Eletrotécnica - Aula 11 - Turbinas

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ELETROTÉCNICA
Prof. Maurício Caldora Costa
AULA 11 – Turbinas Hidráulicas
Introdução.
A energia elétrica pode ser gerada através de fontes
renováveis de energia (a força das águas e dos ventos, o sol e
a biomassa),
Tipos de turbinas de geração de energia elétrica
VentoÁgua BiomassaSol
Tipos de turbinas de geração de energia elétrica
Introdução.
ou não renováveis (combustíveis fósseis e nucleares). No
Brasil, a opção hidráulica é mais utilizada através das usinas
hidrelétricas.
Combustível fóssil Combustível nuclear
Introdução.
Uma usina hidrelétrica pode ser definida como um
conjunto de obras e equipamentos cuja finalidade é a geração
de energia elétrica, através de aproveitamento do potencial
hidráulico existente em um rio. As partes principais de uma
usina hidrelétrica são: a barragem, as comportas e o
vertedouro, e a casa de máquinas, onde estão instalados os
geradores acoplados às turbinas. Para transformar a força das
águas em energia elétrica, a água represada passa por dutos
forçados, gira a turbina que, por estar interligada ao eixo do
gerador, faz com que este entre em movimento, gerando a
eletricidade. [SCHREIBER, 1977]
Tipos de turbinas de geração de energia elétrica
Tipos de turbinas hidráulicas.
Tipos de turbinas de geração de energia elétrica
A turbina hidráulica possui uma grande variedade de
formas e tamanhos, efetua a transformação da energia
hidráulica em energia mecânica. E 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).
Tipos de turbinas hidráulicas.
Tipos de turbinas de geração de energia elétrica
Em todos os tipos há alguns princípios de
funcionamento comuns. A água entra pela tomada
d´àgua, a montante da usina que está numa nível
maior, e é levada através de um conduto forçado até a
entrada da turbina. Lá a água passa por um sistema 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.
Classificação dos Tipos de turbinas hidráulicas.
Tipos de turbinas de geração de energia elétrica
De acordo com a queda dágua os principais tipos de
turbina hidráulica são respectivamente:
Pelton
Francis
Kaplan
Bulbo
Turbina Pelton.
Tipos de turbinas de geração de energia elétrica
Essa turbina foi idealizada cerca de 1880 pelo americano Pelton de onde se originou o 
nome.
São adequadas para operar entre quedas de 350 m até 1100 m, sendo por isto muito 
mais comuns em países montanhosos.
Este modelo de turbina opera com velocidades de rotação maiores que os outros, e
tem o rotor de característica bastante distintas. O que se vê é o rotor ao centro,
cercado por bocais. Cada bocal é controlado por um servo motor e tem uma válvula na
forma de agulha para o controle da vazão. Os jatos de água ao se chocarem com as
"conchas" do rotor geram o impulso.
Dependendo da potência que se queira gerar podem ser acionados os 6 bocais
simultaneamente, ou apenas cinco, quatro, etc... O número normal 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.
Tipos de turbinas de geração de energia elétrica
Turbina Pelton.
Turbina Francis.
Tipos de turbinas de geração de energia elétrica
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.
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.
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.
A vazão trazida até a turbina pelo conduto forçado é dirigida em direção radial para a
roda e, ao sair, ganha uma direção axial indo para o canal de fuga através do tubo de
sucção.
A roda Francis apresenta um íntimo contato com a água que percorre os seus canais,
não sendo, por isto, recomendável o seu emprego 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 potência.
Tipos de turbinas de geração de energia elétrica
Turbina Francis.
Caracol da Turbina Francis - Usina de Belo Monte
Turbina Kaplan.
Tipos de turbinas de geração de energia elétrica
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 potências das hélices das roda, a abertura das aletas e o rendimento,
construiu-se uma turbina dotada de um dispositivo de regulagem que possibilitasse as
hélices acompanharem a variação das aletas.
Assim, as turbinas deste tipo, com pás móveis no rotor, passaram a ser chamadas 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.
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.
Tipos de turbinas de geração de energia elétrica
Turbina Kaplan.
Turbina Bulbo.
Tipos de turbinas de geração de energia elétrica
A turbina bulbo apresenta-se como uma solução compacta da turbina Kaplan,
podendo ser utilizada tanto para pequenos quanto para grandes aproveitamentos. Se
caracteriza por ter o gerador montado na mesma linha da turbina em posição quase
horizontal e envolto por um casulo que o protege do fluxo normal da água.
É empregada na maioria das vezes para aproveitamentos de baixa queda e quase
sempre a fio d’água. Sua concepção compacta de uma turbina Kaplan reduz
consideravelmente o volume das obras civis, tornando a mesma de menor custo. Em
compensação, o custo do equipamento eletromecânico, turbina e gerador é maior que
os das turbinas convencionais, pela tecnologia e processos de fabricação aplicáveis
em termos de ajustes e vedações.
Tipos de turbinas de geração de energia elétrica
Turbina Bulbo.
Usina hidroelétrica
Tipos de turbinas de geração de energia elétrica
Usina eólica
Tipos de turbinas de geração de energia elétrica
Energia solar
Tipos de turbinas de geração de energia elétrica
12vcc/220ca
Sol
Gerador
Fotovoltaico Acumulador Inversor Consumidor
ENERGIA SOLAR
Usina termoelétrica
Tipos de turbinas de geração de energia elétrica
Biomassa Caldeira Turbina Gerador
Rede Elétrica
ConsumidorUsina termoelétrica
Tipos de turbinas de geração de energia elétrica
Usina nuclear
Tipos de turbinas de geração de energia elétrica
Biomassa Caldeira Turbina Gerador
Rede Elétrica
Consumidor
Barragens
Tipos de turbinas de geração de energia elétrica
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.
Comportas
Tipos de turbinas de geração de energia elétrica
Permitem isolar a
água do sistema
final de produção
da energia
elétrica, tornando
possíveis, por
exemplo,
trabalhos de
manutenção.
Vertedouro
Tipos de turbinas de geração de energia elétrica
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.
Vertedouro da UHE Coaracy Nunes
Vazão por Comporta 1200m3/seg
Casa de máquinas
Tipos de turbinas de geração de energia elétrica
Prédio
onde estar instado os
geradores de energia
elétrica e suas
respectivas turbinas,
bem como os seus
auxiliares como bomba
de óleo, compressor, e
etc.