Estudo sobre Turbina Pelton

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ISSN: 1984-3151 
ESTUDO SOBRE TURBINA HIDRÁULICA PARA 
GERAÇÃO DE ENERGIA 
 
 
Daivid Guimarães1; Hamayann L.2; Jean Marcos3; Marcos Camargos4; 
Peterson Osvaldo5; Ramon Luiz6; Tarcísio Filho7; Wellerson Grosse8; 
Jessyca Proença9; Rhaiuri Carlos10; 
 
 
Deividbguimaraes@gmail.com1; hamayannloran@gmail.com2; 
jeanmarcos.a@hotmail.com3; Marcoscamargos63@gmail.com4; 
peterson.osvaldo@gmail.com5; ramonlss@hotmail.com6; 
tarcisiofilho76@gmail.com7; Wellerson.santos1@live.com8; 
jessyca.natielle1@gmail.com9; Rhaiuri@hotmail.com10; 
 
RESUMO: A maioria das turbinas hidráulicas utilizadas no mundo são do tipo Francis, pois funcionam em uma 
ampla faixa de vazão e queda. Pode-se também afirmar que a maior parte da potência hidráulica instalada até 
hoje, é gerada por este tipo de turbina. Por outro lado, ao se observar a construção mecânica de uma turbina 
Francis nota-se que dos três tipos mais usados ela é aquela que apresenta maior grau de complexidade 
mecânica. E dentre estas três, aquela mais simples mecanicamente é a turbina Pelton. Este trabalho visa 
desenvolver o cálculo hidrodinâmico de uma turbina Pelton, assim como obter o seu desenho de conjunto e fazer 
a modelagem em 3D. Sendo assim todos os detalhes destas máquinas serão mostrados exigindo um completo 
conhecimento sobre o modelo apresentado. Os dois desenhos em 2D e em 3D conjuntamente facilitam muito para 
a construção da máquina. Observa-se também que praticamente todas as empresas que projetam e fabricam 
estas turbinas não são brasileiras. Desta forma quanto mais estudos relativos ao projeto deste tipo de máquina, 
maior é a contribuição para que nosso país conquiste a tecnologia para o projeto e fabricação de turbinas Pelton. 
 
Palavras-Chaves: turbinas hidráulicas; ampla faixa de vazão; Francis; Pelton; Kaplan; complexidade mecânica; 
maquinas; hidrodinâmico; modelagem; turbinas; tecnologia; fabricação de turbinas; projetam. 
 
ABSTRACT: Most of the hydraulic turbines that are running in the world are the Francis type, because they are able 
to fit a wide range of head and flow. We also can declare that most of the installed hydraulic energy up to this date 
is generated by this type of turbine. On the other hand, if we pay attention to mechanical details of a Francis turbine 
we will see that among the three most used types it is the one that presents the more complex design. And, the 
simplest one is the Pelton type, whereas the Kaplan is the one less utilized. This work aims to develop the 
hydrodynamic calculation of a Pelton turbine as well as to obtain its assembly drawing and 3D modeling drawing. In 
this way all details must be shown therefore needing a complete knowledge about this issue. Both 2D and 3D 
drawings help much if one wants the machine to be running in its power house. It is well noted that most of the 
entities that design and manufacture the turbines are not Brazilian. In this way the more we study how to design. 
 
Keywords: hydraulic turbines; wide flow range; Francis; Pelton; Kaplan; mechanical complexity; machines; 
hydrodynamic; modeling; turbines; technology; turbine manufacturing; design. 
 
 
 
 
mailto:Deividbguimaraes@gmail.com
mailto:hamayannloran@gmail.com
mailto:jeanmarcos.a@hotmail.com
mailto:Marcoscamargos63@gmail.com
mailto:peterson.osvaldo@gmail.com
mailto:ramonlss@hotmail.com
mailto:tarcisiofilho76@gmail.com
mailto:Wellerson.santos1@live.com8
mailto:jessyca.natielle1@gmail.com9
mailto:Rhaiuri@hotmail.com
____________________________________________________________________________ 
 
