@APOSTILA MÁQUINAS DE FLUXO parte 2

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FUPAC - LAFAIETE 
 
MÁQUINAS DE FLUXO 
 
 
Parte 2 
 
 
 
 
 
 
 
Engenharia Industrial Mecânica 
Prof.: Edilberto 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FUPAC – Lafaiete 
 
 
2.5 TURBINAS HIDRÁULICAS 
 
USINAS HIDRELÉTRICAS 
2.5.1) Introdução 
 
Hoje em dia é muito fácil você chegar em casa, ascender a luz, ligar o 
forno de micro-ondas para preparar uma refeição, ligar a TV e assistir seu 
programa preferido. Mas, já parou para pensar como seria o mundo sem 
energia elétrica? Basta acabar a energia por alguns minutos para percebermos a 
falta que ela nos faz. 
Energia é tudo aquilo que resulta da transformação de trabalho ou que se 
pode transformar em trabalho. Existem dois tipos: Energia Cinética, que é a 
energia em movimento e Energia Potencial, que está armazenada, pronta para 
ser transformada em energia cinética e utilizada. 
A utilização da energia cinética e potencial das águas, pela Humanidade, 
remonta a tempos imemoriais, já que, desde sempre, se instalaram variados 
dispositivos nas margens e nos leitos dos rios. 
Foi, porém, no século XIX que o aproveitamento dessa forma de energia se 
tornou mais atraente do ponto de vista econômico, pois, com a invenção dos 
grupos turbinas-geradores de energia elétrica e a possibilidade do transporte 
de eletricidade a grandes distâncias, se conseguiu obter um elevado 
rendimento econômico desse aproveitamento. 
No Brasil, devido a sua enorme quantidade de rios, a maior parte da 
energia elétrica disponível é proveniente de grandes Usinas Hidrelétricas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.1: Usina Hidrelétrica. 
 
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 de Fluxo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.2: Esquema de Usina Hidrelétrica. 
 
2.5.2) Propriedades 
 
Uma usina hidrelétrica pode ser definida como um conjunto de obras e 
equipamentos cuja finalidade é a geração de energia elétrica, através de 
aproveitamento do potencial hidráulico existente em um rio. 
O potencial hidráulico é proporcionado pela vazão hidráulica e pela 
concentração dos desníveis existentes ao longo do curso de um rio. Isto pode 
se dar: 
 de forma natural, quando o desnível está concentrado numa cachoeira; 
 através de uma barragem, quando pequenos desníveis são 
 concentrados na altura da barragem; 
 através de desvio do rio de seu leito natural, concentrando-se os 
 pequenos desníveis nesse desvio. 
A construção de uma usina hidrelétrica envolve muitos aspectos, 
principalmente os naturais. Há necessidade de desníveis para a água adquirir 
mais velocidade. 
Um rio não é percorrido pela mesma quantidade de água durante o ano 
inteiro. Em uma estação chuvosa, é claro, a quantidade de água aumenta. Para 
aproveitar ao máximo as possibilidades de fornecimento de energia de um rio, 
deve-se regularizar sua vazão, a fim de que a usina possa funcionar 
continuamente com toda a potência instalada. A vazão de água é regularizada 
pela construção de lagos artificiais. Uma represa, construída de material muito 
resistente (pedra, terra, freqüentemente cimento armado) fecha o vale pelo 
qual corre o rio. As águas param e formam o lago artificial. Dele pode-se tirar 
água quando o rio está baixo ou mesmo seco, obtendo-se assim uma vazão 
constante. 
A construção de represas quase sempre constitui uma grande 
empreitada da engenharia civil. Os paredões, de tamanho gigante, devem 
resistir às extraordinárias forças exercidas pelas águas que ele deve conter. Às 
vezes, têm que suportar ainda a pressão das paredes rochosas da montanha 
em que se apóiam. Para diminuir o efeito das dilatações e contrações devido 
às mudanças de temperatura, a construção é feita em diversos blocos, 
separados por juntas de dilatação. Quando a represa está concluída, em sua 
massa são colocados termômetros capazes de transmitir a medida da 
 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
temperatura a distância; eles registram as diferenças de temperatura que se 
possam verificar entre um ponto e outro do paredão e indicam se há perigo de 
ocorrerem tensões que provoquem fendas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.3: Principais partes de uma Usina Hidrelétrica. 
 
As partes principais de uma usina hidrelétrica são: 
 
 Barragens - como o próprio nome diz, têm a função de barrar o 
 fluxo de água, formando, a represa, um grande lago onde a água 
 fica armazenada. Esta deve ter uma grande altura para que 
 adquira mais velocidade durante a queda. 
 
 Comportas e Vertedouro - controlam o nível de água, evitando 
que ela transborde quando o nível da represa passa do limite. As 
comportas são abertas e a água escoa pelo vertedouro. 
 
 Casa de Máquinas - onde estão instaladas as turbinas que 
geram a energia elétrica. A água represada entra na casa de 
máquinas por tubos (que são chamados dutos forçados); a força 
da água é que movimenta as turbinas, fazendo girar o eixo que 
tem um grande ímã na parte superior, o qual, em contato com as 
turbinas, produz um campo magnético que gera a energia elétrica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.4: Principais partes de uma Usina Hidrelétrica. 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
Cada parte se constitui em um conjunto de obras e instalações 
projetadas harmoniosamente para operar, com eficiência, em conjunto. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tab. 2.5.1 - Tabela de comparação de algumas Usinas. 
2.5.3) Funcionamento 
A água captada no lago, formado pela barragem, é conduzida até a casa de 
força através de canais, túneis e/ou condutos metálicos. Após passar pela 
turbina hidráulica, na casa de força, a água é restituída ao leito natural do rio, 
através do canal de fuga. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.5: Turbinas Francis e Kaplan. 
 
Dessa forma, a potência hidráulica é transformada em potência 
mecânica quando a água passa pela turbina, fazendo com que esta gire, e, no 
gerador (que também gira acoplado mecanicamente à turbina) a potência 
mecânica é transformada em potência elétrica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.6:Interior de uma turbina. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.7:Interior de uma turbina. 
 
A energia, assim gerada, é levada através de cabos ou barras 
condutoras dos terminais do gerador até o transformador elevador, onde tem 
sua tensão (voltagem) elevada, aproximadamente 10 vezes maior, para 
adequada condução, através de linhas de transmissão, até os centros de 
consumo. 
O gerador é um dispositivo que funciona com base nas leis da indução 
eletromagnética. Em sua forma mais simples, consiste numa espira em forma de 
retângulo. Ela fica imersa num campo magnético e gira em torno de um eixo 
perpendicular às linhas desse campo. Quando fazemos a espira girar commovimento regular, o fluxo magnético que atravessa sua superfíc ie varia 
continuamente. Surge assim, na espira, uma corrente induzida periódica. A 
cada meia volta da espira o sentido da corrente se inverte, por isso ela recebe o 
nome de corrente alternada. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.8: Vista de um gerador interligado a uma turbina. 
 
