TCC Geração de Energia Elétrica por Hidrelétrica com Turbina Bulbo

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UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SA
ENGENHARIA ELÉTRICA
Adalberto Marinho de Melo 
 Deivy da Costa Rangel 
Geração de Energia Elétrica Por Hidrelétricas com Turbinas Bulbo
NITERÓI
2015
UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SA
ENGENHARIA ELÉTRICA
Adalberto Marinho de Melo 
 Deivy da Costa Rangel 
Geração de Energia Elétrica Por Hidrelétricas com Turbinas Bulbo
Monografia apresentada ao Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Estácio de Sá, como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Engenharia Elétrica, sob a orientação da Prof.ª Márcia Ricetta.
Aprovada em 00 de Julho de 2015.
Banca Examinadora:
	______________________________________________
	Profº Nome do Professor Escolhido (Orientador), Titulação.
	Faculdade de Engenharia – UNESA 
	______________________________________________
	Profº Nome do Professor da Banca 1, Titulação
	Faculdade de Engenharia – UNESA 
	______________________________________________
	Profº Nome do Professor da Banca 2, Titulação
	Faculdade de Engenharia – UNESA 
Niterói
2015
DEDICATÓRIA
Espaço destinado à Ficha Catalográfica Elaborada pela Biblioteca
Autorizo apenas para fins acadêmicos e científicos, a reprodução total ou parcial desta monografia, desde que citada a fonte.
	_________________________________________
	
