma mecânico-motriz. Toda a energia potencial do aproveitamento, a 
menos das perdas na tomada d’água e nas canalizações de pressão e 
forçada, é transformada em energia cinética antes de chegar as 
conchas do rotor da turbina.
PRINCIPAIS COMPONENTES 
1- Tubulação forçada 6- Jato d´ água 
2- Flanges 7- Rotor Pelton 
3- Válvula borboleta 8- Aletas do rotor 
4- Injetor pelton 9- Desviador 
5- Eixo do servomotor 10 – Comando do desviador 
 
Vista simplificada de uma turbina Pelton 
dotada de Injetor
Aspectos de operação de uma turbina Pelton
� As Pelton são turbinas de Ação e operam com injetores ou injetor que dirigem o 
jato de água contra as pás de um rotor, que se denomina RODA PELTON
� O número de pás da roda Pelton, seu diâmetro e sua velocidade angular estão 
intimamente ligados à altura topográfica do aproveitamento e à potência 
mecânica da turbina.
� O número de injetores depende do tamanho das pás da roda ou do rotor e da 
vazão total firme do aproveitamento. 
� Quando a vazão firme cresce, o número de injetores deve crescer, conseguindo-
se assim , pás menores para o rotor e um número maior de pás.
Turbina Pelton – Aspectos de operação
Com base em inúmeras experiências realizadas com rotores Pelton, nos 
mais variados aproveitamentos, estabeleceu-se a relação entre Raio do 
Rotor Pelton, que é determinado pela distância entre o centro do jato 
que chega do injetor e o centro do eixo da turbina o Diâmetro do Jato, e 
essa relação não deve ser menor que 8.
dJATO Rrotor
m= Rrotor/djato > 8
coeficiente
Valores mínimos para os coeficientes m , função da altura topográfica
H(m) 400 500 600 750 1000 1500 2000 
M(mínimo) 8 9 10 11 14 19 24 
 
HA
HD HF
HTOP(A)=HA-HD
Desnível existente entre o 
ponto A, parado ou 
dotado de movimento 
aleatório, e colocado no 
reservatório superior, e 
um ponto D colocado à 
saída do Injetor de uma 
turbina de ação.
Altura topográfica para 
turbina de ação a eixo 
horizontal
Foi determinado, experimentalmente, a relação entre a queda ou 
altura topográfica HTOP e o mínimo valor para o coeficiente “m” 
(quadro abaixo)
A
D
TURBINA PELTON - OPERAÇÃO
Com a finalidade de elevar a velocidade angular da turbina e reduzir o diâmetro do 
rotor, foram construídas Rodas Pelton dotadas de dois rotores operando no mesmo 
eixo. Dessa forma, os rotores são menores, mais velozes, a descarga é repartida sobre 
o dobro do número de injetores, e, consequentemente, ocorre a redução do diâmetro 
de cada jato, e, portanto, de cada rotor, guardada a relação “m” de Gerber.
Componentes de uma turbina Pelton
O rotor ou rotores de uma turbina Pelton, são constituídos de uma coroa circular 
ao redor da qual são fixadas, por parafusos ou arrebites, as PÁS ou CONCHAS.
As CONCHAS têm formato de uma colher dupla. Tudo se passa como se duas 
colheres fossem moldadas lado a lado, formando um septo central 
Injetor
Desviador
Eixo do servomotor
Injetor da turbina Pelton
a) Orientar o jato de água em direção
tangencial ao Rotor Pelton, de forma
que ele toque as conchas na linha
divisória entre as duas colheres.
b) Como a velocidade do jato é
praticamente constante, o injetor, por
meio do movimento de uma agulha
reguladora, adequa a vazão
modificando o diâmetro do referido e
ajustando à potência da turbina.
c) Um potente servomotor hidráulico,
atuando diretamente na agulha
reguladora, movimente a referida
para a frente ou para trás,
modificando o diâmetro do jato, e,
consequentemente, a vazão da
turbina.
