Introdução à Máquinas de Fluxo I - Aula 8 TURBINAS HIDRÁULICAS

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TURBINAS HIDRÁULICAS 
 
Em toda turbina a água entra vindo de um reservatório ou canal de nível mais elevado (e portanto com maior energia) e escapa 
para um canal de nível mais baixo (e portanto com menor energia). A água de entrada é levada através de um duto fechado até 
um conjunto de lâminas curvas (palhetas), bocais ou injectores que transferem a energia da água para um rotor. Em consequência 
a pressão e/ou a velocidade da água na saída são menores do que na entrada. A água que sai da turbina é conduzida por um duto 
até o reservatório ou canal inferior. 
 
Algumas palhetas são estáticas, outras são variáveis e fixas no rotor; ambas podem ser ajustáveis para controlar o fluxo e 
a potência gerada ou (para geração de energia elétrica) a velocidade de rotação. O rotor é suportado axialmente por mancais de 
escora e contra-escora e radialmente por mancais de guia. O tubo de saída geralmente tem diâmetro final maior que o inicial para 
reduzir a velocidade da água antes de despejá-la no canal inferior. 
 
A potência P que uma turbina pode extrair do fluxo de água será proporcional ao produto da vazão volumétrica (Q) e da queda 
d'água disponível (H), segundo a fórmula P = ρ.Q.H.g.η; onde ρ é a densidade da água, g é a aceleração da gravidade, e η é 
a eficiência da turbina, a fração (entre 0 e 1) da energia potencial e cinética da água que é convertida em trabalho mecânico de 
rotação do eixo ao passar pela turbina. As principais causas da baixa eficiência nas turbinas são as perdas hidráulicas (a energia 
cinética da água na saída da turbina) e as perdas mecânicas (atrito nos mancais, que converte parte da energia extraída da água 
em calor). A eficiência típica de uma turbina moderna varia entre 85% e 95%, dependendo da vazão de água e da queda. Para 
maximizar a eficiência, grandes turbinas hidráulicas são em geral projetadas especificamente para as condições de queda e vazão 
onde serão instaladas. 
 
Os modelos de turbinas mais conhecidos são FRANCIS, KAPLAN e PELTON, existindo para cada modelo uma série de 
configurações diferentes. 
 
As turbinas hidráulicas podem são classificadas turbinas de ação e de reação. As turbinas de ação têm a propriedade de 
transformar a energia cinética portada por um fluido em energia mecânica. Já as turbinas de reação trabalham submersas e 
aproveitam a energia cinética e de pressão do fluido para obter energia mecânica. 
 
TURBINAS DE REAÇÃO 
� Nas turbinas de reação parte da expansão do fluido ocorre externamente e parte na superfície das pás. 
� A aceleração externa é imposta e o fluido é conduzido para o rotor na direção adequada através de um conjunto de pás 
estacionárias chamadas aletas guias do distribuidor. 
� A combinação do conjunto de pás fixas do distribuidor e das móveis do rotor é chamado de um estágio da turbina. 
� Os rotores trabalham totalmente submersos no fluido produzindo maior potência para um dado volume do que as turbinas 
de impulsão ou ação. 
� As turbinas hidráulicas axiais ou de hélice são apropriadas para baixas quedas e grandes descargas. O receptor tem forma 
de hélice de propulsão com pás perfiladas aerodinamicamente. 
� As turbinas Kaplan são semelhantes às turbinas de hélice que apresentam a possibilidade de variar o passo das pás de 
acordo com a descarga, permitindo maiores rendimentos. 
� Turbina Kaplan (Reação) – Exemplos: Jupiá e Barra Bonita 
� Nas turbinas Francis o receptor fica internamente ao distribuidor. Seu rotor é tipo radial de fluxo misto. Possuem um difusor 
ou tubo de aspiração. As turbinas Francis possuem um distribuidor constituído por um conjunto de pás móveis em volta do 
receptor, orientadas por sistema de controle permitindo mudar o ângulo para diferentes descargas para minimizar as 
perdas. 
� Turbina Francis (Reação) – Exemplos: Itaipu, Ilha Solteira 
 
 
TURBINAS DE AÇÃO OU IMPULSÃO 
� São acionadas por um o mais jatos livres de alta velocidade. 
� A expansão do fluido de alta para baixa pressão ocorre em bocais externos ao rotor da turbina. 
� O rotor trabalha parcialmente submerso no fluido. 
� Turbina Pelton (Ação) – Exemplo: Parigot de Souza, no Paraná 
� As turbinas Pelton possuem um distribuidor e um receptor. O distribuidor é um bocal que permite guiar o jato de água, 
proporcionando um jato cilíndrico sobre a pá. O rotor é formado por pás com forma de concha. As turbinas Pelton podem ter 
um ou vários jatos. 
 