Quando a energia chega nas cidades, um outro transformador na 
subestação rebaixadora reduz a energia de volta ao nível adequado para os 
aparelhos que usamos. O consumo de energia elétrica depende da potência do 
aparelho utilizado e do tempo de utilização. 
A energia que pode ser fornecida por unidade de tempo chama-se 
potência, e é medida em watt (W). Como as potências fornecidas pelas usinas 
hidrelétricas são muito grandes, sempre expressas em milhares de watts, 
utiliza-se para sua medida um múltiplo dessa unidade, o quilowatt (kW), que 
equivale a 1.000 W. A potência de uma fonte de energia elétrica pode ser 
calculada multiplicando-se a tensão em volts, que ela é capaz de fornecer, pela 
corrente em ampéres, que distribui. Dessa maneira, uma fonte capaz de 
distribuir 1.000 A, com uma tensão de 10.000 V, possui uma potência de 10 
milhões de watts, ou 10.000 kW. 
Uma linha de transmissão, portanto, é capaz de transportar a mesma 
potência de duas maneiras: com voltagem elevada e corrente de baixa 
intensidade, ou com voltagem baixa e alta corrente. Quando a energia elétrica 
atravessa um condutor, transforma-se parcialmente em calor. Essa perda é 
tanto maior quanto mais elevada for a intensidade da corrente transportada e 
maior for a resistência do fio condutor. Assim, seria conveniente efetuar a 
transmissão da energia elétrica por meio de fios muito grossos, que 
apresentam menos resistência. Porém, não se pode aumentar excessivamente 
o diâmetro do condutor, pois isso traria graves problemas de construção e 
transporte, além de encarecer muito a instalação. Assim, prefere-se usar altos 
valores de tensão, que vão de 150.000 até 400.000 V. A energia elétrica 
produzida nas centrais não é dotada de tensão tão alta. Nos geradores, 
originalmente, essa energia tem uma tensão de cerca de 10.000 V. Valores 
mais altos são inadequados, porque os geradores deveriam ser construídos 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
com dimensões enormes. Além disso, os geradores possuem partes em 
movimento e não é possível aumentar arbitrariamente suas dimensões. A 
energia elétrica é, pois, produzida a uma tensão relativamente baixa, que em 
seguida é elevada, para fins de transporte. Ao chegar às vizinhanças dos locais 
de utilização, a tensão é rebaixada. Essas elevações e abaixamentos são feitos 
por meio de transformadores. 
Os aparelhos elétricos possuem diferentes potências, consumindo mais 
ou menos energia. Essa potência é expressa em watts (W) e deverá estar 
mencionada na placa de identificação afixada no próprio aparelho. É o medidor 
de energia elétrica (relógio de luz) que registra o consumo de eletricidade. 
Mensalmente a Eletropaulo, Cemig, Light, etc, realizam a leitura do 
consumo, para que seja 
emitida a fatura (conta) de energia elétrica. O consumo do mês é calculado 
com base na diferença entre a leitura obtida no mês em curso e a do mês 
anterior. 
A eficiência energética desse trabalho é muito alta, ao redor de 95%. O 
investimento inicial e os custos de manutenção são elevados e o combustível (a 
água) é nulo. É uma fonte renovável de energia. 
 
Veja na tabela a produção de energia das maiores usinas do mundo. 
 
Nome País Potência ( M W) 
Itaipu Brasil 12.600 
Guri Venezuela 10.300 
Grand Coulee EUA 6.494 
Federação 
Sayano Russa 6.400 
Federação 
Grasnoyarsk Russa 5.428 
Churchil Falls Canadá 5.428 
La Grande Canadá 5.328 
Federação 
Brstsk Russa 4.500 
Federação 
Ust - Clim Russa 4.320 
Tucuruí Brasil 3.960 
Fonte Eletrobras 
 
 
Tab. 2.5.2 - Produção de energia. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.9: Usinas a reservatório e a fio d’água, do Sudeste. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.10:Ilustração mais simplificada de Usina. 
 
 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
2.5.4) Impacto Ambiental 
O principal problema para o meio ambiente está vinculado à formação do 
lago do reservatório, que pode causar danos à área inundada, 
principalmente se estiver coberta por florestas; às vezes, cidades inteiras ficam 
submersas. 
As hidrelétricas sempre foram consideradas um modelo de geração de 
energia limpa, mas produzem quantidades consideráveis de metano, gás 
carbônico e óxido nitroso, gases que provocam o chamado efeito estufa. Em 
alguns casos, elas podem emitir mais gases poluentes do que as próprias 
termoelétricas movidas a carvão mineral ou a gás natural. 
Três fatores são responsáveis pela produção desses gases quentes: a 
decomposição da vegetação pré-existente, submersa na construção dos 
reservatórios; a ação de algas primárias que emitem CO2; e o acúmulo, nas 
barragens, de nutrientes orgânicos trazidos por rios e pela chuva. 
A emissão de gás carbônico e de metano não acaba com a 
decomposição total da vegetação. Há uma renovação constante, com a 
chegada de novos materiais orgânicos trazidos pelos rios e pelas chuvas. 
Lagos profundos em áreas pequenas, e com grande potência 
energética, emitem poucos gases deste tipo. É o caso de Itaipu, por exemplo. 
 Na produção de metano (CH4), a hidrelétrica de Três Marias é a que 
mais polui. Com relação a emissão de dióxido de carbono (CO2), Tucuruí (TO) é 
quem mais polui. 
Apesar de algumas hidrelétricas produzirem mais gases de efeito estufa do 
que termoelétricas movidas a carvão mineral ou a gás natural, essas últimas são 
mais prejudiciais ao ambiente. A termoelétrica não emite só gases quentes, mas 
também dióxidos de enxofre e de nitrogênio, além de material particulado, 
prejudicial à saúde. Isso não acontece nas hidrelétricas. 
A energia hidrelétrica representa cerca de um quarto da produção total 
de eletricidade no mundo. Em alguns países, foram instaladas centrais 
pequenas, com capacidade para gerar entre um quilowatt e um megawatt. 
Muitas nações em desenvolvimento estão utilizando esse sistema com bons 
resultados. 
 
USINA ÁREA ALAGADA 
 
PRODUÇÃO DE ÍNDICE MEGAWATTS 
MEGAWATTS POR Km INUNDADO 
Itaipu 1,7 MIL KM2 12,6 MIL 7,2 
Tucuruí 2,8 MIL KM2 8,3 MIL 3 
Balbina 2,3 MIL KM2 250 0,1 
Belo Monte 400 KM2 11 MIL 27,5 
Tab. 2.5.3 - Comparação entre Usinas. 
A preocupação com o ambiente concentra atenções nessa fonte de 
energia renovável. Há algumas centrais baseadas na queda natural da água, 
quando a vazão é uniforme. Estas instalações se chamam de água fluente. 
Uma delas é a das cataratas do Niágara. 
 
