Turbinas Hidráulicas - Trabalho de Máquinas Hidráulicas

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Máquinas Hidráulicas	
Turbinas Hidráulicas	
	
 
 
 
Turbinas Hidráulicas 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Universidade Federal Fluminense 
Escola de Engenharia
Máquinas Hidráulicas	
Turbinas Hidráulicas	
	
 
Universidade Federal Fluminense 
Centro Tecnológico 
Escola de Engenharia 
Departamento de Engenharia Mecânica 
Disciplina de Máquinas Hidráulicas 
 
 
 
Turbinas Hidráulicas 
Francis, Kaplan & Pelton 
 
 
 
Integrantes da equipe: 
 
Bruno César Tomaz de Matos 
Mat.: 109.40.011 
Felipe do Carmo Amorim 
Mat.: 109.40.014 
Fernando Soares Alves 
Mat.: 109.40.016 
Gustavo Burmester 
Mat.: 511.970.058 
Isabela Florindo Pinheiro 
Mat.: 109.40.023 
Marcel Freitas de Souza 
Mat.: 109.40.031 
Marcelo da Rocha Lopes 
Mat.: 109.40.032 
Victor Capacia 
Mat.: 109.40.036 
 
Turma A1 
Professor orientador: 
Felipe Bastos de Freitas Rachid 
 
 
Niterói - RJ 
1º Semestre de 2012 
Máquinas Hidráulicas	
Turbinas Hidráulicas	
	
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Bruno César Tomaz de Matos 
Felipe do Carmo Amorim 
Fernando Soares Alves 
Gustavo Burmester 
Isabela Florindo Pinheiro 
Marcel Freitas de Souza 
Marcelo da Rocha Lopes 
Victor Capacia 
 
Turbinas – Francis, Kaplan & Pelton	
Trabalho Final da disciplina de Máquinas Hidráulicas. 
 
Palavras-chaves: 
Turbinas 
Francis 
Kaplan 
Pelton 
Princípio Operacional 
Usinas Hidrelétricas 
 
 
Orientador: 
Felipe Bastos de Freitas Rachid 
UFF – Escola de Engenharia 
 
 
 
 
 
 
Niterói - RJ 
1º Semestre de 2012 
Máquinas Hidráulicas	
Turbinas Hidráulicas	
	
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SUMÁRIO 
INTRODUÇÃO.......................................................................................................... 05 
1. Máquina Hidráulica Motriz ou Turbina............................................................ 06 
2. Partes principais de uma Turbina...................................................................... 09 
2.1.Caixa Espiral................................................................................................... 09 
2.2.Pré-distribuidor............................................................................................... 09 
2.3.Distribuidor..................................................................................................... 09 
2.4.Rotor e Eixo..................................................................................................... 09 
2.5.Tubo de sucção.................................................................................................10 
3. Classificação de turbinas hidráulicas..................................................................10 
4. Projeto de Turbina para Usinas Hidrelétricas...................................................12 
4.1.Barragens..........................................................................................................12 
4.2.Comportas........................................................................................................ 12 
4.3.Vertedouro........................................................................................................12 
4.4.Casa de Máquinas.............................................................................................13 
5. Turbinas Francis.................................................................................................. 14 
5.1.História..............................................................................................................14 
5.2.Características e Funcionamento.......................................................................14 
5.3.Constituição Mecânica da Turbina Francis...................................................... 17 
5.3.1. Rotor................................................................................................18 
5.3.2. Distribuidor.....................................................................................19 
5.4.Usina Itaipu.......................................................................................................20 
5.5.Usina Hidrelétrica de Foz de Areia...................................................................22 
5.6.Usina Hidrelétrica Tucuruí...............................................................................26 
6. Turbinas Kaplan.................................................................................................. 30 
6.1.História............................................................................................................. 31 
6.2.Características e Funcionamento...................................................................... 31 
6.3.Usinas Hidrelétricas..........................................................................................32 
6.3.1. Usina Hidrelétrica de Jupiá..............................................................34 
6.3.2. Barragem de Carrapatelo.................................................................36 
6.3.3. Usina Hidrelétrica de Três Marias..................................................38 
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Turbinas Hidráulicas	
	
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7. Turbinas Pelton....................................................................................................40 
7.1.História.............................................................................................................40 
7.2.Princípios da Turbina.......................................................................................41 
7.3.Componentes....................................................................................................45 
7.3.1. Rotor...............................................................................................47 
7.3.2. Distribuidor....................................................................................49 
7.3.3. Defletor..........................................................................................50 
7.4.Variações da Turbina Pelton de acordo com o nº de jatos..............................51 
7.4.1. Turbina Pelton com um jato...........................................................51 
7.4.2. Turbina Pelton com dois jatos........................................................52 
7.4.3. Turbina Pelton com quatro jatos....................................................52 
7.4.4. Turbina Pelton com cinco jatos......................................................53 
7.4.5. Turbina Pelton com seis jatos.........................................................53 
7.5.Vantagens..........................................................................................................54 
7.6.Desvantagens.....................................................................................................54 
7.7.Instalações da Turbina Pelton no Brasil............................................................54 
7.7.1. Usina Hidrelétrica Governador Pedro Viriato Parigot de Souza.....54 
7.7.2. Usina Hidrelétrica São Bernardo.....................................................55 
7.7.3. Usina Hidrelétrica Cubatão 2..........................................................56 
8. CONCLUSÃO...................................................................................................... 58 
9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................................................... 59 
 
 
 
 
 
Máquinas Hidráulicas	
Turbinas Hidráulicas	
	
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INTRODUÇÃO 
Este trabalho foi desenvolvido como projeto final da disciplina de Máquinas 
Hidráulicas, tendo como professor orientador Felipe Bastos de Freitas Rachid. Seus 
autores são alunos do curso de graduação de Engenharia Mecânica, sendo eles: Bruno 
César Tomaz de Matos, Fernando Soares Alves, Felipedo Carmo Amorim, Gustavo 
Burmester, Isabela Florindo Pinheiro, Marcel Freitas de Souza, Marcelo da Rocha 
Lopes e Victor Capacia. 
O tema abordado para o trabalho final está relacionado com as turbinas hidráulicas 
e sua área de atuação tanto ao nível nacional quanto ao nível internacional. No presente 
trabalho, são expostos os mecanismos de funcionamento dos três tipos de turbinas 
(Francis, Kaplan e Pelton) assim como três exemplos de usinas hidrelétricas que cada 
uma delas e suas características técnicas. 
Para a disciplina de Máquinas Hidráulicas, o dimensionamento do nosso estudo 
para as Turbinas Hidráulicas constitui-se como etapa final para o desenvolvimento dos 
conhecimentos, conceitos e formulações apresentadas em mecânica dos fluidos, 
relacionando-os às máquinas de fluxo, sistemas e equipamentos utilizados no campo 
prático, facilitando a compreensão do funcionamento e análise do desempenho. 
 
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
Máquinas Hidráulicas	
Turbinas Hidráulicas	
	
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1. MÁQUINA HIDRÁULICA MOTRIZ OU TURBINA 
 
As turbinas hidráulicas são projetadas para transformar a energia mecânica (a 
energia de pressão e a energia cinética) de um fluxo de água, em potência de eixo. 
Atualmente são mais encontradas em usinas hidrelétricas, onde são acopladas a um 
gerador elétrico, o qual é conectado à rede de energia. Contudo também podem ser 
usadas para geração de energia em pequena escala, para as comunidades isoladas. 
As turbinas hidráulicas dividem-se entre quatro tipos principais: Pelton, Francis, 
Kaplan, Bulbo. Cada um destes tipos é adaptado para funcionar em usinas, como uma 
determinada faixa de altura de queda. As vazões volumétricas podem ser igualmente 
grandes em qualquer uma delas, mas a potência será proporcional ao produto da queda 
(H) e da vazão volumétrica (Q). 
Em todos os tipos há alguns princípios de funcionamento comuns. A água entra pela 
tomada de água, a montante da usina hidrelétrica que está num nível mais elevado, e é 
levada através de um conduto forçado até a entrada da turbina. Lá a água passa por uns 
sistemas de palhetas guias móveis, que controlam a vazão volumétrica fornecida à 
turbina. Para se aumentar a potência, as palhetas se abrem, para diminuir a potência elas 
se fecham. Após passar por este mecanismo, a água chega ao rotor da turbina. Nas 
turbinas Pelton, não há um sistema de palhetas móveis, e sim um bocal com uma agulha 
móvel, semelhante a uma válvula. O controle da vazão é feito por este dispositivo. 
Por transferência de quantidade de movimento parte da energia potencial dela, é 
transferida para o rotor na forma de torque e velocidade de rotação. Devido a isto a água 
na saída da turbina está a uma pressão pouco menor que a atmosférica, e bem menor do 
que a inicial. 
Após passar pelo rotor, um duto chamado tubo de sucção, conduz a água até a parte 
de jusante do rio, no nível mais baixo. As turbinas Pelton, têm um princípio um pouco 
diferente (impulsão), pois a pressão primeiro é transformada em energia cinética, em um 
bocal, onde o fluxo de água é acelerado até uma alta velocidade, e em seguida choca-se 
com as pás da turbina imprimindo-lhe rotação e torque. 
As turbinas hidráulicas podem ser montadas com o eixo no sentido vertical. Um 
mancal de escora suporta todo o peso das partes girantes da turbina e do gerador que é 
montado logo acima dela. Em PCH (Pequena Central Hidrelétrica) turbinas são 
fabricadas com eixo na horizontal. 
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Normalmente, devido ao seu alto custo e necessidade de serem instaladas em locais 
específicos, as turbinas hidráulicas são usadas apenas para gerar eletricidade. Por esta 
razão a velocidade de rotação é fixada num valor constante. 
A potência de uma turbina pode ser calculada pela seguinte expressão: 𝑃 = 𝜌𝑄𝐻𝑔𝜂 
O índice η é a eficiência total da turbina. A eficiência é a fração da energia total da 
fonte de energia primária (no caso a água) que é convertida em energia útil (no caso 
potência de eixo). As principais causas da "perda" de energia nas turbinas são: 
ü Perdas hidráulicas: a água tem que deixar a turbina com alguma velocidade, 
e esta quantidade de energia cinética não pode ser aproveitada pela turbina. 
ü Perdas mecânicas: são originadas por atrito nas partes móveis da turbina e 
calor perdido pelo aquecimento dos mancais. 
Tipicamente turbinas modernas têm uma eficiência entre 85% e 99%, que varia 
conforme a vazão de água e a potência gerada. 
O gráfico abaixo mostra a relação Potência X Altura de queda dos 3 tipos de 
turbina hidráulica: 
 
