Turbinas Hidráulicas

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INSTITUTO FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL – CAMPUS ERECHIM
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ALINE PAULA MALACARNE
DANIELA FÁTIMA GIAROLLO
EMILI LAÍS DEBASTIANI
MILENA FABIANI PINTO
 FUNCIONAMENTO, PRINCIPAIS TIPOS E PARAMÊTROS DE SELEÇÃO DE 
TURBINAS HIDRÁULICAS 
Erechim
2013
ALINE PAULA MALACARNE
DANIELA FÁTIMA GIAROLLO
EMILI LAÍS DEBASTIANI
MILENA FABIANI PINTO
 FUNCIONAMENTO, PRINCIPAIS TIPOS E PARAMÊTROS DE SELEÇÃO DE 
TURBINAS HIDRÁULICAS 
Trabalho da disciplina de Mecânica dos Fluidos, 
Curso de Engenharia Mecânica, Área das 
Engenharias. Instituto Federal do Rio Grande do Sul 
– Campus Erechim.
Professor: José Antonio Sala.
Erechim 
2013
RESUMO
O surgimento das turbinas hidráulicas provavelmente veio do uso mais antigo da 
água, a irrigação. Com o passar do tempo, novas técnicas foram aprimoradas até que se 
chegou no que hoje se conhece por turbinas. O uso destas na geração de energia elétrica em 
grande escala mundial fica evidente e o que mais contribui para a sua utilização no que refere-
se ao Brasil, é o fato do país possuir grandes potenciais hidráulicos. Porém deve-se ressaltar 
ainda que existe um grande impacto ambiental causado pela área inundada decorrente da 
construção destas hidrelétricas 
É importante citar, que uma máquina hidráulica possui a finalidade de realizar a troca 
da energia hidráulica do escoamento pela energia mecânica, fornecida ou cedida por outra 
máquina, sendo que esta pode ser apresentada na forma de bomba ou turbina hidráulica. 
Dentro das turbinas hidráulicas, temos ainda as turbinas de ação e de reação. Na 
primeira a energia hidráulica disponível é transformada em energia cinética para depois de 
incidir nas pás do rotor transformar-se em energia mecânica. Na segunda o rotor é 
completamente submergido na água, sendo que a principal característica dessa turbina é 
presença de um tubo de sucção que permite a recuperação de parte da energia cinética da água 
que deixa o rotor. 
Existem portanto diversos tipos de turbinas, cada um se caracterizando pelo seu 
aproveitamento hidroenergético. Dentre os existentes, os que mais se destacam são: turbina 
Francis, Turbina Pelton e Turbina Kaplan. A primeira é apresentada como turbina de sucção 
sofrendo direta influência da água em todos os seus periféricos operando em quedas médias. A 
Turbina Pelton funciona através do movimento de injetores, indicadas para altas quedas e a 
ultima tem seu funcionamento semelhante a ao sistema Francis, operando em quedas médias. .
A seleção das turbinas para uma instalação é feita através do conhecimento de sua 
queda, vazão e das características de operação, além de receber auxilio de equações que 
apresentam variáveis indispensáveis para sua escolha adequada. 
 
 
 
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Figura: Principais partes da usina hidrelétrica (MÁQUINAS TÉRMICAS, 2013)....9
Figura 2: Funcionamento do distribuidor de uma turbina Francis (NOGUEIRA, 2013).........12
Figura 3: Corte em uma turbina Francis (INTRODUÇÃO, 2013)...........................................13
Figura 4: Modelo de uma turbina Francis.................................................................................13
Figura 5: Corte de uma turbina Kaplan (MORAIS, 2011)........................................................14
Figura 6: Rotor de uma turbina Kaplan (MORAIS, 2011).......................................................14
Figura 7: Rotor de uma turbina Pelton (HACKER, 2012).......................................................16
Figura 8: Turbina Pelton horizontal..........................................................................................16
Figura 9: Visão em corte de um grupo bulbo (Hitachi, 2006 apud Morais, 2011)....................18
Figura 10: Visão em corte de um grupo bulbo (MORAIS, MENDES e FERREIRA, 2009).. .18
Figura 11: Turbina Francis de ITAIPU.....................................................................................20
Figura 12: Aplicação dos principais tipos de turbinas (OJSC Power Machines, 2004 apud 
MORAIS, 2011)........................................................................................................................23
Figura 13: Relações entre rendimento e queda de água em turbinas hidráulicas (ALÉ, 2001).
