TCC VERSÃO FINAL 27 10 P IMPRIMIR

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CENTRO UNIVERSITÁRIO DO ESPÍRITO SANTO – UNESC 
HELENO MILANEZ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
AVALIACÃO DO DIMENSIONAMENTO DAS TURBINAS 
HIDRÁULICAS INSTALADAS NA PCH CACHOEIRA DA ONCA, RIO 
SÃO JOSÉ MUNICÍPIO DE SÃO GABRIEL DA PALHA-ES 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
COLATINA 
2015 
 
 
HELENO MILANEZ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
AVALIACÃO DO DIMENSIONAMENTO DAS TURBINAS 
HIDRÁULICAS INSTALADAS NA PCH CACHOEIRA DA ONCA, RIO 
SÃO JOSÉ MUNICÍPIO DE SÃO GABRIEL DA PALHA-ES 
 
Trabalho de Conclusão de Curso 
apresentado ao Centro Universitário do 
Espírito Santo – UNESC, sob orientação 
do Professor Alexsandre Leite Ferreira, do 
Curso de Engenharia Mecânica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
COLATINA 
2015 
 
 
HELENO MILANEZ 
 
 
 
 
 
 
 
 
AVALIACÃO DO DIMENSIONAMENTO DAS TURBINAS 
HIDRÁULICAS INSTALADAS NA PCH CACHOEIRA DA ONCA, RIO 
SÃO JOSÉ MUNICÍPIO DE SÃO GABRIEL DA PALHA-ES 
 
Trabalho de Conclusão de Curso 
apresentado ao Centro Universitário do 
Espírito Santo – UNESC, do Curso de 
Engenharia Mecânica. 
 
 
 
ORIENTADOR 
 
_________________________________________ _________ 
Alexsandre Leite Ferreira – Prof. Orientador. Nota 
Engenheiro Eletricista 
 
AVALIADOR 
 
_________________________________________ _________ 
Prof. Do UNESC Nota 
 
 
Colatina,____de________________2015.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Dedico esse trabalho primeiramente a 
Deus por estar presente em minha vida, 
pelas bênçãos sempre concedidas, pela 
minha família e amigos que contribuíram, 
não medindo esforços para que eu 
chegasse até esta etapa da minha vida. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Agradeço ao meu orientador, o Professor 
Alexsandre Leite Ferreira, por todo apoio 
e dedicação por ter compartilhado seus 
conhecimentos durante os momentos de 
realização desta pesquisa. 
A todos os professores de Engenharia 
Mecânica do UNESC em especial ao 
professor Carlos Marcelo que acreditou e 
contribuiu para minha formação 
acadêmica. 
A empresa TERRAGRAN rendo 
agradecimentos, pois confiou na minha 
graduação fazendo por mim em momento 
de maior dificuldade que eu não 
desistisse do meu sonho. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
“Tudo que pedirdes na oração, crendo, o 
recebereis”. 
JESUS CRISTO 
 
 
LISTA DE FIGURAS 
 
Figura 1 – Cachoeira da Onça. ................................................................................. 17 
Figura 2 – Conjunto de Turbinas em Operação na PCH Cachoeira da Onça. .......... 18 
Figura 3 - Usina Hidrelétrica. ..................................................................................... 21 
Figura 4 - Matriz Elétrica Brasileira. .......................................................................... 21 
Figura 5 - Custo por Quilowatt Instalado Para MiniCHs em Função da Queda......... 23 
Figura 6 - Processo de Conversão de Energia.......................................................... 24 
Figura 7 - PCH em Derivação. .................................................................................. 25 
Figura 8 – Energia Hidráulica .................................................................................... 30 
Figura 9 – Tubo de Aspiração. .................................................................................. 31 
Figura 10 – Turbina Tipo Francis em Manutenção na PCH Cachoeira da Onça....... 33 
Figura 11 – Turbina de Reação e de Ação. ............................................................... 34 
Figura 12 – Turbina Tipo Pelton. ............................................................................... 37 
Figura 13 – Turbina Pelton. ....................................................................................... 38 
Figura 14 – Turbina Tipo Kaplan. .............................................................................. 39 
Figura 15 – Turbina Hélice de Eixo Horizontal. ......................................................... 40 
Figura 16 – Conjuntos Turbina Gerador com Turbinas Hélice. ................................. 41 
Figura 17 – Turbina Francis de Eixo Horizontal. ....................................................... 42 
Figura 18 – Turbina Francis – Radial – Axial............................................................. 44 
Figura 19 – Disposição de um Conjunto Turbina-Gerador na PCH Cachoeira da 
Onça. ......................................................................................................................... 45 
Figura 20 – Disposição de um Eixo de Um Conjunto Turbina-Gerador. .................... 46 
Figura 21 - Tubo de Sucção. ..................................................................................... 49 
Figura 22 – Tipos de Turbinas Hidráulicas. ............................................................... 51 
Figura 23 – Variação de Tamanho do Rotor da Turbina em Função da Velocidade 
Específica e Faixa de Aplicação por Queda das Turbinas. ....................................... 54 
Figura 24 – Eficiência em Diferentes Tipos de Turbinas Hidráulicas. ....................... 55 
Figura 25 – Diagrama Para Seleção de Turbinas Hidráulicas Para PCHs. ............... 58 
Figura 26 – Gráfico Com Aplicação de Turbinas. ...................................................... 60 
 
 
 
 
 
 
LISTA DE TABELAS 
 
Tabela 1 – Dados da PCH Cachoeira da Onça. ........................................................ 19 
Tabela 2 – Classificação Para Pequenos Aproveitamentos Hidroenergéticos de 
Acordo com a Queda. ............................................................................................... 26 
Tabela 3 – Parâmetros de Velocidade Específica e Queda Para Diferentes Tipos de 
Turbina. ..................................................................................................................... 52 
Tabela 4 – Faixa de Queda Para Diferentes Tipos de Turbinas................................ 57 
Tabela 5 - Tipos de Turbinas e Suas Velocidades Específicas. ................................ 59 
Tabela 6 - Média dos Cálculos .................................................................................. 64 
Tabela 7 - Média das Potências ................................................................................ 65 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LISTA DE SÍMBOLOS 
 
PCH Pequena Central Hidrelétrica 
RPM Rotações por minuto 
kW Quilowatt 
 Energia Hidráulica 
 Altura Estática 
 Peso da água 
 Massa específica da água 
 Gravidade 
 Volume 
 Queda da turbina ou altura útil 
 Vazão 
 Variação de energia cinética 
 Potência hidráulica ou potência mecânico-hidráulico 
 Queda bruta 
 Nível superior 
 Nível inferior. 
 Tempo 
 Rendimento da turbina 
 Eficiência volumétrica 
 Eficiência hidráulica 
 Eficiência mecânica 
 Potência mecânico-motriz 
 Perdas hidráulicas por extensão e acessórios noconduto forçado 
 Perdas por potência decorrente da extensão e de acessórios 
 Potência final entregue no eixo 
 Potência entregue pelo eixo 
 Perdas de altura presentes na turbina 
 Vazão finalmente turbinada 
 Queda da turbina em relação às perdas presente nas turbinas 
 Nível na saída das águas turbinadas 
 Energia específica na entrada 
 
 
 Energia específica na saída da turbina 
 Fator de correção da velocidade na entrada da tubulação 
 Fator de correção da velocidade na entrada da tubulação 
 Velocidade média do fluido na entrada do conduto 
 Velocidade média do fluido na saída do conduto 
 Pressão na entrada 
 Pressão na saída 
 Altura da tomada d’água 
 Altura da turbina 
 PI 
 Coeficiente de perdas de carga 
 Coeficiente de atrito 
 Somatório das perdas de carga 
L Comprimento da tubulação 
D Diâmetro da tubulação 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
RESUMO 
 
 O surgimento de turbinas hidráulicas provavelmente veio da utilização da 
força das águas no auxílio do trabalho humano. Com o tempo, novas técnicas foram 
introduzidas até que se chegou ao que hoje é conhecido por turbinas hidráulicas. O 
grande potencial hidráulico brasileiro para a produção de energia elétrica 
impulsionou a utilização e o desenvolvimento de turbinas hidráulicas para a geração 
de energia elétrica em grande escala. Uma máquina hidráulica realiza a troca da 
energia do fluído pela energia mecânica, entregue por outra máquina, sendo que 
esta pode ser apresentada na forma de bomba ou turbina hidráulica. No elenco das 
turbinas hidráulicas, temos 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 e 
completamente submergido na água, sendo que a principal característica dessa 
turbina é a presença de um tubo de sucção que permite a recuperação de parte da 
energia cinética da água que deixa o rotor. Dentre os diversos tipos de turbinas, 
cada uma se caracterizando pelo seu aproveitamento hidroenergético, as que mais 
se destacam são: turbina Francis, Turbina Pelton e Turbina Kaplan. A seleção das 
turbinas hidráulicas é feita através do conhecimento de suas características de 
queda, fluxo e de operação ótimas e das características do local de sua instalação 
que, através de variáveis e equações, proporcionam sua correta escolha. 
 