 
Fonte:http://meusite.mackenzie.com.br/mellojr/Turbinas%20Hidr%E1ulicas/CAP%CDTULO%203REV.htm 
 
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O próximo gráfico demonstra as diferenças de altura e vazão entre os três principais 
tipos de turbina (Francis, Kaplan e Pelton), seguido de uma tabela demonstrativa: 
 
Fonte: http://www.hidroenergia.com.br/img/adequacao/12010-03-09-15-46-14.png 
 
 
 
Fonte: http://meusite.mackenzie.com.br/mellojr/Turbinas%20Hidr%E1ulicas/CAP%CDTULO%203REV.htm 
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2. PARTES DE UMA TURBINA 
Uma turbina é constituída basicamente por cinco partes: caixa espiral, pré-
distribuidor, distribuidor, rotor e eixo, tubo de sucção. 
2.1.Caixa espiral 
É uma tubulação de forma toroidal que envolve a região do rotor. Esta parte fica 
integrada à estrutura civil da usina, não sendo possível ser removida ou modificada. O 
objetivo é distribuir a água igualmente na entrada da turbina. 
É fabricada com chapas de aço carbono soldadas em segmentos. A caixa espiral 
conecta-se ao conduto forçado na secção de entrada, e ao pré-distribuidor na secção de 
saída. 
 
2.2.Pré-distribuidor 
A finalidade do pré-distribuidor é direcionar a água para a entrada do distribuidor. 
É composta de dois anéis superiores, entre os quais são montados um conjunto de 18 a 
24 palhetas fixas, com perfil hidrodinâmico de baixo arrasto, para não gerar perda de 
carga e não provocar turbulência no escoamento. É uma parte sem movimento, soldada 
à caixa espiral e fabricada com chapas ou placas de aço carbono. 
 
2.3.Distribuidor 
O distribuidor é composto de uma série de 18 a 24 palhetas móveis, acionadas por 
um mecanismo hidráulico montado na tampa da turbina (sem contato com a água). 
Todas as palhetas tem o seu movimento conjugado, isto é, todas se movem ao mesmo 
tempo e de maneira igual. 
O acionamento é feito por um ou dois pistões hidráulicos que operam numa faixa 
de pressão de 20 bar nas mais antigas, até 140 bar nos modelos mais novos. 
O distribuidor controla a potência da turbina pois regula vazão da água. É um 
sistema que pode ser operado manualmente ou em modo automático, tornando o 
controle da turbina praticamente isento de interferência do operador. 
 
2.4.Rotor e eixo 
O rotor da turbina é onde ocorre a conversão de energia hídrica em potência de 
eixo. 
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2.5.Tubo de sucção 
Duto de saída da água, geralmente com diâmetro final maior que o inicial, 
desacelera o fluxo da água após esta ter passado pela turbina, devolvendo-a ao rio parte 
jusante da casa de força. 
	
Fonte: http://ga.water.usgs.gov/edu/graphics/hydroturbine.jpg 
3. CLASSIFICAÇÃO DE TURBINAS HIDRÁULICAS 
 
As turbinas hidráulicas são classificadas de acordo com o processo de conversão da 
energia hidráulica em energia mecânica como: 
ü Turbinas de Ação: Transformam energia cinética em energia mecânica à 
pressão constante, normalmente à pressão atmosférica. 
Exemplo: Turbinas Pelton.ü Turbinas de Reação: A água tem a pressão variando desde a entrada da 
turbina até a saída, havendo a seguinte conversão de energia: 𝐸𝑐𝑖𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑎 → 𝐸𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 → 𝐸𝑚𝑒𝑐â𝑛𝑖𝑐𝑎	
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Podem ser de dois tipos: Axial (fluxo da água é paralelo ao eixo do rotor) e 
Mista (fluxo na entrada do rotor é radial e após interagir com ele sofre um 
desvio e passa a ser axial na saída) 
Exemplo: Turbinas Francis, Turbinas Hélice, Bulbo e Kaplan. 
 
 
	 	
	
	
Turbina Pelton 
Fonte:http://www.cmchydro.es/images/turbina-pelton-1.jpg 
Turbina Francis 
Fonte: http://www.hidroenergia.com.br/img/francis/12010-03-09-15-39-27.png 
Turbina Kaplan 
Fonte: http://mw2.google.com/mw-panoramio/photos/medium/11793894.jpg 
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4. PROJETO DE TURBINA PARA USINAS HIDRELÉTRICAS 
O projeto de uma turbina hidráulica é específico para cada usina hidrelétrica. Isto se 
deve ao fato de que a seleção de uma turbina hidráulica é baseada na queda e vazão 
disponíveis no local onde a turbina será instalada, o que resultará em máquinas com 
rotações, diâmetros e potências diferentes, resultando em projetos quase que exclusivos 
para cada Usina. 
 
4.1.Barragens 
São construídas, principalmente, para represar a água para captação e desvios, elevar 
o nível da água para aproveitamento elétrico e navegação, e regularizar as vazões e 
amortecimento de ondas de enchentes. A solução técnica para a escolha do tipo de 
barragem depende do relevo, da geologia e do clima do local. 
 
Fonte: http://1.bp.blogspot.com/-VLsgQcpsS7s/TcH0XqsYiQI/AAAAAAAAADQ/5WoBa5RYVn4/s1600/usina-itaipu-binacional.jpg 
 
4.2.Comportas 
Permitem isolar a água do sistema final de produção da energia elétrica, tornando 
possíveis, por exemplo, trabalhos de manutenção. 
 
4.3.Vertedouro 
Em hidráulica, vertedouro é um canal artificial executado com a finalidade de 
conduzir seguramente a água através de uma barreira, que geralmente é uma barragem, 
ou ele é destinado a auxiliar na medição da vazão de um dado fluxo de água. 
O excesso de água acumulada em um reservatório de uma barragem, de uma usina 
hidrelétrica, água essa que não é aproveitada na geração de energia elétrica, deve ser 
drenada pelo vertedouro. 
 
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4.4.Casa de máquinas 
Prédio onde estão instados os geradores de energia elétrica e suas respectivas 
turbinas, bem como os seus auxiliares como bomba de óleo, compressor, e etc. 
 
 
Fonte: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8a/Walchenseewerk_Pelton_120.jpg 
 
	
	
	
	
	
	
	
	
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5. TURBINA FRANCIS 
5.1.História 
A turbina Francis foi idealizada em 1849, tendo o nome do seu inventor, sendo 
que a primeira turbina foi construída pela firma J. M. Voith em 1873, passando desde 
então por aperfeiçoamentos constantes, como a utilização das pás diretrizes, também 
chamadas de pás Fink (SARRETE, I. Lana, 1956). Tem sido aplicada largamente, pelo 
fato das suas características cobrirem um grande campo de rotação específica. 
Atualmente se constroem para grandes aproveitamentos, podendo ultrapassar a potência 
unitária de 750 MW. As turbinas construídas entre 1930 a 1950 não possuíam 
rendimentos superiores a 85%, hoje ultrapassam a 92% para grandes máquinas. 
 
Turbina Francis de 100HP (em azul) 
Fonte: http://www.alterima.com.br/index.asp?InCdSecao=35 
 
5.2.Características e Funcionamento 
Nas turbinas de impulso, a alta pressão do conduto forçado se transforma em 
quantidade de movimento ,de modo que não ocorre queda de pressão na turbina. Na 
turbina de reação, por outro lado, uma parte da queda de pressão ocorre no injetor e o 
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restante se dá na própria turbina. Consequentemente a água ocupa completamente a 
cavidade ocupada pelo rotor e, ao fluir por ela transfere tanto energia de pressão quanto 
energia cinética às pás do rotor. Como todas as pás da turbina são envolvidas nesse 
processo de transferência de energia o diâmetro de uma turbina de reação é menor do 
que de uma turbina de impulso de capacidade equivalente. 
A maior parte das turbinas de reação em uso corrente é do tipo de fluxo radial, 
conhecidas como turbinas Francis. Na mesma, a água sob pressão entra em um condutor 
em espiral - “Caracol” - que circunda as pás móveis e flui através das pás fixas na 
direção radial para o interior da turbina. A água então passa pelo rotor no sentido 
descendente, exercendo pressão sobre as pás móveis, desta forma acionando o rotor da 
turbina. O gerador é normalmente acionado pelo próprio eixo da turbina. Encontram-se 
turbinas de reação tanto de eixo horizontal quanto de eixo vertical, porém este é muito 
mais comum. O projeto de turbinas Francis é bastante versátil, sendo aplicável a 
instalações com altura de queda de menos de 10 m até cerca de 250 m. 
 