	_____________________
	Assinatura
	
	Data
ERRATA
AGRADECIMENTOS
Dedicamos este trabalho as nossas famílias
pelo incentivo e apoio que nos foi dado
Diariamente para vencer esta batalha
Resumo
Geração de energia elétrica por hidrelétrica com turbinas Bulbo. Monografia, Universidade Estácio de Sá, 2015. A energia nas suas mais diversas formas, é indispensável para sobrevivência da espécie humana, atende às necessidades da sociedade em geral, movimento a indústria, o transporte, o comércio e demais setores econômicos do Brasil e do mundo, devemos sempre realizar busca por inovações e tecnologia para emprega nos problemas encontrados. Apresenta-se nesse trabalho um estudo sobre turbinas hidráulicas tipo bulbo, que é uma da mais moderna tecnologia em utilização no mundo e no Brasil, esse tipo de turbina permite a geração de energia elétrica com baixa queda de água e dispensa a formação de grande reservatório. Essa pesquisa visa explanar sobre este tipo de turbina e as suas características, bem como as vantagens e desvantagens, das quais podem ser avaliadas detalhadamente na mesma, abordando de forma simples a teoria.
Palavras-chave: Turbinas Hidráulicas, Geração de Energia e Turbinas Bulbo.
aBSTRACT
Power generation by hydroelectric turbines with bulb. Monograph, Estacio de Sa University, 2015.The energy in its various forms, is indispensable for human survival, meets the needs of society in general, move to industry, transport, trade and other economic sectors in Brazil and the world, we should always conduct search for innovations and technology employs the problems encountered. It is presented in this paper a study of hydraulic turbines type bulb, which is one of the most modern technology in use worldwide and in Brazil, this type of turbine allows the generation of electricity with low head of water and eliminates the formation of large reservoir. This research aims to explain this type of turbine and features the advantages, disadvantages which can be assessed in the same detail, addressing simply theory.
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 ----------------------------------USINA Rheinfelden, Alemanha/Suíça
FIGURA 2 ----------------------------------Hélice/Pás da Turbina
FIGURA 3 ----------------------------------Usina Baguari, Brasil
FIGURA 4 -----------------------------------Corte Transcersal da Turbina Buldo
FIGURA 5 -----------------------------------Gráfico de Altura/Potência
LISTA DE TABELA
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
LISTA DE SÍMBOLOS
SUMÀRIO
141
INTRODUÇÃO
151.1
Objetivo da pesquisa
151.1.1
Turbinas Bulbo
162
DESENVOLVIMENTO
162.1
Turbinas Hidráulicas
173
HISTÓRICO
184
USINAS COM ESSA TECNOLOGIA PELO MUNDO
184.1
Rheinfelden, Alemanha/Suíça
204.1.1
Baguari, Brasil
215
CONFIABILIDADE/VANTAGENS
215.1
Confiabilidade e extensa vida útil..
215.1.1
Vantagens do modelo bulbo
6. Componentes de uma Turbina Bulbo..........................................................22
6.1 Bulbo 
6.2 Tubos de acesso
6.3 Câmaras de Adução
6.4 Distribuidores e Pré-Distribuidor
6.5 Rotores Kaplan
6.6 Gerador
228
Referências
1 INTRODUÇÃO
Para produzir a energia hidrelétrica é necessário integrar a vazão do rio, a quantidade de água disponível em determinado período de tempo e os desníveis do relevo, sejam eles naturais, como as quedas d’água, ou criados artificialmente.
Já a estrutura da usina é composta, basicamente, por barragem, sistema de captação e adução de água, casa de força e vertedouro, que funcionam em conjunto e de maneira integrada. A barragem tem por objetivo interromper o curso normal do rio e permitir a formação do reservatório. Além de “estocar” a água, esses reservatórios têm outras funções: permitem a formação do desnível necessário para a configuração da energia hidráulica, a captação da água em volume adequado e a regularização da vazão dos rios em períodos de chuva ou estiagem. Algumas usinas hidroelétricas são chamadas “a fio d’água”, ou seja, próximas à superfície e utilizam turbinas que aproveitam a velocidade do rio para gerar energia. Essas usinas a fio d’água reduzem as áreas de alagamento e não formam reservatórios para estocar a água, ou seja, a ausência de reservatório diminui a capacidade de armazenamento de água, única maneira de poupar energia elétrica para os períodos de seca. Os sistemas de captação e adução são formados por túneis, canais ou condutos metálicos que têm a função de levar a água até a casa de força. É nesta instalação que estão às turbinas, formadas por uma série de pás ligadas a um eixo conectado ao gerador. Durante o seu movimento giratório, as turbinas convertem a energia cinética (do movimento da água) em energia elétrica por meio dos geradores que produzirão a eletricidade. Depois de passar pela turbina, a água é restituída ao leito natural do rio pelo canal de fuga. Os principais tipos de turbinas hidráulicas são: Pelton, Kaplan, Francis e Bulbo. Cada turbina é adaptada para funcionar em usinas com determinada faixa de altura de queda e vazão. A turbina tipo Bulbo é usada nas usinas fio d’água por ser indicada para baixas quedas e altas vazões, não exigindo grandes reservatórios. (REFERÊNCIA)
Por último, há o vertedouro. Sua função é permitir a saída da água sempre que os níveis do reservatório ultrapassam os limites recomendados. Uma das razões para a sua abertura é o excesso de vazão ou de chuva. Outra é a existência de água em quantidade maior que a necessária para o armazenamento ou a geração de energia. Em períodos de chuva, o processo de abertura de vertedouros busca evitar enchentes na região de entorno da usina.
1.1 Objetivo da pesquisa
 
Este trabalho tem como objetivo apresentar as principais características, vantagem e desvantagem do uso das turbinas Bulbos na geração de energia elétrica.
1.1.1 Turbinas Bulbo 
 Um grupo bulbo é caracterizado por possuir o conjunto turbina-gerador de eixo horizontal instalado no interior de uma cápsula, denominada bulbo, que opera dentro do escoamento. 
 
A turbina Bulbo é uma turbina de reação do tipo Kaplan, sendo utilizada para as quedas mais baixas. Elas praticamente substituíram as turbinas Kaplan para quedas inferiores a 25 m.
 