...................................................................................................................................................24
Figura 14: Variação do rendimento em função da vazão para as principais turbinas (SILVA).27
Figura 15: Variação do rendimento com a potência útil (CORDEIRO, 2010).........................27
Figura 16: Gráfico para seleção de turbinas hidráulicas em função de nqA (ALÉ, 2001)......29
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Principais componentes de um grupo bulbo (MORAIS, MENDES e FERREIRA, 
2009).........................................................................................................................................19
Tabela 2: Dados das turbinas de ITAIPU..................................................................................21
Tabela 3: Coeficiente de Hazen-Williams (λ) (ALÉ, 2001)....................................................25
Tabela 4: Valores típicos de nqA para diferentes turbinas hidráulicas (ALÉ, 2001)................28
Tabela 5: Valores do Fator de Thoma para Turbinas Hidráulicas (ALÉ, 2001)........................30
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
H- Altura ou Queda Disponível 
Hatm - Altura correspondente a pressão atmosférica local
Hb - queda bruta da água
Hd - energia disponível 
Hm - energia motriz 
Hp - perdas de cargas na tubulação 
Hu - altura útil 
hv - Altura correspondente a Pressão de vapor a temperatura da água
Jh - perdas hidráulicas
Jm - perdas mecânicas
Nb - Potência Bruta 
Nd - Potência Disponível 
Ne - Potência no Eixo da Turbina ou Potência Útil 
nqA - Número Específico de Rotações
ηh - Rendimento hidráulico 
ηm - Rendimento Mecânico 
ηt - Rendimento da Turbina 
 −σ Coeficiente de cavitação ou Fator de Thoma 
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO.......................................................................................................................7
1.2 OBJETIVOS.....................................................................................................................7
1.2.1 Objetivo Geral..........................................................................................................7
1.2.2 Objetivos Específicos...............................................................................................7
2 REVISÃO TEÓRICA..............................................................................................................8
2.1 MÁQUINA HIDRÁULICA.............................................................................................8
2.2 TURBINAS HIDRÁULICAS..........................................................................................8
2.3 O SURGIMENTO DA TURBINA HIDRÁULICA.......................................................10
2.4 IMPACTO AMBIENTAL..............................................................................................10
2.5 TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS......................................................................11
2.5.1 Turbinas Francis .....................................................................................................11
2.5.2 Turbinas Kaplan......................................................................................................13
2.5.3 Turbinas Pelton.......................................................................................................14
2.5.4 Turbinas Turgo.......................................................................................................16
2.5.5 TurbinasCross Flow...............................................................................................17
2.5.6 Turbinas Axiais.......................................................................................................17
2.5.7 Turbinas Bulbo ......................................................................................................17
4 USINA HIDRELÉTRICA ITAIPU .......................................................................................20
4 METODOLOGIA..................................................................................................................22
4.1 SELEÇÃO DAS TURBINAS........................................................................................22
4.2 FLUXO DE ENERGIA E RENDIMENTO NAS TURBINAS HIDRÁULICAS.........23
4.2.1 Altura ou Queda Bruta............................................................................................24
4.2.2 Altura da Perda de Carga........................................................................................24
4.2.3 Altura ou Queda Disponível...................................................................................25
4.2.4 Altura ou Queda Motriz..........................................................................................25
4.2.5 Altura ou Queda Útil...............................................................................................25
4.2.6 Potência Bruta.........................................................................................................25
4.2.7 Potência Disponível................................................................................................26
4.2.8 Potência no Eixo da Turbina...................................................................................26
4.2.9 Rendimento hidráulico...........................................................................................26
4.2.10 Rendimento Mecânico..........................................................................................26
4.2.11 Rendimento da Turbina.........................................................................................26
4.2.12 Número Específico de Rotações...........................................................................28
4.3 CAVITAÇÃO EM TURBINAS HIDRÁULICAS.........................................................29
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS.................................................................................................31
REFERÊNCIAS........................................................................................................................32
7
1 INTRODUÇÃO
No Brasil é evidente um predomínio do uso da energia hidráulica como fonte 
primária na geração de energia elétrica. A existência de grandes potenciais hidráulicos e a 
busca pela redução no custo de geração fez com que, por muito tempo, essa energia fosse 
produzida em grandes centrais hidrelétricas, apesar dessas implicarem em um impacto 
ambiental considerável, resultante da formação do reservatório (NOGUEIRA, 2013).
A partir desse trabalho será apresentado os diferentes tipos de turbinas hidráulicas, o 
princípio de funcionamento de cada uma delas, suas principais características assim como o 
equacionamento das variáveis aplicadas a elas.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo Geral
Abordar o funcionamento de uma turbina hidráulica assim como identificar os 
principais tipos, seus componentes e estabelecer os parâmetros necessários para a seleção de 
uma turbina.
1.2.2 Objetivos Específicos
- Conhecer o princípio de funcionamento de uma turbina hidráulica;
- Diferenciar os principais tipos de turbinas hidráulicas;
- Identificar os componentes de cada turbina;
- Apresentar parâmetros necessários para seleção de uma turbina.
8
2 REVISÃO TEÓRICA
2.1 MÁQUINA HIDRÁULICA
É uma máquina através da qual escoa água, e que tem a finalidade de trocar energia 
hidráulica do escoamento, em energia mecânica, fornecida ou cedida por outra máquina 
(INTRODUÇÃO, 2013).
 O escoamento flui continuamente e opera transformações do tipo:
Energia mecânica Energia cinética Energia de pressão.⇔ ⇔
As máquinas hidráulicas se subdividem em:
Bomba Hidráulica;
Máquina Hidráulica motriz ou Turbina.
Turbinas são máquinas que extraem energia de uma corrente de fluido. O conjunto de 
lâminas integrantes do eixo da turbina é chamado de roda ou rotor. São utilizadas para acionar 
sistemas mecânicos ou para acionar geradores de energia elétrica. Segundo o fluido de 
trabalho podem ser turbinas hidráulicas (água), turbinas eólicas (ar) ou turbinas a vapor e a 
gás.
2.2 TURBINAS HIDRÁULICAS
A energia primária de uma hidrelétrica é a energia potencial gravitacional da água 
contida numa represa elevada. Antes de se tornar energia elétrica, a energia primária deve ser 
convertida em energia cinética de rotação. O dispositivo que realiza essa transformação é a 
turbina. Ela consiste basicamente em uma roda dotada de pás, que é posta em rápida rotação 
ao receber a massa de água. O último elemento dessa cadeia de transformações é o gerador, 
que converte o movimento rotatório da turbina em energia elétrica (MÁQUINAS 
TÉRMICAS, 2013).
9
Existem dois tipos de turbinas hidráulicas que serão explicadas a seguir: as de ação 
(impulso) e as de reação.
Turbinas de Ação (Impulso): Nessas turbinas a energia hidráulica disponível é 
transformada em energia cinética para, depois de incidir nas pás do rotor, transformar-se em 
energia mecânica, tudo isso ocorre a pressão atmosférica. Classificam-se como turbinas de 
ação, as turbinas Pelton com um ou mais jatos, a turbina de Fluxo Cruzado, Michell-Banki, e 
a turbina Turgo (NOGUEIRA, 2013).