Palavras chave: Turbinas hidráulicas, Pequenas Centrais Hidrelétricas, 
Aproveitamento Hidroenergéticos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ABSTRACT 
 
The appearance of hydraulic turbines probably came from the use of water 
force in assistance to human labor. Along time, new techniques have been 
introduced until becomes what it is today known for hydraulic turbines. The great 
brazilian hydraulic potential to the eletric energy production propeled the utilization 
and the development of hydraulic turbines to the production in large scale of eletric 
energy. A hydraulic machine executes the fluid trade of fluid energy for mechanic 
energy, delivered by other machine, which can be in form of a bomb or hydraulic 
turbine. In the hydraulic turbines category, we have the reaction and counter reaction 
turbines. In the first the hydraulic energy available is transformed em kinetic energy 
for, after hit the rotor blades, turn into mechanic energy. In the second one, the rotor 
is completely submerged in water, whereas the main characteristic of this turbine is 
the presence of a suction tube that allows the recuperation of the kinetic energy part 
that leaves the rotor. Among the kinds of turbines, being characterized for your 
hydropower utilization, the ones that have more highlight are: Francis turbine, Pelton 
turbine and Kaplan turbine. The selection of the hydraulic turbine is made through the 
knowledge of your characteristics of fall, flux and optimal operations and the 
installation place characteristics that, through variables and equations, provide your 
best choice. 
 
Keywords: hydraulic turbines, small hydroelectric plants, hydro utilization. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SUMÁRIO 
 
INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 15 
1 OBJETIVOS ........................................................................................................... 16 
2 HISTÓRIA DA PCH CACHOEIRA DA ONÇA ....................................................... 17 
3 USINA HIDRELÉTRICA ......................................................................................... 20 
4 PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS (PCH) ............................................... 22 
5 RELACÃO DAS PCHs NO DESENVOLVIMENTO ECONÔMICO DE UMA 
REGIÃO ................................................................................................................ 23 
6 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE UMA PCH ............................................... 24 
7 TIPOS DE PCHs .................................................................................................... 25 
8 MÁQUINAS DE FLUIDO........................................................................................ 28 
9 ENERGIA HIDRÁULICA ........................................................................................ 29 
10 TURBINA HIDRÁULICA ...................................................................................... 33 
11 PRINCIPAIS TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS PARA PCH ...................... 35 
11.1 PARTES DE UMA TURBINA HIDRÁULICA ...................................................... 35 
12 PRINCIPAIS TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS PARA PCH ...................... 36 
12.1 TURBINA PELTON ........................................................................................... 36 
12.2 TURBINA KAPLAN ........................................................................................... 38 
12.3 TURBINA FRANCIS .......................................................................................... 41 
13 DISPOSIÇÃO DO CONJUNTO TURBINA-GERADOR ....................................... 45 
13.1 QUEDA BRUTA ................................................................................................ 46 
13.2 POTÊNCIA DAS TURBINAS ............................................................................. 49 
13.3 ROTAÇÃO ESPECÍFICA .................................................................................. 51 
13.4 EFICIÊNCIA DAS TURBINAS ........................................................................... 54 
14 SELEÇÃO DAS TURBINAS ................................................................................ 57 
14.1 VELOCIDADE ESPECÍFICA DE TURBINAS GEOMETRICAMENTE 
SEMELHANTES ............................................................................................. 58 
 
 
14.2 SIMILARIDADE DAS TURBINAS ...................................................................... 60 
15 MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................... 61 
16 RESULTADOS E DISCUSSÕES DE DADOS ..................................................... 63 
CONCLUSÃO ........................................................................................................... 67 
REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 68 
ANEXO A ..................................................................................................................69 
 
15 
 
INTRODUÇÃO 
 
Este estudo tem como objetivo apresentar os principais componentes de 
turbinas hidráulicas em uma Pequena Central Hidrelétrica (PHC), buscando realizar 
a avaliação das turbinas instaladas as quais utilizam a força da água para colocá-las 
em movimento. 
O propósito desta pesquisa foi estudar as máquinas hidráulicas, normalmente 
chamadas de turbinas hidráulicas que recebem energia de um fluxo hidráulico e 
convertem esta energia mecânico-hidráulica em mecânico-motriz disponível nas 
extremidades de um eixo. 
Desenvolver uma pesquisa sobre eficiência e desempenho das máquinas 
existentes destacando o uso e conservação dos recursos hídricos existentes, 
observando a vazão, altura e a velocidade da água. 
Descrever os principais elementos construtivos e as convenções utilizadas no 
estudo de máquinas de fluxo, representando os principais componentes e suas 
várias formas para operá-los com transformações de energia, identificando as 
variáveis envolvidas na formação e no funcionamento das turbinas. 
Este estudo busca, por fim, contribuir para a solução do problema energético 
pela análise apoiada em literatura técnica e especializada que permita aproveitar 
pequenas fontes energéticas e que precisam acompanhar o desenvolvimento de 
todos os campos da vida moderna. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
16 
 
1 OBJETIVOS 
 
O objetivo do presente trabalho é a avaliação do tipo de turbina instalada na 
PCH Cachoeira da Onça, determinada pelos cálculos pertinentes, considerando as 
características do aproveitamento hidrelétrico. Descrever os tipos de máquinas de 
fluxo e classificá-las às diferentes sistemas sobre as diferentes aplicações das 
turbinas hidráulicas. 
O projeto de turbinas envolve diversos conhecimentos técnicos de mecânica 
dos fluidos, materiais, vibrações, entre outros. Estes assuntos são abordados em 
diversos tópicos de livros especializados. A aplicação prática na engenharia mais 
comum é o projeto de máquinas. 
O propósito final deste trabalho é apresentar os detalhes suficientes para 
ilustrar a base de projeto de turbinas e discutir brevemente as limitações dos 
resultados obtidos a partir de modelos analíticos, correlacionando a seleção e a 
aplicação sob os aspectos mais significativos. A finalidade é estabelecer os 
princípios fundamentais dos cálculos básicos em relação à escolha ideal deste tipo 
de máquina, mas não de sua construção detalhada. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
17 
 
2 HISTÓRIA DA PCH CACHOEIRA DA ONÇA 
 
A Cachoeira da Onça está localizada no município de São Gabriel da Palha, 
norte do estado do Espírito Santo, no curso d’água denominado rio São José, 
principal formador da lagoa Juparanã, afluente do rio Doce. As coordenadas UTM 
(Datum WGS84) da seção do barramento são longitude: 338.115, latitude: 7.893.373 
(Zona 24S). 
 
 
Figura 1 – Cachoeira da Onça. 
Fonte: (do autor). 
 
As máquinas instaladas na Pequena Central Hidrelétrica Cachoeira da Onça 
foram adquiridas, pela Empresa Luz e Força Santa Maria, da Companhia Paulista de 
Força e Luz – CPFL e faziam parte de uma PCH que estava sendo desativada na 
cidade de Lençóis Paulista/SP. 
A usina Cachoeira da Onça esta operando desde 1972, instalada no Rio São 
José, na cidade de São Gabriel da Palha - ES e é definida como uma minicentral 
hidrelétrica, a fio d’água, com potência total instalada de 900 kW, com duas turbinas 
Francis com queda bruta de 24,83 m, barragem de concreto de 4,10 m de altura 
máxima, comprimento total de crista 77,60 m, adução em conduto fechado com 
chaminé de equilíbrio para alívio de pressão, com vazão máxima turbinada de 5,5 
m3.s-1. 
18 
 
 
Figura 2 – Conjunto de Turbinas em Operação na PCH Cachoeira da Onça. 
Fonte: (do autor). 
 
A matéria-prima utilizada para a geração de energia elétrica é a água do Rio 
São José, que aciona as turbinas hidráulicas que estão acopladas aos geradores de 
energia. Após passar pelas turbinas a água retorna ao leito do rio. A barragem é do 
tipo gravidade, de concreto ciclópico, de perfil trapezoidal, com comporta de 6,95 m 
de largura. O vertedouro descarrega as vazões excedentes decorrentes das cheias 
dos rios depois que a capacidade de armazenamento do reservatório foi 
completada, e tem comprimento de 35 m, com capacidade de escoamento de 175 
m3.s-1. 
O conduto de baixa pressão tem extensão de 183 m, em concreto, diâmetro 
2,40 m, interliga a tomada d’água com a chaminé de equilíbrio, apoiada sobre 
blocos de ancoragem em concreto. A chaminé de equilíbrio faz a transição entre o 
conduto da baixa pressão e a tubulação forçada, construído em concreto é 
responsável pelo alívio de pressão e tem altura 13 metros. 
A tubulação forçada tem extensão de 60 m, diâmetro de 1,50 m, construído em 
chapa de ferro espessura 5/16, apoiada sobre blocos de ancoragem em concreto. A 
casa de máquinas está locada na margem esquerda do rio e abriga duas turbinas 
tipo Francis de eixo horizontal, com engolimentos de 4,55 m3/s e 0,95 m3/s. 
A PCH Cachoeira da Onça transforma a maior parte do trabalho mecânico a 
ele entregue pela turbina em energia elétrica, possui dois geradores trifásicos, 
19 
 
sendo um com potência de 660 kW, tensão de 6.600 V e um com potência de 240 
kW e tensão de 500 V, interligados à subestação que integra a usina ao sistema de 
distribuição de energia elétrica (Fonte: do autor). 
 
Tabela 1 – Dados da PCH Cachoeira da Onça. 
Localização Latitude 19o 03’ Longitude 40o 32’ 
Curso d’água Rio São José 
Área Inundada 232.800 m2 
Área de drenagem 824.450.000 m2 
Potência total 900 kW 
No de unidades Geradoras 2 
Barragem 
Tipo: Concreto 
Altura: 4,10m 
Comprimento Total da crista: 77,60m 
Condutos de baixa pressão 
Tipo: Tubulação de concreto 
Comprimento: 185,00m 
Diâmetro/Seção: 2,20m 
Tubulação forçada 
Extensão: 60,00m 
Diâmetro: 1,45m 
Material: Ferro espessura 5/16” 
Vertedouro Comprimento: 35,00m 
Turbina Francis1 
Tipo: Francis 
Potencia: 660 kW 
Queda liquida: 24,0 m 
Engolimento: 4,55 m3.s-1 
Turbina Francis 2 
Tipo: Francis 
Potencia: 274 kW 
Queda liquida: 24,0 m 
Engolimento: 0,95 m3.s-1 
Gerador 1 
Tensão: 6.600 V 
Potência: 825 kVA 
Fator de Potência: 0,8 
Rotação: 600 rpm 
Gerador 2 
Tensão: 500 V 
Potência: 300 kVA 
Fator de Potência: 0,8 
Rotação: 900 rpm 
 Fonte: (do autor). 
 
