Turbinas Hidráulicas: Funcionamento e Tipos

Prévia do material em texto

Turbinas
As turbinas hidráulicas são projetadas para transformar a energia hidráulica (a energia de pressão e a energia cinética) de um fluxo de água, em energia mecânica. A turbina é composta pela caixa espiral, pelo pré-distribuidor, distribuidor, rotor e eixo, tubo de sucção.
Partes de uma Turbina:
1. Caixa Espiral
É uma tubulação de forma toroidal que envolve a região do rotor. Esta parte fica integrada à estrutura civil da usina, não sendo possível ser removida ou modificada. O objetivo é distribuir a água igualmente na entrada da turbina. É fabricada com chapas de aço carbono e soldada em segmentos. A caixa espiral conecta-se ao conduto forçado na secção de entrada, e ao pré- distribuidor na secção de saída.
2. Pré-distribuidor
A finalidade do pré-distribuidor é direcionar a água para a entrada do distribuidor. É composta de dois anéis superiores, entre os quais é montado um conjunto de palhetas fixas, com perfil hidrodinâmico de baixo arrasto, para não gerar perda de carga e não provocar turbulência no escoamento. É uma parte sem movimento, soldada à caixa espiral e fabricada com chapas ou placas de aço carbono.
3. Distribuidor
O distribuidor é composto por uma série palhetas móvel, acionadas por um mecanismo hidráulico montado na tampa da turbina (sem contato com a água). Todas as palhetas têm o seu movimento conjugado, isto é, todas se movem ao mesmo tempo e de maneira igual. O acionamento é feito por um ou dois pistões hidráulicos que operam numa faixa de pressão de 20 bar nas mais antigas, até 140 bar nos modelos mais novos. Estes pistões hidráulicos controlam o anel de regulação, ao qual estão acopladas as palhetas diretrizes. Há casos em que não há anel de regulação para sincronizar o movimento de abertura e fechamento das palhetas. Neste caso, são utilizados diversos servos motores, sendo cada um designado a movimentar uma única palheta diretriz. O distribuidor controla a potência da turbina, pois regula vazão da água. É um sistema que pode ser operado manualmente ou em modo automático, tornando o controle da turbina praticamente isento de interferência do operador.
4. Rotor e eixo
O rotor da turbina é onde ocorre a conversão da potência hidráulica em potência mecânica no eixo da turbina.
5. Tubo de sucção
Duto de saída da água, geralmente com diâmetro final maior que o inicial, desacelera o fluxo da água após esta ter passado pela turbina, devolvendo-a ao rio parte jusante da casa de força.
Tipos de turbinas
Em todos os tipos há alguns princípios de funcionamento comuns. A água entra pela tomada de água, a montante da usina hidrelétrica que está num nível mais elevado, e é levada através de um conduto forçado até a entrada da turbina. Lá a vazão volumétrica e controlada e fornecida ao eixo rotor da turbina. Devido a isto a água na saída da turbina estará a uma pressão bem menor do que a inicial. Após passar pelo rotor, um duto chamado tubo de sucção, conduz a água até a parte de jusante da casa de força no nível mais baixo. 
As turbinas hidráulicas podem ser montadas com o eixo no sentido vertical ou horizontal. Normalmente, devido ao seu alto custo e necessidade de serem instaladas em locais específicos, as turbinas hidráulicas são usadas apenas para gerar eletricidade. 
A eficiência de uma turbina é medida pela fração da energia total da fonte de energia primária (no caso a água) que é convertida em energia útil (no caso potência de eixo). 
Um ponto importante a ser observado são as perdas de energia nas turbinas. Elas podem ser hidráulicas e mecânicas. As perdas hidráulicas: a água tem que deixar a turbina com alguma velocidade, e esta quantidade de energia cinética não pode ser aproveitada pela turbina. As perdas mecânicas: são originadas por atrito nas partes móveis da turbina e calor perdido pelo aquecimento dos mancais. Tipicamente turbinas modernas têm uma eficiência entre 85% e 95%, que varia conforme a vazão de água e a queda líquida. 
Atualmente são mais encontradas em usinas grandes usinas hidrelétricas, mas também podem ser usadas para geração de energia em pequena escala. Elas dividem-se em diversos tipos, sendo quatro deles os principais: Pelton, Francis, Kaplan, Bulbo. Cada um destes tipos é adaptado para funcionar em usinas, com uma determinada faixa de altura de queda e vazão. 
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). 
O projeto de uma turbina hidráulica PCH é específico para cada usina hidrelétrica. Isto se deve ao fato de que a seleção de uma turbina hidráulica é baseada na queda e vazão disponíveis no local onde a turbina será instalada, o que resultará em máquinas com rotações, diâmetros e potências diferentes, resultando em projetos quase que exclusivos para cada usina ou mini usina. 
Peltron
Nas turbinas Pelton não há palhetas estáticas e sim um conjunto de bocais ou injetores, cada qual com uma agulha móvel (semelhante a uma válvula) para controlar a vazão. Nessas turbinas, a pressão da água é transformada primeiramente 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 outros tipos. Elas são adequadas para operar entre quedas de 350 m até 1100 m, por isso são muito mais comuns em países montanhosos. Por outro lado às conchas pode sofrer erosão pelo efeito abrasivo da areia misturada com a água, comum em rios de montanhas. Elas têm eficiência constante dentro de uma ampla gama de condições de operação.
A Usina Hidrelétrica Parigot de Souza, no Paraná, tem 4 turbinas tipo Pelton de 65 MW, com queda bruta normal de 754 m.
Francis
São adequadas para operar entre quedas de 40 m até 400 m. 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 100 m de queda d' água, como a figura apresentada no topo deste trabalho. 
Kaplan 
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.
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 73 MW e 75 MW, respectivamente.