 
As turbinas de ação Pelton são adequadas para elevadas alturas de queda, ou seja, quedas acima de 70m, e por isto são muito 
comuns em países montanhosos. No Sistema Interligado Nacional a maior parte das usinas é do tipo reação devido as 
características dos aproveitamentos hidráulicos. A turbina Francis tem maior eficiência para alturas entre 40 e 400m, já as turbinas 
Kaplan são adequadas para funcionarem com alturas de queda entre 7m e 60m. 
 
HISTÓRIA 
 
Provavelmente as primeiras máquinas motrizes hidráulicas, relativamente eficientes, tenham sido as rodas d´água. Por volta de 
100 a.C, Vitrúvio, instalou várias rodas d´água de modelo ainda rudimentar para o acionamento de alguns dispositivos mecânicos. 
Esta tecnologia por muitos séculos satisfez as exigências impostas; era usada em pequenas oficinas e moinhos de cereais. 
Extremamente simples e fáceis de construir, podiam ser aplicadas em quedas de até 6 metros. Porém a baixa potência, fez com 
que as rodas d´água fossem cada vez menos utilizadas, a medida em que avançava a tecnologia da Revolução Industrial. 
O século XVIII, revelou grandes nomes na ciência hidráulica, que prepararam o campo para extraordinárias conquistas 
relacionadas ás máquinas hidráulicas. Daniel Bernoulli (1700-1782) lançou o fundamento da Hidrodinâmica. Leonard Euler (1707-
1783) lança em 1751 seus trabalhos e estudos sobre turbomáquinas. 
 
O termo turbina deve-se à Claude Burdin (1790-1873) que define como "...máquina rotativa de alta velocidade... 
 
 
 
 
SELECIONAMENTO 
 
Para selecionar o modelo de turbina mais adequado para cada instalação, vários fatores devem ser levados em consideração, 
entre eles queda d’água, vazão e velocidade de rotação. 
 
A seguir pode-se examinar um gráfico com o campo típico de aplicação dos três tipos de turbinas básicas de dois fabricantes 
diferentes: 
 
 
 
 
 
 
 
 
Bulbo 
 
A turbina bulbo (ou bolbo) é uma turbina Kaplan conectada diretamente pelo eixo a um gerador, que é envolto por uma cápsula 
hermética. O conjunto fica imerso no fluxo d'água. 
 
Turbinas bulbo são geralmente usadas em quedas abaixo de 20 m. A maior unidade desse tipo, com um rotor de 6,70 m de 
diâmetro e 65,8 MW de potência, está instalada na usina de Tadami, Japão, com uma queda de 19,8 m. Deverá ser ultrapassada 
pelas turbinas das Usinas Hidrelétricas de Santo Antônio e Jirau, com 71,3 MW e 75 MW, respectivamente. 
 
 
A Hidrelétrica Santo Antônio será uma das cinco maiores geradoras do Brasil e umas das 15 maiores hidrelétricas do mundo, 
apresentando a melhor relação entre megawatt (MW) gerado x área de reservatório: 9MW/km². Em novembro de 2016, quando 
construção for concluída, terá 3.568 megawatts de potência instalada e produzirá 2.364 megawatts médios. Serão 50 unidades no 
total, cada uma com potência média de 71,3 megawatts e aproximadamente 81,87 rpm. Queda bruta da usina é de 
aproximadamente 15 metros. 
 
Tais características foram alcançadas porque a usina foi projetada para alcançar a máxima eficiência com o mínimo impacto 
socioambiental. Esta proposta exigiu várias soluções inovadoras em engenharia e tecnologia. Uma das principais, do ponto de 
vista tecnológico, foi a instalação de turbinas bulbo, as maiores hoje em funcionamento no mundo. 
 