 
 
 
 
20 
 
3 USINA HIDRELÉTRICA 
 
Para produzir a energia hidrelétrica é necessário integrar a vazão do rio, a 
quantidade de água disponível em determinado período de tempo e os desníveis do 
relevo, sejam eles naturais, como as quedas d’água, ou criados artificialmente 
(http://www.aneel.gov.br/arquivos/pdf/atlas_par2_cap3.pdf). 
A infraestrutura da usina é composta, por barragem, sistema de captação e 
adução de água, casa de força e vertedouro, que funcionam simultaneamente e de 
maneira integrada. A barragem tem por objetivo interromper o curso normal do rio e 
permitir a formação do reservatório. Além de armazenar a água, esses reservatórios 
têm outras aplicações: permitem a formação do desnível necessário para a 
configuração da energia hidráulica, a captação da água em volume adequado e a 
regularização da vazão dos rios em períodos de chuva ou estiagem. Algumas usinas 
hidroelétricas são conhecidas como “a fio d’água”, ou seja, próximas à superfície e 
utilizam turbinas que aproveitam a velocidade do rio para gerar energia. Usinas a fio 
d’água reduzem as áreas de alagamento e não formam reservatórios para 
armazenar aágua, ou seja, a ausência de reservatório diminui a capacidade de 
armazenamento de água, única maneira de poupar energia elétrica para os períodos 
de seca. Os sistemas de captação e adução são formados por túneis, canais ou 
condutos metálicos que têm a função de levar a água até a casa de força. É nesta 
instalação que estão às turbinas, formadas por uma série de pás ligadas a um eixo 
conectado ao gerador. Durante o seu movimento giratório, as turbinas convertem a 
energia cinética (do movimento da água) em energia elétrica por meio dos geradores 
que irá produzir a eletricidade. Depois de passar pela turbina, a água é devolvida ao 
leito natural do rio pelo canal de saída. Os principais tipos de turbinas hidráulicas 
são: Pelton, Kaplan, Francis. Cada turbina é adaptada para funcionar em usinas com 
determinada faixa de altura de queda e vazão. O vertedouro permite a saída da 
água sempre que os níveis do reservatório ultrapassam os limites recomendados. 
Uma das razões para a sua abertura é o excesso de vazão ou de chuva. Outra é a 
existência de água em quantidade maior que a necessária para o armazenamento 
ou a geração de energia (http://www.aneel.gov.br/arquivos/pdf/atlas_par2_cap3.pdf). 
 
21 
 
 
Figura 3 - Usina Hidrelétrica. 
Fonte: Disponível em <http://www.aneel.gov.br/arquivos/pdf/atlas_par2_cap3.pdf>. 
Acesso em: 16 Ago. 2015. 
 
 
 
 
 
Figura 4- Matriz Elétrica Brasileira. 
Fonte: Disponível em: 
<https://ben.epe.gov.br/downloads/S%C3%ADntese%20do%20Relat%C3%B3rio%20Final_2015
_Web.pdf>. 
Acesso em: 16 Ago. 2015. 
 
 
22 
 
4 PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS (PCH) 
 
De acordo como CARNEIRO: “O setor de Pequenas Centrais Hidrelétricas vem 
se desenvolvendo rapidamente desde 1998. De lá até hoje saímos de cerca de 850 
MW de PCHs em operação para 2998 MW em 31 de agosto de 2009” (2010, p. 1). 
Segundo o que estabelece a resolução Aneel 652, de 09/12/2013, será 
considerado com características de PCH o aproveitamento hidrelétrico com potência 
superior a 1000 kW e igual ou inferior a 30000 kW, destinado a produção 
independente autônoma, com área do reservatório inferior a 3 km² (CARNEIRO, 
2010). 
Para enquadramento das características de PCH, a referida resolução utiliza os 
seguintes conceitos (CARNEIRO, 2010): 
A área do reservatório delimitada pelo nível d’água máximo normal de 
montante. Nível d’água máximo normal de montante correspondendo ao nível que 
limita a parte superior do volume útil. Nível d’água mínimo normal de montante que 
limita a parte inferior do volume útil. Nível d’água normal de jusante da casa de 
força, para vazão correspondente ao somatório dos engolimentos máximos de todas 
as turbinas, sem considerar a influência da vazão vertida. 
Segundo ANEEL: “O aproveitamento hidrelétrico que não atender a condição 
para área do reservatório inferior a 3 km², respeitados os limites de potência e 
modalidade de exploração, será considerado com característica de PCH, caso se 
verifique pelo menos uma das seguintes condições e atenda a seguinte inequação”: 
 
 
 
 
 (1) 
 
Em que: 
P = potência elétrica instalada em (MW); 
A = área do reservatório em (km²); 
Hb = queda bruta em (m), definida pela diferença entre os níveis d’água 
máximos normal de montante e normal de jusante. 
 
 
23 
 
5 RELACÃO DAS PCHs NO DESENVOLVIMENTO ECONÔMICO DE UMA 
REGIÃO 
 
 A eletricidade se estabeleceu como um fator decisivo para a melhoria da 
qualidade de vida, e o fortalecimento da produtividade econômica. É fundamental 
para a educação, alimentação, saúde, agricultura e indústria, por ser consequência 
de um sistema de conversão de energia e acaba causando impactos ao meio 
ambiente. Isso forma uma sinergia básica para o desenvolvimento humano, 
constituída por energia, desenvolvimento e meio ambiente. Embora possa parecer 
que cada uma dessas atividades é independe, a insuficiência de energia limita as 
oportunidades de desenvolvimento, e, portanto, reduz a qualidade de vida. Assim, é 
fundamental compreender a importância do acesso à energia elétrica gerada por 
fontes de pequeno impacto ambiental (FLÓREZ, 2014). 
 
Figura 5 - Custo por Quilowatt Instalado Para MiniCHs em Função da Queda. 
Fonte: (FLÓREZ, 2014, p. 17). 
 
 
 
 
24 
 
6 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE UMA PCH 
 
 A estrutura de uma instalação para geração de energia elétrica diz respeito a 
um processo de transformação de energia. A energia hidráulica é transformada pela 
turbina em energia mecânica, e esta por sua vez, é transformada em energia elétrica 
por um gerador para ser fornecida à demanda através de linhas de interligação. 
Esse procedimento de conversão de energia é realizado mantendo-se constantes 
dois fatores: tensão elétrica e frequência. Isso é possível quando a instalação tem 
um regulador de tensão e um regulador de velocidade trabalhando em harmonia, 
visto que em qualquer variação na demanda de energia afeta esses dois 
parâmetros. O primeiro é um parâmetro elétrico, que se regula em função dos 
reagentes da máquina elétrica, e o segundo parâmetro é mecânico, o que indica que 
sua regulação é função do fluxo de água, ou seja, da vazão d’água, portanto a 
turbina deve ter um mecanismo para tal fim (FLÓREZ, 2014). 
 
Figura 6 - Processo de Conversão de Energia. 
Fonte: (FLÓREZ, 2014, p. 19). 
 
 
 
 
 
25 
 
7 TIPOS DE PCHs 
 
 A utilização de aproveitamentos hidroenergéticos em pequena escala pode 
estar dentro do Sistema Interligado ou completamente isolado em zonas não 
interligadas. Quando estão interligados, a demanda por potência e por energia pode 
ser atendida pelo sistema que o respalda por meio da linha de interligação, além do 
mais, seus excedentes de potência e energia poderão ser transmitidos ao sistema. A 
pesar disso não ocorre quando devem atender a uma demanda isolada, nessa 
conjuntura, a usina de geração deve cumprir a demanda por potência e energia, 
mantendo constantes a frequência e a voltagem. Uma escolha que reduziria essas 
exigências para a PCH seria dispor de um reservatório que lhe permitisse atender, a 
todo instante, as oscilações da demanda. Isso necessitaria da construção de uma 
barragem, que, por sua vez, criaria um reservatório, aproveitável também para 
irrigação agrícola e controle de cheias. Toda via, se as análises técnico-econômicas 
demonstrarem ser inviável a construção de um reservatório de água para esse fim, a 
única alternativa é o desenvolvimento de um projeto para captação de vazão d’água 
diretamente do rio, mediante a construção de derivação, o que fará com que a PCH 
trabalhe a fio d’água (FLÓREZ, 2014). 
 
Figura 7 - PCH em Derivação. 
Fonte: (FLÓREZ, 2014, p. 23). 
 
26 
 
As PCHs se adaptam facilmente a diversas condições de queda impostas 
pelas características topográficas e cartográficas da área do projeto. Por isso elas 
podem ser classificadas como de baixa, média e alta queda (FLÓREZ, 2014). 
 
Tabela 2 – Classificação Para Pequenos Aproveitamentos Hidroenergéticos de 
Acordo com a Queda. 
Tipo 
Queda (m) 
Baixa Média Alta 
MicroCHs H < 15 15 < H < 50 H > 50 
MiniCHs H < 20 20 < H < 100 H > 100 
PCHs H < 25 25 < H < 130 H > 130 
Fonte: (FLÓREZ, 2014, p.23). 
 