 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.11: Rede hidrográfica e localização de barragens na Amazônia e em 
Tocantins. 
Países que possuem uma boa rede hidrográfica e um relevo acidentado, 
são os maiores usuários dessa tecnologia considerada limpa, pois não queima 
nenhum combustível fóssil (carvão ou petróleo) ou nuclear (urânio) na 
obtenção de eletricidade.2.5.5) Vantagens e Desvantagens 
 
Vários fatores influem na hora de optar por uma forma de gerar energia. 
Os principais são o custo de construção da usina e os gastos para mantê-la 
operando. O impacto ambiental também tem que ser considerado. Outro dado é 
o tempo real de operação, que mede a porcentagem do tempo que a central 
efetivamente produz energia, descontadas interrupções causadas, por 
exemplo, pela falta de gás, chuva ou sol. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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TIPO DE 
ENERGIA 
 
 
Hidrelétrica 
 
 
Eólica 
 
Solar 
 
Termoelétrica a 
gás 
 
Termoelétrica a 
carvão 
 
 
Nuclear 
 
 
CUSTO DE 
CONSTRUÇÃO 
(USS/KWH) 
 
de 1000 
a 1500 
de 1100 
a 2300 
de 2500 
a 5000 
de 400 
a 600 
 
de 800 
a 1000 
 
 
3000 
 
 
CUSTO DE 
OPERAÇÃO 
(USS/KWH) 
 
de 25 
a 40 
 
de 45 
a 65 
de 45 
a 65 
de 50 
a 80 
 
de 50 
a 65 
 
 
70 
 
 
IMPACTO 
AMBIENTAL 
 
destruição de 
ecossistemas, 
bloqueio nos 
rios 
praticamente 
nenhum 
insignificante 
poluição do ar, 
aquecimento do 
planeta 
poluição do ar, 
aquecimento 
global 
riscos de 
acidentes 
graves, lixo 
atômico 
 
 
TEMPO 
REAL DE 
PRODUÇÃO 
 
de 50% 
a 65% 
 
25% 
de 50% 
a 65% 
 
15% 
 
 
acima 
de 80% 
 
de 40% 
a 50% 
Tab. 2.5.4 - Relação dos tipos de energia. 
Existem inúmeros meios viáveis de gerar eletricidade além das 
hidrelétricas, que são ignorados ou mal-aproveitados no Brasil. Nesse pacote 
tecnológico de ponta estão, entre outras, a energia do vento (ou eólica), a solar e 
a da biomassa, ou seja, a produção de eletricidade pela queima de matériaprima 
vegetal como o bagaço de cana ou o óleo de dendê. Estes recursos, assim 
como as fontes de energia tradicionais, também têm suas vantagens e 
desvantagens (veja o quadro acima), mas poderiam complementar e ampliar a 
produção de energia no Brasil, onde mais de 90% da eletric idade consumida 
ainda vem das hidrelétricas, principalmente em épocas de escassez de chuvas, 
por exemplo (relembrando o caso do “Apagão”). 
Obs: Se o lago de Itaipu fosse coberto de células solares geraria toda a 
eletricidade de que o Brasil necessita e nem precisaríamos ter destruído Sete 
Quedas. 
2.5.6) Crise Energética 
O Brasil já enfrentou uma crise de energia, em que não havia energia 
elétrica suficiente e toda energia disponível deveria ser usada de maneira 
inteligente. Essa crise representou uma etapa difícil na história do País. 
Para entender as causas da crise energética é preciso conhecer um 
pouco sobre como a energia é gerada. 
 
 
 
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Causa da Crise 
 
1º - Redução de Investimentos 
Os investimentos em geração no Brasil não acompanharam o 
crescimento da demanda. 
 
2º - Aumento da demanda 
O crescimento da capacidade de geração não foi proporcional ao 
aumento populacional. 
 
3º - Dependência de usinas hidrelétricas e de linhas de transmissão 
Como dito, a dependência do Brasil em relação às usinas hidrelétricas é 
um fator agravante para uma crise. As hidrelétricas respondem por quase a 
totalidade da energia consumida no País. 
É importante você saber que a energia produzida em um local pode ser 
transportada a outro local e isso é feito por meio de linhas de transmissão que 
funcionam como verdadeiras estradas para a eletricidade. No Brasil, nem todas 
as regiões estão interligadas , o que impossibilita um tráfego contínuo entre 
todas as regiões, como é o caso das regiões Norte e Nordeste, que não estão 
ligadas às demais. Em relação à Região Sul, o problema é outro. Embora 
esteja ligada ao Sudeste e ao Centro-Oeste, o sistema de transmissão limita o 
transporte da energia excedente gerada no Sul. 
4º - Clima 
Para que seja possível gerar energia nas usinas hidrelétricas é preciso 
que os reservatórios tenham volume suficiente de água para acionar as 
turbinas. 
Com a falta de investimentos na ampliação do parque gerador, as 
reservas de água das usinas em operação são utilizadas de forma intensiva, 
reduzindo os níveis de armazenamento dos reservatórios. Isso aumenta a 
dependência por índices de chuva mais altos para recompor o volume de água 
dos reservatórios. 
2.5.7) Glossário 
 
Energia Hidráulica - Energia potencial e cinética das águas. 
 
Represa - Grande depósito formado artificialmente, fechando um vale 
mediante diques ou barragens e no qual se armazenam as águas de um rio 
com o objetivo de as utilizar na regularização de caudais, na irrigação, no 
abastecimento de água, na produção de energia elétrica, etc. 
Central Hidroelétrica - Instalação na qual a energia potencial e c inética da 
água é transformada em energia elétrica. 
Bacia Hidrográfica - Superfície do terreno, medida em projeção horizontal, da 
qual provém efetivamente a água de um curso de água, até o ponto 
considerado. 
 
 
 
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Nível Máximo de Exploração - É o nível mais alto permitido normalmente 
numa represa (sem ter em conta as sobre-elevações devido às cheias). 
Corresponde ao nível de pleno armazenamento da represa. 
Nota: O nível máximo da represa corresponde ao maior nível admissível em 
caso de cheias. 
Nível Mínimo de Exploração - É o nível mínimo admitido para a exploração de 
uma represa, medido num local determinado. 
Nota: Abaixo do nível mínimo de exploração pode-se fazer o esvaziamento da 
represa até o nível da descarga de fundo. 
Capacidade Útil - Volume de água disponível numa represa entre o nível de 
pleno armazenamento e o nível mínimo de exploração normal. 
Zona lnundável - Zona de uma represa compreendida entre o mais alto nível 
admitido pela sua exploração normal e o nível de água máximo possível (nível de 
máxima cheia). 
 