Isso se deve ao fato do escoamento ser mantido praticamente retilíneo nas instalações Bulbo, o que lhes confere melhor eficiência hidráulica e contribui para redução de custo e tamanho das instalações. 
Dependendo das necessidades específicas, as turbinas Bulbo podem ser modificadas para também operar como bombas em ambas as direções do escoamento. 
 
 A diferença principal com a turbina Kaplan tradicional é que o escoamento ocorre na direção axial-radial pelas pás, ao invés de ser conduzido por uma espiral.No cenário atual do Brasil com racionamentos esse tipo de turbina será mais frequente em novas usinas. (ref: VOITH)
2 DESENVOLVIMENTO
2.1 Turbinas Hidráulicas
Turbinas hidráulicas são máquinas que transformam a energia proveniente da água em energia mecânica para posterior geração de energia elétrica.
3 HISTÓRICO 
1921 - Defour iniciaram os estudos para melhoria das turbinas Kaplan visando a viabilização em baixas quedas, sendo prosseguido por Bernshtein, Thomas e Mueller 
27/12/1933 – Arno Fisher patenteia as turbinas de bulbo
1936 – A firma Escher Wyss constrói as primeiras turbinas bulbo. (REFERÊNCIAS)
4 USINAS COM ESSA TECNOLOGIA PELO MUNDO
 
As primeiras unidades Bulbo construídas datam da década de 30, entretanto o desenvolvimento desta tecnologia só se deu a partir da década de 50 com o estudo das unidades reversíveis maremotrizes, na França. Ao longo do tempo, diversas unidades Bulbo foram sendo construídas, com potências e dimensões cada vez maiores, culminando, em 1989, com a entrada em operação da unidade de Tadami, no Japão, com 65,8 MW de potência, queda de 19,8 m e diâmetro do rotor igual a 6,70 m. Até os dias de hoje, esta é a unidade Bulbo de maior capacidade instalada. 
 As unidades destinadas à Usina de Jirau com 75 MW passarão a ser, portanto, as de maior capacidade em todo o mundo. Em termos dimensionais, os diâmetros estimados dos rotores das turbinas de Jirau e Santo Antônio serão de 7,94m e 8,15m, respectivamente. A Usina de Murray Lock, nos EUA, possui rotores de turbina com 8,41m. Como o fluxo é axial, ou seja, paralelo ao eixo, as passagens hidráulicas das unidades Bulbo são mais simples e o comprimento da passagem hidráulica é mais curto do que as das unidades de eixo vertical. Tais características são importantes em usinas de baixa queda, pois minimizam as perdas de energia.
4.1 Rheinfelden, Alemanha/Suíça
 Figura 1 - USINA Rheinfelden, Alemanha/Suíça .Fonte VOITH
Em setembro de 2011 foi novamente conectada à rede a usina hidrelétrica de Rheinfelden, localizada na fronteira da Alemanha com a Suíça. Após um período de quase oito anos em obras, as operadoras agora podem gerar o triplo da eletricidade que produziam nesta usina hidrelétrica do Reno graças à instalação de quatro novas turbinas bulbo da Voith. A produção subiu para 600 milhões de quilowatts por ano. Essa quantidade de energia é suficiente para abastecer 170.000 domicílios com energia ecológica.
 