Arranjo típico de uma turbina Francis de eixo vertical 
Fonte: http://www.infoescola.com/fisica/como-funciona-uma-hidreletrica/ 
 
O controle para uma turbina de reação é exercido sob a forma de aletas-guia 
móveis, chamadas coletivamente de distribuidor, por onde a água flui antes de alcançar 
o rotor da turbina.A posição do rotor pode fazer com que a água tenha uma velocidade 
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tangencial, quando passa pelo rotor da turbina. Nesta posição, que corresponde 
normalmente a 80-90% da abertura total, o rotor opera em sua eficiência máxima. Em 
qualquer outra parte do distribuidor, uma parte da energia é perdida devido a uma 
angulação menos eficiente do fluxo de água. Por mais bem projetado que seja o 
distribuidor, não é incomum que ocorram vazamentos na posição completamente 
fechada, já que o mesmo está sujeito a uma pressão integral do conduto forçado. Por 
esta razão uma válvula de fechamento é frequentemente instalada a montante da turbina 
para permitir o desligamento total da unidade. 
O duto de sucção é uma parte integral e importante da turbina de reação e tem 
duas finalidades: permite que o rotor da turbina fique acima do nível de descarga e 
reduz a velocidade de descarga de modo a reduzir as perdas de energia cinética. Na 
figura anterior, o duto de sucção é o tubo encurvado a 90o abaixo do rotor da turbina. 
A importância do duto de sucção torna-se evidente quando se considera a 
energia da água que deixa o rotor. Em alguns projetos, esta energia pode ser cerca de 
50% da energia total disponível. Sem o duto de sucção, esta energia cinética seria 
perdida. Contudo, com o duto de sucção completamente vedado ao ar, forma-se um 
vácuo parcial devido à alta velocidade da água. Esta baixa pressão tende a aumentar a 
queda de pressão, nas pás do rotor aumentando assim a eficiência global da turbina. 
O controle de velocidade de uma turbina de reação é feito através da alteração da 
posição do distribuidor. As comportas do distribuidor são defletidas simultaneamente 
através da rotação de um ‘’anel de comando ‘’ na qual cada comporta está articulada. A 
força necessária para movimentar esse conjunto é considerável ,sendo usualmente 
necessário o uso de servo-motores para este fim. 
Um segundo dispositivo de controle usado em turbinas de reação é o regulador 
de pressão ou válvula de alívio, que é uma válvula acionada pelo anel de comando do 
distribuidor. Se há uma rejeição brusca de carga e o distribuidor é fechado muito 
rapidamente em resposta ao comando do regulador de velocidade, o regulador de 
pressão é aberto rapidamente.Isto evita a ocorrência do golpe de aríete (variações de 
pressão decorrente de variações da vazão) contra o distribuidor. O regulador de pressão 
em seguida fecha lentamente para levar a água ao repouso de forma gradual. 
 
 
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5.3.Constituição Mecânica da Turbina Francis 
Em essência e como em qualquer outra turbina,a turbina Francis também é 
constituída basicamente por duas peças principais: 
- O rotor: órgão giratório sobre o qual age a água a qual foi conduzida a ele 
pelo distribuidor. 
- O distribuidor: órgão fixo, constituído de pás ( móveis em torno de seu eixo) 
que formam canais, através dos quais se conduz a vazão turbinada para o rotor. 
Nas duas peças principais da turbina Francis, se soma ainda caixa espiral ou 
voluta (que circunda o distribuidor) à qual compete a tarefa de recolher a vazão e 
encaminhá-la ao distribuidor. 
 
 
 
Esquemático em corte da turbina Francis – eixo vertical 
Fonte: Apostila de Centrais Elétricas Puc Minas-2000 
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Turbina Francis,principais partes 
Fonte: Apostila de Centrais Elétricas Puc Minas-2000 
 
5.3.1. O Rotor: 
De acordo com a constituição física, encontraremos três tipos de rotores Francis: 
Lento (pás aproximadamente retas), Rápido (pás bem encurvadas) e Normal ( situação 
intermediária). 
 
Tipos de rotores: lento,normal e rápido 
Fonte: http://pt.scribd.com/doc/19707548/maquinas-hidraulicas 
	
Essa tendência de construir rotores mais velozes ( com velocidades específicas 
cada vez mais altas ) chegou ao ponto da construção de rotores do tipo Francis extra-
rápidos ( Ns = 450 rpm). 
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Tipos de rotores: lento,normal , rápido e ultra-rápido 
Fonte: Apostila de máquinas de fluxo Prof. Dr. Emílio Carlos Nelli Silva- Escola Politécnica da USP 
 
Mecanicamente e independente do seu tipo o rotor Francis é constituído por uma 
série de pás normalmente fundidas conjuntamente (rotores menores) ou separadamente 
e depois soldadas (rotores maiores) ao cubo do rotor, formando um todo,por onde a 
água penetra radialmente incidindo sobre suas pás e saindo na direção 
preponderantemente axial. 
Quanto ao material comumente utilizado na fabricação dos rotores Francis, é 
comum o emprego de: aço inoxidável ou aço doce, aço fundido ou bronze. O aço tem a 
vantagem de ter seus defeitos de fundição ou desgaste corrigidos por soldas elétricas. 
Quando as condições justificam o custo, emprega-se o rotor fundido em aço 
inoxidável, com porcentagem de 12-14% de cromo. Esta liga apresenta grande 
resistência à corrosão cavital e à erosão comum. 
 
5.3.2. O Distribuidor: 
Para as turbinas Francis,assim como para qualquer outra turbina de reação,o 
distribuidor empregado é o tipo Fink. 
 
	
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5.4.Usina Itaipu 
 
Fonte: http://blogdaelianegomes.blogspot.com.br/2009/11/usina-hidreletrica-de-itaipu.html 
 
A Usina Hidrelétrica de Itaipu (Guarani: Itaipu, Espanhol: Itaipú), é uma usina 
hidrelétrica binacional localizada sobre o Rio Paraná, na fronteira entre Brasil e Paraguai. 
Construída por ambos os países no período de 1975 a 1982, Itaipu é hoje a maior usina geradora 
de energia do mundo. Seu nome, que na língua guarani significa "a pedra que canta", fazia 
referência à uma pequena ilha que havia perto da construção. 
Com seu lago perfazendo uma área de 1350 km², indo de Foz do Iguaçu, no Brasil, e 
Ciudad del Este, no Paraguai, até Guaíra e Salto del Guairá, 150 km ao norte, além de suas 20 
unidades geradoras de 700 MW cada, Itaipu tem uma potência de geração de 14.000 MW. No 
ano de 2008, a usina atingiu seu recorde de produção, com 94,68 bilhões de quilowatts-hora 
(kWh), fornecendo 90% da energia consumida pelo Paraguai e 19% da energia consumida pelo 
Brasil. 
Cálculos para perguntas: 
Ø O fator de produtibilidade de Itaipu é igual a 1,0647 MW/m3/s; 
Ø O rendimento do conjunto turbina gerador é de 92%; 
Ø A potência nominal de cada turbina é de 700 MW, 
 
Vazão nominal de cada turbina: 
	
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Portanto, a vazão nominal por turbina será de aproximadamente: 
 
 
Por sua vez, a queda nominal será dada por: 
 
 
Cálculo da velocidade específica: 
“Define-se como rotação específica, ou ainda velocidade específica, o número de 
rotações por minuto de uma turbina unidade, tomada como padrão da turbina dada, e que 
representa todas as que lhe forem geometricamente semelhantes, desenvolvendo a potência de 
P = 1 HP, sob uma queda Hu = 1 m.”. 
Em função da vazão: n! = n. 𝑄!/!𝐻!!/! n! = 90,9. (657,5)!/!(118)!/! n! = 65,1 
• Queda hidráulica: 
Queda Bruta Normal: 118 m. 
• Vazão: 
Vazão Nominal Unitária: 657 m³/s 
A vazão máxima do vertedouro de Itaipu (62,2 mil metros cúbicos por segundo). 
• Número de Turbinas: 
Existem 20 unidades geradoras, sendo dez na frequência da rede elétrica paraguaia 
(50 Hz) e dez na frequência da rede elétrica brasileira (60 Hz). 
• Rotação: 
90,9/92,3 RPM. 
Máquinas Hidráulicas	
Turbinas Hidráulicas	
	
22	
	
• Potência de instalação: 
As unidades de 50 Hz têm potência nominal de 823,6 MVA, fator de potência de 
0,85 e peso de 3.343 toneladas. 
As unidades de 60 Hz têm potência nominal de 737,0 MVA, fator de potência de 
0,95 e peso de 3.242 toneladas. 
• Velocidade Específica: 230 m/s 
• Localização: 
Localizada no Rio Paraná, na fronteira entre o Brasil e o Paraguai. 
 