Disposição de eixo das turbinas Pelton
- Eixo vertical
• Eixo horizontal – opera com até 06 injetores
• Eixo vertical – com o aumento da vazão, aumenta o número de
injetores, o que torna a posição vertical mais adequada. Porém,
problemas aparecem devido a exaustão do fluido que demanda a
turbina. Nesse ponto, adotou-se a técnica de pressurização da
turbina a partir do uso de ar comprimido, criando-se a turbina
pneumática.
APROVEITAMENTO No DE 
TURBINAS 
Htop 
m 
VAZÃO 
m3/seg 
LOCAL 
(Estado) 
CUBATÃO I 9 720 12,0 São Paulo 
CUBATÃO II 6 684 12,7 São Paulo 
PARIGOT DE 
SOUZA 
4 715 10,0 Paraná 
FONTES 9 310 6,3 Rio de Janeiro 
 
Alguns aproveitamentos Hidrelétricos Pelton, no Brasil
Com turbinas Pelton de eixo vertical, tem conseguido vencer 
alturas superiores a 1500m e vazões relativamente grandes de tal 
forma que as turbinas desenvolvam potências em torno de 
100.000CV ou mais.
TURBINAS HIDRÁULICAS DE REAÇÃO
Turbina de reação é uma máquina hidráulica que converte 
energia mecânico-hidráulica, das formas cinética e de pressão, 
em energia mecânico-motriz. A água, à saída do rotor, pode 
estar a pressão positiva, negativa ou nula em relação a pressão 
atmosférica.
Rotor Francis
1: Pá diretora fixa
2: Pá diretora móvel
3: Rotor Francis
4: Eixo do rotor
A filosofia Francis trouxe:
a) Entrada de água Radial 
centrípeta
b) Saída de água axial
Por volta de 1847, o engenheiro americano Francis, propôs inverter a forma de receber e 
exaurir a água que chega a um rotor de uma máquina hidráulica.
Com o passar do tempo o rotor foi-se modificando, evoluindo e ganhando outras formas para 
atender as solicitações de melhoresrendimentos e aplicabilidade a alturas disponíveis e 
vazões dispares.
Na atualidade, os ROTORES 
FRANCIS, associados a 
variados dispositivos de 
controle de vazão e de rotação, 
formam as turbinas 
FRANCIS.
Turbina Francis: Aspectos Gerais
Figura 6.10
A figura mostra o rotor Francis Fundamental. Na referida figura, mostra-se as coroas D1 e 
D2 que estão localizadas à entrada e saída do fluido respectivamente.
Á medida que a turbina foi sendo empregada e ensaios começaram a ser realizados, pode-
se notar que ela apresentava resultados satisfatórios em aproveitamentos dotados de alturas 
disponíveis bem díspares, porém o rotor deveria passar por alterações para atender o 
aumento da vazão e da velocidade específica.
A partir da velocidade específica obtida em função da altura disponível do aproveitamento, 
resulta o desenho do rotor e sua classificação ou categoria.
Para atender as mais variadas solicitações, os 
rotores tem desenhos bem típicos e são 
classificados nas diversas categorias.
Evolução dos rotores Francis
Ultraveloz
A medida que as vazões cresceram e decresceram as alturas disponíveis dos 
aproveitamentos, os rotores tiveram que adaptar-se as novas exigências, sempre oferecendo 
rendimentos elevados. D1 permaneceu imutável ou decresceu, e D2 foi crescendo. As pás ou 
aletas foram crescendo em direção ao tubo de aspiração e a coroa D2 passou a segurar as 
referidas aletas pelas pontas. As dimensões dos rotores estão ligadas a vazão nominal para o 
qual o referido é projetado.
Possui grande velocidade específica a adapta-se a 
aproveitamento de pequenas alturas. 
A medida que a altura disponível 
foi decrescendo, as pás ou aletas do 
rotor foram ganhando uma parte 
inferior, junto á coroa D2, mais 
pronunciada e como se estivesse 
entrando para o interior do tubo de 
aspiração.
Nesse ponto termina a evolução 
dos rotores Francis e começa a 
família dos rotores oblíquos
CARACOL – é o prolongamento da tubulação forçada. A água ao percorrê-lo, forma uma 
espiral e é lançada, por meio de pás diretoras fixas ao caracol, no rotor da turbina. 