Figura 2 - Turbinas Bulbo da Voith. Fonte VOITH
A usina hidrelétrica de Rheinfelden, que já havia sido colocada em funcionamento em 1898, e foi a primeira grande usina hidrelétrica na história da produção de eletricidade europeia, e contribuiu de forma significativa para a industrialização e o consequente crescimento econômico de toda a região.
Desde 1928, a Voith tem sido contratada repetidamente para prestar serviços técnicos e de manutenção em Rheinfelden e, no final de 2006, foi contratada para fornecer os equipamentos na reforma da usina. Tratava-se do projeto com o maior investimento na área de energias renováveis de toda a Alemanha.
4.1.1 Baguari, Brasil
 Figura 3 - Usina Baguari, Brasil. Fonte VOITH
A Voith forneceu todo o equipamento eletromecânico dessa usina hidrelétrica brasileira, situada a 600 quilômetros ao norte do Rio de Janeiro.
 Com quatro turbinas tipo bulbo, Baguari fornece um total de 140 MW de energia para a rede brasileira. As máquinas que a Voith forneceu para essa usina foram completamente fabricadas no Brasil. A primeira das quatro unidades já havia sido instalada em Setembro de 2009, três meses antes do cronograma.
 Baguari é o primeiro projeto hidrelétrico a ser instalado no âmbito do Programa de Aceleração do Crescimento (PAC) brasileiro. Um dos objetivos do PAC é o aumento da geração de energia elétrica. O Brasil possui água e rios em abundância, portanto, as usinas hidrelétricas ocuparão um papel de destaque nesse plano.
5 CONFIABILIDADE/VANTAGENS
 