1. INTRODUÇÃO 
O presente trabalho refere-se a um 
novo padrão de geração de energia 
alternativa, sem que cause danos ao meio 
ambiente. O Brasil apresenta condições 
favoráveis para este tipo de energia, nas 
últimas décadas as pequenas centrais de 
energia utilizando a geração por meio de 
turbinas hidráulicas estão despertando o 
interesse dos governantes e ambientalistas 
dos estados brasileiros por uma série de 
motivos entre quais se destacam: sociais, 
econômicos e ambientais, eles passaram a 
aderir essa geração de energia limpa devido 
à conscientização pelo meio ambiente. 
O sistema elétrico brasileiro opera 
de forma coordenada para minimizar custos 
globais de produção de energia elétrica. O 
aproveitamento adequado do potencial de 
geração de energia elétrica para sustentar o 
crescimento do país tem responsabilidade 
estratégica no desenvolvimento do mesmo, 
cada vez mais à necessidade de expansão 
do parque gerador nacional em 
atendimento, pois mensalmente é crescente 
à demanda por energia elétrica em nosso 
país. 
Por ser um país privilegiado por seu 
imenso potencial hidrelétrico, a matriz 
energética foi ao longo dos anos sendo 
moldada à base de grandes usinas 
hidrelétricas. As turbinas hidráulicas são as 
máquinas de fluxo mais significativo para o 
Brasil, pois são elas as responsáveis por 
produzir mais de 62% da energia elétrica 
gerada no país (ANAEL, 2015). O campo de 
aplicação dos diversos tipos de turbinas 
hidráulicas leva em consideração a altura de 
queda, a vazão e a potência. A partir dessas 
considerações despertou-se o interesse de 
projetar e analisar uma turbina, que possa 
gerar energia elétrica através da conversão 
da força mecânica para energia. O presente 
trabalho irá mostrar o funcionamento deste 
sistema. 
Analisando os resultados obtidos 
como: a potência útil, corrente e o tamanho 
da turbina, assim terão o rendimento e 
ganho energético, que pode ser utilizado 
para verificar a eficiência da turbina. 
2. MATERIAIS E MÉTODOS 
 2.1 EQUAÇÕES 
O dimensionamento do rotor da turbina 
seguiu o roteiro para cálculo de rotor axial para 
turbina hidráulica do tipo Kaplan, pelo método do 
vórtice potencial, proposto por HENN, 2010. Com este 
roteiro é possível determinar a forma da pá do rotor 
para o projeto sugerido. 
A partir do dimensionamento do rotor, será 
apresentado o projeto mecânico da turbina portátil, 
onde será proposta uma concepção de turbina para 
satisfazer as necessidades do projeto. 
Para o projeto da turbina Pelton, leva-se em 
consideração os dados a qual estão informados na 
tabela a seguir. Indicando as características como 
diâmetro externo da turbina, velocidade da corrente 
de água entre outros citados. 
 
 
 
 
 
 
 
3 
Figura 1: Características da turbina Hidráulica. 
 Descrição de Características Unidade 
de Diâmetro externo da turbina m 
di Diâmetro interno da turbina m 
v Velocidade da corrente da água m/s 
 % Rendimento global da turbina ח
n Rotação da turbina rpm 
p Densidade do fluido Kg/m³ 
N Número de pás 
Fonte: projeto de turbina hidráulica, 
 Unijui, 2015. 
 
A partir da definição destes dados, pode-se 
dar início ao desenvolvimento dos cálculos seguindo o 
roteiro para cálculo de um rotor axial para turbina 
hidráulica do tipo Kaplan pelo método do vórtice 
potencial, proposta por HENN (2010). 
Inicialmente precisa-se encontrar a área de 
passagem do fluido, calculado através da Equação 
citada abaixo. 
 
 
Com o resultado da Equação da área da 
passagem do fluido, pode-se encontrar a vazão com 
que o fluido deverá passar pela turbina, a partir da 
equação descrita abaixo. 
 
 
 
O salto energético disponível foi considerado 
como sendo a velocidade da corrente da água 
dividido por dois, por ser uma turbina horizontal, 
poderá ser calculado pela Equação descrita abaixo. 
 
 
 
 
Conhecendo os valores de Q e Y, pode-se 
encontrar o valor da velocidade de rotação 
específica, o qual está associado à forma e as 
proporções dos rotores de máquinas de fluxo e é uma 
informação fundamental para a seleção do tipo de 
máquina mais adequada para determinada situação. 
A Equação a seguir, será utilizada para calcular esta 
variável. 
 
 
Com os dados das Equações de vazão e 
salto de energia, podemos obter agora para os 
cálculos da potência disponível, potência absorvidapela turbina, que calculamos através da fórmula 
abaixo. 
 
 
 
Já a potência útil na turbina, potência no 
Eixo da Turbina Pe (Potencia de entrada), será 
calculada pela equação (6). 
 