Turbinas de Reação: Nas turbinas de reação o rotor é completamente submergido 
na água. Com o escoamento da água, ocorre uma variação de pressão e de velocidade no 
escoamento, entre a entrada e a saída do rotor. Uma importante característica dessas turbinas, 
é o uso do tubo de sucção, esse tubo permite a recuperação de parte da energia cinética da 
água que deixa o rotor. A soma da energia cinética mais a energia de pressão na saída da 
turbina é menor quando há o tubo de sucção instalado. São classificadas com turbinas de 
reação, as turbinas Francis, hélice e Kaplan, com suas variantes (NOGUEIRA, 2013). 
Ou seja, nas turbinas de reação, a água tem a pressão variando desde a entrada da 
turbina até a saída, havendo a seguinte conversão de energia:
Energia mecânica Energia cinética Energia pressão.⇔ ⇔
As turbinas de Reação ainda podem ser classificadas como:
Figura 1: Figura: Principais partes da usina hidrelétrica (MÁQUINAS TÉRMICAS, 2013)
10
Axial: Quando o fluxo da água é paralelo ao eixo do rotor.
Mista ou Radial: Quando o fluxo na entrada do rotor é radial e após interagir com 
ele sofre um desvio e passa a ser axial na saída (INTRODUÇÃO, 2013).
As turbinas de ação são geralmente inadequadas para locais de baixa queda, porque 
têm baixas velocidades específicas, mas a manutenção é mais fácil. As turbinas de reação, por 
outro lado, podem girar mais rápido dadas as mesmas condições de queda e fluxo, porém 
geralmente precisam de mais manutenção.
2.3 O SURGIMENTO DA TURBINA HIDRÁULICA
Não se sabe com exatidão quem, onde e há quanto tempo se aproveitou pela primeira 
vez a força e a energia da água em movimento. É provável que tenha vindo de um uso mais 
antigo da água, a irrigação. Nos tempos antigos eram empregados diversos meios para retirar 
a água do curso dos rios e elevá-la a uma altura maior que suas margens, onde era conduzida 
até a plantação por meio de canais. Um desses equipamentos era a saqia (ou roda persa), 
constituída por uma grande roda de eixo horizontal e canecas fixadas em sua periferia.Essas 
rodas podiam ser movidas com as mãos ou por meio de tração animal (NOGUEIRA, 2013).
As rodas hidráulicas, devido principalmente à admissão parcial da água, possuem 
baixas rotações e baixos rendimentos, então as turbinas hidráulicas surgiram para superar 
essas desvantagens. A demanda crescente por energia possibilitou o rápido desenvolvimento 
das turbinas, uma vez que não produzem poluentes durante o processo, possibilita a criação 
de novos habitats para espécies aquáticas e proporciona um aumento em atividades como 
pesca e turismo (NOGUEIRA, 2013).
2.4 IMPACTO AMBIENTAL
As turbinas hidráulicas são projetadas para transformar a energia mecânica de um 
fluxo de água, em potência de eixo. Atualmente são mais encontradas em usinas hidrelétricas, 
onde são acopladas a um gerador elétrico, o qual é conectado à rede de energia. Contudo 
também podem ser usadas para geração de energia em pequena escala, para as comunidades 
isoladas (NOGUEIRA, 2013).
 Embora a turbina em si não produza emissões nocivas, a área inundada (decorrente a 
construção das hidrelétricas) muitas vezes afoga a vegetação, que então se decompões 
anaerobicamente (sem oxigênio) debaixo d'água e produz metano, um gás estufa. Grandes 
hidrelétricas ainda podem causar enormes impactos ambientais e sociais como o 
11
deslocamento de populações e a alteração da dinâmica dos rios. Uma alternativa menos 
agressiva é a construção de diversas usinas hidrelétricas de pequena escala que utilizam o 
fluxo natural das águas dos rios para gerar eletricidade (NOGUEIRA, 2013).
2.5 TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS
Existem diversos tipos de turbinas, cada qual adequada a um aproveitamento 
hidroenergético. A escolha adequada do tipo de turbina a ser utilizado num determinado 
aproveitamento depende de vários fatores que devem ser levados em consideração, entre eles: 
queda, vazão e velocidade de rotação.
2.5.1 Turbinas Francis 
Deve-se à James Bicheno Francis (1815-1892) nascido na Inglaterra, o nome e o 
desenvolvimento desta turbina hidráulica. Francis que emigrou mais tarde para os Estados 
Unidos, trabalhou na função de engenheiro em empresas às margens do Rio Marrimac. Foi 
em 1874, encarregado de estudar uma turbina para aproveitamento energético do desnível em 
um rio. Seu interesse recaiu numa máquina de escoamento centrípeta, já patenteada em 1838 
por Samuel Dowd (1804-1879). No entanto foram de tal importância as modificações de 
Francis sobre o projeto de Dowd, que esse tipo de turbina mereceu seu nome (HACKER, 
2012).
As turbinas Francis são rigorosamente centrípetas, e permitem o uso de um tubo 
proposto em 1843 por Jonval, para conduzir a água após a saída do rotor até o poço, que por 
sua semelhança com os vistos nas bombas, foi chamado de tubo de sucção. Ele mantém a 
continuidade da massa líquida em escoamento, desde a saída do rotor até o nível da água do 
poço, impedindo que a água caia livremente. Resultando no ganho de não apenas da maior 
parte da energia cinética da água, mas também do desnível topográfico entre a saída do rotor e 
o nível da água do poço (HACKER, 2012).
A distribuição da água sobre as pás do rotor, é feita por uma série de pás 
distribuidoras ou pás diretrizes, externamente reguladas, que distribuem a água de forma 
simétrica e simultânea em todas as pás do rotor (HACKER, 2012).