A principal característica da Hidrelétrica Santo Antônio é o aproveitamento da alta vazão do rio Madeira para gerar energia com 
reservatórioreduzido e pequena queda d´água. Este modelo de operação da usina, denominado fio d’água – que não faz estoque 
de água – permite que seu reservatório ocupe apenas 345 km², área pouco superior àquela alagada nos períodos de cheia do rio 
Madeira e da qual 142 km² correspondem à calha natural do rio. 
Curiosidade: devido às suas dimensões e complexidade, o desenvolvimento das turbinas Bulbo exigiu a união de forças entre vários fabricantes de 
grande porte. 
 
 
 
 
A Usina Hidrelétrica de Jirau é uma usina hidrelétrica em construção no Rio Madeira, a 120 km de Porto Velho, em Rondônia. 
 
A UHE Jirau terá capacidade instalada de 3.750 Megawatts (MW) e Garantia Física de 2.184,6 MW médios, suficiente para 
abastecer mais de 10 milhões de casas. O projeto da Usina de Jirau está disposto para o local denominado Ilha do Padre. 
 
Este projeto caracteriza-se pela disposição de duas casas de força, uma em cada margem, a primeira com 28 unidades geradoras, 
do tipo bulbo, acoplada à Tomada d’Água, localizada no braço direito do rio Madeira. Na margem esquerda, localizam-se mais 22 
unidades geradoras, também do tipo bulbo, tendo como vértice a extremidade sul da Ilha do Padre. Cada uma das casas de força 
apresenta duas áreas de montagem equipadas para montagem e manutenção das 50 unidades geradoras, com 75MW de potência 
unitária e aproximadamente 83,7 rpm. 
 
A barragem principal, prevista do tipo enrocamento com núcleo argiloso, está disposta segundo um eixo retilíneo ligando a 
extremidade sul da ilha do Padre à parede direita da Casa de Força 2, na margem esquerda. A área do reservatório será variável e 
terá 361,6km², em seu nível d’água máximo normal, com área inundada variando entre 31 km² e 108 km². 
 
O projeto é inovador pela solução de engenharia otimizada que considera o cuidado com o meio ambiente, a modicidade tarifária, 
a nova fronteira tecnológica de turbinas e geradores, além de uma possível antecipação da geração de energia que resultará em 
segurança energética para o país. 
Energia 
 
• Potência da usina: 3.750 MW 
• Garantia Física: 2.184,6 MW médios 
• Queda bruta máxima: 10,30 a 15,70 m 
• Número de Turbinas: 50 
 
Na construção, um dos problemas a ser resolvido é como tratar os resíduos sólidos maiores que descem pelo rio (estima-se que 
cerca de 1.600 troncos de árvores desçam diariamente pelo rio). O contrato prevê que os troncos não podem ser devolvidos ao rio, 
nem ser usados com fins lucrativos. 
 
Kaplan 
 
As turbinas Kaplan foram concebidas pelo engenheiro austríaco Victor Kaplan (1876-1934) que, por meio de estudos teóricos e 
experimentais criou um novo tipo de turbina a partir das turbinas hélice, com a possibilidade de variar o passo das pás. Surge 
então a turbina hélice de pás reguláveis. 
 
Com o passar dos anos, ficou provado o sucesso das turbinas Kaplan para aplicações de baixas e médias quedas e grandes 
volumes de água, consagrando-se como uma turbina altamente eficiente nestas condições, com rendimentos que podem passar 
de 93%. 
 
As turbinas de rotor Kaplan podem ter sua carcaça disposta em formato tubular ou em caixa espiral. O acionamento e ajuste das 
pás do rotor e diretrizes é feito de maneira automatizada e, em conjugação sincronizada. 
 
 
A única diferença entre as turbinas Kaplan e Francis é o rotor, que se assemelha a um propulsor de navio. O ângulo de inclinação das pás é 
controlado por pistões hidráulicos, normalmente em conjunto com as palhetas de distribuição. 
 
Turbinas Kaplan são adequadas para operar em quedas até 60 m. Elas apresentam eficiência constante em ampla faixa de operação. A Usina 
Hidrelétrica de Três Marias utiliza turbina Kaplan, com 06 unidades geradoras, com 66MW de potência unitária. 
 