POTÊNCIAL HIDRELÉTRICO BRASILEIRO 
1990-1999 
Estágio Potência (MW) Nº registros 
Remanescente 31.742,18 2345 
Individualizado 66.762,91 732 
Total Estimado 98.505,09 3.077 
Inventário 47.486,37 478 
Viabilidade 37.873,66 62 
Projeto Básico 15.242,17 75 
Construção 7.696,60 25 
Operação 53.855,07 391 
Desativado 8,82 12 
Total 161.162,69 1.043 
Inventariado 
TOTAL 259.667,78 4.120 
 
Potencial Teórico Hidráulico Bruto - Quantidade máxima de energia elétrica 
que pode-se obter numa região determinada ou numa bacia hidrográfica 
durante um ano médio, tendo em conta os desníveis correspondentes referidos a 
um dado ponto dessa região ou bacia. 
 
Tempo de Funcionamento - Intervalo de tempo durante o qual uma 
instalação, ou parte dela, fornece energia utilizável. 
Pico de Demanda - MW - Máxima demanda instantânea requerida num 
intervalo de tempo (dia, mês, ano, etc). 
Carga de Base - Parte constante da carga de uma rede durante um período 
determinado (por exemplo: dia, mês, ano). 
Instalação Elétrica - Conjunto de obras de engenharia civil, edifícios, 
máquinas, aparelhos, linhas e acessórios que servem para a produção, 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
conversão, transformação, transporte, distribuição e utilização de energia 
elétrica. 
Linha - Conjunto de condutores, isoladores e acessórios, usado para o 
transporte ou distribuição de eletricidade. 
 
Subestação de Transformação - Instalação elétrica na qual, por meio de 
transformadores, se realiza a transferência de energia elétrica entre redes a 
tensõesdiferentes. 
 
Rede Elétrica - Conjunto de linhas e outros equipamentos ou instalações 
elétricas, ligados entre si, permitindo o movimento de energia elétrica. 
 
Rede de Transmissão - Rede ou sistema utilizado para transmissão de 
energia elétrica entre regiões ou entre países, para alimentação de redes 
subsidiárias. 
 
Rede de Distribuição - Rede destinada à distribuição de energia elétrica no 
interior de uma região delimitada. 
Alta Tensão - Tensão cujo valor entre fases é igual ou superior a uma tensão 
dada, variável de país para país. 
Baixa Tensão - Tensão cujo valor entre fases é inferior a uma tensão dada, 
variável de país para país. 
Tensão Nominal - Tensão que figura nas especificações de uma máquina ou 
de um aparelho, a partir da qual se determinam as condições de ensaio e os 
limites da tensão de utilização. 
 
Tensão de Exploração (efetiva) - Tensão sob a qual se encontram em serviço 
as instalações elétricas (produção, transporte, etc). 
 
Perdas de uma Rede - Perdas de energia que ocorrem no transporte e/ou 
distribuição de energia elétrica, na rede considerada. 
 
Qualidade de Serviço de uma Rede Elétrica - Grau de conformidade com 
cláusulas contratuais entre distribuidor e consumidor, de uma entrega de 
energia elétrica num período de tempo determinado, ou, mais geralmente, grau 
de perturbação de uma alimentação de eletricidade. 
 
Potência Elétrica Disponível - Potência elétrica máxima que, em cada 
momento e num determinado período, poderia ser obtida na central ou no 
grupo, na situação real em que se encontra nesse momento, sem considerar as 
possibilidades de colocação da energia elétrica que seria produzida. 
 
 
 
 
 
 
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2.5.8) Observações Finais 
 
As usinas respondem por 18% da energia elétrica global. São 
responsáveis pelo fornecimento de 50% da eletric idade em 63 países e por 
90% em outros 23, entre eles o Brasil. 
PRÓ: são uma fonte de energia renovável, que produz eletric idade de forma 
limpa, não poluente e barata. 
CONTRA: exigem grande investimento inicial na construção de barragens. 
Podem ter a operação prejudicada pela falta de chuvas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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TURBINAS HIDRÁULICAS 
2.5.9) Introdução 
Turbinas são máquinas para converter energia hidráulica em energia 
elétrica. O custo total de uma usina hidrelétrica (reservatório, tubulações, 
turbinas, etc) é mais alto do que o de uma central termelétrica, mas ela tem 
muitas vantagens, algumas das quais são: 
 
1. Alta eficiência 
2. Flexibilidade de operação 
3. Fácil manutenção 
4. Baixo desgaste 
5. Suprimento de energia potencialmente inesgotável 
6. Nenhuma poluição 
2.5.10) Classificação 
 
Os principais tipos de turbina são aquelas de impulso e de reação. O tipo 
predominante de máquina de impulso é a roda Pelton (inventada por Lester 
Allen Pelton) que é apropriada para alturas de 150-2000m. As turbinas de 
reação são de dois tipos principais: 
 
1. de escoamento radial ou misto 
2. de escoamento axial 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Dos tipos de escoamentos radiais predomina a turbina Francis (patenteada 
por Samuel Dowd e aperfeiçoada por James Bicheno Francis). As turbinas 
Dériaz são similares às turbinas Francis rápidas, mas com um mecanismo que 
permite variar a inclinação das pás do rotor. Os tipos principais de máquinas 
axiais são turbinas de hélice (Propeller), cujas pás do rotor são fixas, e as 
turbinas Kaplan com as pás do rotor ajustáveis. Outros tipos de máquinas 
axiais são as turbinas Tubulares, Bulbo e Straflo. 
 
 
 
 
 
 
2.5.11) Tipos de Turbinas Hidráulicas 
 
2.5.11.1) Turbinas Francis 
 
Em 1847 o inglês James Bicheno Francis (1815-1892) trabalhando nos 
EUA melhorou uma máquina de escoamento centrípeta desenvolvida em 1838 
por Samuel Dowd (1804-1879), de modo que a partir disso, elas receberam o 
nome de turbinas Francis. 
A Figura 1 mostra um corte longitudinal de uma turbina Francis, 
indicando os órgãos principais. Essencialmente constam das seguintes partes: 
 
1) uma caixa, geralmente com forma de caracol do tipo fechado, a qual é 
 substituída por uma câmara ou poço de adução no tipo aberto; 
 
 
 
 
 
2) um distribuidor dotado de pás orientáveis, para proporcionar a descarga 
correspondente à potência demandada, com o ângulo mais adequado para a 
entrada da água no rotor; 
3) um rotor dotado de pás com formato especial; 
4) um tubo de sucção que conduz a água que sai do rotor a um poço ou canal de 
fuga. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.12: Turbina radial típica do tipo Francis. 
As turbinas Francis são máquinas de reação do tipo ação total (a água ao passar 
pelo rotor preenche simultaneamente todos os canais das pás). Quanto ao 
posicionamento do eixo podem ser: 
 de eixo vertical 
 de eixo horizontal. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Quanto às velocidades do rotor, as turbinas Francis podem ser: 
 lentas (55<ns<120 rpm); 
 normais (120<ns<200 rpm); 
 rápidas (ou Deriaz) (200<ns<300); 
 extra rápidas ou ultra-rápidas (300<ns<450). 
 