Perante tais observações em zonas não interligadas, os aproveitamentos 
hidroenergéticos em pequena escala devem atender a uma demanda por potência e 
energia mantendo constantes a frequência e a voltagem comuma PCH em 
derivação. Essa PCH se caracteriza por não dispor de um reservatório que lhe 
permita reservar água para uso nas épocas de menor vazão. Nesse sentido, a vazão 
é tomada diretamente do recurso hídrico por meio de uma abertura que se comunica 
com um canal, o qual se encarrega de conduzir o caudal, com uma pequena 
inclinação, até o lugar onde se obtém a queda necessária para se conduzir a 
potência requerida (FLÓREZ, 2014). 
Algumas das características mais relevantes dos elementos que compõe a 
PCH são (FLÓREZ, 2014). 
 
 Tomada d’água: é a obra por meio da qual capta a vazão requerida para obter 
a potência de projeto. Sua construção é sólida, vista que deve suportar as 
cheias do rio. 
 Obra de adução: responsável pela condução da vazão da tomada d’água até a 
câmara de carga. Possui uma pequena inclinação, na maioria dos casos, 
costuma ser um canal, mas também pode ser um túnel e/ou uma tubulação. 
 Desarenador: é necessário que as partículas em suspenção na água sejam 
decantadas, por isso, no fim da obra de adução se constrói um tanque de 
maiores dimensões que o canal, para que as partículas percam velocidade e 
sejam decantadas. 
27 
 
 Câmara de carga: nessa obra a velocidade da água é praticamente zero. 
Acoplam-se a condutos forçados, suas dimensões devem garantir que não 
entre bolhas de ar nos condutos forçados, permitir fácil arranque do conjunto 
turbina gerador e amortecer o golpe de aríete. 
 Extravasor ou vertedouro: essa obra permite verter a vazão excedente que 
ocorre na tomada d’água e na câmara de carga e conduzi-la ao leito de 
aproveitamento. 
 Condutos forçados: por eles se conduz a vazão de projeto até a turbina. Estão 
apoiados em ancoragens que ajudam a suportar a pressão gerada pela água e 
sua dilatação, que ocorre por conta da variação de temperatura. 
 Casa de máquinas: nela encontram-se o conjunto turbina-gerador, encarregado 
de transformar a energia potencial em energia mecânica, e esta, em energia 
elétrica. 
 Outros elementos: válvulas, reguladores, volante, painel de medição, proteção, 
subestação, barragem etc. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
28 
 
8 MÁQUINAS DE FLUIDO 
 
De acordo com HENN: “Máquina de fluido é o equipamento que promove a 
troca de energia entre um sistema mecânico e um fluido, transformando energia 
mecânica em energia de fluido ou energia de fluido em energia mecânica” (2012, p. 
28). 
 
Máquina de fluido pode ser definida como um transformador de energia 
(sendo necessariamente o trabalho mecânico uma das formas de energia) 
no qual o meio operante é um fluido que, em sua passagem pela máquina, 
interage com um elemento rotativo, não se encontrando, em qualquer 
instante, confinado (HENN, 2012, p. 43). 
 
Ainda segundo HENN: “O campo de aplicação dos diferentes tipos de 
máquinas de fluido é tão amplo e sujeito a regiões de superposição que, muitas 
vezes, torna-se difícil definir qual a melhor máquina para determinada aplicação” 
(2012, p. 29). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
29 
 
9 ENERGIA HIDRÁULICA 
 
A energia hidráulica corresponde a um processo de conversão de energia 
gravitacional, originada no fluxo da água por meio de condutos forçados. A energia 
hidráulica fornecida á turbina equivale ao peso de água G deslocado no trecho 
compreendido entre a seção de entrada e a saída dos condutos forçados (RAMIRO, 
2014). 
 
 (2) 
 
Em que é a altura estática, que corresponde à diferença entre o nível 
superior NS e o inferior NI, isto é: . O peso da água G corresponde 
a: . Nessa equação, o volume V equivale ao produto da vazão Q em uma 
magnitude de tempo 
Dessa forma, a energia hidráulica fornecida à turbina equivale a: 
 
 (3) 
 
E a potência hidráulica total obtida nesse trecho corresponde a: 
 
 
 
 
 (4) 
 
Ao substituir os valores da densidade da água e da aceleração da gravidade, 
temos que a potência hidráulica total, dada em quilowatts, é igual a: 
 
 (5) 
 
30 
 
 
Figura 8 – Energia Hidráulica 
Fonte: (FLÓREZ, 2014, p. 20). 
 
 Na equação anterior, a altura estática não inclui as perdas por extensão e 
acessórios nos condutos forçados e não considera o efeito da variação da energia 
cinética nos condutos forçados e ao restabelecimento de parte da energia cinética 
da água na saída do tubo de sucção. E para oferecer mais detalhes e considerar as 
perdas por extensão e acessórios nos condutos forçados, ∆h, a potência hidráulica 
total é determinada conforme (FLÓREZ, 2014). 
 
 ( ) (6) 
 
O efeito da variação da energia cinética nos condutos forçados refere-se à 
diferença de velocidade entre a tomada da água e o final dos condutos forçados. 
Para essa condição, a queda da turbina H corresponde à diferença entre a queda 
bruta da turbina e as perdas hidráulicas por extensão e acessórios nos condutos 
forçados (FLÓREZ, 2014). 
 
 
 
 
 
 
 
 (7) 
 
31 
 
 De acordo com FLÓREZ: ”Ao considerar as perdas hidráulicas ∆h e o efeito 
do gradiente cinético nos condutos forçados, a potência hidráulica total é 
determinada por” (2014, p.21). 
 
 ( 
 
 
 
 
 
) (8) 
 
 
Figura 9 – Tubo de Aspiração. 
Fonte: (FLÓREZ, 2014, p. 21). 
 
Conforme FLÓREZ: “É necessário considerar a recuperação de parte da 
energia cinética da água à saída do tubo de sucção, que faz aumentar à queda em 
uma magnitude equivalente a” (2014, p.22). 
 
 
 
 
 (9) 
 
Ainda segundo FLÓREZ: “Ao considerar a recuperação energética no tubo de 
sucção, as perdas hidráulicas e o efeito do gradiente cinético nos condutos forçados, 
tem-se que a potência hidráulica total equivale a” (2014, p.22). 
 
32 
 
 ( 
 
 
 
 
 
 
 
 
) (10) 
 
A energia aplicada pelo tubo de sucção é relevante em aproveitamentos 
hidroenergéticos de baixa queda, quando de baixa queda, quando pode equivaler de 
50% a 90% da energia total. Em PCHs de médias e altas quedas, a recuperação de 
parte da energia cinética da água na saída do tubo de sucção não é relevante. 
Podemos considerar então que a queda bruta da turbina equivale a (FLÓREZ, 
2014). 
 
 (11) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
33 
 
10 TURBINA HIDRÁULICA 
 
Turbina hidráulica é uma máquina com objetivo de converter a energia de fluxo 
da água que atravessa em trabalho mecânico. É um sistema fixo hidráulico e um 
sistema rotativo hidromecânico destinados à orientação da água em escoamento e a 
transformação em trabalho mecânico (FLÓREZ, 2014). 
 
É uma máquina hidráulica que, recebendo em sua porta de entrada energia 
mecânico-hidráulica de um fluido, converte essa energia em energia 
mecânica-motriz e a disponibiliza na ponta mecânica da referida. Como as 
turbinas são máquinas hidráulicas reais, a energia disponibilizada em seu 
eixo mecânicoé menor do que aquela que o fluido forneceu a ela (SIMONE, 
2010). 
 
A turbina é o mecanismo que a energia hidráulica se transforma em energia 
mecânica. Esta acoplada ao gerador, e em conjunto produzem energia elétrica. Nela 
constata-se que a vazão captada pela tomada d’água é levada pelo conduto forçado 
até a turbina. A água é conduzida ao rotor da turbina para realizar o processo de 
conversão de energia hidráulica em mecânica, que pode ser feito de duas formas: a 
vazão muda somente de direção, mas não de aceleração (turbinas de ação), e a 
vazão entra sob pressão, e nos condutos móveis do rotor da turbina muda de 
direção e aceleração (turbina de reação), etc (FLÓREZ, 2014). 
 
 
Figura 10 – Turbina Tipo Francis em Manutenção na PCH Cachoeira da Onça. 
Fonte: (do autor). 
 
34 
 
As máquinas que extraem energia de um fluido na forma de potência ou 
trabalho são chamadas de turbinas. O conjunto de pás, lâminas ou conchas fixadas 
ao eixo da turbina é chamado de rotor e o fluido de trabalho é a água de modo que o 
escoamento é incompreensível (FOX, 2011). 
 