5.5.Usina Hidrelétrica de Foz do Areia 
 
Fonte: http://m.albernaz.sites.uol.com.br/principaisusinas.htm 
 
A Usina Hidrelétrica de Foz do Areia é uma usina brasileira do estado do Paraná. 
O projeto hidrelétrico Foz do Areia foi implantado com dois objetivos de igual 
importância. O primeiro corresponde à criação de um grande reservatório regulador de vazões a 
montante dos demais projetos executados no rio Iguaçu. E o segundo, ao de geração de energia 
elétrica com potência instalada de 2.500 MW. No local do projeto a bacia drenada é de 29.800 
km² e a vazão média natural e de 544 m³/s. 
O projeto inclui uma barragem de enroscamento compactado, impermeabilizada por 
face de concreto. Esta solução foi imposta pela falta no local de argila que pudesse ser usada 
como núcleo, e também porque o regime pluvial não permitia um cronograma de construção 
flexível se fosse adotado o uso de argila, uma vez que o avanço das escavações e a construção 
da parte de enroscamento ficariam dependentes do avanço do núcleo de argila. 
Máquinas Hidráulicas	
Turbinas Hidráulicas	
	
23	
	
O vertedouro está localizado na margem esquerda e a Casa de Força e suas obras de 
adução e saída estão localizadas na margem direita. Para construir a barragem, o rio foi 
desviado por meio de túneis de desvio e enredadeiras. 
O vertedouro é do tipo de superfície, controlado por quatro comportas. 
A subestação e do tipo abrigada, compacta, isolamento SF 6, próxima da Casa de Força. 
Além dessas obras foram construídos acampamentos, pontes, aeroporto e estradas de acesso. 
 
• Reservatório: 
Nível máximo operacional 774,0 m; 
Nível máximo excepcional 745,5 m; 
Nível mínimo operacional 698,0 m; 
Volume total 8.300.000.000 m³ 
Volume útil 5.600.000.000 m³ 
Comprimento aproximado 100 km 
Área inundada 167 km² 
• Canal de Fuga 
Nível máximo normal 607,0 m 
Nível máximo excepcional 617,5 m 
Nível médio normal 605,0 m 
Nível mínimo normal 602,0 m 
• Barragem principal 
Enrolamento compactado com face de concreto 
Altura máxima 160m 
Comprimento da crista 828 m 
Largura da crista 12 m 
Largura máxima na fundação 400 m 
Volume total do enrolamento 13.340.000 m³ 
Volume total de concreto 81.150 m³ 
• Vertedouro 
Tipo de superfície controlado por comportas; estrutura de concreto armado com 
crista, pilares, ponte, canal e defletor. 
Comprimento total 400 m 
Altura máxima acima da fundação 30 m 
Máquinas Hidráulicas	
Turbinas Hidráulicas	
	
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Largura de cada comporta 14,5 m 
Quantidade de comportas 4 
Altura de cada comporta 18.5 m 
Capacidade máxima de descarga 11.000 m³/s 
• Canal de adução 
Comprimento 400 m 
Largura do fundo 90 m 
Tomada de água 
Estrutura de concreto armado apoiada em rocha 
Comprimento 108 m 
Altura máxima 70 m 
• Comportas: 
- tipo plana 
- quantidade 4 
- dimensões 7,4 x 7,4 m 
• Casa de força: 
Tipo semi-abrigada 
Potencia máxima: 
- instalação inicial: 
4 unidades de 418,5 MW 1.674,0 MW 
- instalação final: 
6 unidades de 418,5 MW. 2.511,0 MW 
Capacidade máxima da ponte rolante 800 ton. 
Capacidade da ponte auxiliar 50 ton. 
• Subestação 
Tipo externa, blindada, isolamento SF 6 
Tensão máxima de operação 550 kV 
Nível básico de isolamento 1.550 kV 
Corrente nominal 3.000 A 
Quantidade de disjuntores 10 
Capacidade de interrupção 50 k 
A Quantidade de transformadores monofásicos 19 
Máquinas Hidráulicas	
Turbinas Hidráulicas	
	
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Potência de cada transformador 155 kVA 
Tensão 16,5 - 552/ V3 kV 
• Turbinas: 
Tipo Francis, eixo vertical 
Potência máxima 585.000 CV 
Queda nominal 120 m 
Queda máxima 135 m 
Vazão nominal 304 m³/s 
Vazão máxima 349 m³/s 
Velocidade sincrona 126 rpm 
• Rotor: 
- Diâmetro máximo 6.024 mm 
- Altura 2.615 mm 
- Peso 120 ton 
- Velocidade específica: 3071 
• Geradores 
Tipo Umbrella, trifásico 
Potência nominal 415.000 kVA 
Elevação de temperatura acima de 40 °C ambiente 80 °C 
Fator de potência 0,9 
Tensão nominal 16,5 kV 
Freqüência 60 Hz 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Máquinas Hidráulicas	
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5.6.Usina Hidrelétrica Tucuruí 
 
Fonte: http://ucel.eln.gov.br/portal/reg_tucurui_hidre.php 
 
• Localização 
Rio Tocantins, Estado do Pará, à 300 km em linha reta de Belém. 
• Capacidade instalada 
1ª ETAPA 12 UNIDADES 350 MW MAIS 2 UNIDADES AUXILIARES DE 20 
MW= 4275MW, 2a ETAPA 11 UNIDADES DE 375 MW= 4125MW. 
• Dados hidrológicos 
Área de drenagem do rio Tocantins 758 000 Km² 
Vazão máxima registrada 68 400 m³/s 
Descarga de projeto para desvio 56 000 m³/s 
Descarga de projeto do vertedouro 100 000 m³/s 
Descarga limite 110 000 m³/s 
• Reservatório 
NA máximo normal 74m 
NA máximo maximorum 75,3m 
NA mínimo operacional 51,6m 
Cota da crista 78m 
Área inundada no NA máximo normal 3007km2 
Volume total acumulado (cota 72m) 45.500hm3 
Volume total acumulado (cota 74m) 50.275hm3 
Volume útil 35.320hm3 
Máquinas Hidráulicas	
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Cota de coroamento das estruturas 77,578,0m 
Queda líquida nominal 60,8m. 
• Tomada d'água e Casa de Força Primeira etapa 
 Tipo de tomada d'água Incorporada à barragem 
Tipos de casas de força Abrigada 
Comprimento da tomada d'água 366m 
Comprimento da casa de força 375m 
Comprimento da casa de força incluído área de montagem 530m 
Número de comportas planas 12 
Diâmetro do conduto 10,40m 
• Tomada d'água e Casa de Força Segunda etapa 
 Tipo de tomada d'água Incorporada à barragem 
Tipos de casas de força Abrigada 
Comprimento da tomada d'água 353m 
Comprimento da casa de força 353m 
Número de comportas planas 12 
Diâmetro do conduto 11,40m 
• Turbinas dos Grupos Principais 
Tipo Francis 
• Quantidade na 1ª etapa 12 
Potência máxima exigida 350MW 
Capacidade para queda nominal 316MW 
Capacidade para queda mínima 250MW 
Rotação nominal 81,8rpm 
Descarga turbina para queda nominal 576m³/s 
Queda normal 60,80m 
Diâmetro rotor 8,10m 
Engolimento nominal 575m³/s 
• Quantidade na 2ª etapa 11 
Potência máxima exigida 375MW 
Rotação nominal 81,8rpm 
Queda nominal 61,7m 
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Diâmetro do rotor 8,46m 
Engolimento nominal 679m³/s 
• Turbinas dos Grupos Auxiliares 
 Número 2 
Tipo Francis 
Capacidade Nominal 20 mw 
Queda nominal 60,80m 
Rotação 327,27 rpm 
Engulimento nominal 39,50 m³/s 
Velocidade específica: 4881 
• Níveis d'água de Jusante 
 NA máximo excepcional 24,5m 
NA máximo normal (12 turbins operando) 6,8m 
NA mínimo normal (3 turbinasoperando) 3,96m 
• Barramento (1ª Etapa) 
 Altura máxima 95m 
Cota crista 78m 
• Comprimentos 
Barramento final no eixo 8 005m 
Estruturas de concreto 1 190m 
Eclusa (cabeça de montante emconcreto) 244m 
Barragens de terra/enrocamento e diques 6 571m 
• Volumes 
Estruturas de concreto 6.247.237m3 
Eclusa (cabeça de montante em concreto) 0,4x106m3 
Barragens de terra/enrocamento e diques 80.864.890m3 
Escavações 50.223.118m3 
• Vertedouro 
Tipo salto de esqui,comportas de segmento 
Comprimento 580m 
Altura máxima 86,5m 
Número de comportas de 20 x 21m 23 
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Número de adufas de desvio de 6,5 x 13m 40 
Capacidade de descarga 110.000m3/s 
• Barragens de Terra e de Enrocamento e Diques 
Barragens da margem esquerda 18,8x106m3 
Barragens do canal do rio e da margem direita 33,2x106m3 
Diques 2,4 x106m3 
• Barragem de Gravidade primeira etapa e Área de Montagem 
Comprimento dos blocos de gravidade 120m 
Comprimento da área de montagem 120m 
• Principais volumes de obra da Segunda etapa 
 Escavações comuns 4.209440m3 
Escavações em rocha 2.233.100m3 
Concreto CCV 1.359.483m3 
Concreto CCR 199.317m3 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
	
