Tipos de Turbinas: Pelton, Kaplan e Francis

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AULA 3 Turbinas 
 - Definição 
 -Turbina Pelton 
 -Turbina Kaplan 
 -Turbina Francis 
Turbinas 
Definição: 
 
 As turbinas extraem energia do fluido (energia hidráulica), 
transformando-a em energia mecânica que pode ser aproveitada 
para realizar trabalho. 
 
 Epressão⇒Evelocidade⇒Emecânica 
 
 O conjunto de lâminas integrantes do eixo da turbina é 
chamado de rotor. São utilizadas para acionar sistemas 
mecânicos ou para acionar geradores de energia elétrica. 
Conforme o fluido de trabalho podem ser turbinas hidráulicas 
(água), turbinas eólicas (ar) ou turbinas a vapor e a gás. A Fig. 
1 mostra turbinas eólicas de eixo vertical e de eixo horizontal. O 
escoamento pode ser compressível como no caso das turbinas a 
vapor e gás ou incompressível como no caso das turbinas eólicas 
e turbinas hidráulicas. 
Turbinas 
Figura 1 Turbinas eólicas de eixo vertical (a) e de eixo horizontal (b) 
Tipos de Turbinas 
Turbinas Hidráulicas 
Turbinas 
Partes de uma turbina 
Gerador 
Eixo 
Rotor 
Saída 
Agua 
 O fluxo de água é recebido da adutora pelo duto de 
entrada e conduzido pela caixa espiral (onde as seções 
transversais são reduzidas) até o distribuidor (ou sistema 
diretor), que tem a função de distribuir a água por vários pontos 
de saída. Os pontos onde a água sai são chamados de bicos, 
eles fazem com que a água atinja as lâminas do impulsor que 
gira o eixo da turbina também chamado de rotor. O impulsor ou 
rotor consiste essencialmente em um disco provido de um 
sistema de lâminas, palhetas ou colheres (tipo de turbina 
dependente) em que atinge a água. A água sai do tubo de 
drenagem ou difusor no leito do rio. 
Caixa espiral Impulsor ou Rotor 
Classificação 
1) Quanto ao posicionamento do eixo 
Horizontal Vertical 
Kaplan Pelton 
2) Quanto a direção de escoamento 
Entra radial sai axial 
Entra axial sai axial 
Entra tangencial 
sai tangencial 
3) Quanto a forma dos canais entre as pás do rotor 
 
•As turbinas hidráulicas são classificadas de acordo com o 
processo de conversão da energia hidráulica em energia 
mecânica como: 
 
-TURBINAS DE AÇÃO ou IMPULSO 
 
-TURBINAS DE REAÇÃO 
 
3) Quanto a forma dos canais entre as pás do rotor 
Movimento por Ação Movimento por Reação 
Modelo Pelton 
Ação 
Modelo Francis 
Reação 
Modelo Kaplan 
Reação 
Modelo Pelton 
Ação 
TURBINAS DE AÇÃO 
 
•Transformam energia cinética em energia mecânica à pressão 
constante, normalmente à pressão atmosférica. 
 
•Exemplo de turbinas de ação: Turbinas Pelton, Turbinas Turgo, 
Turbinas Michel-Banki. 
 
Turbinas de Reação (Francis, Kaplan,) 
 
 
•Trabalha com uma diferença de pressão nos dois lados do rotor. 
 
•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. 
· 
1) Turbina Pelton 
Locais com grande 
desnível e pequena vazão 
2) Turbina Kaplan 
Locais com pequeno 
desnível e grande 
vazão 
Tipos de Turbina 
Tipos de Turbina 
3) Turbina Francis 
Locais com grande 
desnível e grande vazão 
Versátil 
Turbina Pelton 
 É uma turbina de ação, onde a principal característica é a 
velocidade do jato na saída do bocal, podendo chegar, entre 150 
a 180 m/s dependendo da queda. 
 
 O torque é gerado pela ação de um jato livre sobre a dupla 
concha do rotor Essa turbina foi idealizada cerca de 1880 pelo 
americano Pelton, é uma turbina de ação, onde sua caracterísitca 
principal é operar em altas quedas (entre 350 m até 2000 m), 
sendo mais comum em países montanhosos. 
 
 Cada bocal é controlado por um servo motor e tem uma 
válvula na forma de agulha, onde a posição da agulha define a 
vazão do jato. No bocal a pressão da água é convertida em 
velocidade. Os jatos de água ao se chocarem com as "conchas" 
do rotor geram o impulso. O torque é gerado pela ação de um jato 
livre sobre a dupla concha do rotor. 
 O número de bocais varia de dois a seis, igualmente 
espeçados angularmente para garantir um balanceamento 
dinâmico do rotor 
 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 a 
possibilidade de acionamento independente nos diferentes 
bocais, tem uma curva geral de eficiência plana, que lhe garante 
boa performance em diversas condições de operação. 
 