Com a velocidade específica definida pela fórmula: 
 
ns = (nPe)/(H
4H) ; [n] em rpm, [Pe] em CV e [H] em m. 
 
Quanto ao modo de instalação que caracteriza como recebem a água motriz, 
as turbinas Francis podem ser: de instalação aberta ou fechada. 
- Instalação aberta: Quando a turbina é colocada num poço, ao qual vem ter a 
água conduzida em um canal de adução, havendo geralmente uma comporta 
ou adufa para que se possa esvaziá-la na manutenção. Este tipo de instalação 
é conveniente apenas para pequenas quedas (até 10 m) e potências pequenas 
(algumas centenas de CV). 
- Instalação fechada: Vale ressaltar que quando a descarga é grande e o 
desnível é pequeno, há vantagem de se utilizar um tubo de sucção curvo. Quando a 
queda é superior a 10 m é preferível colocar a turbina numa caixa à qual vem ter a água 
conduzida em uma tubulação forçada (pentstock). Estas caixas tem a forma de 
caracol, voluta ou espiral e são envolvidas pelo concreto armado. 
As vantagens das turbinas de eixo horizontal sobre as de eixo vertical é que 
nas primeiras a turbina e o gerador podem ser independentes; há uma melhor 
disposição da sala das máquinas já que a turbina e o gerador estão no mesmo nível, 
fácil montagem e entendimento, facilidade de manutenção e custo reduzido em 
cerca de 20% para as mesmas condições. 
 
 
 
 
 
 
 
 Prova modificada. 
2.5.11.2) Turbinas Pelton 
 
Como toda turbina hidráulica, a Pelton possui um distribuidor e um 
receptor. As partes principais das turbinas Pelton são descritas a seguir: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.13: (a) Esquema de uma turbina Pelton. (b) Fotografia da roda de 
uma turbina Pelton. 
 
 
 
 
 
 
 
1) Distribuidor: O distribuidor é um bocal de forma apropriada a guiar a água, 
proporcionando um jato cilíndrico sobre a pá do receptor, o que é conseguido por 
meio de uma agulha. 
2) Rotor: O rotor consta de um certo número de pás com forma de concha 
especial, dispostas na periferia de um disco que girapreso a um eixo. A figura 
2.5.14 (a) e (b) mostra fotos de um rotor da turbina Pelton. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.14 (a) e (b): Rotor de uma turbina Pelton com as pás desmontadas. 
 
A pá possui um gume médio, que fica sobre o plano médio da roda, e que 
divide simetricamente o jato e o desvia lateralmente. 
 As figuras 2.5.15 e 2.5.16 mostram respectivamente uma foto e um 
desenho esquemático da pá. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.15: Pás de uma turbina Pelton. 
 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.16: Fixação das pás no rotor de uma turbina Pelton. 
As figuras 2.5.17 e 2.5.18 mostram respectivamente uma foto e um 
desenho esquemático da incidência do jato sobre as pás. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.17: Incidência dos jatos sobre as pás. 
 
 
 
 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.18: Distribuição dos jatos em pás sucessivas. 
 
3) Defletor de jato: O defletor intercepta o jato, desviando-o das pás, quando 
ocorre uma diminuição violenta na potência demandada pela rede de energia. 
Nessa hipótese, uma atuação rápida da agulha para reduzir a descarga poderia vir 
a provocar uma sobrepressão no bocal, nas válvulas e ao longo do 
encanamento adutor. O defletor volta à sua posição inicial liberando a 
passagem do jato, logo que a agulha assume a posição que convém, para a 
descarga correspondente à potência absorvida. 
A figura 2.5.19 mostra detalhes do defletor de jato. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.19: Detalhes do bocal injetor e do defletor de jato. 
 
4) Bocal de frenagem: O bocal de frenagem faz incidir um jato nas costas das 
pás, contrariando o sentido de rotação, quando se desejar frear a turbina 
rapidamente. 
 
As turbinas Pelton são do tipo tangenciais e de ação parcial como visto no 
item anterior. 
Quanto ao número de jatos, as turbinas Pelton podem ser: de um jato, 
dois, quatro ou seis jatos e, excepcionalmente, de 3 jatos. Quanto maior o 
número de jatos, maior a potência para uma mesma queda, maior o desgaste 
por abrasão se a água tiver areia em suspensão e menor o tamanho do rotor (o 
que representa uma redução no custo por unidade de potência instalada). 
A incidência de jatos sobre o rotor, em cada volta, depende do número de 
jatos, de modo que, quanto maior a queda, menor deverá ser o número de 
impactos sobre a pá por minuto. 
Quanto ao posicionamento do eixo, as turbinas Pelton podem ser de: 
 Eixo horizontal : geralmente utilizada para um ou dois jatos, a instalação. 
é mais econômica, de fácil manutenção, além de ser possível montar, 
numa mesma árvore, dois rotores. 
 Eixo vertical: geralmente utilizado para quatro ou seis jatos sobre as 
 pás do rotor. 
As turbinas Pelton são recomendadas para quedas elevadas, para as 
quais a descarga (vazão) aproveitável normalmente é reduzida, uma vez que a 
captação se realiza em altitudes onde o curso d'água ainda é de pequeno 
deflúvio. 
Por serem de fabricação, instalação e regulagem relativamente simples, 
além de empregadas em usinas de grande potência, são também largamente. 
 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
empregadas em microusinas, em fazendas, etc., aproveitando quedas e vazões 
bem pequenas para geração de algumas dezenas de CV. 
 
Quanto ao número de ejetores: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2.5.11.3) Turbinas Hélice 
 
A necessidade de obtenção de turbinas com velocidades consideráveis 
em baixas quedas e grandes descargas, o que não é viável com as turbinas 
Francis, deu origem em 1908 às turbinas Hélice ou Propeller. 
O rotor assumiu a forma de uma hélice de propulsão, o que explica o 
nome dado a estas turbinas, figura 2.5.24. 
O distribuidor mantém o aspecto que têm nas turbinas Francis, mas a 
distância entre as pás do distribuidor e as do rotor é bem maior do que a que se 
verifica para as turbinas Francis de alta velocidade específica. 
A figura 2.5.25 mostra o rotor e o distribuidor da turbina hélice. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.24: Rotor de turbina Hélice (pás fixas). 
 
 
 
 
 
 
 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.25: Rotor de 8 pás de uma turbina Hélice com as pás direcionadas ao 
distribuidor. 
 