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6. TURBINA KAPLAN 
As turbinas Kaplan são um tipo de turbinas 
desenvolvidas em torno de 1915 pelo engenheiro 
austríaco Viktor Kaplan (1.876-1.934), que têm 
dois ou mais lâminas cuja inclinação é ajustável, 
parece uma hélice marinha. Este tipo de turbina 
podem ter portões para controlar o fluxo para as 
lâminas. 
As Turbinas Kaplan são adequadas em situações onde há uma grande quantidade de 
descarga. Lâminas ajustáveis permitem alta eficiência, mesmo em uma queda parcial de 
carga. Em compensação, a eficiência diminui devido à variação de cargas. 
Como resultado dos desenvolvimentos recentes, a gama de aplicações de turbinas 
Kaplan tem aumentado consideravelmente. Tendo sido aplicadas, por exemplo, para 
explorar muitas fontes de energia hidráulica anteriormente restritas por razões 
econômicas e ambientais. As lâminas ajustáveis adicionaram complexidade na 
construção de uma turbina Kaplan. O mecanismo de lâminas consiste de uma cabeça de 
óleo de comprimido, uma válvula de borboleta, e um eixo de operar as lâminas. 
 
Fonte:http://2.bp.blogspot.com/_ir9_2W_lPqs/TCe6HRGzSlI/AAAAAAAAADg/CjLWMnt0ffA/s1600/Turbina+Kaplan.jpg 
Máquinas Hidráulicas	
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6.1.História 
O engenheiro austríaco Victor Kaplan (1876-1934) professor 
da Universidade Técnica de Brno, após estudos teóricos e 
experimentos, desenvolve em 1912 um tipo novo de turbina axial 
com rotor em forma de hélice. Este rotor possuía um sistema de 
orientação em suas pás, possibilitando sua regulagem 
independente. Atualmente este rotor é aplicado principalmente 
nas turbinas Tubulares "S". 
O mecanismo que permite variar o ângulo de inclinação das pás conforme adescarga, sem variação notável do rendimento, fica alojado no próprio corpo do rotor 
com o formato de uma ogiva, e controlado pelo regulador de velocidade. Este atributo 
permite que possa se manter constante o rendimento da turbina, mesmo com a variação 
do volume da água. 
O sistema apresentado por Victor Kaplan causou sensação em 1912, mesmo que 
inicialmente estivesse coberto de desconfiança pelos fabricantes, que a julgavam 
impossível de ser feita. Entretanto as vantagens do alto rendimento em quedas médias e 
baixas com alto volume de água, e o crescente numero de unidades instaladas com 
sucesso, fizeram com que as turbinas Kaplan se tornassem uma ótima opção para as 
Pequenas Centrais Hidrelétricas, e fundamentais para o desenvolvimento do mercado 
energético mundial. 
 
6.2.Características e Funcionamento 
A única diferença entre as turbinas Kaplan e a Francis é o 
rotor. Este assemelha-se a um propulsor de navio (similar a 
uma hélice) com duas a seis pás móveis. Um sistema de 
êmbolo e manivelas montado dentro do cubo do rotor é 
responsável pela variação do ângulo de inclinação das pás. O 
óleo é injetado por um sistema de bombeamento localizado 
fora da turbina, e conduzido até o rotor por um conjunto de 
tubulações rotativas que passam por dentro do eixo. 
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O acionamento das pás é acoplado ao das palhetas do distribuidor, de modo que 
para uma determinada abertura do distribuidor, corresponde um determinado valor de 
inclinação das pás do rotor. 
As Turbinas Kaplan também apresentam uma curva de rendimento "plana" 
garantindo bom rendimento em uma ampla faixa de operação. Elas são as mais 
indicadas para baixas quedas (3 a 35 metros) e grandes vazões. Podem ser do tipo: 
ü Turbina Kaplan "Vertical", com caixa espiral em aço ou semi-espiral em 
concreto; 
ü Turbina Kaplan tubular "S" de montante, de jusante ou ainda inclinadas; 
ü Turbina Kaplan em configuração "Bulbo Tubular". 
Podem ser produzidas com potências individuais até 15 MW com simples 
regulação (pás do rotor fixa, em "hélice"), ou de dupla regulação (pás do distribuidor e 
do rotor reguláveis), o que lhes garante uma excelente curva de rendimento. 
 
Fonte: http:/pessoal.utfpr.edu.br/honorato/.../IntroducaoMaquinasHidraulicas.pdf 
	
6.3.Usinas Hidrelétricas 
Em instalações de baixa queda, a casa de força é integrada às obras de tomada 
d'água ou localizada a uma pequena distância. As turbinas são do tipo Kaplan ou Hélice, 
com baixa velocidade (entre 70 e 350 rpm). As obras civis podem ser reduzidas pelo 
uso de grupos axiais do tipo bulbo e o custo dos geradores também pode ser reduzido, 
com o uso de multiplicadores de velocidade. 
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Fonte: http://www.hacker.ind.br/produtos_turbinas_kaplan_turbinas.php 
 
 
 
Fonte: www.kaplan.com/.../kaplan_FactSheet.pdf 
 
 
 
 
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6.3.1. Usina Hidrelétrica de Jupiá 
 
Fonte:http://1.bp.blogspot.com/_UB8YieMGDg/S_3cjVdreI/AAAAAAAAAWE/u3aJA5QvWCo/s1600/IMG_3220.jpg 
No Brasil, um exemplo típico de aproveitamento hidrelétrico de baixa queda é o da 
Usina Hidrelétrica de Jupiá. 
Situada sobre o Rio Paraná, na intersecção com o Rio Sucuriú, no ponto chamado 
Jupiá, entre as cidades de Três Lagoas (Mato Grosso do Sul) e Castilho (São Paulo), a 
Usina Hidrelétrica Engenheiro Sousa Dias é a terceira maior usina hidrelétrica do 
Brasil. 
A construção da Usina do Jupiá, como também é chamada, foi iniciada na primeira 
metade da década de 1960 pelo governador Adhemar Pereira de Barros, e finalizada no 
ano de 1974, utilizando tecnologia inteiramente brasileira. Apesar de ter sido um projeto 
desenvolvido durante a ditadura militar, período marcado por obras faraônicas, a Usina 
Hidrelétrica Engenheiro Sousa Dias é relativamente eficaz em termos da área alagada e 
da destruição ambiental causada e da eletricidade ali produzida. Entre as três maiores 
usinas hidrelétricas do Brasil, em termos de eficiência perde somente para a maior, a 
Usina hidrelétrica de Itaipu, e ultrapassa a Usina hidrelétrica de Ilha Solteira. 
A usina possui 14 unidades geradoras (turbinas Kaplan), com potência instalada 
total de 1.551,2 MW. Tem, também, dois grupos turbina-gerador para serviço auxiliar, 
com potência instalada de 4.750 kW em cada grupo. Sua barragem tem 5.495 m de 
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comprimento e seu reservatório tem 330 km². Além disso, a Usina hidrelétrica 
Engenheiro Sousa Dias tem a seu dispôr uma eclusa que permite a navegação do Rio 
Paraná, além da integração hidroviária com o Rio Tietê. 
Em fevereiro de 2010 o Sistema de Gerenciamento da Organização foi avaliado 
pelo Bureau Veritas Certification e encontrado em conformidade com os requisitos da 
Norma ISO 9001:2008 no seguinte escopo de fornecimento: Geração de Energia 
Elétrica em 138 e 440 kV na Usina Hidrelétrica Eng. Souza Dias (Jupiá). 
	
Fonte: http://www.cesp.com.br/portalCesp/portal.nsf/V03.02/Empresa_UsinaJupia_Dados?OpenDocument 
 
	
Fonte: http://www.3lagoas.com.br/turismo/fotos/usina-hidreletrica-de-jupia-tres-lagoas-ms-a8082.jpg 
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6.3.2. Barragem de Carrapatelo 
 
 
Fonte: http://www.baixotamega.pt/PageGen.aspx?WMCM_PaginaId=27524&catId=28291&pId=30309 
 
A Barragem de Carrapatelo está localizada no Rio Douro, na fronteira dos 
distritos do Porto, e Viseu, respectivamente nos municípios de Marco de 
Canaveses e Cinfães, em Portugal. 
A construção da Barragem do Carrapatelo foi iniciada em 1965 e terminada 
em 1972. Foi o primeiro empreendimento hidroelétrico a ser construído no troço 
nacional do Rio Douro e, dos cinco aproveitamentos do Douro Nacional, é o que dispõe 
de maior queda, 36 m. 
É uma barragem do tipo Gravidade, aligeirada por meio de uma grande galeria 
circular junto à fundação. Sobre a zona de Betão situa-se o descarregador principal, 
controlado por 6 grandes comportas segmento, com um vão de 26m e uma altura de 
15.4 m, ancoradas por potentes cabos pré-esforçados aos betões dos pilares e está 
dimensionado para um caudal máximo de 22000 m³. Duas destas comportas têm 
instalados Volets que servem de descarga auxiliar para o descarregamento de pequenos 
caudais de cheia, até um máximo de 250 m³/s. Em correspondência com dois blocos 
com pilar, na metade esquerda da barragem, existem duas descargas de fundo, 
blindadas, de secção quadrada, que podem ser utilizadas num eventual esvaziamento 
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Turbinas Hidráulicas	
	