 Inicialmente, as turbinas eram montadas com eixo horizontal. 
Para acrescentar jatos e elevar a potência foram desenvolvidas 
turbinas com eixo vertical. Quanto maior o número de jatos, maior 
a potência útil que pode ser aproveitada, permitindo também a 
elevação da rotação e redução do diâmetro do rotor. 
 Basicamente a turbina consiste das seguintes partes: 
 
 Rotor ; 
 Bocal ou distribuidor . 
· O rotor é formado por pás com forma de concha O rotor 
trabalha parcialmente submerso no fluido e tem características 
bem distintas, ficando ao centro, cercado por bocais 
· As turbinas Pelton (Fig. 1) 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. As turbinas 
Pelton podem ter um ou vários jatos. 
Figura 1 Turbina hidráulica Pelton 
Turbina Pelton 
 
•·A velocidade e a pressão se mantém praticamente constante 
quando atravessam as pás do rotor. 
 
•·A expansão do fluido de alta para baixa pressão ocorre em 
bocais externos ao rotor da turbina. 
 
•Máquinas de ação, ou de impulso, escoamento tangencial. 
Operam em altas quedas (entre 350 a 1100 metros) ,velocidade 
elevada e baixas vazões. 
 
•São acionadas por um o mais jatos livres de alta velocidade, 
podem ser de um (01) jato, dois (02) jatos, quatro (04) jatos, 
(05 jatos) e seis (06) jatos. 
 
São acionadas por um o mais jatos livres de alta velocidade. 
O controle da vazão é realizado na agulha e injetor. 
 
O mecanismo de abertura e fechamento da agulha deve ser 
extremamente robusto e deve respeitar um tempo de 
comando adequado para que se evite efeitos dinâmicos no 
canal de alimentação (golpe de aríete). 
Turbina Pelton. 
Aplicação: 
 
Usina Hidrelétrica Governador Pedro Viriato Parigot de 
Souza (PR) ● 4 máquinas 
 
Usina Hidrelétrica Henry Borden (SP) ● 14 máquinas 
Turbina Kaplan 
 A tendência e também a necessidade de se obter rotores 
mais velozes levou a construção, por Victor Kaplan, das turbinas 
hélices. 
 
 A seguir, decorrente de pesquisas e experiências que 
mostravam haver uma estreita relação entre as potencias das 
hélices da roda, a abertura das aletas e o rendimento, construiu-
se uma turbina axial que basicamente consiste de um rotor, 
similar a hélice de navio, ajustada internamente na continuação 
de um conduto, com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a 
tubulação muda de direção. 
 Assim as turbinas deste tipo, com pás móveis no rotor, 
passaram a serchamadas de turbinas Kaplan, enquanto as pás 
fixas receberam o nome de turbinas Hélice. 
 
 Cada pá está individualmente presa à ogiva, possuindo 
movimento de rotação em torno de seus próprio eixo, mudando 
de ângulo. Este movimento é simultâneo para todas as pás. 
 
· As turbinas hidráulicas axiais ou de hélice são apropriadas para 
baixas quedas (da ordem de 30m) e grandes descargas. O 
receptor tem forma de hélice de propulsão com pás perfiladas 
aerodinamicamente. 
 
· As turbinas Kaplan (Fig.2) são semelhantes às turbinas de 
hélice que apresentam a possibilidade de variar o passo das pás 
de acordo com a descarga, permitindo maiores rendimentos. 
 
 
 
 
Figura 2 Turbina hidráulica Kaplan 
 Essas turbinas são comuns em baixas quedas; pensa-se 
atualmente, estender seu campo de aplicação para saltos 
médios, em consideração a sua grande flexibilidade de ação 
frente às variações de capacidade e também às variações de 
velocidade e queda, graças às regulação das pás motrizes. 
 
 Um novo conceito de turbina hélice: – pás reguláveis – 
 Grandes vazões e alturas moderadas 
 
 Turbina do tipo axial 
 
 Rendimento elevado e praticamente constante 
 
 Pode ser utilizada com quedas de 3m à 60m e vazão de 70 
a 800m³/s. 
 
