Turbina_Bulbo

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO - UFPE
CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS - CTG
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA - DEMEC
TURBINA BULBO
Recife, 2013.
PE - Brasil
UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO - UFPE
CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS - CTG
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA - DEMEC
TURBINA BULBO
EDUARDO CORTE REAL
EDUARDO LAURÊNIO MEIRA 
IGINO GIORDANI DA SILVA GUERRA
LUIZ GUILHERME GUERRA
PEDRO HENRIQUE BRAYNER
Recife, 2013.
PE – Brasil
APRESENTAÇÃO
Este relatório é referente ao trabalho sobre o estudo sobre a teoria e o dimensionamento de uma turbina tipo bulbo realizado pelos estudantes da disciplina de Máquinas Hidráulicas, no curso de Engenharia Mecânica, da turma MM. E Tem como finalidade desenvolver o conhecimento sobre o este e suas características. Como método de aprendizagem, foi solicitado à construção de um relatório e uma apresentação sobre o mesmo. 
Este presente trabalho visa explanar sobre este tipo de turbina e as características as quais podem ser avaliadas detalhadamente na mesma, abordando de forma simples a teoria. De igual forma, são relatados todos os resultados e cálculos necessários para compreensão do desenvolvimento e da metodologia aplicada para o dimensionamento da mesma.
SUMÁRIO
	
1. INTRODUÇÃO.............................................................................................................4
2. TURBINAS BULBO.....................................................................................................4
3. HISTÓRICO..................................................................................................................4
4. COMPARAÇÃO COM A TURBINA KAPLAN CONVENCIONAL........................5
	4.1. VANTAGENS............................................................................................5
	4.2. DESVANTAGENS....................................................................................5
5. COMPONENTES DE UMA TURBINA BULBO........................................................6
6. FUNCIONAMENTO....................................................................................................6
7. DIMENSIONAMENTO................................................................................................9
8. EXEMPLO PRÁTICO................................................................................................16
9. BIBLIOGRAFIA.........................................................................................................20
Introdução
Preocupada com a preservação do meio ambiente, a engenharia moderna tem buscado novas alternativas para a produção de hidroeletricidade.
Uma delas é a utilização de turbinas do tipo bulbo, que podem ser instaladas em baixíssimas quedas, a fio d’água, não sendo necessária a formação de grandes reservatórios, reduzindo assim os impactos ambientais.
Turbinas Bulbo 
Um grupo bulbo é caracterizado por possuir o conjunto turbina-gerador de eixo horizontal instalado no interior de uma cápsula, denominada bulbo, que opera dentro do escoamento. 
A turbina Bulbo é uma turbina de reação do tipo Kaplan, sendo utilizada para as quedas mais baixas. Elas praticamente substituiram as turbinas Kaplan para quedas inferiores a 25 m.
Isso se deve ao fato do escoamento ser mantido praticamente retilíneo nas instalações Bulbo, o que lhes confere melhor eficiência hidráulica e contribui para redução de custo e tamanho das instalações. 
Dependendo das necessidades específicas, as turbinas Bulbo podem ser modificadas para também operar como bombas em ambas as direções do escoamento. 
A diferença principal com a turbina Kaplan tradicional é que o escoamento ocorre na direção axial-radial pelas pás, ao invés de ser conduzido por uma espiral.
Histórico
1921 - Defour iniciou os estudos para melhoria das turbinas Kaplan visando a viabilização em baixas quedas, sendo prosseguido por Bernshtein, Thomas e Mueller 
27/12/1933 – Arno Fisher patenteia as turbinas de bulbo
1936 – A firma Escher Wyss constrói as primeiras turbinas bulbo.
Comparação com a Turbina Kaplan Convencional
Vantagens
- Há uma redução da ordem de 10 a 15 % no peso total de uma turbina bulbo, quando comparada com uma turbina Kaplan e consequentemente a mesma proporção na redução do custo; 
- Devido à menor perda de queda que se obtém com uma turbina bulbo, e a condução da água quase que retilínea, consegue-se uma eficiência maior neste tipo de arranjo do que um equivalente com turbina Kaplan; 
- Devido ao aumento da rotação, a roda da turbina deve estar em um nível mais baixo que o nível mínimo do canal de fuga, para que haja menor efeito de cavitação. A instalação nesta posição é mais fácil com uma turbina tipo bulbo do que com uma Kaplan, o que lhe dá um menor efeito de cavitação; 
- É sensível a economia na área civil, onde a redução pode chegar a 50 % em comparação com uma usina convencional. As principais razões são a menor necessidade de escavação, por não ser utilizado o joelho do tubo de sucção, a casa de força possui dimensões reduzidas no comprimento, devido à menor distância entre as linhas de centro dos grupos e na altura devido à necessidade de ser apenas compatível com o diâmetro da roda da turbina. Além disso, por possuir o sistema bulbo, cujo peso é menor, também se reduz o reforço da estrutura da casa de força; 
- É necessário um tempo de construção da usina 25 % menor do que uma equivalente Kaplan, o que reduz o custo de mão de obra e encargos; 
- Menor área de represamento, o que significa um custo menor de desapropriação e indenização, com perda menor de áreas férteis e um impacto ambiental reduzido.
 4.2. Desvantagens
- Reduzida acessibilidade ao gerador. Porém no atual estágio de desenvolvimento dos hidrogeradores e dos materiais empregados, as máquinas requerem pouca manutenção, necessitando somente uma manutenção regular nas escovas caso se opte por um sistema de excitação estático. Esta desvantagem pode ser eliminada com a opção por um sistema de excitação do tipo “brushless”. 
- Devido ao reduzido diâmetro do rotor, o momento de inércia intrínseco à máquina pode ser insuficiente, o que pode requerer a utilização de volantes e o que provavelmente resultaria em um encarecimento do gerador. 
- As solicitações mecânicas no rotor durante a rotação de disparo e o diâmetro reduzido deste, podem resultar em um limite para a relação da rotação de disparo à velocidade nominal, o que tornaria inexequível um acionamento direto do gerador, o que representa a solução mais econômica e mais segura para o arranjo das máquinas. Neste caso seria necessário instalar um redutor de velocidade entre a turbina e gerador, o que certamente encareceria o equipamento.
5. Componentes de uma Turbina Bulbo
 