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da albufeira. A barragem tem uma altura de 57m e um comprimento de coroamento de 
400 m. 
A Altura da Queda Útil Nominal é de 31m. A superfície inundada da albufeira é 
952 ha. A central, com uma nave principal de dimensões 95x24x26,5m, dispõe de 3 
grupos Geradores, alimentados por circuitos hidráulicos independentes, equipados cada 
um com turbina do tipo Kaplan, de eixo vertical de 62.518 kW, acoplada 
a alternador trifásico de 67 MVA. Os transformadoresprincipais encontram-se no 
edifício da central. O aproveitamento tem uma produção média de 870,6 GWh por ano. 
Tem ainda uma eclusa de navegação, que foi a primeira a ser construída em 
Portugal para navegação interior. Conjuntamente com as eclusas dos aproveitamentos 
hidroelétricos do Pocinho, Valeira, Régua e Crestuma-Lever, permite transformar o Rio 
Douro numa via navegável de características internacionais. As suas dimensões, 12,1 m 
de largura e 85 m de comprimento útil garantem a passagem de barcos até à capacidade 
máxima de cerca de 1 500 toneladas.LOCALIZAÇÃO DADOS GERAIS 
Distrito - Porto 
Concelho - Marco de Canavezes 
Local - Mourilho 
Bacia Hidrográfica - Douro 
Linha de Água - Rio Douro 
Promotor - CPPE, Cª. Portuguesa de Produção 
de Electricidade, SA 
Dono de Obra (RSB) - CPPE 
Projectista - Hidro Eléctrica do Douro 
Construtor - ETABRIPOL 
Ano de Projecto - 1964 
Ano de Conclusão - 1972 
CARACTERÍSTICAS HIDROLÓGICAS CARACTERÍSTICAS DA ALBUFEIRA 
Área da Bacia Hidrográfica - 92050 km2 
Precipitação média anual - 582 mm 
Caudal integral médio anual - 5610300 x 1000 m3 
Caudal de cheia - 22000 m3/s 
Período de retorno - 1000 anos 
Área inundada ao NPA - 9520 x 1000m2 
Capacidade total - 148400 x 1000m3 
Capacidade útil - 9000 x 1000m3 
Nível de pleno armazenamento (NPA) - 46,5 m 
CARACTERÍSTICAS DA BARRAGEM DESCARREGADOR DE CHEIAS 
Betão - Gravidade 
Altura acima da fundação - 57 m 
Cota do coroamento - 55 m 
Comprimento do coroamento - 400 m 
Fundação - Granito 
Volume de betão - 190 x 1000 m3 
Localização - No corpo da barragem 
Tipo de controlo - Controlado 
Tipo de descarregador - Sobre a barragem 
Cota da crista da soleira - 31,8 m 
Desenvolvimento da soleira - 156 m 
Comportas - 6 
Dissipação de energia - Bacia de dissipação 
DESCARGA DE FUNDO CENTRAL HIDROELÉCTRICA 
Localização - Talvegue 
Tipo - Através da barragem 
Secção da conduta - 2x7,4=4,8 m² 
Controlo a montante - Não 
Controlo a jusante - Sim 
Dissipação de energia - Bacia de dissipação 
Tipo de central - Contígua à barragem 
Nº de grupos instalados - 3 
Tipo de grupos - Kaplan 
Potência total Instalada - 201 MW 
Energia produzida em ano médio - 870,6 GWh 
Fonte: http://cnpgb.inag.pt/gr_barragens/gbportugal/FICHAS/Carrapateloficha.htm 
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Turbinas Hidráulicas	
	
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6.3.3 Usina Hidrelétrica de Três Marias 
 
Fonte: http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/consulta_publica/documentos/NT_ONS-051_Revis%C3%A3o%201.pdf 
 
A Usina Hidrelétrica de Três Marias, inaugurada em 1962. A barragem, que tem 
2.700 metros de comprimento e forma um reservatório de 21 bilhões de metros cúbicos 
de água, a 2.221 km acima da foz do rio, foi construída com recursos da Comissão do 
Vale do São Francisco - CVSF, é administrada pela Cemig, é considerada de grande 
importância para o Brasil. A energia gerada pela usina é entregue ao Sistema Interligado 
Nacional - SIN, sendo que a sua operação é coordenada pelo Operador Nacional do 
Sistema. 
Localizada na parte central de Minas Gerais, compreende os municípios de São 
Gonçalo do Abaeté, Felixlândia, Morada Nova de Minas, Paineiras, Pompéu, Martinho 
Campos e Abaeté além de Três Marias tendo partes de seus municípios alagados e 
formando o Circuito Turístico do Lago de Três Marias. Fornece 80% da energia 
consumida na região norte de Minas Gerais. A Origem do nome A origem do nome 
Três Marias gera dúvidas até hoje. 
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Fonte: http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/consulta_publica/documentos/NT_ONS-051_Revis%C3%A3o%201.pdf 
 
 
Localização: Três Marias – MG 
Rio: São Francisco 
Início de operação: 1962 
Potência instalada (MW): 396,00 
Nº de unidades geradoras: 6 
Comprimento total da barragem (m): 3.250,00 
Altura máxima da barragem (m): 56,90 
Volume útil do reservatório (m): 15,278 bilhões 
Nível de água mínimo/máximo operativo (m): 549.2 a 572.5 m 
 Fonte: http://www.cemig.com.br/_layouts/usinas/wp_usinas_interna.asp?codigo=42 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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7. TURBINA PELTON 
A turbina Pelton é uma turbina hidráulica de ação, isto é, funciona à pressão 
atmosférica. É constituída por uma roda e um ou mais injetores, cuja função é 
transformar a energia de pressão do escoamento em energia cinética, orientando esse 
mesmo escoamento para a roda. É mais adequada para grandes quedas úteis (entre os 
350 m até 1100 m). Este modelo de turbina opera com velocidades de rotação maiores 
que as outras, e apresenta o rotor com características bastante distintas. Os jatos de água 
provenientes dos injetores ao colidirem com as pás do rotor (em forma de dupla colher) 
geram o impulso que faz com que a roda se mova. 
 
7.1.História 
Allan Lester Pelton nasceu em 5 de Setembro de 1829 em Vermilion, Ohio. Com 
idade de 20 anos, em 1850, foi para a Califórnia, EUA, como resultado da corrida do 
ouro em expansão. 
Em 1864 tornou-se dono de um moinho em Camptonville, Yuba County, CA, 
EUA. O primeiro rotor que Pelton colocou em funcionamento foi usado para fazer 
funcionar a máquina de costura de sua esposa, Sra. W.G. Grooves em Camptonville. 
Este rotor protótipo ainda pode ser visto em uma espécie de museu em Camptonville, 
Califórnia, EUA. 
Ele fundou então a Allan Machine Shop and Foundry em Nevada City. Rotores 
de vários tipos e tamanhos foram feitos e testados. Pelton recebeu a primeira patente em 
1880, e dentro de 15 anos, seus rotores foram usados em usinas ao redor do mundo 
todo. 
O sucesso foi tanto que a empresa mudou no ano de 1898 suas instalações para 
San Francisco sob o nome de Pelton Water Wheel Company. Mais tarde Pelton vendeu 
seus direitos para outras empresas, onde ainda permanecia como engenheiro consultor. 
Mais tarde se aposentou em Oakland. 
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Figura da patente original Pelton (Outubro de 1880) 
Fonte: http://www.cerpch.unifei.edu.br/sp/pelton.php 
 
7.2.Princípios da turbina 
A turbina Pelton apresenta um modo de operação simples: um rotor em forma de 
anel é dotado de conchas, que são arrastadas sob a ação de um fluxo tangencial de água, 
proporcionado por um bocal injetor. O injetor é normalmente dotado de uma agulha 
para regulagem. Turbinas práticas podem ter mais de um injetor. 
O formato das conchas desvia o fluxo para uma direção quase oposta à direção 
original, resultando em uma variação de momento linear e, por consequência, em uma 
força tangencial que aciona o rotor. 
As conchas têm cavidades duplas para distribuir igualmente o fluxo para cada 
lado, de modo que os esforços axiais se anulam. 
A própria forma construtiva permite deduzir que é uma turbina adequada para 
altas pressões de água e vazões relativamente baixas. É considerada uma das mais 
eficientes. 
A Figura a seguir dá o esquema básico de operação da turbina Pelton: água sai 
de um bocal injetor com velocidade c1 e atinge uma concha, que, por sua vez, tem uma 
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42	
	
(1) 
(2) 
(3) 
velocidade cc. Desde que a concha tenha dimensões pequenas em relação ao rotor, essa 
velocidade pode ser considerada constante em toda a concha. Usando a relação básica 
do movimento circular uniforme, c! = ω R 
Onde ω é a velocidade angular do rotor. 
 