 
Figura 11 – Turbina de Reação e de Ação. 
Fonte: (FLÓREZ, 2014, p. 319). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
35 
 
11 PRINCIPAIS TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS PARA PCH 
 
11.1 PARTES DE UMA TURBINA HIDRÁULICA 
 
De acordo com FLÓREZ: “Os elementos fundamentais de uma turbina 
hidráulica são os seguintes” (2014, p. 328). 
 Distribuidor: é um elemento estático que não possui velocidade angular e no 
qual não ocorre trabalho mecânico. Suas funções são: acelerar o fluxo ao 
transformar total (turbinas de ação) ou parcialmente (turbinas de reação) a 
energia potencial da água em energia cinética e dirigir a água para o rotor da 
turbina, seguindo uma direção adequada (FLÓREZ, 2014). 
Ainda segundo FLÓREZ: “Nas turbinas de reação o distribuidor tem as 
seguintes formas: radial, semiaxial e axial; e nas turbinas de ação é um injetor” 
(2014, p. 329). 
 Rotor: é um elemento fundamental que consta de um disco provido de um 
sistema de pás fixas ou móveis. A transformação da energia hidráulica da 
queda d’água em energia mecânica ocorre no rotor da turbina mediante 
aceleração e desvio, ou pelo simples desvio do fluxo de água em sua 
passagem pelas pás (FLÓREZ, 2014). 
 Tubo de sucção: é um componente comum nas turbinas de reação, 
eventualmente é usado nas turbinas de ação, como do tipo Michaell-Banki, em 
que adota a forma cilíndrica. É instalado depois do rotor da turbina e de modo 
geral, tem a forma de um tubo divergente. Pode ser reto ou acotovelado, e 
cumpre as seguintes funções: recuperar altura entre a saída do rotor da turbina 
e o nível do canal de fuga, e recuperar uma parte da energia cinética 
correspondente à velocidade residual da água na saída do rotor, a partir de um 
projeto do tipo difusor (FLÓREZ, 2014). 
 Carcaça: a carcaça tema função geral de cobrir e suportar as partes da turbina. 
Nas turbinas Francis e Kaplan, por exemplo, tem a forma de um espiral 
(FLÓREZ, 2014). 
 
 
 
 
36 
 
12 PRINCIPAIS TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS PARA PCH 
 
12.1 TURBINA PELTON 
 
Esta turbina pode ser definida como uma turbina de ação de fluxo tangencial e 
admissão parcial que trabalha a pressão atmosférica e foi desenvolvida para 
condições de grandes alturas, 400 m a 600 m, e baixas vazões. Além de tudo opera 
eficientemente com cargas parciais (FLÓREZ, 2014). 
Conforme FLÓREZ: [...] “o modo como transforma a energia hidráulica em 
mecânica, a turbina Pelton pode ser definida como uma turbina de ação e de fluxo 
tangencial” (2014, p. 349). 
É uma turbina de impulsão que consiste em três componentes básicos: os 
bocais estacionários, o rotor e uma carcaça. A carga de pressão do bocal é 
convertida em energia cinética contida no jato de água. Conforme o jato impacta as 
palhetas giratórias a energia cinética é convertida em rotação. (POTTER, 2011). 
 Os componentes importantes que formam a turbina Pelton são o distribuidor e 
o rotor da turbina. Esse tipo de turbina não tem tubo de sucção, por ser uma turbina 
de ação, seu rotor funciona a pressão atmosférica. O distribuidor de turbina e 
constituído por um ou vários injetores, que podem pode chegar a seis, cada um 
deles apresenta, de modo geral, um bocal de seção circular provido de uma agulha 
de regulação que se move axialmente variando, assim, a seção do fluxo. Adiciona-
se um defletor, necessário para uma operação rápida, que deixa o rotor sem ação 
do jato. Desse modo, a agulha se fecha em um tempo maior, reduzindo assim, os 
efeitos do golpe de aríete (FLÓREZ, 2014). 
 Ainda segundo FLÓREZ: “Nas turbinas pequenas utilizadas em microcentrais 
é possível prescindir da agulha e operar com um ou mais bocais, com vazão 
constante, em alguns casos mantendo a placa defletora” (2014, p. 350). 
37 
 
 
Figura 12 – Turbina Tipo Pelton. 
Fonte: (FLÓREZ, 2014, p. 349). 
 
A figura 10 mostra o corte transversal equivalente à posição da agulha em um 
injetor para uma vazão máxima, média e totalmente fechada. Com tal característica 
mostra o instante em que o defletor começa a desviar o jato até o instante em que o 
moveu totalmente e que já não atinge as pás do rotor (FLÓREZ, 2014). 
O rotor é de admissão parcial e consta de um disco provido de uma série de 
pás montadas na periferia, em um número que oscila entre 12 e 40. Cada pá é 
formada por duas pás unidas cujos cortes transversais correspondem a dois 
semicírculos unidos em uma superfície de corte que divide o jato do ejetor entre 
duas pás, fazendo com que a velocidade mude de direção e magnitude e, com isso, 
gerando um impulso que faz girar o rotor. Adicionalmente, na parte superior das pás 
encontra-se uma janela que evita que o jato impacte na parte posterior das pás. No 
rotor, as pás podem estar aparafusadas ao disco, unidas por soldagem ou fundidas 
em uma só peça com o disco, as turbinas Pelton podem ser de eixo vertical, com 3 a 
6 injetores, e de eixo horizontal, com 1 ou 2 injetores (FLÓREZ, 2014). 
38 
 
 
Figura 13 – Turbina Pelton. 
Fonte: (FLÓREZ, 2014, p. 350). 
 
12.2 TURBINA KAPLAN 
 
A turbina Kaplan pode ser definida como uma turbina de fluxo axial de reação e 
admissão total. A principal característica da turbina Kaplan é o rotor, que tem pás 
com perfil de asa de avião, orientáveis (móveis) mediante a um mecanismo situado 
no interior do rotor. O distribuidor é do tipo Fink, similar ao das turbinas Francis. 
Consta ainda, de uma caixa espiral de seção circular ou retangular e de um tubo de 
sucção do tipo reto ou acotovelado, segundo a exigência da altura de sucção. 
Devido as pás do rotor serem orientáveis (móveis), o conjunto opera com muito boa 
eficiência dentro de uma ampla faixa de vazão. A turbina Kaplan é uma turbina de 
reação, os elementos que a configuram são similares aos da turbina Francis, em 
particular os seguintes: caixa espiral, pré-distribuidor, distribuidor e tubo de sucção. 
O rotor da turbina Kaplan é formado por 4 a 8 pás móveis, e seu número aumenta 
em função da altura. No rotor, as pás estão apoiadas em um cone hidrodinâmico 
denominado cubo do rotor, e em cada um dos eixos denominados munhão de pá há 
39 
 
uma alavanca fixada. Adicionalmente, dentro do rotor há um pistão em cuja 
extremidade há um elemento com alavancas móveis. O elemento das pás do rotor é 
feito da seguinte forma: o movimento longitudinal do pistão desloca a alavanca e 
esta transmite esse movimento à alavanca fixada na pá, e a pá muda o ângulo de 
inclinação, o resultado do deslocamento do pistão é o movimento de todas as pás do 
rotor daturbina. Essa característica permite à turbina, em seu conjunto, ajustar-se às 
condições de queda e vazão e, com isso, trabalhar com sua máxima eficiência em 
um amplo intervalo de potência (FLÓREZ, 2014). 
 
Figura 14 – Turbina Tipo Kaplan. 
Fonte: (FLÓREZ, 2014, p. 359). 
 
As turbinas Kaplan podem ser de eixo vertical, horizontal ou inclinado. A turbina 
Bulbo é um tipo de turbina Kaplan de eixo horizontal e sua característica é mais 
notável é que seu gerador esta confinado em um bulbo e a vazão flui por suas 
paredes. A turbina hélice é uma variante da turbina Kaplan que possui um rotor com 
pás fixas. Com isso, barateia-se o custo do rotor, mas decresce a eficiência para 
cargas parciais por causa da impossibilidade de contar com dupla regulação. Esse 
tipo de turbina costuma ser instalado em pequenas centrais hidrelétricas e pode ser 
de eixo horizontal ou vertical. A turbina hélice tubular, ou S, é um tipo de turbina 
hélice de eixo horizontal. Esse tipo de turbina se caracteriza por uma transmissão de 
potência ao gerador feita mediante uma extensão do eixo ate a casa de máquinas, o 
40 
 
que constitui uma dificuldade devido ao alto custo da obra civil. No entanto, esse 
modelo é utilizado com sucesso em pequenas turbinas, nas quais a extensão do 
eixo é mais curta (FLÓREZ, 2014). 
 
Figura 15 – Turbina Hélice de Eixo Horizontal. 
Fonte: (FLÓREZ, 2014, p. 360). 
 
A figura 16 ilustra um conjunto turbina-gerador de eixo vertical formado por um 
gerador assíncrono confinado em um bulbo e uma turbina hélice e um conjunto 
turbina gerador formado por um gerador de eixo vertical acoplado por uma 
engrenagem, a uma turbina hélice de eixo horizontal. Pelas dimensões e 
configuração desses equipamentos, ajusta-se a pequenas centrais hidrelétricas. 
(FLÓREZ, 2010). 
41 
 
 
Figura 16 – Conjuntos Turbina Gerador com Turbinas Hélice. 
Fonte: (FLÓREZ, 2014, p. 361). 
 
12.3 TURBINA FRANCIS 
 
As turbinas Francis são turbinas hidráulicas e podem ser projetadas para uma 
ampla faixa de salto e vazões, sendo capazes de operar em intervalos que vão de 
40-60 metros até 500-700 metros. Isso junto com sua alta eficiência fez elétrica. 
Segundo o modo como transforma a energia hidráulica em mecânica, esse tipo de 
turina ser a mais amplamente usada para geração de energia à turbina Francis pode 
ser definida como uma turbina de reação de fluxo misto centrípeto e de admissão 
total, cujo fluxo interno é radial e axial (FLÓREZ, 2014). 
Segundo WHITE: “As turbinas de reação são máquinas de baixa altura de 
queda e alta vazão” (2011, p. 797). 
 
Numa turbina de reação, o fluido de trabalho preenche completamente as 
passagens (ao contrário da turbina de ação, que apresentam um ou mais 
jatos não-confinados de fluido). O momento da quantidade de movimento, a 
pressão e a velocidade do fluido diminuem conforme o fluido escoa pelo 
rotor da turbina e, deste modo, o rotor da turbina extrai energia do fluido 
(MUNSON, 2004, p 744). 
 
42 
 
 
Figura 17 – Turbina Francis de Eixo Horizontal. 
Fonte: (FLÓREZ, 2014, p. 356). 
 