A Fig. 1 apresenta a localização dos principais componentes em um grupo bulbo. 
A Tabela I relaciona os números da Fig. 1 com os nomes dos respectivos componentes.
Fig. 1. Visão de um corte longitudinal de um grupo bulbo
 
Bulbo 
Cápsula que contém todo o grupo gerador
 Tubo de acesso
Escada para o acesso de operadores
 Câmara de Adução
É posicionada na região final da queda d'água
	
Distribuidor e Pré-Distribuidor
É um conjunto de elementos que tem por finalidade dirigir o escoamento e controlar a vazão para o rotor.
O pré-distribuidor é fixo, e tem duas funções básicas: Direcionamento do fluxo sem perturbações e função estrutural em máquinas verticais.
O distribuidor tem como principal função a regulação da vazão em máquinas radiais.
Rotor Kaplan
	
 Rotor Kaplan é o elemento rotativo da turbina onde se transforma a energia do escoamento da água em trabalho mecânico.
Com relação às pás do rotor, a maioria das turbinas bulbo possui pás móveis, como as Kaplan.Entretanto, há também construções com pás fixas, do tipo hélice. Este tipo de construção, com rotor do tipo hélice, é rara porque exige uma mínima variação do fluxo hidráulico e consequentemente, da altura da lâmina d’água. O rotor pode ser subdividido em três partes: cubo, ogiva ou cone e pás.
Gerador
Acoplado no eixo que está conectado no, é responsável pela conversão do trabalho mecânico em de energia elétrica.
Funcionamento
A água entra pela câmara de adução e é levada através de um conduto forçado percorrendo o perfil da turbina paralelamente ao seu eixo até o distribuidor.
No distribuidor a água passa por um sistema de palhetas guia móveis que controlam a vazão volumétrica fornecida à turbina.
Para se aumentar a potência as palhetas são abertas (aumentando a vazão), para diminuir a potência elas se fecham. Após passar por este mecanismo a água chega ao rotor da turbina.
Por transferência de quantidade de movimento parte da energia potencial da água é transferida para o rotor na forma de torque, que adquire uma 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 a água é conduzida pelo tubo de descarga até um rio.
O movimento de rotação da turbina é transmitido pelo eixo até o gerador.
A energia mecânica contida na rotação do eixo induz um campo eletromagnético no gerador.
Dimensionamento
Potência Útil
N = 
Velocidade Específica
ns = 
Com o valor de ‘ns’ olhar o valor de ‘us’ na tabela abaixo
ns 400 450 500 600 700 900 1000
us 1,3 1,4 1,5 1,7 2,0 2,2 2,4
 