 
Fonte : http://www.mspc.eng.br/fldetc/fld_turb_10.shtml 
 
Observar que, teoricamente, toda a queda de pressão ocorre no injetor e a 
operação ocorre apenas pelo desvio da direção do fluxo, o que caracteriza um tipo de 
puro impulso. 
Usando a equação de Bernoulli e um coeficiente de perda: c! = K! 2 P / ρ 
Onde, 
c1: velocidade da água na saída do injetor. 
Kf: coeficiente para perda por atrito no injetor. 
p: pressão da água na entrada do injetor. 
ρ: massa específica da água. 
 
Com a equação da continuidade dos fluidos, a vazão de massa é: 𝑚 = K! ρ S c! 
Onde, 
 
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(4) 
(5) 
(6) 
Kc: coeficiente de contração do jato na saída do injetor. 
S: área da seção transversal na saída do injetor. 
 
Substituindo o valor da velocidade dado em (2), a vazão de massaé: 𝑚 = Kd S 2 p ρ 
 
Onde, 
Kd = Kf Kc = coeficiente de descarga. 
 
Em cálculos com água, é comum a referência da pressão em termos de altura H. 
Assim, das equações anteriores, a pressão pode ser calculada por: 
p = ρ g H 
 
Onde g é aceleração da gravidade. 
Conforme já dito, as conchas têm cavidade dupla para anular os esforços axiais. 
Portanto, a análise de velocidades pode ser feita para apenas um lado da concha porque 
o outro é simétrico. Se o jato com velocidade c1 alcança a concha cuja velocidade é 
cc conforme (a) da figura a seguir, tem-se a velocidade c1c do jato em relação à concha 
indicada vetorialmente em (b) da figura. 
Para o resultado final, precisa-se apenas dos componentes x (c1x no caso de c1) 
das velocidades porque no sentido y (axial neste caso) os momentos se anulam. 
 
Fonte : http://www.mspc.eng.br/fldetc/fld_turb_10.shtml 
 
Em termos vetoriais, ocorre no ponto 1: 
c1 = cc + c1c 
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44	
	
(7) 
(8) 
(9) 
(10) 
No ponto 2, a água sai da concha com uma velocidade c2c relativa à mesma. Essa 
velocidade faz um ângulo φ com a horizontal e, se desconsiderado o atrito, deve ter 
módulo igual à velocidade relativa de entrada c1c. Na prática deve existir um 
coeficiente de perda por atrito na concha Kfc. Assim, 
c2c = Kfc c1c 
 
A relação vetorial das velocidades em 2 é similar à do ponto 1: 
c2 = cc + c2c 
 
Onde c2 é a velocidade absoluta de saída do jato. Nesse ponto os vetores não 
estão alinhados e o resultado gráfico pode ser visto em (c) da Figura. Também em (c) da 
figura, nota-se que a diferença final de velocidades ao longo de x é: 
Δcx = c1x − c2x = c1c − c2c cos φ 
 
Substituindo c2c pelo valor em (7) e c1c pelo valor retirado de (6), chega-se ao 
resultado: 
Δcx = (c1 − cc) (1 − Kfc cos φ) 
 
Então, o produto dessa variação de velocidade pela vazão de massa dá a força 
atuante na concha. E o produto dessa força pela velocidade tangencial da concha cc dá a 
potência líquida da máquina: 
PL = 𝑚cc (c1 − cc) (1 − Kfc cos φ) 
Repetem-se a seguir as descrições dos parâmetros. 
PL potência líquida. 
 vazão de massa da água. 
cc velocidade tangencial da concha. 
c1 velocidade do jato na saída do injetor. 
Kfc coeficiente de perda por atrito na concha. 
φ ângulo de saída do jato da concha. 
 
Mantidos os demais parâmetros constantes, analisa-se a variação da potência 
PL com a velocidade tangencial da concha cc. Conforme igualdade anterior (10) é 
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45	
	
(11) 
claramente uma função do segundo grau e a curva tem forma de parábola como pode ser 
vista no gráfico. 
 
Fonte : http://www.mspc.eng.br/fldetc/fld_turb_10.shtml 
 
Notar a coerência com a prática: se o rotor não gira (cc = 0), a potência é nula. Se 
a velocidade da concha é maior ou igual à velocidade do jato (c1), não há impacto e a 
potência é também nula. A simetria permite deduzir que a potência máxima ocorre com: 
cc = c1 / 2 
 
Outra confirmação prática é dada pelo termo (1 − Kfc cos φ) da mesma igualdade 
(#F.1#): supondo por simplicidade Kfc = 1, ele tem seu valor máximo (= 2) se φ = 180º, 
ou seja, a potência é máxima se o jato é desviado na direção oposta (inviável na prática). 
Se φ = 0º (significando uma concha plana, paralela ao fluxo), não há desvio e a potência 
é nula. 
 
7.3.Componentes 
Segundo a norma NBR 6445, a turbina Pelton pode ser divida nas seguintes 
partes: 
Ø Componentes principais: 
1 – Rotor 
2 – Distribuidor 
3 – Defletor 
Ø Demais componentes: 
4 – mancais de escora 
5 – condutos de distribuição 
6 – agulha 
7 – acionamentos do defletor 
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8 – anéis de regulação 
9 – anteparos para jato 
 
 
Fonte: http://en.wikipedia.org/Pelton_wheel 
 
 
Fonte: HIDALGO, Erick. Modelo para diagnose de falhas em regulador de velocidade de turbinas hidráulicas. 
Dissertação (mestrado em Engenharia). 
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47	
	
 
Fonte: http://www.pxlseals.com/site_br/index.php/turbine-pelton/ 
 
7.3.1. Rotor 
 É constituído de uma série de conchas ou cubas, dispostas simetricamente em 
relação ao plano médio do disco, preso este ao eixo por meio de chavetas. 
 As conchas ou cubas são meras superfícies desviantes, onde se processa a 
transformação da energia cinética em trabalho mecânico cedido ao rotor. 
 As conchas podem ser fundidas separadamente e fixadas ao disco por meio de 
parafusos ou podem ser fundidas conjuntamente com o disco. Em relação a tais 
processos de construção, pode-se dizer: 
Ø Conjunto fundido em uma única peça 
Vantagem: distribuição de tensões mais uniformes no disco. 
Desvantagem: fundição e usinagem posterior mais difícil. 
 
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Ø Disco e conchas fundidos separadamente 
Vantagens: fundição mais fácil, com usinagem mais fácil e precisa. 
Desvantagem: transmissão localizada de esforço, abreviando a vida útil da 
máquina. 
 
 Como detalhes mais importantes de construção das conchas, podemos salientar: 
Ø Um septo central que bifurca o jato incidente contra a concha, repartindo-o, com 
o que se consegue um perfeito equilíbrio de forças. 
Ø Uma chanfratura ou reentrância na parte central da concha, cuja finalidade é 
desviar a saída do jato sem que o mesmo possa incidir contra o costado da 
concha anterior, o que se ocorrer produz uma ação de frenagem, diminuindo o 
rendimento da turbina. 
 
Quanto ao material empregado na construção das conchas, é comum o uso do 
bronze para pequenas turbinas e de ferro ou aço para grandes turbinas. Em relação à 
usinagem do interior das conchas, deve a mesma ser muito cuidadosa, uma vez que 
tanto o septo como a chanfratura originam formas com quinas vivas e sujeitas a intensa 
erosão. 
 
Fonte: http://www.hisa.com.br/produtos/turbina-pelton 
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49	
	
 
Fonte:http://www.capture3d.com/Images/Applications/turbines-3DmeasureFig4big.jpg 
 
7.3.2. Distribuidor 
 No caso das turbinas Pelton, o distribuidor, normalmente o distribuidor usado é 
do tipo Doble e é também chamado de injetor ou simplesmente, bocal. 
 Ele constitui a parte terminal da tubulação forrada e tem como principais 
finalidades a regulagem da vazão e a formação de um ajto d’água compactam que incide 
sobre as conchas, com o mínimo de dispersão. A instalação pode utilizar um jato único 
ou então jatos múltiplos, sendo que os jatos múltiplos surgiram acompanhando a 
tendência existente de aumentar a velocidade específica. 
 Para tal, torna-se necessário conseguir uma perfeita adesão dos filetes entre si e 
com a agulha, parte componente do injetor que tem a finalidade de deslocar-se 
axialmente a fim de aumentar ou diminuir a seção de saída do jato, o que possibilita a 
regulagem da vazão. 
 Essencialmente, o injetor é constituído de um bocal, dentro do qual se desloca 
axialmente a agulha presa a uma haste, sendo um servo-motor responsável pela 
translação do conjunto haste-agulha. Além da translação feita pelo servo-motor, pode o 
injetor possuir um sistema manual tipo volante, capaz de permitir o mesmo efeito. 
 