As turbinas Francis classificam-se como máquinas de reação, com escoamento radial 
(lenta e normal) e escoamento misto (rápida). São ideais para médias vazões e quedas. O 
controle da vazão é realizado no distribuidor ou sistema de pás móveis. Rigorosamente 
12
centrípetas, essas turbinas permitem o uso de tubo de sucção e podem alcançar altos 
rendimentos, da ordem de 85 a 93%, sendo uma das mais utilizadas. Elas podem estar 
inseridas em uma caixa espiral, ou, em instalações de menor porte, sem caixa espiral, em 
caixas cilíndricas ou em um poço de caixa aberta. Em instalações com vazões maiores, 
costuma-se duplicar o rotor em rotores gêmeos, que operam num mesmo eixo, cada um de um 
lado de uma caixa cilíndrica ou em caixas espirais separadas, ou unidos pela face anterior, 
inseridos em uma única caixa espiral. A esse tipo de arranjo, denomina-se turbina Francis 
gêmea (HACKER, 2012).
O distribuidor das turbinas tipo Francis é constituído de um conjunto de pás 
dispostas em volta do receptor, e que podem ser orientadas por meio de um comando 
especial, de modo a darem, para cada valor da descarga, o escoamento com um 
mínimo de perdas hidráulicas. Todas as pás possuem um eixo de rotação paralelo ao 
eixo da turbina e, graças a um mecanismo, chamado anel de Fink, constituído por 
um anel concêntrico ao distribuidor e ligado a elas por bielas, podem girar 
simultaneamente de um mesmo ângulo, fazendo a secção de escoamento variar de 
um máximo até o fechamento total (HACKER, 2012). 
Para Moraes (2011), as turbinas Francis podem ser “ utilizadas em quedas que 
variam de 10 a 500 metros, com potência unitária de até 820 [MW], podendo atingir 
eficiências de até 94%. Atualmente, este é o tipo de turbina mais utilizado na geração de 
hidroeletricidade no Brasil."
Figura 2: Funcionamento do distribuidor de uma turbina Francis (NOGUEIRA, 2013).
13
2.5.2 Turbinas Kaplan
Após estudos teóricos e experimentos, em 1912 o engenheiro austríaco Victor Kaplan 
(1876-1934) professor da Universidade Técnica de Brno, desenvolveu um novo tipo de 
turbina axial com rotor em forma de hélice. Este rotor possuía um sistema de orientação em 
suas pás, possibilitando sua regulagem independente. Atualmente este rotor é aplicado 
principalmente nas turbinas Tubulares "S" (HACKER, 2012).
Figura 3: Corte em uma turbina Francis (INTRODUÇÃO, 2013).
Figura 4: Modelo de uma turbina Francis.
 (HACKER, 2012).
14
O mecanismo que permite variar o ângulo de inclinação das pás conforme a 
descarga, sem variação notável do rendimento, fica alojado no próprio corpo do 
rotor com o formato de uma ogiva, e controlado pelo regulador de velocidade. Este 
atributo permite que possa se manter constante o rendimento da turbina, mesmo com 
a variação do volume da água (HACKER, 2012). 
2.5.3 Turbinas Pelton
Allan Lester Pelton nasceu em 5 de Setembro de 1829 em Vermilion, Ohio. Aos 20 
Figura 5: Corte de uma turbina Kaplan (MORAIS, 2011).
Figura 6: Rotor de uma turbina Kaplan (MORAIS, 2011).
15
anos de idade, em 1850, foi para a Califórnia, EUA. Em 1864 tornou-se dono de um moinho 
em Camptonville, Yuba County, CA, EUA. Treze anos mais tarde em 1877/78, iniciou 
experimentos com rodas d´água que o conduziram a invenção de um novo conceito de rodas d
´água, baseadas no conceito chamado "splitter" (HACKER, 2012).
O primeiro rotor que Pelton colocou em funcionamento foi usado para fazer funcionar 
a máquina de costura de sua esposa, Sra. W.G. Grooves em Camptonville. Este rotor protótipo 
ainda pode ser visto em uma espécie de museu em Camptonville, Califórnia, EUA 
(HACKER, 2012).
Ele fundou então a Allan Machine Shop and Foundry em Nevada City. Rotores de 
vários tipos e tamanhos foram feitos e testados. Pelton recebeu a primeira patente em 1880, e 
dentro de 15 anos, seus rotores foram usados em usinas ao redor do mundo todo. Mais tarde 
Pelton vendeu seus direitos para outras empresas, onde ainda permanecia como engenheiro 
consultor. Mais tarde se aposentou em Oakland (HACKER, 2012).
As Turbinas Pelton são máquinas de ação e escoamento tangencial, que operam com 
baixas vazões e altas quedas, podendo ser instaladas entre100 metros à 1.200 metros. Podem 
ser de um jato, dois, quatro ou seis jatos e podem ser de eixo horizontal ou vertical. A energia 
hidráulica é transferida para o rotor pela ação do jato de água que sai do injetor e incide sobre 
pás bipartidas em forma de cunha. O rendimento é alto, podendo chegar até a 94%. O controle 
da vazão é realizado por um dispositivo chamado agulha ou injetor. As máquinas podem 
também possuir defletores de jato. Existem equipamentos pequenos com no máximo dois 
jatos e equipamentos de eixo vertical com até seis jatos (NOGUEIRA, 2013).
A turbina Pelton tem um excelente comportamento a cargas parciais, sendo essa uma 
das justificativas deste tipo de máquina ser amplamente utilizada. Essa turbina foi 
desenvolvida para suprir a necessidade de construir usinas de altas quedas e baixas vazões, 
pois as turbinas Francis não operam bem nessas condições (NOGUEIRA, 2013). 