O desenvolvimento hidráulico, projeto e fabricação de turbinas bulbo/poço vem sendo significativamente influenciado pela Voith há décadas. Os requisitos específicos de cada projeto determinam o maquinário hidrelétrico mais indicado para cada caso
5.1 Confiabilidade e extensa vida útil.
A utilização de turbinas poço proporciona vantagens únicas. Seu projeto garante uma boa acessibilidade aos vários componentes da turbina, assegurando confiabilidade e uma extensa vida útil.
5.1.1 Vantagens do modelo bulbo
A maior eficiência em cargas máximas, além da maior capacidade de vazão das turbinas bulbo e poço proporcionam maiores vantagens em comparação com as turbinas Kaplan verticais. Na avaliação geral de um projeto de baixa queda (até 30 m), a aplicação de uma turbina bulbo/poço permite alcançar uma maior produção anual de energia, além de custos relativos de fabricação mais baixos. A Voith já comissionou, com sucesso, turbinas com diâmetros de rotor de até 8,5 m e potências de até 80 MW.
 Há uma redução da ordem de 10 a 15 % no peso total de uma turbina bulbo, quando comparada com uma turbina Kaplan e consequentemente a mesma proporção na redução do custo; 
 Devido ao aumento da rotação, a roda da turbina deve estar em um nível mais baixo que o nível mínimo do canal de fuga, para que haja menor efeito de cavitação. A instalação nesta posição é mais fácil com uma turbina tipo bulbo do que com uma Kaplan, o que lhe dá um menor efeito de cavitação; 
 É sensível a economia na área civil, onde a redução pode chegar a 50 % em comparação com uma usina convencional. As principais razões são a menor necessidade de escavação, por não ser utilizado o joelho do tubo de sucção, a casa de força possui dimensões reduzidas no comprimento, devido à menor distância entre as linhas de centro dos grupos e na altura devido à necessidade de ser apenas compatível com o diâmetro da roda da turbina. Além disso, por possuir o sistema bulbo, cujo peso é menor, também se reduz o reforço da estrutura da casa de força; 
 É necessário um tempo de construção da usina 25 % menor do que uma equivalente Kaplan, o que reduz o custo de mão de obra e encargos; 
 Menor área de represamento, o que significa um custo menor de desapropriação e indenização, com perda menor de áreas férteis e um impacto ambiental reduzido.
Figura 4 - Corte Transcersal da Turbina Buldo. Figura 5 - Gráfico de Altura/Potência 
Fonte VOITH. 
5.1.2 Desvantagens
 Reduzida acessibilidade ao gerador. Porém no atual estágio de desenvolvimento dos hidrogeradores e dos materiais empregados, as máquinas requerem pouca manutenção, necessitando somente uma manutenção regular nas escovas caso se opte por um sistema de excitação estático. Esta desvantagem pode ser eliminada com a opção por um sistema de excitação do tipo “brushless”. 
 Devido ao reduzido diâmetro do rotor, o momento de inércia intrínseco à máquina pode ser insuficiente, o que pode requerer a utilização de volantes e o que provavelmente resultaria em um encarecimento do gerador. 
 As solicitações mecânicas no rotor durante a rotação de disparo e o diâmetro reduzido deste, podem resultar em um limite para a relação da rotação de disparo à velocidade nominal, o que tornaria inexequível um acionamento direto do gerador, o que representa a solução mais econômica e mais segura para o arranjo das máquinas. Neste caso seria necessário instalar um redutor de velocidade entre a turbina e gerador, o que certamente encareceria o equipamento.
 Fonte VOITH
6. Componentes de uma Turbina Bulbo
A Fig. 1 apresenta a localização dos principais componentes em um grupo bulbo. 
A Tabela I relaciona os números da Fig. 1 com os nomes dos respectivos componentes.
Fig. 1. Visão de um corte longitudinal de um grupo bulbo
6.1 Bulbo 
Cápsula que contém todo o grupo gerador
6.2 Tubos de acesso
Escada para o acessode operadores
6.3 Câmaras de Adução
É posicionada na região final da queda d'água
6.4 Distribuidores e Pré-Distribuidor
É um conjunto de elementos que tem por finalidade dirigir o escoamento e controlar a vazão para o rotor.
O pré-distribuidor é fixo, e tem duas funções básicas: Direcionamento do fluxo sem perturbações e função estrutural em máquinas verticais.
O distribuidor tem como principal função a regulação da vazão em máquinas radiais.
6.5 Rotores Kaplan
 Rotor Kaplan é o elemento rotativo da turbina onde se transforma a energia do escoamento da água em trabalho mecânico.
Com relação às pás do rotor, a maioria das turbinas bulbo possui pás móveis, como as Kaplan. Entretanto, há também construções com pás fixas, do tipo hélice. Este tipo de construção, com rotor do tipo hélice, é rara porque exige uma mínima variação do fluxo hidráulico e consequentemente, da altura da lâmina d’água. O rotor pode ser subdividido em três partes: cubo, ogiva ou cone e pás.
6.6 Gerador
Acoplado no eixo que está conectado no, é responsável pela conversão do trabalho mecânico em de energia elétrica.
7. Funcionamento
1. A água entra pela câmara de adução e é levada através de um conduto forçado percorrendo o perfil da turbina paralelamente ao seu eixo até o distribuidor.
2. No distribuidor a água passa por um sistema de palhetas guia móveis que controlam a vazão volumétrica fornecida à turbina.
3. Para se aumentar a potência as palhetas são abertas (aumentando a vazão), para diminuir a potência elas se fecham. Após passar por este mecanismo a água chega ao rotor da turbina.
4. Por transferência de quantidade de movimento parte da energia potencial da água é transferida para o rotor na forma de torque, que adquire uma velocidade de rotação. Devido a isto a água na saída da turbina está a uma pressão pouco menor que a atmosférica, e bem menor do que a inicial.
5. Após passar pelo rotor a água é conduzida pelo tubo de descarga até um rio.
6. O movimento de rotação da turbina é transmitido pelo eixo até o gerador.
7. A energia mecânica contida na rotação do eixo induz um campo eletromagnético no gerador.
8. Dimensionamento
8.1 Potência Útil
N = 
8.2 Velocidade Específica
ns = 
Com o valor de ‘ns’ olhar o valor de ‘us’ na tabela abaixo
ns 400 450 500 600 700 900 1000
us 1,3 1,4 1,5 1,7 2,0 2,2 2,4
8.3 Dimensões Principais do Rotor
8.4. Diâmetro externo do rotor D1
D1 = (4,8 a 5,5)* 
D1 = 
D1 = 
Essa última equação é usada para calcular o diâmetro D1
8.5 Diâmetro do cubo
d1=(0,4 a 0,5)*D1
8.6 Seção livre de passagem de água pela turbina(área entre o cubo e a extremidade da pá)
S = (D1² - d1²)*
8.7 Velocidade Meridiana (Vm)
Vm = 
 