A turbina Francis é uma turbina de reação, o que significa que o fluido muda 
de pressão à medida que se desloca pela turbina, entregando sua energia. 
Isso implica na instalação, na turbina, de uma caixa espiral, um pré-
distribuidor e um distribuidor (FLÓREZ, 2014, p. 355). 
 
A caixa espiral é que inicialmente dirige a vazão para o pré-distribuidor da 
turbina, e, segundo as características de admissão e forma da câmara, pode ser 
classificada da seguinte forma (FLÓREZ, 2014). 
Pelo modo de admissão: 
 Admissão total: quando a água entra por todo o contorno do rotor. 
 Admissão parcial: quando a água entra por parte do rotor. 
 Admissão interior: quando a água entra pelo contorno interior do rotor 
(turbinas centrífugas). 
 Admissão exterior: quando o distribuidor esta colocado no contorno exterior 
(turbina centrípeta). 
 
 
 
43 
 
Pela disposição da câmara: 
 Câmara aberta. 
 Câmara fechada. 
 Câmara cilíndrica. 
 Câmara em espiral. 
 Câmara cônica. 
 Câmara esférica. 
 
Em turbinas pequenas que operam com baixa queda é possível prescindir da 
caixa espiral, com a turbina trabalhando na modalidade de câmara aberta ou do tipo 
poço. O pré-distribuidor situa-se na saída da vazão da caixa espiral. É formado por 
10-16 palhetas fixas, situadas entre dois anéis superior e inferior. A função principal 
do pré-distribuidor é orientar a vazão para o distribuidor da turbina. No entanto, em 
grupos de eixo vertical, deve suportar uma elevada carga estática por causa dos 
pesos e dos esforços gerados pelos rotores da turbina e do gerador, entre outros 
elementos. Dentro do pré-distribuidor da turbina, com um diâmetro menor situa-se o 
distribuidor, que consta de uma série de palhetas de posição variável e de perfil 
hidrodinâmico que configuram condutos convergentes de tipo bocal. Desse modo, o 
fluxo da água é acelerado e orientado para o rotor sob diferentes ângulos de 
inclinação, permitindo uma regulação da vazão, que, por sua vez, permite regular a 
potência mecânica na turbina, a partida e a parada. No distribuidor da turbina há 
entre 20 e 32 palhetas móveis que em seu eixo superior dispõe de uma alavanca 
fixa e que estão situadas e suportadas por dois anéis estáticos: tampa inferior e 
tampa superior ou externa. Sobre a tampa superior há um anel móvel chamado de 
anel de regulação, no qual há alavancas mecanicamente unidas as alavancas das 
palhetas móveis. A regulação de vazão no distribuidor é feita da seguinte forma: o 
movimento longitudinal de um pistão que esta acoplada no ponto ao anel de 
regulação faz este girar deslocando as alavancas e por sua vez fazendo girar sobre 
seus eixos as alavancas fixas das palhetas móveis. Isso implica a regulação da 
vazão que entra no rotor e que possível regular de forma automática ou manual 
(FLÓREZ, 2014). 
O rotor da turbina é formado por 14 a 19 pás fixas colocadas entre um cubo e 
uma cinta que, de modo geral, possuem dupla curvatura. Neles, a vazão entra 
44 
 
radialmente pele periferia externa e abandona o rotor em direção axial, para se 
dirigir ao tubo de sucção. A característica que permite esse tipo de turbina se ajuste 
a uma faixa elevada de alturas é a relação entre diâmetros do cubo D1 e da cinta 
D2. Nesse caso, turbinas com diâmetro D1 maior que D2 correspondem a turbinas 
para quedas baixas; se a relação próxima da unidade corresponde a turbinas para 
quedas medias, e caso contrário, correspondem a turbinas para quedas altas 
(FLÓREZ, 2014). 
Tubo de sucção, em sua forma básica, corresponde a um difusor que pode ser 
do tipo reto ou acotovelado. A adoção de um ou outro tipo dependera da chamada 
altura de sucção, cujo valor com base na teoria da cavitação. Adicionalmente as 
características técnicas anteriores, as turbinas Francis, além de se ajustarem a uma 
faixa elevada de alturas, podem ser de eixo vertical ou horizontal, em uma 
configuração de turbinas duplas ou com duplo rotor (FLÓREZ, 2014). 
 
Figura 18 – Turbina Francis – Radial – Axial. 
Fonte: (FLÓREZ, 2014, p. 358). 
 
 
45 
 
13 DISPOSIÇÃO DO CONJUNTO TURBINA-GERADOR 
 
De acordo com a potência a ser gerada, com limitações de espaço e com a 
altura da queda d’água disponível, é a posição do eixo gerador-turbina. Assim, 
podem-se encontrar, na atualidade, conjuntos turbina-gerador que operam com seu 
eixo motriz nas posições (SIMONE, 2010). 
I) Horizontal; 
II) Vertical; 
III) Inclinado em relação à vertical. 
 
 
Figura 19 – Disposição de um Conjunto Turbina-Gerador na PCH Cachoeira da Onça. 
Fonte: (do autor).No passado, havia outras combinações em face das limitações mecânicas dos 
mancais dos geradores. Assim existiam conjuntos geradores cujas turbinas 
operavam a eixo vertical e seus respectivos geradores, a eixo horizontal. É possível 
concluir que o conjunto turbina-gerador que trabalha com eixo motriz vertical tem 
solicitações mecânicas mais complexas que aqueles conjuntos que operam a eixo 
horizontal. Na montagem vertical, o gerador e a turbina devem descarregar seus 
esforços verticais sobre um mancal de impuxo que opera sob esforço axial. Referido 
mancal pode ficar acima do rotor do gerador (umbrela) ou acima do rotor da turbina. 
46 
 
A lubrificação desse referido mancal é bem mais complexa quando comparada com 
a lubrificação dos mancais que sustentam eixos horizontais (SIMONE, 2010). 
 
Figura 20 – Disposição de um Eixo de Um Conjunto Turbina-Gerador. 
Fonte: (SIMONE, 2010, p. 34). 
 
1: Gerador. 
2: Apoios do Gerador. 
3: Flange. 
4: Caracol da Turbina. 
5: Tubo de Aspiração. 
6: Canal de Fuga. 
7: Piso da casa de Máquina. 
 
13.1 QUEDA BRUTA 
 
 De acordo com FLÓREZ: “A altura útil da turbina ou queda corresponde à 
energia específica aproveitada, que equivale à diferença entre as energias 
específicas na entrada e na saída da turbina” (2014, p. 319). 
47 
 
 (12) 
 
A energia específica na entrada equivale a: 
 
 
 
 
 
 
 
 (13) 
 
Na equação anterior é a velocidade média na seção correspondente à saída 
do conduto forçado. Para determinar o valor de 
 
 
 utiliza-se a equação de Bernoulli, 
aplicada às seções correspondentes na entrada e na saída do conduto forçado, 
conforme indicado (FLÓREZ, 2014). 
 
 
 
 + + 
 
 
 
 
 
 
 
 
 (14) 
 
Ainda segundo o mesmo autor: “Ainda o mesmo diz que em que 
 
 
 e 
corresponde às perdas hidráulicas por extensão e acessórios no conduto forçado. 
Considerando que , é possível determinar a altura piezométrica 
 
 
” 
(2014, p. 320). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 (15) 
 
Da mesma forma, a energia específica corresponde à seção da saída da vazão 
turbinada como indicado na figura: 
 
 
 
 
 (16) 
 
Dessa forma, a queda da turbina , que é a diferença entre a queda bruta da 
turbina e as perdas hidráulicas por extensão e acessórios no conduto forçado, 
corresponde a: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 (17) 
48 
 
Costuma-se chamar essa altura de queda bruta da turbina, em que equivale 
a: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 (18) 
 
É importante mencionar que nessa equação a diferença estre as velocidades é 
mínima, e por essa razão podem não ser consideradas. Como resultado, tem-se que 
a queda bruta da turbina equivale á diferença entre a queda estática e as perdas por 
extensão e acessórios: 
 
 (19) 
 
Sendo as perdas por extensão e acessórios, que correspondem a: 
 
 
 
 
( 
 
 
 ) 
 
 
( 
 
 
 ) (20) 
 
Em termos gerais, a queda bruta de uma turbina de ação e reação corresponde 
à diferença entre a queda estática e as perdas por extensão e acessórios. No 
entanto, em particular para a turbina de reação, cujo tubo de aspiração permite criar 
uma sucção na saída da turbina, é importante determinar a eficiência e a potência 
da turbina. Por isso, é importante considerar o total das perdas. Nesse caso, toma-
se energia de saída a correspondente seção, que é a seção final do tubo de sucção. 
A medida de pressão é tomada por meio da indicação de tubos piezométricos, cujo 
nível normalmente é menor que o nível na saída das águas turbinadas NI, em uma 
magnitude equivalente a . Essa magnitude correspondente à recuperação de 
parte da energia cinética da água na saída do tubo de sucção. Assim a energia de 
saída da vazão turbinada corresponde a (FLÓREZ, 2014). 
 
 
 
 
 
 
 (21) 
 
É de se destacar que, quando o nível indicado no tubo piezométrico é maior 
que o nível de saída das aguas turbinadas NI, não se apresenta uma recuperação 
49 
 
da energia cinética, também ocorrem perdas adicionais, que implicam que a queda 
bruta seja ainda menor. Dessa forma, ao considerar todas as perdas, a queda bruta 
da turbina equivale a (FLÓREZ, 2014). 
 