16
2.5.4 Turbinas Turgo
Uma variante da turbina Pelton é a turbina Turgo. Nessa máquina o jato atinge as pás 
do rotor formando um pequeno ângulo com o eixo de rotação e a água sai por apenas um lado. 
Por possuir uma rotação mais elevada, se comparado a um rotor Pelton, o rotor Turgo torna o 
acoplamento direto ao gerador mais fácil, muitas vezes dispensando os multiplicadores de 
velocidade, aumentando a eficiência global total e diminuindo o custo de manutenção 
Figura 7: Rotor de uma turbina Pelton (HACKER, 2012).
Figura 8: Turbina Pelton horizontal
 (Voith Hydro, 2010 apud MORAIS, 2011).
17
(NOGUEIRA, 2013).
2.5.5 Turbinas Cross Flow
As turbinas do tipo cross-flow também são conhecidas como turbinas do tipo Banki-
Michell em homenagem a seus inventores. São usadas para uma larga escala de quedas e de 
vazões. Podem ser fabricadas para operar com descargas entre 0,02 m3/s e 10 m3/s e quedas 
entre 1 e 200 m. A água penetra na turbina, guiada por uma ou mais pás guias que conduzem o 
fluxo ao primeiro estágio do rotor. Na saída do rotor a água passa por um segundo estágio e é 
devolvida ao rio. É um equipamento de rendimento mais baixo, se comparado a outras 
turbinas, mas de custo muito acessível (NOGUEIRA, 2013).
Devido às suas características específicas, estas turbinas cobrem o campo das turbinas 
tipo Pelton dois jatos até a Francis normal. Essa turbina mostra-se altamente indicada para ser 
usada em microcentrais hidrelétricas pelo baixo custo e construção simplificada 
(NOGUEIRA, 2013).
2.5.6 Turbinas Axiais
As turbinas axiais são caracterizadas pelo fato do fluxo escoar longitudinalmente ao 
eixo do rotor. Tais como as turbinas Francis, também são máquinas de reação. São máquinas 
que trabalham com baixas quedas e grandes vazões e, basicamente, estão divididas entre dois 
tipos, denominados Hélice e Kaplan (NOGUEIRA, 2013). 
O rotor Kaplan possui as mesmas características do rotor Hélice, exceto pelo fato de 
haver pás móveis que permitem a regulagem da vazão através dele, o que confere a esse tipo 
de turbina a chamada dupla regulagem. Ambos os rotores podem ser inseridos em uma caixa 
espiral de concreto ou de aço, em caixa aberta, ou ainda em caixa em forma de tubo, onde o 
escoamento se dá totalmente no sentido axial. Para esse último arranjo, dependendo da 
configuração do grupo gerador, se dá o nome de turbina tubular, em “S”, sifão ou bulbo. A 
turbina bulbo se caracteriza pelo arranjo compacto, denotado pelo uso de um rotor Kaplan 
acoplado ao gerador, que por sua vez é instalado no interior de um casulo inserido na água, 
daí o nome “bulbo” (NOGUEIRA, 2013).
2.5.7 Turbinas Bulbo 
Caracteriza-se por um grupo bulbo possuir o conjunto turbina-gerador de eixo 
horizontal instalado no interior de uma cápsula denominada bulbo que, geralmente, opera 
submersa. As turbinas bulbo são empregadas, na maioria dos casos, em aproveitamentos de 
18
baixa queda e, quase sempre, a fio d’água. Sua concepção é uma versão compacta da turbina 
Kaplan, reduzindo consideravelmente o volume das obras civis. Porém em compensação, o 
custo do equipamento eletromecânico, turbina e gerador, é maior que o das turbinas 
convencionais, influência da tecnologia e processos de fabricação aplicados em termos de 
ajustes e vedações. A Figura a seguir mostra o arranjo típico de um grupo bulbo (MORAIS, 
2011).
Os principais componentes da turbina bulbo serão apresentados a seguir. Na figura 
10 pode ser vista a localização dos principais componentes em um grupo bulbo.
Figura 9: Visão em corte de um grupo bulbo (Hitachi, 2006 apud 
Morais, 2011).
Figura 10: Visão em corte de um grupo bulbo (MORAIS, MENDES e 
FERREIRA, 2009).
19
O distribuidor é um conjunto de elementos que dirigem o escoamento e controlam a 
vazão para o rotor. É formado por dois anéis, sendo um externo e outro interno e de pás 
diretrizes. O Rotor Kaplan é o elemento rotativo da turbina onde se transforma a energia do 
escoamento da água em trabalho mecânico. Em relação às pás do rotor, a maioria das turbinas 
bulbo possui pás móveis, como as Kaplan. Porém, também existem construções com pás 
fixas, do tipo hélice. Este tipo de construção, com rotor do tipo hélice, é rara pois exige uma 
mínima variação do fluxo hidráulico e consequentemente, da altura da lâmina d’água. O rotor 
pode ser subdividido em três partes: cubo, ogiva ou cone e pás (MORAIS, MENDES e 
FERREIRA, 2009).
“A movimentação das pás do rotor da turbina é efetuada por meio de servomotores. 
O servomotor de controle das pás do rotor geralmente é instalado dentro da ogiva, próximo às 
pás. Em máquinas de grande porte, pode ser instalado no meio ou no final do grupo turbina-
gerador” (MORAIS, MENDES e FERREIRA, 2009) .
Para a movimentação das pás do distribuidor, é possível a utilização de dois sistemas. 
O primeiro consiste em um sistema onde cada aleta ou pá do distribuidor tem seu próprio 
servomotor. No segundo tipo de construção, as pás se movem por meio de um anel de ligação, 
ou seja, tem-se um movimento simultâneo das pás por meio de um, dois ou três servomotores 
que movimentam todas as pás simultaneamente. Este sistema, regulado por anel, com ligações 
e alavancas, é similar ao controle do acionamento do distribuidor de uma turbina Francis. O 
anel é movimentado por servomotores principais que movimentam todas as pás 
simultaneamente (MORAIS, MENDES e FERREIRA, 2009).