Dimensões Principais do Rotor
7.3.1.Diâmetro externo do rotor D1
D1 = (4,8 a 5,5)* 
D1 = 
D1 = 
Essa última equação é usada para calcular o diâmetro D1
Diâmetro do cubo
d1=(0,4 a 0,5)*D1
Seção livre de passagem de água pela turbina(área entre o cubo e a extremidade da pá)
S = (D1² - d1²)*
Velocidade Meridiana (Vm)
Vm = 
 	 Tabela 10.4 >> número de pás Z
4 pás H de 10 a 21m 
5 pás H de 12 a 23m
6 pás H de 15 a 35m
7 pás H maior que 35m
Passo entre as pás, medido na circunferência de raio médio >> Rm = 
O comprimento das pás pode ser dado através da altura de queda H ou das relações entre diâmetros: 
T = 2**
Tabela 10.2
Comprimento das pás ‘L’
L = λ*t
onde:
λ = 
Velocidade periférica u, média
U = 
Rendimento hidráulico, 
 + 0.05 , 
Onde esse 5% adicionais são devidos as considerações feitas sobre as perdas mecânicas e outras perdas secundárias.
Componente periférica da velocidade absoluta:
 
Na turbina axial, u1=u2=u e , como a saída da água é meridiana, Vu2= 0. Logo:
Traçado do diagrama das velocidades: 
 Ângulo 
 Ângulo :
 Ângulo :
					Tg = 
 Velocidade Relativa W∞:
					W∞ = 	
Cálculo do coeficiente de portança Ca:
Sendo , o ângulo de deslizamento. É desconhecido, pois depende da forma e das dimensões do perfil, bem como do ângulo de incidência e da velocidade relativa. Pode-se aproximar Tg = 0.05.
Ângulo de ataque :
Obtido na figura 10.6, e usando o valor de Ca como referencia.
Ângulo do Perfil:
Exemplo Prático
Dimensionar uma turbina bulbo, de acordo com as relações obtidas anteriormente e compará-las com uma turbina bulbo real com d1= 3,8m, usando os seguintes dados:
H=11.30 m; Q=89 m³/s; n= 150 rpm; 
Resolução:
Potência Útil
N =(1000*0.88*89*11.3)/75 
N=11800,21 cv
Velocidade Específica 
ns =( 180 * ) / 11,3 * 
 ns = 943.78 rpm
Diâmetro Externo do Rotor
Através da tabela 10.3, temos que para ns = 943 rpm, u1s = 2.3, portanto
D1 = (2.3 * 60 * )/ 150 * π 
D1 = 4.5 m
Diâmetro do cubo
d1 = 0.5 D1
d1 = 2.25 m 
Área da seção livre de passagem:
S = * (D1² - d1²) = 12m²
Velocidade Meridiana:
Vm= 89/12 = 7.42 m/s
Passo Entre as Pás
De acordo com a tabela 10.4, o número necessário de pás é 4. Obtendo o valor do passo: 
 		 t = ( 2*Rm ) / 4 = 2.65 m 
Comprimento das pás
= 78/ = 0.81
L = 0.81 * 2.65 = 2.15 m 
Velocidade periférica u, média
u= = 26.5 m/s
Rendimento Hidráulico
 = 0.88 + 0.05 = 0.93
Componente Periférica da Velocidade Absoluta
Vu1 = (0.93 * 9.81 * 11.3)/ 26.5 = 3.89 m/s
 Diagrama de Velocidades:
Ângulo :
Tg = 7.42/(26.5 – 3.89) = 0.328
= 18.17°
Ângulo : 
Tg = 7.42/26.5 = 0.28
Ângulo :
Tg = 7.42/ (26.5 – 1.945) = 0.302
 Velocidade Relativa:
 		W∞ = = 25.65 m/s
 Coeficiente de portança:
Ca = (2*9.81*2.65*0.93)/ (2.15*7.883*7.63*0.834)= 0.374
Onde: 
u1= u/= 7.883
 W= W/ = 7.636
Através do gráfico (figura 10.6), temos que 
 Ângulo do Perfil:
 = = 16.9°
Bibliografia
Livros: 
MACINTYRE, ARCHIBALD JOSEPH - Bombas e Instalações de Bombeamento, Editora
Guanabara Koogan S.A., Rio de Janeiro, RJ, Segunda Edição, 1969.
MACINTYRE, ARCHIBALD JOSEPH - Máquinas Motrizes Hidráulicas, Editora Guanabara Koogan
S.A., Rio de Janeiro, RJ, Segunda Edição, 1969.
PFLEIDERER, CARL & PETERMANN, HARTWIG - Máquinas de Fluxo, Livros Técnicos e
Científicos Editora, Rio de Janeiro, RJ, 1979.
QUANTZ, L - Motores Hidráulicos, elementos para el estudio, construcción y cálculo de las
instalaciones modernas de fuerza hidráulica, Barcelona, Sexta Edicion.
SOUZA, ZULCY DE & BRAN, RICHARD - Máquinas de Fluxo - Turbinas, Bombas e Ventiladores, Editora Ao Livro Técnico S.A., Rio de Janeiro, RJ, 1969.
DUBBEL - Manual do Engenheiro Mecânico – Volume V, Hemus Editora Ltda., São Paulo, SP,
Décima Terceira Edição, 1979