As turbinas Hélice são do tipo axial, de reação e de ação total, como as 
turbinas Francis. As demais características são as mesmas que as das turbinas 
Kaplan que serão vistas a seguir. Elas são utilizadas em baixas quedas e com 
grandes descargas (vazões). 
 
2.5.11.4) Turbinas Kaplan 
 
Em 1912, o engenheiro Victor Kaplan (1876-1934), após estudos. 
teóricos e experimentais, concebeu um novo tipo de turbina a hélice, 
comportando a possibilidade de variar o passo ou inclinação das pás. 
 A figura 2.5.26 mostra um corte longitudinal de uma turbina Kaplan 
indicando os seus principais componentes. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.26: Corte longitudinal de uma turbina Kaplan. 
A figura 2.5.27 mostra o mecanismo de controle do ângulo das pás do 
rotor. Os principais componentes de uma turbina Kaplan são descritos a seguir: 
1) Distribuidor: Se assemelha ao das turbinas Francis, tendo as mesmas 
finalidades. As pás do distribuidor têm sua inclinação comandada por um sistema 
análogo ao das turbinas Francis, e ficam a uma distância considerável das pás 
do rotor. Deve haver uma sincronização entre os ângulos das pás do rotor e as do 
distribuidor. 
2) Rotor: Possui pás que podem ser ajustáveis variando o ângulo de acordo 
com a demanda de potência. 
3) Tubo de sucção: Tem as mesmas finalidades e a mesma forma dos tubos de 
sucção para turbinas Francis. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.27 (a): Detalhe do sistema de movimentação das pás de uma turbina 
Kaplan. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.27 (b): Rotor Kaplan em corte total e parcial (esquemático). 
 
 
4) Caracol ou caixa espiral: Pode ter seção transversal circular nas turbinas 
de pequena capacidade e nas quedas consideradas relativamente grandes 
para turbinas Kaplan, mas, nas unidades para grandes descargas e pequenas 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
quedas, a seção é aproximadamente retangular ou trapezoidal com 
estreitamento na direção do distribuidor e recebe a denominação de 
semicaracol. 
As turbinas Kaplan são do tipo axial, de reação e ação total como visto no 
item anterior. 
Quanto ao número de pás as turbinas Kaplan podem ser de: 
 4 pás (para 10 < H < 20m); 
 5 pás (para 12 < H < 23m); 
 6 pás (para 15 < H < 35m); 
 8 pás (para H > 35m). 
São utilizadas para rotaçõesespecíficas acima de 350 RPM. Permitem uma 
ampla variação da descarga e da potência sem apreciável variação do 
rendimento total. 
 
2.5.11.5) Turbinas Dériaz 
Tem o nome de um engenheiro suíço que as inventou. Elas se 
assemelham às turbinas Kaplan e Francis rápida, porém as pás do rotor são 
articuladas e, pela atuação de um mecanismo apropriado, podem variar o 
ângulo de inclinação. Este tipo de turbina é muito utilizado em instalações onde 
a água do reservatório de montante precisa ser reposta quando a máquina não 
está produzindo potência. Sendo, quando for o caso, denominada de turbina - 
bomba. 
 
2.5.11.6) Turbinas Tubulares 
 
Quando o desnível hidráulico for muito reduzido, pode não ser viável 
nem mesmo a instalação de turbinas tipo Kaplan. Deste modo foram 
desenvolvidos novos tipos de turbinas mais apropriadas para tais condições. 
Um destes tipos é a turbina Tubular. 
Nas turbinas tubulares, o receptor, de pás fixas ou orientáveis, é 
colocado num tubo por onde a água escoa e o eixo, horizontal ou inclinado, 
aciona um alternador colocado externamente ao tubo. A Figura 2.5.28 mostra 
duas instalações de turbinas tubulares. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.28: Turbinas tubulares de eixo inclinado e horizontal. 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
2.5.11.7) Turbinas Bulbo 
 
As turbinas de bulbo podem ser consideradas como uma evolução do 
tipo anterior. O rotor possui pás orientáveis como as turbinas Kaplan e existe 
uma espécie de bulbo colocado dentro do tubo adutor de água. No interior do 
bulbo que é uma câmara blindada, pode existir s implesmente um sistema de 
engrenagens para transmitir o movimento do eixo ao alternador e/ou, nos tipos 
mais aperfeiçoados, no interior do bulbo fica o próprio gerador elétrico. 
A turbina bulbo dispensa a caixa em caracol e o trecho vertical do tubo de 
sucção. 
O espaço ocupado em planta é portanto menor que o das turbinas 
Kaplan. Para um mesmo diâmetro do rotor, a turbina bulbo absorve uma 
descarga maior que a Kaplan, resultando daí maior potência a plena carga. 
As turbinas bulbo podem funcionar como turbinas ou como bombas e 
são empregadas em usinas maré-motrizes. 
Um ponto a considerar na instalação deste tipo de turbina é que a limitação 
do diâmetro do rotor e do bulbo para redução dos custos obriga à construção 
de alternadores de pequeno diâmetro, mas muito alongados axialmente, o que, 
por sua vez, acarreta problemas de resfriamento para o gerador e de custo 
para o eixo e mancais. 
As figuras 2.5.29, 2.5.30 e 2.5.31 mostram uma foto, um desenho. 
esquemático e uma maquete em corte, respectivamente. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.29: Turbina bulbo, da Escher Wyss. Vista do rotor, do bulbo e de parte do. 
tubo de saída de água. 
 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.30: Turbina bulbo Escher Wyss. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.31: Usina de Gersthein (França). Grupo bulbo. 
 
2.5.11.8) Turbinas Straflo 
 
São turbinas do tipo axial caracterizadas pelo escoamento retilíneo que 
em inglês significa "straight flow", cuja contração dos vocábulos originou o 
nome STRAFLO. Na realidade, as trajetórias das partículas líquidas são hélices 
cilíndricas, que em projeção meridiana são retas paralelas ao eixo. 
Neste tipo de turbina o indutor do alternador é colocado na periferia do 
rotor da turbina formando um anel articulado nas pontas das pás da hélice, as 
quais podem ser de passo variável, análogas às da turbina Kaplan. Por esta 
razão é também denominada turbina geradora de anel ou periférica. 
As juntas hidrostáticas montadas entre a carcaça girante, funcionam 
como um agente de pressão e vedação. 
 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
Uma vantagem desta turbina é de não haver a necessidade de colocar o 
gerador no interior de um bulbo, o que, como vimos, cria problemas de 
limitação das dimensões do gerador e de resfriamento. A colocação do 
alternador na própria periferia do rotor da turbina possibilita uma instalação 
compacta e a obtenção de fator de potência maior que o conseguido com 
outros tipos em igualdade de condições de queda, descarga e custo de obras 
civis. 
As turbinas STRAFLO são adequadas para usinas de baixa queda, de 3 
até 40m e diâmetro de rotor de até cerca de 10m. 
Do mesmo modo que as turbinas de bulbo e tubulares, as turbinas 
STRAFLO podem ser instaladas com eixo horizontal ou inclinado. 
 As figuras 2.5.32 e 2.5.33 mostram uma maquete em corte e uma seção 
transversal de uma turbina STRAFLO, respectivamente. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.32: Representação de turbina Straflo de pás fixas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.33: Seção transversal típica de turbina Straflo de pás fixas e mancais 
convencionais; 1- pás diretrizes fixas, 2- pás diretrizes móveis do distribuidor, 3- pás 
fixas do rotor, 4- gerador. 
2.5.12) Velocidades das Turbinas Hidráulicas 
 