Tabela 1: Principais componentes de um grupo bulbo (MORAIS, MENDES e FERREIRA, 2009).
20
4 USINA HIDRELÉTRICA ITAIPU 
A Itaipu tem 20 unidades geradoras, cada uma tem capacidade de 700 megawatts 
(MW), potência suficiente para abastecer uma cidade com 1,5 milhão de habitantes. Juntas, 
as 20 unidades geradoras somam 14 mil MW. Para ilustrar a potência de Itaipu, 12 de suas 
unidades seriam capazes de fornecer toda a energia consumida nos três Estados do Sul do 
Brasil. Ou, então, sete unidades atenderiam toda a demanda do Estado do Rio de Janeiro 
(ITAIPU BINACIONAL, 2013).
Cada unidade geradora é composta por um gerador, uma turbina e seus auxiliares. A 
turbina é formada por uma série de pás ligadas a um eixo acoplado ao gerador. A pressão da 
água que entra na turbina, por meio do conduto forçado, produz um movimento giratório do 
eixo, o qual, por meio de um campo magnético induzido dentro do gerador, gera eletricidade 
(ITAIPU BINACIONAL, 2013). Sendo assim, a energia hidráulica é transformada em energia 
mecânica quando a água passa pela turbina, fazendo com que esta gire. No gerador, que está 
acoplado à turbina, a energia mecânica é transformada em energia elétrica (ITAIPU 
BINACIONAL, 2013).
Figura 11: Turbina Francis de ITAIPU
(ITAIPU BINACIONAL, 2013).21
Tabela 2: Dados das turbinas de ITAIPU
(ITAIPU BINACIONAL, 2013).
22
4 METODOLOGIA
4.1 SELEÇÃO DAS TURBINAS
As turbinas hidráulicas são equipamentos cujos rendimentos dependem muito da 
condição adequada de operação, ou seja, o equipamento só dá bom rendimento se trabalhar 
nas condições para as quais foi projetado. De uma forma geral, as turbinas Pelton são mais 
indicadas para altas quedas, as máquinas Kaplan e Hélice são usadas em baixas quedas, e as 
turbinas Francis operam em quedas médias (NOGUEIRA, 2013).
Segundo Cordeiro (2010), para o dimensionamento de uma turbina hidráulica é 
indispensável conhecer:
– As características físicas e químicas do fluido de trabalho;
– As características locais, no que se refere ao ambiente e ao local de instalação;
– As características operacionais;
De modo mais específico deve-se conhecer: 
– Queda (H);
– Vazões (Q);
– Características do sistema que será acionado.
Além da queda existem outros parâmetros que influenciam no desempenho do 
equipamento, sendo a vazão e a rotação os principais deles. Em um projeto, no momento da 
seleção de uma turbina, o ideal é contar com ajuda de técnicos experientes ou com a 
orientação de fabricantes com reconhecida tradição no mercado (NOGUEIRA, 2013).
Em função de suas características intrínsecas, cada turbina tem sua aplicação 
específica. Assim, a escolha do tipo de turbina baseia-se nas características do 
aproveitamento, como a altura da queda e a vazão disponíveis. A Figura abaixo 
apresenta, de forma simples, as aplicações dos principais tipos de turbinas 
(MORAIS, 2011).
23
4.2 FLUXO DE ENERGIA E RENDIMENTO NAS TURBINAS HIDRÁULICAS
Consideramos o fluxo de energia transferido da queda da água para a turbina e depois 
para o gerador. Existem diversas formas de dissipação de energia, desde a energia inicial 
fornecida pela queda de água até a energia final fornecida para o gerador pela turbina. O 
desnível topográfico da água desde o reservatório superior até a localização da turbina nos 
fornece a queda bruta da água (Hb). Pra chegar até a turbina a água escoa por uma tubulação 
onde ocorrem perdas de cargas na tubulação (Hp). Segundo Alé (2001), a energia disponível 
(Hd) antes de chegar na turbina é dada por: 
H d=H b−H p
Quando o fluido entra na turbina ocorrem perdas de energia devido as perdas por 
atrito no interior da turbina. Essas são denominadas perdas hidráulicas (Jh). A energia 
disponível após as perdas hidráulicas é denominada energia motriz (Hm) (ALÉ, 2001).
H m=H d−J h
Onde a energia motriz é dada pela diminuição das perdas hidráulicas da energia 
Figura 12: Aplicação dos principais tipos de turbinas (OJSC Power 
Machines, 2004 apud MORAIS, 2011).
24
disponível. 
Então a energia na saída da turbina (no eixo) denominada de altura útil (Hu) é dada 
pela diminuição da energia motriz nas perdas mecânicas (Jm) (ALÉ, 2001).
H u=H m−J m
O rendimento global da turbina (ηt), quantifica a relação entre toda a energia útil 
(Hu) do sistema e a energia disponível pela queda da água (Hd).
4.2.1 Altura ou Queda Bruta
Representada pela diferença de cotas entre o nível mais elevado da turbina e o nível onde a 
turbina se encontra: (ALÉ, 2001).
H b=z1−z0
4.2.2 Altura da Perda de Carga
Conforme Alé (2001) a perda de carga do sistema pode ocorrer pelos acessórios e tubulação. 
No caso de centrais hidrelétricas a perda de carga por tubulação é obtida utilizando a equação de 
Hazen-Williams definida como:
H p=10,643Q
1,85 λ−1,85 D−4,87 L(m)
Onde:
Q - Vazão (m³/s)
Figura 13: Relações entre rendimento e queda de água em turbinas 
hidráulicas (ALÉ, 2001).