 
A partir desta etapa serão definidos o número 
e os diâmetros das superfícies a serem consideradas 
para os cálculos dos perfis do rotor. Quanto o maior 
número de superfícies adotadas, maior será a 
precisão do traçado das pás do rotor. Para o projeto 
proposto serão determinadas cinco superfícies, 
correspondendo ao diâmetro exterior d_5, ao diâmetro 
médio d_3, ao diâmetro interior d_1 e mais duas 
intermediárias a estas denominadas d_2 e d_4. Neste 
caso a distância radial entre os cortes cilíndricos 
da pá, deverá ser calculada pela equação (7): 
 
(1) 
(2) 
(3) 
(4) 
(5) 
(6) 
4 
 
 
Para cada diâmetro correspondente à 
superfície cilíndrica, considerando a velocidade 
tangencial que será calculada pela equação (8). 
 
Sabendo a velocidade tangencial para cada 
diâmetro determinado da turbina consegue-se calcular 
a variação da componente de giro da velocidade 
absoluta entre a entrada e a saída do rotor, através 
da equação (9). 
 
 
 
O valor do ângulo, ou seja, o ângulo que a 
velocidade forma com a direção da velocidade 
tangencial pode ser definido através da Equação (11). 
 
 
 
2.2. Resultados obtidos 
 
Com base nos cálculos realizados, foi 
desenhado e apresentado na Figura a seguir, 
seguindo rigorosamente os dados obtidos através dos 
cálculos apresentados anteriormente. 
 
 
Figura 2: Características da turbina Hidráulica. 
 Descrição de Características Valor Unidade 
de Diâmetro externo da turbina 0,295 m 
di Diâmetro interno da turbina 0,080 m 
v Velocidade da corrente da água 0,600 m/s 
 % Rendimento global da turbina 40,00 ח
n Rotação da turbina 90,00 rpm 
p Densidade do fluido 1000,0 Kg/m³ 
N Número de pás 4 
Fonte: estudo sobre turbina hidráulica, Uni-BH 2019. 
 
Dados calculados a partir das informações 
 
1) Área de Passagem do Fluido. 
A=Π/4(De^2-Di^2) 
de= 0,295 di= 0,08 x= 3,1416 
 
 Resultado da equação (unidade); 
A=0,061949435 m 
 
2) A Vazão 
Q=V.A 
v=0,6 A=0,0619 
 
 Resultado da equação (unidade); 
Q= 0,037169661 m³/s 
 
3) Salto Energético 
Y= v²/2 
v=0,6 
 Resultado da equação (unidade); 
Q= 0,018 J/Kg 
 
4) Potência Útil da Turbina 
Pe= pQYn 
p=1000 Q=0,0372 Y=0,018 n=40 
 
 Resultado da equação (unidade); 
Pe=2,676215592 W 
 
 
(7) 
(8) 
(9) 
(10) 
(11) 
5 
5) Potência Disponível 
P= pQY 
p=1000 Q= 0,0372 Y= 0,018 
 
 Resultado da equação (unidade); 
P= 6,69053898 W 
 
6) Distância Radial 
 b= (de - di)/4 
 de= 0,295 di=0,08 
 
 Resultado da equação (unidade); 
 b= 0,05375 m 
 
Gráficos obtidos através dos dados 
Calculados 
 
 ÁREA DA PASSAGEM DO FLUIDO 
 
Área de Passagem do Fluido. 
 
A=Π/4(De^2-Di^2) 
de= 0,295 di= 0,08 x= 3,1416 
 
 Resultado da equação (unidade); 
 
A=0,061949435 m 
 
 Figura 3: Gráfico da área de passagem do 
Fluido 
 
Fonte: Uni-BH, 2019. 
 
Após colocarmos os dados obtidos no gráfico, 
podemos perceber que a área da passagem do fluído 
irá manter fixo o seu crescimento, até atingir o máximo 
a qual e permitido. 
 
 
 
 
VAZÃO 
Q=V.A 
v=0,6 A=0,0619 
 Resultado da equação (unidade); 
Q= 0,037169661 m³/s 
 
Figura 4: Vazão da Corrente/Tensão 
 
Fonte: Uni-BH, 2019. 
 
Mostra a vazão da carga, em relação a 
corrente e tensão que será gerada pela passagem do 
fluido na turbina hidráulica. 
 