 Tabela 10.4 >> número de pás Z
4 pás H de 10 a 21m 
5 pás H de 12 a 23m
6 pás H de 15 a 35m
6 pás H maior que 35m
8.8 Passo entre as pás, medido na circunferência de raio médio >> Rm = 
O comprimento das pás pode ser dado através da altura de queda H ou das relações entre diâmetros: 
T = 2**
Tabela 
9.1 Comprimento das pás ‘L’
L = λ*t
Onde:
λ = 
9.2 Velocidade periférica u, média.
U = 
9.3 Rendimento hidráulico, 
 + 0.05, 
Onde esse 5% adicionais são devidos as considerações feitas sobre as perdas mecânicas e outras perdas secundárias.
9.4 Componente periférica da velocidade absoluta:
 
Na turbina axial, u1=u2=u e, como a saída da água é meridiana, Vu2= 0. Logo:
9.5 Traçado do diagrama das velocidades: 
6.1.1 Ângulo 
6.1.2 Ângulo :
9.5.3 Ângulo :
Tg = 
9.5.4 Velocidade Relativa W∞:
W∞ = 
9.6 Cálculo do coeficiente de portança Ca:
Sendo , o ângulo de deslizamento. É desconhecido, pois depende da forma e das dimensões do perfil, bem como do ângulo de incidência e da velocidade relativa. Pode-se aproximar Tg = 0.05.
9.7 Ângulo de ataque :
Obtido na figura 10.6, e usando o valor de Ca como referencia.
9.8 Ângulo do Perfil:
10 Exemplo Prático
Dimensionar uma turbina bulbo, de acordo com as relações obtidas anteriormente e compará-las com uma turbina bulbo real com d1= 3,8m, usando os seguintes dados:
H=11.30 m; Q=89 m³/s; n= 150 RPM; 
Resolução:
1. Potência Útil
N = (1000*0.88*89*11.3)/75 
N=11800,21 cv
2. Velocidade Específica 
ns =( 180 * ) / 11,3 * 
 ns = 943.78 rpm
3. Diâmetro Externo do Rotor
Através da tabela 10.3, temos que para ns = 943 RPM, u1s = 2.3, portanto.
D1 = (2.3 * 60 * )/ 150 * π 
D1 = 4.5 m
4. Diâmetro do cubo
D1 = 0.5 D1
D1 = 2.25 m 
5. Área da seção livre de passagem:
S = * (D1² - d1²) = 12m²
6. Velocidade Meridiana:
Vm= 89/12 = 7.42 m/s
7. Passo Entre as Pás
De acordo com a tabela 10.4, o número necessário de pás é 4. Obtendo o valor do passo: 
 
 t = (2*Rm ) / 4 = 2.65 m 
8. Comprimento das pás
= 78/ = 0.81
L = 0.81 * 2.65 = 2.15 m 
9. Velocidade periférica u, média.
U= = 26.5 m/s
10. Rendimento Hidráulico
 = 0.88 + 0.05 = 0.93
11. Componente Periférica da Velocidade Absoluta
Vu1 = (0.93 * 9.81 * 11.3)/ 26.5 = 3.89 m/s
12. Diagrama de Velocidades:
· Ângulo :
Tg = 7.42/(26.5 – 3.89) = 0.328
= 18.17°
· Ângulo : 
Tg = 7.42/26.5 = 0.28
· Ângulo :
Tg = 7.42/ (26.5 – 1.945) = 0.302
13. Velocidade Relativa:
 
W∞ = = 25.65 m/s
14. Coeficiente de portança:
Ca = (2*9.81*2.65*0.93)/ (2.15*7.883*7.63*0.834)= 0.374
Onde: 
u1= u/= 7.883
 W= W/ = 7.636
Através do gráfico (figura 10.6), temos que 
15. Ângulo do Perfil:
 = = 16.9°
8 REFERENCIAS
FURNAS CENTARSI ELÉTRICAS 
Fundação VOITH do Brasil