25
 λ - Coeficiente de Hazen-Williams (ver tabela)
D - Diâmetro interno da tubulação (m)
L - Comprimento da tubulação
Para se determinar a perda de carga em tubulações poderiam ainda serem utilizadas 
outras equações, porém estas não serão abordadas no referido trabalho.
4.2.3 Altura ou Queda Disponível
Representa a altura disponível na entrada da turbina (ALÉ, 2001).
H=H b−H p
4.2.4 Altura ou Queda Motriz
Como já citada anteriormente, representa a energia hidráulica realmente fornecida 
para a turbina.
H m=H−J h
As perdas hidráulicas podem ser compostas por perdas de atrito, perdas por 
vazamento entre o rotor e a carcaça da turbina, entre outras (ALÉ, 2001).
4.2.5 Altura ou Queda Útil
Energia na saída da turbina. É avaliada como a altura de queda motriz menos as 
perdas mecânicas (Jm) dissipada pelos mancais e equipamentos auxiliares acoplados a árvore 
da turbina, por exemplo (ALÉ, 2001).
H u=H m−J m ou H u=H−(J h+ J m)
4.2.6 Potência Bruta
Potência em função da queda bruta da água (ALÉ, 2001).
Tabela 3: Coeficiente de Hazen-Williams ( ) λ (ALÉ, 2001).
26
N b=ρ g Q H b
4.2.7 Potência Disponível
Potência absorvida pela turbina. Potência hidráulica (ALÉ, 2001).
N d=ρ g Q H
4.2.8 Potência no Eixo da Turbina
Determinada com a potência útil da turbina (ALÉ, 2001).
N e=ρ gQ H u
4.2.9 Rendimento hidráulico
Relação entre a energia motriz, a energia cedida ao receptor da turbina para a fazer 
girar, e a energia disponível (ALÉ, 2001).
ηh=
N m
N d
=
H m
H 
4.2.10 Rendimento Mecânico
Relação entre a energia no eixo da turbina e a energia mecânica (ALÉ, 2001).
ηm=
N e
N m
=
H u
H m
4.2.11 Rendimento da Turbina
Relação entre a energia no eixo da turbina e a energia disponível (ALÉ, 2001).
ηt=
N e
N d
=
H u
H
A figura 13 mostra o rendimento das principais turbinas hidráulicas em função da 
vazão. E a figura 14 mostra o comportamento do rendimento em função da potência útil para 
as principais turbinas hidráulicas.
27
Figura 14: Variação do rendimento em função da vazão para as principais turbinas (SILVA).
Figura 15: Variação do rendimento com a potência útil (CORDEIRO, 2010).
28
4.2.12 Número Específico de Rotações
Segundo Alé (2001) para selecionarmos o tipo de turbina adequado para uma 
determinada queda de água, podemos utilizar como parâmetros de seleção a denominada 
rotação específica (nqA).
nqA=n
√Q
(gH )3/4
(rps)
n - Rotações por segundo da turbina – rotações por segundo (rps)
Q - Vazão (m³/s)
H - Queda disponível (m)
Tabela 4: Valores típicos de nqA para diferentes turbinas hidráulicas (ALÉ, 2001).
29
4.3 CAVITAÇÃO EM TURBINAS HIDRÁULICAS
A cavitação trata-se de bolhas de vapor que se produzem na água quando a pressão 
baixa até atingir a pressão de vaporização do fluido. A pressão estática absoluta é menor que a 
pressão do vapor correspondente a temperatura do fluido. Quando as bolhas de vapor 
alcançam zonas de alta pressão se condensam violentamente, dando origem a problemas 
sérios hidráulicos e mecânicos. A cavitação diminui a potência, a descarga e o rendimento 
produzindo ruídos e vibrações assim como destruição dos álabes. Nas turbinas hidráulicas a 
cavitação ocorre nas zonas de baixa pressão. Na parte convexa dos álabes, nas partes laterais 
próximas a saída do rotor e entrada do tubo de aspiração (ALÉ, 2001).
Para evitar a cavitação no caso das turbinas de reação a altura de aspiração (ver 
Figura) deve ser verificada que não supere a seguinte expressão:
hs≤H atm−σH−hv
onde:
Hatm – Altura correspondente a pressão atmosférica local (m)
 σ – Coeficiente de cavitação ou Fator de Thoma (m)
Figura 16: Gráfico para seleção de turbinas hidráulicas em função de nqA (ALÉ, 2001).
30
hv – Altura correspondente a Pressão de vapor a temperatura da água (m)
O valor do fator de Thoma para o qual inicia a cavitação denomina-se σmin e pode ser 
determinadopelas seguintes expressões segundo o tipo de turbina.
Com σmin se obtém o valor altura de aspiração máxima (hs max). Nas Turbinas 
Pelton, Turgo e Michell-Banki pode ocorrer cavitação no injetor provocada por uma 
geométrica desfavorável ou por rugosidade superficiais. Nestas turbinas não é 
necessário determinar a altura de aspiração já que o processo de escoamento no rotor 
ocorre geralmente a pressão atmosférica (ALÉ, 2001).
Tabela 5: Valores do Fator de Thoma para Turbinas Hidráulicas (ALÉ, 2001).
31
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Após estudo e analise feita sobre os diversos tipos de turbinas existentes, foi possível 
cumprir com os objetivos determinados e conhecer seus princípios de funcionamento, 
identificar os componentes que as compõe, apresentar parâmetros importantíssimos para a 
seleção correta de uma turbina, assim como o equacionamento das variáveis aplicadas a elas.
Considerando a crescente demanda por energia elétrica, principalmente do tipo 
hidráulica, ocorreu um rápido desenvolvimento das turbinas, que são equipamentos cujos 
rendimentos dependem muito da condição adequada de operação. Ou seja, o equipamento só 
apresentará um bom rendimento se trabalhar sob condições ideias para as quais foi projetado.