 Grande flexibilidade de operação frente as variações de 
vazão e também altura de queda 
 
Turbinas 
Turbinas 
Aplicações 
 
Usina Hidrelétrica de Ferreira Gomes (AP) – 3 máquinas; 
 
Usina Hidrelétrica de Estreito (MA/TO) – 8 máquinas; 
 
Usina Hidrelétrica de Aimorés (MG/ES) – 3 máquinas; 
 
Usina Hidrelétrica de Porto Estrela (MG) – 2 máquinas; 
 
Usina Hidrelétrica de Lajeado (TO) – 5 máquinas; 
 
Usina Hidrelétrica Eng. Souza Dias (MS/SP) – 14 máquinas; 
 
Usina Hidrelétrica Mário Lopes Leão (SP) - 3 máquinas; 
 
 
 
Usina Hidrelétrica Monte Claro (RS)* - 2 máquinas; 
 
Usina Hidrelétrica 14 de Julho (RS)* - 2 máquinas 
 
Turbina Francis 
 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. 
 
 Suas características cobrem grande campo de rotação 
específica. Atualmente, podem ultrapassar a potência unitária de 
750 MW. São recomendadas para altura de 45 a 400m e vazão 
de 10 a 700m³/s. 
 É uma típica turbina de reação, pois recebe água sob 
pressão na direção radial e descarrega numa direção axial, 
havendo transformação tanto de energia cinética como de 
energia de pressão em trabalho; funciona com uma diferença de 
pressão entre os dois lados do rotor. 
 
. A água entra no rotor (Figura 3) pela periferia, após 
passar através das pás diretrizes as quais guiam o liquido em 
um ângulo adequado para a entrada das pás do rotor, deixando 
o mesmo axialmente em relação ao eixo. 
Figura 3 Turbina hidráulica Francis 
 Não recomenda-se o uso da turbina Francis, em usinas 
cuja água possua alto teor de sólidos em suspensão, que 
acarretam excessivo desgaste da roda por erosão. 
 
 As turbinas Francis podem ser instaladas de eixo 
horizontal ou vertical, sendo este ultimo mais comum nas usinas 
de grande potencia. 
 
 A curvatura das pás é relativamente complexa seguindo 
perfis pré-estabelecidos conforme a admissão da água no rotor 
 A turbina Francis é uma das mais difundidas e utilizadas 
no Brasil tanto para grandes quanto para pequenas, mini e 
microcentrais hidrelétricas, sendo mais aplicadas no Brasil em 
usinas hidrelétricas como: Usina hidrelétrica de Itaipu, Tucuruí, 
Foz do areia, Salto Pilão, Furnas e outras que funcionam com 
cerca de 100 m de queda d'água. 
 
 
Turbinas 
Turbinas 
Turbinas 
 A caixa caracol (espiral) para as turbinas de pequeno 
porte normalmente é fundida em aço ou ferro fundido e bi-
partida para facilitar a montagem e desmontagem do 
conjunto. 
 É projetada de maneira a garantir descargas parciais 
iguais em todos os canais formados pelas pás do distribuidor. 
 Para isso, sua seção é gradativamente decrescente no 
sentido do escoamento. 
 O distribuidor (ou sistema diretor) é constituído de um 
conjunto de pás dispostas em torno do rotor de maneira a 
ajustar um melhor ângulo de entrada para cada valor de 
vazão, diminuindo assim as perdas hidráulicas. 
 As pás possuem um eixo de rotação paralelo ao eixo 
da turbina e movimentam-se simultaneamente desde uma 
admissão máxima até o fechamento total. 
 
 
Caixa caracol (espiral) 
Cálculo da Potência da Turbina 
A potência instalada é dada pela fórmula:: 
 
P(Watts)= 1000x9,81xQxHxηhxηtxηg , ou 
 
P(C.V.)= (1000xQxHxηhxηtxηg)/75 
 
Onde: 
 
P= Potência instalada em (W) ou (CV) 
Q=Vazão (m³/s) 
H= Altura útil (m) 
Υ = Peso especificao da água (kgf/m³) 
η h = Eficiência hidráulica 
η t = Eficiência da turbina 
η g = Eficiência do gerador 
Referencia Bibliografica 
 
ftp://mecanica.ufu.br/LIVRE/Daniel/FEMEC41066%20-
%20Maquinas%20de%20Fluxo/Turbinas-Cap8/turbinas.pdf 
 
http://www.academia.edu/29377302/Turbinas_hidr%C3%A1ulicas
_Turbinas_de_a%C3%A7%C3%A3o_e_de_rea%C3%A7%C3%A
3o 
 
https://www.youtube.com/watch?v=7R3m-zL5d_E&t=206s 
 
https://www.youtube.com/watch?v=U2dU3ikHBjY