Figura 21 - Tubo de Sucção. 
Fonte: (FLÓREZ, 2014, p. 321). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 (22) 
 
E considera-se uma condição ideal no instante que: 
 
 (23) 
 
13.2 POTÊNCIA DAS TURBINAS 
 
Segundo FLÓREZ ”A energia hidráulica fornecida à turbina por um peso 
determinado de água que se desloca no trecho compreendido entre a seção de 
entrada e a saída do conduto forçado corresponde a” (2014, p.326). 
 
 (24) 
 
50 
 
Em que o peso da água corresponde a e o volume equivale ao 
produto da vazão pela magnitude de tempo, . 
 Dessa forma, a energia hidráulica total fornecida à turbina corresponde a: 
 
 (25) 
 
A potência hidráulica total obtida nesse trecho equivale a: 
 
 
 
 
 (26) 
 
Dessa forma, a potência hidráulica total em uma turbina em watt, para uma 
queda dada em metros e uma vazão em m3.s-1, equivale a: 
 
 ( ) (27) 
 
Em que a densidade da água é: e a aceleração da gravidade é 
 . Não obstante, apresentam-se perdas de potência decorrentes da 
extensão e de acessórios que não foram consideradas, dado que a altura 
estática não inclui essas perdas de queda . Assim, a potência hidráulica bruta 
fornecida à turbina equivale a (FLÓREZ, 2014). 
 
 ( ) ( ) (28) 
 
A vazão tem uma grande influência nas perdas por potência, para maior vazão, 
maiores perdas. Elas podem ser substancialmente reduzidas com o aumento do 
diâmetro. Embora tenham sido consideradas as perdas de potência por extensão e 
acessórios, não se considerou a recuperação de parte da energia cinética da água 
na saída do tubo de sucção das turbinas de reação. Por esse motivo, para ser mais 
rigoroso em cada um dos casos mencionados, a potência hidráulica bruta fornecida 
á turbina equivale a (FLÓREZ, 2014). 
 
 ( 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
) (29) 
51 
 
 ( 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
) (30) 
 
13.3 ROTAÇÃO ESPECÍFICA 
 
 A rotação específica é uma característica que fornece o tipo da turbina tendo 
por base elementos tais como vazão, altura de queda, grandezas obtidas por 
estudos hidráulicos, hidrológicos, topográficos entre outros (SOUSA, 1983). 
 
Figura 22 – Tipos de Turbinas Hidráulicas. 
Fonte: (SOUSA, 1983, p. 153). 
 
 
 
 
 
52 
 
Com base na velocidade específicapodem-se comparar tipos de turbinas 
diferentes e inferir que dispor de uma velocidade específica elevada implica ter 
turbinas de dimensões pequenas. Isso pareceria ser uma vantagem, à medida que 
aumenta a queda aumenta a velocidade da vazão e, consequentemente os riscos de 
cavitação. Isto significa que existe um limitador por queda para aplicação de turbinas 
com uma elevada velocidade específica. As turbinas são classificadas da seguinte 
forma de acordo com a velocidade: rápidas, normais e lentas. Essa classificação 
coincide com o tipo de turbina, visto que as turbinas axiais são as que têm uma 
maior velocidade específica, são seguidas pelas diagonais, as radiais- axiais, e as 
mais lentas são as tangenciais, ou turbinas Pelton. O limitador por queda faz a faixa 
de aplicação das turbinas hidráulicas ao mesmo tempo coincidir com o tipo de 
turbina a velocidade específica (FLÓREZ, 2014). 
 
Tabela 3 – Parâmetros de Velocidade Específica e Queda Para Diferentes Tipos de 
Turbina. 
Tipo de turbina Velocidade específica ns Faixa de aplicação por 
queda H(m) 
Turbina Kaplan e Hélice (Axiais) 
 Rápidas 1.200-750 2-12 
 Normais 750-550 12-22 
 Lentas 550-350 22-80 
Dériaz (Diagonais) 500-300 40-220 
Francis (Radial-Axial) 
 Rápidas 400-250 20-50 
 Normais 250-150 50-120 
 Lentas 150-70 120-600 
Pelton (Tangenciais) 50-10 800-2.000 
Fonte: (FLÓREZ, 2014, p. 343). 
 
Ainda segundo FLÓREZ: “O processo de conversão de energia hidráulica em 
mecânica para diferentes categorias de vazões e quedas implica a necessidade de 
diferentes tipos de turbinas divididas da seguinte forma” (2014, p. 346). 
 Segundo o modo como a turbina transforma a energia hidráulica em mecânica. 
 Segundo a direção da vazão. 
53 
 
 Segundo a velocidade específica da turbina. 
Segundo o mesmo autor: “A classificação das turbinas segundo o modo como 
transformam a energia hidráulica em mecânica baseia-se na equação de Bernoulli 
indicando a potência específica entregue à turbina de” (2014, p. 346). 
 
 
 
 
 
 
 
 (31) 
 
A classificação das turbinas de ação e de reação em função da direção da 
vazão no rotor da turbina são classificados em. 
Turbinas de ação: 
 Tangenciais: o fluxo é tangente ao rotor da turbina. 
Turbinas de reação: 
 Axiais: quando o sentido da vazão é paralelo ao eixo. 
 Radiais: quando tem seu movimento na direção do raio. 
 Mistas: quando a agua entra radialmente e sai axialmente. 
De acordo com a velocidade específica, as turbinas se subdividem em: 
 Turbinas lentas. 
 Turbinas normais. 
 Turbinas rápidas. 
Em função do sentido em que a água se move dentro das turbinas, elas se 
classificam em: 
 Axiais: quando a água vai paralela ao eixo. 
 Radiais: quando a água tem seu movimento na direção do raio. 
 Centrífugas: quando a água tem seu movimento para fora. 
 Centrípeta: quando a água vai de fora para dentro. 
 Mistas: quando a água entra radialmente e sai axialmente. 
 
54 
 
 
Figura 23 – Variação de Tamanho do Rotor da Turbina em Função da Velocidade Específica e 
Faixa de Aplicação por Queda das Turbinas. 
Fonte: (FLÓREZ, 2014, p. 344). 
 
13.4 EFICIÊNCIA DAS TURBINAS 
 
A forma habitual de funcionamento das turbinas é fornecer, em cada instante, a 
potência que o alternador exige, mantendo constante a frequência e o número de 
revoluções. Esse é o motivo de interesse em estudar as variações do rendimento ao 
variar a potência ou a vazão. O processo de transformação de energia hidráulica em 
mecânica em uma turbina deve ser realizado mantendo a velocidade constante para 
que a frequência do gerador não mude. Geralmente esse processo é realizado com 
uma eficiência elevada, que aumenta em proporção, a potência, as perdas 
mecânicas, hidráulicas e volumétricas reduzem a potencia final do eixo da turbina. A 
eficiência é a relação entre a potência final entregue no eixo e a potência 
entregue pelo fluxo (FLÓREZ, 2014). 
 
 
 
 
 (32) 
55 
 
A potência final entregue no eixo equivale a e a potência 
entregue pela vazão equivale a O termo corresponde à vazão total, e 
deduzindo-se dele a vazão correspondente às fugas na turbina tem-se a vazão 
finalmente turbinada: . No mesmo sentido, o termo corresponde à 
queda total, e deduzindo-se dela as perdas de altura presentes na turbina tem-
se a queda bruta: A eficiência equivale a (FLÓREZ, 2014). 
 
 
 
 
 = 
 
 
 (33) 
 
Em que 
 
 ⁄ é a eficiência volumétrica, 
 
 ⁄ é a eficiência 
hidráulica e é a eficiência mecânica. A forma como a eficiência da turbina muda 
para diferentes potências esta diretamente relacionada com o tipo de turbina 
(FLÓREZ, 2014). 
 
Figura 24 – Eficiência em Diferentes Tipos de Turbinas Hidráulicas. 
 Fonte: (FLÓREZ, 2014, p. 345). 
56 
 
 
 
 
 (34) 
 
Em que é o rendimento da turbina, é a potência mecânico-motriz 
desenvolvida pela turbina e é a potência mecânico-hidráulica entregue pelo fluido 
a turbina. É importante ressaltar que 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 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 dele às pás do 
rotor da turbina (SIMONE, 2010). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
57 
 
14 SELEÇÃO DAS TURBINAS 
 
Em vez de estabelecer parâmetros definitivos para a seleção da turbina 
hidráulica, indicam-se critérios para sua seleção, entre os quais se encontram: 
queda bruta, vazão, velocidade específica, cavitação e custo por unidade. A queda 
bruta esta relacionada à altura do salto depois de deduzidas às perdas hidráulicas. 
Esse parâmetro praticamente determina o tipo de turbina, sendo, por excelência, as 
turbinas de ação relacionadas com altas quedas, e as da ação, com baixas e médias 
quedas. Mas, como se observa algumas turbinas se sobrepõe, e sua seleção fica 
condicionada por outros parâmetros (FLÓREZ, 2014). 
 
Tabela 4 – Faixa de Queda Para Diferentes Tipos de Turbinas. 
Tipo de turbina Queda (m) 
 Pelton 50 < H < 1.300 
Ação Turgo 50 < H < 250 
 Michell-Banki 3 < H < 250 
Reação Francis 10 < H < 350 
 Kaplan e Hélice 2 < H < 40 
Fonte: (FLÓREZ, 2014, p. 362). 
 