Portanto, a escolha adequada do tipo de turbina a ser utilizado em um determinado 
aproveitamento vai depende de vários fatores que devem, obrigatoriamente, ser levados em 
consideração, sendo eles: a queda, a vazão e a velocidade de rotação. De uma forma geral, as 
turbinas Pelton são mais indicadas para altas quedas, as máquinas Kaplan e Hélice para baixas 
quedas, e as turbinas Francis operam em quedas médias . 
Apesar dessas turbinas implicarem em um impacto ambiental considerável, 
resultante da formação do reservatório, são de indiscutível importância uma vez que, a maior 
parte da energia elétrica mundial é produzida com o uso de geradores movidos por turbinas. 
32
REFERÊNCIAS
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PUCRS. 2001. cap1. f.22.
ALEIXO, Aline Serpeloni. Otimização das constantes do regulador de turbina 
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Tecnologia) – Universidade Estadual de Campinas, Limeira, 2012. Disponível em: 
<http://www.bibliotecadigital.unicamp.br/document/?code=000858021&fd=y>. Acesso em: 
27 dez. 2012.
ALTERIMA. Disponível em:<http://www.alterima.com.br/index.asp?
InCdSecao=20&InCdEditoria=3&InCdMateria=226&pagina=&Turbinas+Hidr%E1ulicas>. 
Acesso em: 03 jan. 2013.
CERPCH, Centro Nacional de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétricas. 
Disponível em:<http://www.cerpch.unifei.edu.br/turbinas.html>. Acesso em: 27 dez. 2012.
CORDEIRO, Luiz. Máquinas Térmicas e Hidráulicas. 2010. Disponível em: 
<http://www.fat.uerj.br/intranet/disciplinas/Maquinas%20Termicas%20e
%20Hidraulicas/Apostila%20MTH_corrigida_doc_2010-09-08_155118.pdf>. Acesso em: 03 
jan. 2013.
HACKER, Turbinas hidráulicas. Disponível 
em:<http://www.hacker.ind.br/produtos_turbinas_kaplan_turbinas.php>. Acesso em: 27 dez. 
2012.
INTRODUÇÃO as Máquinas Hidráulicas. Disponível em: 
<http://pessoal.utfpr.edu.br/honorato/arquivos/IntroducaoMaquinasHidraulicas.pdf>. Acesso 
em: 03 jan. 2013.
ITAIPU BINACIONAL. Disponível em:<http://www.itaipu.gov.br/energia/unidades-
geradoras>. Acesso em: 02 jan. 2013.
MÁQUINAS TÉRMICAS e hidráulicas. Disponível em: 
<http://www.fat.uerj.br/intranet/disciplinas/Maquinas%20Termicas%20e
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jan. 2013.
33
MORAIS, Emauel José Peloso. Modelo de turbinas do tipo bulbo para estudos de 
estabilidade eletromecânica de sistemas elétricos de potência. 2011. 221 f. Dissertação 
(Mestrado em Ciências em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 
2011. Disponível em: <200.131.128.3/bim/0038052.pdf >. Acesso em: 04 jan. 2013.
MORAIS, E.J.P.; MENDES, P.P.C.; FERREIRA, C. Modelo de turbinas do tipo 
bulbo para estudos estabilidade eletromecânica de sistemas elétricos de potência - 
análise e comparações. In: ERIAC DÉCIMO TERCER ENCUENTRO REGIONAL 
IBEROAMERICANO DE CIGRÉ, XIII, 2009, Puerto Iguazú. Anais do XIII Eriac Décimo 
Tercer Encuentro Regional Iberoamericano de Gigré. Puerto Iguazú: UNIFEI, 2009. 
Disponível em: <http://www.labplan.ufsc.br/congressos/XIII%20Eriac/C4/C4-20.pdf>. 
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NOGUEIRA, Fábio José Horta. Microcentrais Hidrelétricas. Disponível 
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SILVA, Emílio Carlos Nelli. Máquinas de Fluxo. Escola Politécnica da USP. 
Departamento de Engenharia Mecatrônica e Sistemas Mecânicos.
	1 INTRODUÇÃO
	1.2 OBJETIVOS
	1.2.1 Objetivo Geral
	1.2.2 Objetivos Específicos
	2 REVISÃO TEÓRICA
	2.1 MÁQUINA HIDRÁULICA
	2.2 TURBINAS HIDRÁULICAS
	2.3 O SURGIMENTO DA TURBINA HIDRÁULICA
	2.4 IMPACTO AMBIENTAL
	2.5 TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS
	2.5.1 Turbinas Francis 
	2.5.2 Turbinas Kaplan
	2.5.3 Turbinas Pelton
	2.5.4 Turbinas Turgo
	2.5.5 Turbinas Cross Flow
	2.5.6 Turbinas Axiais
	2.5.7 Turbinas Bulbo 
	4 USINA HIDRELÉTRICA ITAIPU 
	4 METODOLOGIA
	4.1 SELEÇÃO DAS TURBINAS
	4.2 FLUXO DE ENERGIA E RENDIMENTO NAS TURBINAS HIDRÁULICAS
	4.2.1 Altura ou Queda Bruta
	4.2.2 Altura da Perda de Carga
	4.2.3 Altura ou Queda Disponível
	4.2.4 Altura ou Queda Motriz
	4.2.5 Altura ou Queda Útil
	4.2.6 Potência Bruta
	4.2.7 Potência Disponível
	4.2.8 Potência no Eixo da Turbina
	4.2.9 Rendimento hidráulico
	4.2.10 Rendimento Mecânico
	4.2.11 Rendimento da Turbina
	4.2.12 Número Específico de Rotações
	4.3 CAVITAÇÃO EM TURBINAS HIDRÁULICAS
	6 CONSIDERAÇÕES FINAIS
	REFERÊNCIAS