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Fonte : http://www.rijeza.com.br/aplicacoes/agulha-de-turbina-pelton 
 
 
Fonte : http://www.canyonhydro.com/micro/microoptions.html 
 
7.3.3. Defletor 
Um acessório especial do distribuidor é o defletor de jato, cuja finalidade pode 
ser assim definida, quando o rotor tende a disparar, devidoao seu desacoplamento do 
gerador, motivado por algum defeito da rede (curto-circuito ou uma descarga elétrica 
que retira a carga da linha), imediatamente o servo-motor é acionado provocando o 
avanço da agulha no bocal, a fim de reduzir e cortar o jato d’água. Todavia, tal avanço é 
lento (cerca de 20 a 40 segundos), espaço de tempo suficiente para que a turbina atinja 
uma velocidade perigosa e superior à velocidade crítica de giro do eixo (velocidade de 
disparo). Tal manobra de fechamento não pode, inclusive, ser feita mais rapidamente ao 
perigo do golpe de aríete na tubulação de chegada. 
 O defletor é então, o dispositivo usado para retirar a carga motora da turbina. Ele 
fica entre o bocal e a roda, evitando que o jato atinja as conchas durante o período de 
fechamento da agulha. 
 A distância entre o defletor e a roda deve ser a estritamente necessária para que o 
defletor possa ser introduzido e exercer sua ação. 
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 Quanto ao acabamento superficial e interno do distribuidor Doble, cumpre 
ressaltar que o mesmo deve ser o melhor possível, para evitar que o mau acabamento 
facilite o aparecimento da cavitação originada pela alta velocidade do jato d’água. 
 
 
Fonte: Apostila de Centrais Elétricas – PUC- Minas 
 
7.4.Variações da turbina Pelton de acordo com o número de jatos 
Dependendo da potência que se queira gerar por meio da turbina podem ser 
acionados até seis injetores simultaneamente. O número normal de injetores varia de 
dois a seis, igualmente espaçados angularmente para garantir um balanceamento 
dinâmico do rotor. 
 
7.4.1. Turbina Pelton de um jato 
 
 
Fonte:http://forum.outerspace.terra.com.br/showthread.php%3Ft%3D256621%26page%3D 
 
 
 
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7.4.2. Turbina Pelton de dois jatos 
 
 
Fonte:http://www.newmillshydro.com/images/uploads/2c9bcee270f55276729f6abbc45d939b.jpg?phpMyAdmin=8U
KUdmG0HJLJ99jfT3YSvcBzNdd 
 
7.4.3. Turbina Pelton de quatro jatos 
 
 
Fonte: http://web.tiscali.it/vanni_38/idra20.htm 
 
 
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7.4.4. Turbina Pelton de cinco jatos 
 
 
Fonte: Turbina Pelton de Bieudron 
 
7.4.5. Turbina Pelton de seis jatos 
 
 
Fonte:http://www.cerpch.unifei.edu.br/pelton.php 
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7.5.Vantagens 
 A turbina Pelton é utilizada em quedas de grande altura e com pequenas vazões, 
apresentam outras características como facilidade de manutenção e facilidade de reduzir 
as sobrepressões nas tubagens. Elas têm eficiência constante dentro de uma ampla 
gama de condições de operação. 
 
Limites extremos de aplicação de turbinas Pelton 
 
Parâmetro 
hidráulico 
Potência 
Maior altura de queda: Usina Reissek (Áustria) H = 1767 m 22,8 MW 
Maior potência: Usina Sellrain Silz (Áustria) H = 1237 m 260 MW 
Fonte: Apostila Máquina de Fluxos – Escola Politécnica da USP 
 
7.6.Desvantagens 
Um dos maiores problemas destas turbinas, devido à alta velocidade com que a 
água se choca com o rotor, é a erosão provocada pelo efeito abrasivo da areia misturada 
com a água, comum em rios de montanhas. As turbinas pelton, devido à possibilidade 
de acionamento independente nos diferentes bocais, têm uma curva geral de eficiência 
plana, que lhe garante bom desempenho em diversas condições de operação. 
 
7.7.Instalações da Turbina Pelton no Brasil 
Encontram-se no Brasil várias centrais hidrelétricas, principalmente no campo 
das pequenas centrais, funcionando com esse tipo de turbina, porém o número é 
bastante reduzido quando comparado com as tradicionais Francis e Kaplan. 
 
7.7.1. Usina Hidrelétrica Governador Pedro Viriato Parigot de Souza 
A Usina Hidrelétrica Governador Pedro Viriato Parigot de Souza possui a 
potência de 260 MW, e está situada no município de Antonina. Seu reservatório está 
localizado na Rodovia BR-116 (trecho Curitiba - São Paulo), no município de Campina 
Grande do Sul, a 50 km de Curitiba. Ela funciona com 4 turbinas tipo Pelton (Queda 
bruta normal: 754 m). 
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A usina, inicialmente conhecida como Capivari-Cachoeira, recebeu seu nome 
em homenagem ao Governador Pedro Viriato Parigot de Souza, que liderou o Paraná 
entre 1971 e 1973, e foi, também, presidente da Copel. 
A Usina Parigot de Souza entrou em operação em outubro de 1970, tendo sido 
inaugurada oficialmente em 26 de Janeiro de 1971, quando entrou em operação 
comercial. Ela é a maior central subterrânea do sul do país. 
 
Ficha Técnica: 
 • Turbinas Pelton: 4 un. 
 • Rotação: 514 rpm 
 • Diâmetro do conduto forçado: 3 m 
• Velocidade da água: 426 km/h 
• Queda Bruta Normal: 754 m 
 
 
 
 
 
7.7.2. Usina Hidrelétrica São Bernardo 
O lago da CEMIG atualmente (construída pela CISME - Companhia SulMineira 
de Eletricidade, encampada pela CEMIG por volta de 1970) era apenas um riacho da 
Fazenda do Sr. José Serpa. O lago foi construído inicialmente para servir à uma turbina 
do tipo "pelton" ligada a uma tubulação de aproximadamente 1m de diâmetro. Passado 
alguns anos foi ampliado elevando-se o nível inicial do vertedouro e instalando mais 
uma tubulação do mesmo diâmetro, então servindo a 2 turbinas instaladas no mesmo 
local no "Pé" da serra em Piranguçu . A energia gerada era enviada para Itajubá, 
Piranguçu e Vila Maria, posteriormente servindo também a Campos do Jordão. 
A barragem tem um comprimento total de 140 e altura máxima de 6 m. O 
volume útil do reservatório de 400.000 m³. 
 
Usina Hidrelétrica Governador Pedro Viriato Parigot de Souza 
Fonte: http://www.copel.com 
 
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Fonte: CEMIG 
 
7.7.3. Usina Hidrelétrica Cubatão 2 
 
O complexo Henry Borden, localizado no sopé da Serra do Mar, em Cubatão, é 
composto por duas usinas de alta queda (720m), denominadas de Externa e Subterrânea, 
com 14 grupos de geradores acionados por turbinas Pelton (turbina essa específica para 
altas quedas, diferente da maioria das hidroelétricas, como Itaipu, que utilizam 
turbinas Francis), perfazendo uma capacidade instalada de 889MW, para uma vazão de 
157m³/s. O fornecimento de água é feito mudando o curso natural das águas da bacia do 
alto Tietê, que corre para o interior, para descer a Serra do Mar. As águas do Rio 
Pinheiros, na cidade de São Paulo, eram bombeadas para a Represa Billings que por sua 
vez deságua águas por túneis abertos na serra até a usina em Cubatão, Baixada Santista. 
 
Complexo Henry Borden 
Fonte: http://www.polisaber.org.br/site/?p=1548 
 
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A mais antiga das usinas possui oito condutos forçados externos e uma casa de 
força convencional. A primeira unidade foi inaugurada em 1926, as demais instaladas 
até 1950, num total de oito grupo geradores, com capacidade instalada de 469MW. 
Cada gerador é movido por duas turbinas tipo Pelton, acionadas pelas águas conduzidas 
do Reservatório do Rio das Pedras que atingem a Casa de Válvulas onde, após passarem 
por duas válvulas borboletas através de condutos forçados, descem a encosta atingindo 
as suas respectivas turbinas, perfazendo uma distância de aproximadamente 1.500 m. 
 
 
Fonte: Eletropaulo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
	
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8. CONCLUSÕES 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
	
	
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9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
v Acesso: 18 de junho de 2012. 
http://www.cesp.com.br/portalCesp/portal.nsf/V03.02/Empresa_UsinaJupia_Da
dos?OpenDocument 
v Acesso: 14 de junho de 2012. 
http://pt.wikipedia.org/wiki/Turbina_Kaplan 
v Acesso: 18 de junho de 2012. 
http://www.portalpch.com.br/index.php?option=com_content&task=view&id=2
18 
v Acesso: 26 de junho de 2012. 
http://www.hacker.ind.br/produtos_turbinas_kaplan_turbinas.php 
v Acesso: 26 de junho de 2012. 
http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/energia_hidraulica/4_4.htm 
v Apostila de Centrais Elétricas Puc Minas-2000 
v Apostila de máquinas de fluxo Prof. Dr. Emílio Carlos Nelli Silva- Escola 
Politécnica da USP 
v Apostila de turbinas hidráulicas e condutos forçados- Antonio Simões Costa –
Março 2003 
v Acesso: 22 de junho de 2012. 
http://cidadedetucurui.com/INICIO/USINA_HIDRELETRICA_TUCURUI/USI
NA_HIDRELETRICA_TUCURUI.htm 
v Acesso: 18 de junho de 2012. 
http://www.copel.com/hpcopel/root/nivel2.jsp?endereco=%2Fhpcopel%2Froot
%2Fpagcopel2.nsf%2F044b34faa7cc1143032570bd0059aa29%2Fe307f2c9b2ed
c56303257412004fdb91 
	
	
	
	
	
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