 
 
Usina Hidrelétrica de Três Marias 
 
• Início de construção: 1957 
• Início de operação: 1962 
• Localização: Município de Três Marias (MG) 
• Comprimento da barragem: 2.700m 
• Altura máxima da barragem: 75m 
• Volume do reservatório: 19.528hm³ 
• Unidades geradoras: 6 
• Potência instalada: 396MW 
• Fabricante turbina: VOITH 
• Potência Unitária: 67,197 MW 
• Queda nominal: 55 m 
• Rotação Síncrona: 163,6 rpm 
• Diâmetro do rotor: 4.650 mm 
• Vazão Nominal Unitária: 135,4 m³/s 
• Comprimento do eixo: 11,5 m 
• Diâmetro do eixo: 850 mm 
• Rendimento Máximo: 93% (queda de 50 m) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Francis 
 
Estas turbinas recebem seu nome do engenheiro inglês James Bicheno FRANCIS (1812-1892) que as idealizou em meados do 
século XIX em instalações hidrelétricas nos EUA. Desde sua primeira concepção muitos aperfeiçoamentos foram feitos, tanto em 
termos hidráulicos, mecânicos e de instalação, de forma que atingem seus melhores valores de rendimento para quedas entre 10 e 
até 400 metros, portanto um dos mais versáteis modelos. 
 
As turbinas Francis possuem um rotor na forma de um cilindro vazado com a parede lateral formada por palhetas curvas. A água 
de entrada é dirigida por um tubo em espiral e um sistema de palhetas estáticas que a forçam a atravessar radialmente a parede 
do rotor, empurrando as palhetas deste. A água sai pela base do rotor praticamente com pressão e velocidade muito reduzidas. 
Possui pré-distribuidor e distribuidor. O pré-distribuidor é um conjunto de pás fixas, responsável por dar um ângulo de entrada para 
a água, aumentando o rendimento. O distribuidor é um conjunto de pás-móveis, responsável pelo controle da quantidade de água 
que entra no rotor, assim varia a potência gerada. 
 
 
 
As turbinas Francis tem dois modelos básicos em diversos arranjos: 
1) Rotor Simples (eixo horizontal ou vertical) 
2) Rotor Duplo 
 
 A Usina Hidrelétrica de Itaipu assim como a Usina Hidrelétrica de Tucuruí, Furnas e outras no Brasil funcionam com turbinas tipo 
Francis com cerca de 60 a 100 m de queda d'água. 
 
Construída em duas etapas, a Usina Hidrelétrica de Tucuruí tem capacidade instalada de 8.370 MW. As obras da primeira casa de 
força - com 12 unidades geradoras de 350 MW, duas auxiliares de 22,5 MW e potência instalada de 4.245 MW - foram concluídas 
em dezembro de 1992. 
 
Em junho de 1998, foi iniciada a construção da segunda casa de força, com 11 unidades geradoras de 375 MW e potência 
instalada total de 4.125 MW, concluída em abril de 2007. 
 
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 
Diâmetro do rotor: 8,46m 
Engolimento nominal: 679m³/s 
 
Turbinas dos Grupos Auxiliares 
Tipo Francis 
Quantidade: 2 
Capacidade Nominal: 20 MW 
Queda nominal: 60,80m 
Rotação: 327,27 rpm 
Engolimento nominal: 39,50 m³/s 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Pelton 
 
As turbinas Pelton são chamadas assim devido ao nome de seu idealizador, Allan Lester Pelton, que em 1880 pôs em 
funcionamento o primeiro rotor com a forma atual. Este modelo de turbina especial para quedas altas até aproximadamente 1.200 
metros. 
 
 Nas turbinas Pelton não há palhetas estáticas e sim um conjunto de bocais ou injectores, cada qual com uma agulha móvel 
(semelhante a uma válvula) para controlar a vazão. Nessas turbinas, a pressão da água é primeiro transformada em energia 
cinética pelo bocal, que acelera a água até uma alta velocidade. O jato d'água é dirigido para uma série de conchas curvas 
montadas em torno do rotor. 
 
Turbinas Pelton trabalham com velocidades de rotação mais alta que os outrostipos. Elas são adequadas para operar entre 
quedas de 350 m até 1100 m, sendo por isto muito mais comuns em países montanhosos. Por outro lado as conchas podem sofrer 
erosão pelo efeito abrasivo da areia misturada com a água, comum em rios de montanhas. Elas tem eficiência constante dentro de 
uma ampla gama de condições de operação. 
 