Na direção radial, voltada para parede interna do caracol, estão colocadas as pás diretoras 
fixas. Estas pás dão à água o sentido radial centrípeto. A água deixando as pás diretoras fixas, 
dá de encontro a um conjunto de pás diretoras móveis. Estas pás diretoras movimentam-se em 
torno de um eixo e podem ir da posição tangencial ( fechando o fluxo hidráulico) a uma 
posição quase radial ( vazão máxima).
Sendo o rotor dotado de aletas fixas, a turbina FRANCIS possui uma única forma de ajustar a vazão á 
demanda de energia solicitada ao eixo motriz. E isso é conseguido com a atuação do DISTRIBUIDOR 
MÓVEL, sobre o fluxo hidráulico.
As turbinas de médio e grande porte possuem reguladores de velocidade que atuam sobre o óleo 
hidráulico que é mandado para o servomecanismo. Seguindo uma malha fechada de controle, a 
velocidade angular da turbina é pilotada pelo regulador de velocidade atuando sobre um servomotor 
hidráulico.
Turbinas tipo hélice fixa – família de rotores à qual pertencem, também os rotores 
oblíquo, Kaplan e Deriáz.
O rotor hélice fixa é empregado em turbinas que trabalham com vazão pouco variável e próxima da vazão 
nominal, porque o máximo rendimento desta turbina ocorre quando a vazão está em torno de 70%. 
Em turbinas muito pequenas, em que o fator preponderante é gerar energia a partir de uma queda de 
d´água e o rendimento é relegado para o segundo plano, o ajuste da vazão é feito por uma válvula 
borboleta colocada entre a tubulação forçada e a turbina.
Quando porém, a potência da turbina começa a crescer, e as perdas em uma válvula borboleta não 
totalmente aberta começam a ter importância singular, manter uma regulagem de vazão a partir desta é 
insustentável. A solução é usar um distribuidor móvel acoplado, exigindo que a turbina tenha um caracol. 
Figura 6.6 página 
92 Figura 6.16 página 104 
Turbina Kaplan- Tem pás móveis comandadas por um servomotor hidráulico colocado 
no interior do eixo da turbina. O eixo do gerador é vazado no sentido longitudinal e por esse 
furo passam os tubos que levam e trazem o óleo hidráulico do comando do servomotor.
Por possuírem pás móveis, conseguem ajustar-se a vazão requerida. 
Pode operar com seu eixo na horizontal, vertical e inclinado.
O rotor pode trabalhar com ou sem caracol
São turbinas apropriadas 
para o uso em grandes 
volumes de água ( vazão 
elevada) e usualmente 
utilizada em 
aproveitamento de baixa 
altura topográfica
Tem a vantagem da 
possibilidade de variar o 
ângulo de passo das pás 
quando a demanda varia
Turbina desenhada para 
pequenas alturas 
disponíveis (inferiores a 
50 metros)
Tendo pás móveis, a curva 
característica rendimento 
versus vazão torna-se mais 
plana que a da turbina hélice 
fixa.
O rotor Kaplan é utilizado em uma variante de turbina denominado TURBINA BULBO, em 
que o gerador é colocado no interior de um casulo que é colocado no eixo do veio líquido. 
O gerador, para poder atender á grande potência gerada pela turbina que tem velocidade 
angular bastante baixa, deve possuir velocidade angular elevada e, portanto, na ponta do eixo 
de um gerador existe um redutor de rotação mecânico que , recebendo energia do eixo da 
turbina, girando a baixa velocidade, eleva a velocidade do sistema e entrega energia ao 
gerador. Dessa maneira, o gerador torna-se uma máquina veloz, seu volume diminui e o casulo 
ou bulbo pode adaptar-se melhor ao canal de adução do aproveitamento. 
Turbina Bulbo com rotor Kaplan
Estas turbinas têm um 
campo de aplicação mais 
restrito, dado as suas 
particularidades. No EU, 
são usadas em usinas 
maremotrizes. Tendo o 
passo da pá do rotor 
ajustável podem, girando 
em um sentido único, ter o 
fluido ora fluindo em um 
sentido, ora em outro.
No Brasil, são usadas nas 
Usinas do Rio Madeira.