2.5.12.1) Número real de rotações 
 
As turbinas acionam diretamente os geradores de energia elétrica, de 
modo que, naturalmente, ambos têm o mesmo número de rotações. Mas nos 
alternadores, pela forma como são construídos, existe uma dependência entre 
o número de pares de pólos (p), o número de RPM(n) e a freqüência em Hz (f), 
na forma: 
n = (60f)/p 
 
Para f = 60hz, n = 3600/p. Assim, podemos construir uma tabela que relaciona 
n e p (tabela 2.5.5). As velocidades reais das turbinas podem ser 
determinadas a partir da tabela 2.5.6. 
As turbinas de grandes potências têm baixa rotação real de modo à 
reduzir a complexidade dos problemas de estabilidade mecânica, momentos 
nos mancais e a melhorar as condições para a regularização do movimento. 
Também, por razões construtivas, empregam-se, como visto baixa velocidade 
real para turbinas de elevado ns e altas rotações reais para pequenos valores 
de ns. 
 
P 4 6 8 12 16 18 20 24 30 36 40 45 60 
n 900 600 450 300 225 200 180 150 120 100 90 80 60 
Tab. 2.5.5 - Rotações por minuto síncronos do alternador trifásico em função do 
número de pares de pólos. 
 
 
 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
Propeller, Kaplan, 50 a 150 rpm 
Bulbo 
Francis 80 a 300 rpm 
Pelton 200 a 750 RPM 
Tab. 2.5.6 - Número real de RPM das turbinas. 
 
2.5.12.2) Aumento de velocidade 
 
O custo do grupo turbina-gerador diminui com o aumento da velocidade 
angular que pode ser conseguido com a redução do diâmetro (das dimensões do 
rotor). Essas vantagens, aliadas à necessidade muitas vezes de utilizar 
pequenas quedas, tem feito com que o progresso no projeto das turbinas 
evoluísse para obtenção de velocidades que podem, até certo ponto, ser 
consideradas altas. Dois recursos são utilizados: 
 
(a) Dar formas adequadas a seus órgãos essenciais, especialmente o rotor; 
b)Agrupar numa árvore, vários rotores iguais, alimentados separadamente, 
constituindo, assim, as chamadas turbinas múltiplas. Trata -se de uma 
instalação em paralelo em que cada unidade se apresenta com um rotor de 
pequeno diâmetro, permitindo, assim, obter uma maior velocidade angular para 
um mesmo valor de velocidade periférica. 
2.5.13) Rendimento das Turbinas Hidráulicas 
A figura 2.5.34 mostra o rendimento das principais turbinashidráulicas 
em função da descarga. A figura 2.5.35 mostra o comportamento do 
rendimento em função da potência útil para as principais turbinas hidráulicas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.34: Variação do rendimento com a descarga para os diversos tipos de 
turbina. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.35: Variação do rendimento com a potência útil. 
 
 
 
 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
2.5.14) Campo de Aplicação das Turbinas Hidráulicas 
 
Teoricamente não é impossível construir turbinas de um tipo qualquer 
para todas as velocidades específicas, porém a prática do projeto e os resultados 
obtidos com as turbinas instaladas têm mostrado que cada um dos tipos só pode 
ser empregado com bom rendimento para valores de ns compreendidos entre 
determinados limites, o que significa dizer que, de certo modo, essa grandeza 
específica determina o tipo de turbina a ser usada numa instalação caracterizada 
pelos valores de Q, H e n. 
A prática mostrou ainda que, para valores dados de queda e potência, os 
custos das turbinas e da instalação, como um todo, diminuem quando a 
velocidade específica aumenta. 
A tabela 2.5.7 mostra o campo de aplicação das principais turbinas, em 
função de n e H. Baseada em turbinas instaladas que apresentam não só bons 
rendimentos, mas também os menores custos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tab. 2.5.7 - Campo de aplicação dos diversos tipos de turbinas. 
A figura 2.5.36 mostra a representação gráfica desta tabela. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5.36: Campo de ampliação das turbinas Pelton, Francis e Kaplan de acordo 
com a queda e a velocidade específica. 
2.5.15) Características de algumas Turbinas Hidráulicas 
instaladas no Brasil 
 
A tabela 2.5.8 mostra H, Q, n e N, bem como o fabricante e o tipo das 
Turbinas Hidráulicas instaladas nas principais usinas brasileiras. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
 
Usina Tipo H (m) Q (m3.s- N (rpm) N (CV) 
1) 
Itaipú - Rio Paraná Francis 120 660 94,2 971.500 
Paulo Afonso IV - Rio Sã Francisco Francis 135 385 120 577.600 
Itumbiara - Rio Paranaíba Água Francis 80 522 500 94,7 95 481.000 
Vermelha - Rio Grande Francis 139,9 312.712 
São Simão - Rio Paranaíba Francis 71,3 420 94,7 370.000 
Foz de Areia - Rio Iguaçu Francis 29,8 302 128,6 457.000 
Tucuruí - Rio Tocantins Francis 60,8 576 85 429.880 
Estreito - Rio Grande Francis 60,8 306,5 113,5 231.000 
Furnas (Alpinópolis) - Rio Grande Francis 88,9 190 150 210.000 
Ilha Solteira - Rio Paraná Francis 46 389 86 225.000 
Marinbondo - Rio Grande Francis 60,3 319 100 242.000 
Salto Osório - Quedas Iguaçu Francis 72 240 120 214.500 
Passo Fundo - Rio Passo Fundo Francis 253 48 300 150.000 
Porto Colômbia - Rio Grande Francis 19,3 464 86 111.000 
Xavantes - Rio Paranapanema Francis 73,7 141,5 129 144.000 
Capivara - Rio Paranapanema Francis 48,4 375 100 225.000 
Promissão - Rio Tiête Kaplan 25,0 380 90 120.000 
Jupiá - Rio Paraná Kaplan 25,4 400 98 140.000 
Porto Primavera - Rio Paraná Kaplan 19,2 751 67 177.000 
Sobradinho - Rio São Francisco Kaplan 27,2 715 75 242.000 
Moxotó - Rio São Francisco Kaplan 21,0 550 80 150.057 
Bernardo Mascarenhas (Três Kaplan 57,2 150 164 90.000 
Marias) - 
Volta Grande - Rio Grande Kaplan(5pás) 26,2 430 85,7 140.038 
Jupiá - rio Paraná Kaplan 23 462 78,4 107.060 
Barra Bonita - Rio Tiête Kaplan 24 148 129 47.400 
Parigot de Souza - Rio Capivari Pelton 714,3 10 514 87.200 
Cubatão 1- Henry Borden Pelton 719,5 12 360 92.274 
Cubatão 2 - Fonte, (primitiva) Pelton 684 12,7 150 89.232 
Fontes antigas - Rio Piraí Pelton 310 1,53 1094 19.264 
Tab 2.5.8 - Características de algumas turbinas hidráulicas instaladas no Brasil. 
2.5.16) Pré-Dimensionamento das Turbinas Hidráulicas s 
 