 
 
As Turbinas Pelton são máquinas de ação, escoamento tangencial. Operam altas quedas e baixas vazões. Podem ser de um (01) 
jato, dois (02) jatos, quatro (04) jatos e seis (06) jatos. O controle da vazão é realizado na agulha e no injetor. As figuras abaixo 
mostram uma turbina Pelton de dois (02) jatos e com seus principais componentes. 
 
 
 
A tabela abaixo apresenta as velocidades específicas e quedas normalmente utilizados para os diversos tipos de turbina. 
 
Observa-se que, a turbinas Pelton são utilizadas em usinas de queda elevada, as turbinas Francis em usinas de queda 
intermediária e as turbinas Kaplan e de pás em usinas de baixa queda. 
 
Aplicação de Turbinas 
Tipo de Turbina Ns(rpm) H(m) 
Pelton 1 jato 18 800 
 1 jato 18-25 800-400 
 1 jato 26-35 400-100 
 2 jato 36-50 800-400 
 2 jato 51-71 400-100 
 4 jato 40-71 400-100 
 6 jato 71-90 500-100 
Francis muito lenta 55-70 600-200 
 lenta 71-120 200-100 
 normal 121-200 100-70 
 rápida ou Deriaz 201-300 70-25 
 extra-rápida 301-450 25-15 
Kaplan, Bulbo, Propeller, Tubulares e Straflo 8 pás 250-320 70-50 
 7 pás 321-430 50-40 
 6 pás 431-530 40-30 
 5 pás 534-620 30-20 
 4 pás 624-.. 30 
 
 
 
 
A Usina Hidrelétrica Parigot de Souza, no Paraná, tem 4 turbinas tipo Pelton de 65 MW, com queda bruta normal de 754 m, possui 
a potência de 260 MW. 
 
Projetada em meados da década de 1950 para sustentar o processo de desenvolvimento de toda a porção leste do Estado 
do Paraná nas décadas seguintes, como parte de um plano plurianual de expansão energética, o arranjo de operação desta usina 
ainda impressiona. Seu projeto, dimensões e características se baseiam num arranjo pouco comum, bastante original, porém 
inédito para o país na época. Consiste basicamente no aproveitamento do desnível de 754 metros entre o Rio Capivari, da bacia 
do Rio Ribeira, localizado no primeiro planalto paranaense - a 830 metros acima do nível do mar, represado com a construção de 
uma barragem de terra compactada de 58 metros de altura, e o Rio Cachoeira, da bacia litorânea. A transposição da água entre os 
dois rios se dá mediante sua captação no reservatório e sua canalização por meio de um túnel de adução de 14,1 Km, escavado 
na rocha e revestido com concreto armado. Este túnel de adução atravessa a Serra do Mar paranaense no trecho conhecido 
como Serra do Ibitiraquire, maciço onde estão as montanhas mais altas do sul do Brasil, como os Picos Caratuva e Paraná, este 
último onde estão localizadas as instalações da casa de força. No final da galeria de adução a água é lançada num conduto 
forçado, inclinado a 40º, com 1100 m de comprimento e 105 m de desnível, que despeja a água nas 4 turbinas tipo Pelton a uma 
velocidade de cerca de 426 Km/h, característica que faz com que esta usina opere com pequeno volume de água. Depois de 
movimentar as turbinas que rodam a 514 rotações por minuto (rpm) a água é então restituída ao curso do Rio Cachoeira por meio 
de uma galeria de fuga com 2200 m de extensão. 
 
 
 
A casa de força é totalmente subterrânea. As 4 turbinas Pelton de 65.000 kW de potência cada, transformadores, sala de válvulas, 
sala de máquinas e o centro de operações e controle estão localizados dentro do maciço montanhoso do Ibiteruçu, onde fica 
o Pico Paraná, a montanha mais alta da região sul do Brasil. Ali as grandes cavernas foram escavadas na rocha para compor as 
instalações da usina, acessíveis por estrada pavimentada, num túnel de 1050 metros de extensão. 
 
 
 
 
 
VELOCIDADE ESPECÍFICA E GEOMETRIA DAS TURBOMÁQUINAS