SALTO ENERGETICO DA TURBINA 
Y= v²/2 
v=0,6 
 Resultado da equação (unidade); 
Q= 0,018 J/Kg 
 
Figura 5: Salto de ganho energético 
 
Fonte: Uni-BH, 2019. 
 
Representa o ganho de energia nas turbinas 
hidráulicas com a rotação do eixo, que fará a 
conversão de energia mecânica em elétrica. 
x
di
de
0
1
2
3
4
1
2
x
di
de
6 
 
POTÊNCIA ÚTIL DA TURBINA 
 
Pe= pQYn 
p=1000 Q=0,0372 Y=0,018 n=40 
 
 Resultado da equação (unidade); 
Pe=2,676215592 W 
 
Figura 6: Potência do Trabalho Externo 
Fonte: Uni-BH, 2019. 
 
A Potência útil da turbina e a potência que a 
máquina utiliza na realização de um trabalho externo. 
 
POTENCIA DISPONÍVEL 
 
 P= pQY 
p=1000 Q= 0,0372 Y= 0,018 
 
 Resultado da equação (unidade); 
P= 6,69053898 W 
 
Figura 6: Potência Disponível 
 Fonte: Uni-BH, 2019. 
 
Pode se dizer que a potência disponível e a 
sobre o eixo por unidade de tempo, ou seja, e a 
potência que tenho disponível para alimentar a carga. 
DISTÂNCIA RADIAL 
 
 b= (de - di)/4 
 de= 0,295 di=0,08 
 
 Resultado da equação (unidade); 
 b= 0,05375 m 
 
Figura 7: Distância Radial os Diâmetros 
 
Fonte: Uni-BH, 2019. 
 
4. CONCLUSÃO; 
Após os testes, concluímos que a utilização 
da turbina hidráulica Pelton é viável, aonde se 
encontram grandes áreas com fluxo constante de 
correntezas, a qual pode girar o eixo mecânico da 
turbina. Isso se torna rentável, pois a geração de 
energia será maior, uma vez que a tensão e corrente 
se mantenham fixa para alimentar uma carga, devido 
à conversão de força mecânica para energia elétrica. 
Os dados colhidos após os estudos mostram 
que essa geração de energia, além de ser limpa, é 
uma nova fonte de geração. Podendo ser instalada em 
qualquer lugar a qual tenha uma correnteza de água 
fixa, levando em consideração o dimensionamento da 
do próprio equipamento. 
O seu baixo custo de produção se torna um 
meio acessivo para que possamos inibir a falta de luz 
em áreas rurais. As quais possuam córregos perto, e 
7 
sejam produtores de alimentos, derivados, entre 
outros. 
Sendo assim a Turbina Hidráulica e um ótimo 
meio de investimento, aonde podemos aumentar o 
incentivo para sua fabricação, minimizando assim os 
danos causados a natureza. 
 
 
5. Referências Bibliográficas 
 
Fonte:https://www.thingiverse.com/thing:3648905, 
acessado em 09 de setembro de 2019. 
Fonte:https://pt.wikipedia.org/wiki/Turbina_Pelton, 
acessado em 12 de setembro de 2019. 
Fonte:http://www.voith.com/br/produtos-e-
servicos/energia-hidreletrica/turbinas/turbinas-pelton-
563.html, acessado em 12 de setembro de 2019. 
Fonte:http://www.antonioguilherme.web.br.com/Arquiv
os/turb_hidro.php, acessado em 12 de setembro de 
2019. 
Fonte:https://energyeducation.ca/encyclopedia/Pelton_
turbine, acessado em 25 de setembro de 2019. 
 
HENN É. A. L. Máquinas de Fluído. 3. Ed. Santa 
Maria: UFSM, 2010. 
 
ANEEL, Agência Nacional de Energia Elétrica. Atlas 
de energia elétrica do Brasil. 2008. Disponível em: 
Acessado em 02 de Outubro de 2019. 
 
Artigo de TCC: Instrumentação de Turbina Hidráulica 
Baseada nos Conceitos de Manutenção Centrada em 
Confiabilidade, criado por Daniel Rodrigo Barreto 
Silva. Acessado em 12 de setembro de 2019. 
 
https://www.thingiverse.com/thing:3648905
https://pt.wikipedia.org/wiki/Turbina_Pelton
http://www.voith.com/br/produtos-e-servicos/energia-hidreletrica/turbinas/turbinas-pelton-563.html
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http://www.antonioguilherme.web.br.com/Arquivos/turb_hidro.php
https://energyeducation.ca/encyclopedia/Pelton_turbine
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