Nesta seção apresentaremos um roteiro juntamente com alguns gráficos 
que nos possibilitará fazer um pré-dimensionamento das turbinas hidráulicas 
dentro, é claro, das limitações do texto desenvolvido. 
 
2.5.16.1) Dados para o Dimensionamento das Turbinas Hidráulicas 
 
Para o dimensionamento de qualquer Turbina Hidráulica é 
indispensável, subsidiariamente, 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. 
Desse modo, mais especificamente, deve-se conhecer: 
- Quedas (H); 
- Vazões (Q); 
- Altura do nível d'água de jusante; 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
- Características do sistema que será acionado. 
2.5.16.2) Pré-Dimensionamento de Turbinas Francis 
a) DADOS BÁSICOS 
- Q (m3/s): vazão para o ponto de projeto (nominal); 
- H (m): queda disponível para o ponto de projeto; 
- n (rps): rotação da turbina para ponto de projeto. 
b) CÁLCULOS PRELIMINARES 
- Trabalho específico (y); 
- Rotação específica (ηqa); 
- Rendimento (ηn, ηm, ηt); 
- Potências (hidráulica e do eixo). 
c) ESCOLHA DO TIPO 
 
Baseado na rotação específica (ηqa) e também na altura máxima (hsmáx) 
que poderá ser instalada a turbina livre do perigo de cavitação. Determina-se o 
coeficiente de cavitação (δmin) no gráfico 1. 
 
- Determinação do número de pólos do alternador; 
- Determinação do tipo de rotor (lento, normal, rápido). 
d) ELEMENTOS DE ORIENTAÇÃO PARA O ROTOR 
 
- O gráfico 1 trás algumas relações importantes em função de ηqa: 
 
C52máx /2y ; D4m/D5e ; b0/D5e ; ηtmáx ; ymáx; Qn/Qmáx 
 
onde: 
C5máx = velocidade máxima na entrada do tubo de sucção. 
Qn = vazão nominal. 
D5e = diâmetro externo da aresta de saída. 
D4m = diâmetro médio da aresta de entrada. 
b0 = largura do distribuidor. 
- Dado y, determinação C5máx; 
- Dado Q e calculado C5máx, determina-se (D5e) min através da equação da 
continuidade; 
- Determinação de (D4m)min e (b0)min; 
- Determinação do número e da espessura das pás do rotor; 
- Verificar se a equação fundamental é satisfeita; 
- Determinação de D4m, D5e, C5 e b0; 
- Determina-se os triângulos de velocidade para as arestas de entrada e 
saída do rotor. 
e) DETERMINAÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS DO INJETOR 
 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
 
f) DETERMINAÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS DA CAIXA ESPIRAL 
g) DETERMINAÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS DO DISTRIBUIDOR 
- dimensões; 
- número de pás, espessura e passo; 
- outros. 
h) DETERMINAÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS DO TUBO DE SUCÇÃO 
- forma; 
- comprimento; 
- diâmetro de entrada e saída. 
i) DETERMINAÇÃO DO DIÂMETRO DO EIXO DA TURBINA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Gráfico 2.5.1: Elementos para Pré-Dimensionamento de Rotores Francis. 
 
 
 
 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
2.5.16.3) Pré-Dimensionamento de Turbinas Pelton 
a) DADOS BÁSICOS 
- Q; 
- H. 
b) CÁLCULOS PRELIMINARES 
- Y; 
- ηt, ηm, ηh; 
- Ph, Pef. 
c) ESCOLHA DO TIPO 
- limitada a rotação específica; 
- Determinação do número de injetores (jatos); 
-Determinação da posição do eixo. 
d) CÁLCULO DO DIÂMETRO DO JATO (d0) 
e) CÁLCULO DAS PÁS 
- dimensões principais (gráfico 2); 
- passo; 
- número; 
- inclinação da Aresta. 
f) CÁLCULO DAS DIMENSÕES PRINCIPAIS DO ROTOR 
- Diâmetro do círculo tangente ao eixo do jato (Dm); 
- Diâmetro exterior do divisor (Dr); 
- Diâmetro externo; 
- Diâmetro interno. 
g) CÁLCULO DA AGULHA E DO INJETOR 
- Adoção dos ângulos; 
- Determinação do diâmetro do injetor; 
- Determinação do diâmetro máximo da agulha; 
- Determinação do diâmetro do cano. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Gráfico 2.5.2: Elementos para Pré-Dimensionamento de Rotores Pelton. 
 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
2.5.16.4) Pré-Dimensionamento de Turbinas Kaplan 
a) DADOS BÁSICOS 
- Q; 
- H. 
b) CÁLCULOS PRELIMINARES 
- Y; 
- ηqa; 
- ηt, ηm, ηh; 
- Ph, Pef. 
c) ESCOLHA DO TIPO 
- Baseado em ηqa e hsmáx (δmin, gráfico 3). 
- Determinação do número de pólos do alternador. 
d) CÁLCULO DO ROTOR 
 
- Elementos de orientações (gráfico 3): 
 
C52máx / 2y ; Di/De; b0/De 
- Dimensões principais: diâmetro externo do rotor, diâmetro do cubo, 
seção livre para passagem de água; 
- Características das pás (passo, número, comprimento); 
- Traçado do diagrama de velocidades. 
e) CÁCULO DO DISTRIBUIDOR 
- Determinação do diâmetro; 
- Determinação do número de pás; 
- Determinação das velocidades e ângulos de incidência. 
f) DETERMINAÇÃO DA ESPIRAL 
- Determinação da velocidade de entrada; 
- Determinação das dimensões. 
g) DETERMINAÇÃO DO TUBO DE SUCÇÃO 
- Determinação da velocidade de entrada e saída. 
 
 
 
 
 
 
 
Máquinas de Fluxo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Gráfico 2.5.3: Elementos para Pré-Dimensionamento de Rotores Kaplan e Hélice.