 A seleção é mais exigente em PCHs de baixa queda (2-5 m), visto que esse 
esquema maneja valores de vazão consideráveis (10-100 m³/s-1) em rotores de 1,6-
3,2 metros de diâmetro. Esses parâmetros da casa de máquinas são mais 
volumosos, devido às dimensões da tomada d’água e da adução forçada. 
Adicionalmente, a baixa velocidade mecânica da turbina exige um multiplicador para 
levar a potência ao gerador. Isso implica que as obras hidráulicas terão um valor 
representativamente superior aos equipamentos eletromecânicos e que, em seu 
conjunto, esse tipo de PCH é mais caro (FLÓREZ, 2014). 
 A vazão é outro parâmetro relevante na seleção da turbina hidráulica, que, em 
conjunto com a queda bruta, permite a seleção adequada da turbina o que é 
possível fazer de forma aproximada seguindo gráficos de seleção similares ao 
indicado. Obtendo uma seleção mais precisa com critério davelocidade específica 
que relaciona a vazão e a queda (FLÓREZ, 2014). 
58 
 
 
Figura 25 – Diagrama Para Seleção de Turbinas Hidráulicas Para PCHs. 
Fonte: (FLÓREZ, 2014, p. 362). 
 
14.1 VELOCIDADE ESPECÍFICA DE TURBINAS GEOMETRICAMENTE 
SEMELHANTES 
 
As turbinas sejam elas de ação ou reação, possuem certa especificidade e 
certo tradicionalismo em sua aplicação. Para grandes alturas topográficas é 
tradicional o emprego de turbinas de ação Pelton. Para pequenas alturas 
topográficas encontram-se, normalmente as turbinas Francis, porém pode-se 
observar que as turbinas Francis podem trabalhar em aproveitamentos com alturas 
topográficas até superiores a 400 metros. Como no Brasil as alturas topográficas, 
não são muito pronunciadas, principalmente na região central, a turbina Francis é 
uma solução interessante para a maioria dos aproveitamentos convencionais. Assim 
a tabela abaixo tem por objetivo situar o projetista, com relação ao tipo de turbina 
59 
 
que, em primeira análise, ira adotar. Logicamente, não é somente a altura 
topográfica que será o elemento de definição de uma turbina, porém e um dos 
fatores preponderantes na escolha (SIMONE, 2010). 
 
Tabela 5 - Tipos de Turbinas e Suas Velocidades Específicas. 
MODO DE 
OPERAÇÃO 
VELOCIDADE 
 ESPECÍFICA 
(RPM) 
TIPO 
DE 
TURBINA 
ALTURA 
DISPONIVEL DO 
APROVEITAMENTO 
A Até 18 rpm PELTON Até 800 m 
A 18 a 25 rpm PELTON 400 a 800 m 
A 26 a 35 rpm PELTON 100 a 400 m 
A 26 a 35 rpm PELTON 400 a 800 m 
A 36 a 50 rpm PELTON 100 a 400 m 
A 51 a 72 rpm PELTON 100 a 400 m 
R 55 a 70 rpm FRANCIS LENTISSÍA 200 a 400 m 
R 70 a 120 rpm FRANCIS LENTA 100 a 200 m 
R 120 a 200 rpm FRANCIS MÉDIA 50 a 100 m 
R 200 a 300 rpm FRANCIS VELOZ 25 a 50 m 
R 300 a 450 rpm FRANCIS ULTRAVELOZ 15 a 25 m 
R 400 a 500 rpm HÉLICE VELOZ Até 15 m 
R 270 a 500 rpm KAPLAN LENTA 15 a 50 m 
R 500 a 800 rpm KAPLAN VELOZ 5 a 15 m 
R 800 a 1000 rpm KAPLAN VELOCÍSSIMA Até 05 m 
 
A → TURBINA DE AÇÃO R →TURBINA DE REAÇÃO 
Fonte: (SIMONE, 2010. p. 48). 
 
60 
 
 
Figura 26 – Gráfico Com Aplicação de Turbinas. 
Fonte: Disponível em < http://www.hacker.ind.br/produtos_turbinas_hidraulicas.php >. 
Acesso em: 31 Ago. 2015. 
 
14.2 SIMILARIDADE DAS TURBINAS 
 
Nas máquinas hidráulicas existe muitos problemas que não se consegue 
resolver por meios matemáticos, sua solução esta no laboratório, com ajuda de 
protótipos experimentais, que são modelos em escalas das máquinas hidráulicas. 
Neles se realizam testes com elevado nível de precisão. É importante apontar que, 
no modelo, é possível observar funcionamento da máquina real e fazer os ajustes de 
uma forma direta e rápida, de modo que permita melhorar a eficiência da máquina 
real. Para fazer uma equivalência entre as duas máquinas aplicam-se os princípios 
se similaridade geométrica, cinética e dinâmica, que estabelecem as relações 
fundamentais entre os modelos e as máquinas reais (FLÓREZ, 2014). 
 
 
 
61 
 
15 MATERIAIS E MÉTODOS 
 
Foram obtidos dados fluviométricos do Rio São José junto à Empresa Luz e 
Força Santa Maria, referentes à estação fluviométrica Barra de São Gabriel 
(56997000) localizada no mesmo rio, operada pela Agência Nacional de Energia 
Elétrica (ANEEL), com série histórica do mês de janeiro de 1968 a junho de 1999 
(ANEXO I). 
Esses dados foram coletados na própria estação e os dados consistiram em 
vazões médias mensais. De posse desses valores foram realizados cálculos para 
determinação das médias para cada mês, obtendo-se o ano médio. A estimativa do 
potencial hidráulico foi realizada por meio de equações apresentadas por FLÓREZ 
(2014), como apresentado abaixo: 
 
H estP =9,81.H .Q
 (35) 
 
Em que: 
- PH: é o potencial hidráulico total do curso d’água, kW; 
- Hest: altura estática, m; 
- Q: vazão, m3.s-1; 
 
A potência hidráulica bruta fornecida à turbina, de acordo com FLÓREZ (2014), 
é determinada pela seguinte equação: 
 
2 2
0 0 1 1
H est f
α v α v
P =9,81 H -h + - Q
2g 2g
 
 
 
 (36) 
Em que: 
- PH: é o potencial hidráulico, kW; 
- Hest: altura estática, m; 
- hf: perda de carga total na tubulação forçada, m; 
- α: coeficiente de velocidade, adimensional; 
- v: velocidade de escoamento, m.s-1; 
- Q = vazão, m3.s-1; 
 
62 
 
Para determinação da perda de carga distribuída foi utilizada a equação de 
Hazen-Willians: 
1,852
f 1,852 4,87
10,646.Q .L
h =
C .D
 (37) 
Em que: 
- hf = perda de carga distribuída, m; 
- Q = vazão, m3.s-1; 
- L = comprimento da tubulação; 
- C = coeficiente de rugosidade para o ferro fundido, C = 100; 
- D = diâmetro da tubulação, m; 
 
Assim, foi determinado para cada mês da série histórica avaliada, o potencial 
hidráulico total do curso d’água. Esses resultados permitiram realizar comparações 
entre a capacidade energética do curso d’água e a capacidade máxima das turbinas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
63 
 
16 RESULTADOS E DISCUSSÕES DE DADOS 
 
 Para a determinação da perda de carga foram considerados dois trechos das 
tubulações do conduto forçado, sendo esta constituída de ferro fundido (coeficiente 
de perda de carga C = 100). O primeiro trecho apresenta 60,0 m de comprimento, 
com diâmetro de 1,50m, e o segundo trecho é definido pela derivação para atender 
cada uma das turbinas, ambos apresentando 16,0 m de comprimento. A turbina 1 
apresenta tubulação com diâmetro de 1,50m, enquanto que a Turbina 2 tem 
diâmetro de 0,90m. De acordo com as especificações de cada turbina, as vazões de 
engolimento são iguais a 4,55 e 0,95 m3.s-1, para as turbinas 1 e 2 respectivamente. 
Aplicando-se a equação de Hazen-Willians, determinaram-se as perdas de 
carga totais em cada trecho que abastece as turbinas, que foram de 0,49 e 0,46 m, 
para as turbinas 1 e 2, respectivamente. Considerando as perdas de cargas 
calculadas e as vazões turbinadas para cada turbina, foi determinada a potência 
hidráulica bruta fornecida, sendo de 1.086,46 kW para a turbina 1, e de 227,09 kW 
para a turbina 2, totalizando 1313,55 kW. 
As vazões médias mensais da série histórica analisada são apresentadas na 
Tabela 6. Considerando-se que a vazão turbinada é bem inferior a vazão média 
mensal calculada para período, observa-se que grande parte da vazão não é 
aproveitada. 
Considerando o potencial total do manancial, ou seja, realizando-se os cálculos 
com a vazão total num determinado período foi possível calcular o potencial 
hidráulico total. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
64 
 
Tabela 6 - Média dos Cálculos 
MÊS 
Vazão média 
(m3.s-1) 
Vazão não 
aproveitada 
(m3.s-1) 
Potencial 
Hidráulico Não 
Aproveitado 
(kW) 
Potencial 
Hidráulico Total 
(kW) 
JAN 26,96 21,46 5226,25 6565,96 
FEV 20,15 14,65 3568,48 4908,18 
MAR 18,61 13,11 3192,37 4532,08 
ABR 13,38 7,88 1920,34 3260,04 
MAI 9,54 4,04 985,05 2324,75 
JUN 7,71 2,21 538,48 1878,19 
JUL 7,60 2,10 512,04 1851,75 
AGO 6,75 1,25 304,39 1644,09 
SET 5,92 0,42 101,13 1440,83 
OUT 8,54 3,04 741,25 2080,95 
NOV 18,60 13,10 3190,60 4530,31 
DEZ 25,33 19,83 4831,24 6170,95 
TOTAL 169,09 103,09 25111,65 41188,08 
Fonte: (do autor). 
 
A energia assegurada ou garantia física de uma PCH é aquela energia que, na 
média, é capaz de gerar em um determinado período, adotado como 12 meses de 
forma a abranger um ciclo hidrológico completo, incluindo