Turbinas - EIMAR II - rev 08 1

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FACULDADE CATÓLICA SALESIANA 
ENGENHARIA DE PRODUÇÃO COM ÊNFASE EM 
ENGENHARIA DE INSTALAÇÕES NO MAR 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LUIZ FELIPE COSTA DE SOUZA 
THAMYRES MIRANDA BARBOSA ROCHA 
 
 
 
 
 
 
 
 
TURBINAS 
 
 
 
 
 
 
 
 
Macaé - RJ 
MAIO/2020 
 
 
 
 
 
 
LUIZ FELIPE COSTA DE SOUZA 
THAMYRES MIRANDA BARBOSA ROCHA 
 
 
 
 
 
 
 
TURBINAS 
 
 
 
 
 
 
 
 
Trabalho apresentado em cumprimento as 
exigências da disciplina Engenharia de 
Instalações no Mar II, ministrada pelo 
professor André Aleixo Manzela no curso de 
Engenharia de Produção com Ênfase em 
Engenharia de Instalações no Mar na 
Faculdade Católica Salesiana 
 
 
 
 
 
 
Macaé - RJ 
MAIO/2020 
 
 
 
 
 
 
LUIZ FELIPE COSTA DE SOUZA 
THAMYRES MIRANDA BARBOSA ROCHA 
 
 
 
 
 
 
 
TURBINAS 
 
 
Trabalho apresentado em cumprimento as exigências da disciplina Engenharia de 
Instalações no Mar II, ministrada pelo professor André Aleixo Manzela no curso de 
Engenharia de Produção com Ênfase em Engenharia de Instalações no Mar na Faculdade 
Católica Salesiana 
 
 
_______________________________________________ 
Pro.º M.Sc. André Aleixo Manzela 
 
 
 
 
 
Macaé - RJ 
MAIO/2020 
 
 
 
 
DEDICATÓRIA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Dedico este trabalho à minha família, em 
especial minha mãe, que me apoiou 
incondicionalmente e concebeu suporte 
durante toda minha jornada até aqui. 
 
Luiz Felipe Costa de Souza 
 
 
 
 
DEDICATÓRIA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Dedico este trabalho à minha família, que 
me proporciona a seguir com meus 
estudos e sempre me dando o suporte 
necessário e aos professores da faculdade 
aonde vem nos passando os seus 
ensinamentos. 
 
Thamyres Miranda Barbosa Rocha 
 
 
 
 
AGRADECIMENTOS 
 
À Deus, por conceder-me saúde, força e sabedoria para concluir este trabalho. 
A todos os professores que contribuíram para com minha formação intelectual até 
aqui. 
À minha família, que me apoiou incondicionalmente em todos os momentos, e deu-me 
condições de ingressar e cursar o ensino superior. 
À Faculdade Católica Salesiana, todos seus funcionários e corpo docente por receber-
me tão bem durante todos os anos de estudo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Luiz Felipe Costa de Souza 
 
 
 
 
AGRADECIMENTOS 
 
À Deus, por conceder-me saúde e sabedoria para concluir este trabalho. 
A todos os professores que contribuíram para com minha graduação até aqui, 
agraciando-me com seus saberes para que eu pudesse, enfim, concluir esta etapa de minha 
vida. 
 A Faculdade Católica Salesiana pela instituição séria e dar todo suporte necessário 
para seus alunos. 
À minha família, que me apoiou e me proporcionou esse estudo de engenharia e 
amigos feito durante os períodos da faculdade 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Thamyres Miranda Barbosa Rocha 
 
 
 
 
EPÍGRAFE 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
O que sabemos é uma gota, o que 
ignoramos é um oceano. 
“Isaac Newton” 
 
 
 
 
 
RESUMO 
Este trabalho acadêmico descreve de maneira simples e objetiva as características principais 
de turbinas hidráulicas, turbinas a gás, turbinas a vapor e turbinas eólicas, bem como seus 
elementos, características, aplicações, vantagens e desvantagens para a geração de energia 
elétrica. Foi mostrado como ocorre a geração de energia elétrica através da utilização dos 
mais variados tipos de turbinas, visando a ampliação do entendimento de matriz energética 
limpa, uma vez que este assunto se torna cada dia mais evidente para o que tangem os 
conceitos de sustentabilidade. Foi utilizado o método de pesquisa simples para elaboração 
deste trabalho, analisando e compilando informações e dados de diversas literaturas 
disponíveis para consulta. Como resultado, obtivemos um trabalho sucinto, objetivo e rico em 
informações primárias para um melhor entendimento de como é o funcionamento de cada tipo 
de turbina, bem como suas variações e particularidades para com a geração de energia de uma 
forma sustentável. 
 
Palavras Chaves: Energia, Sustentabilidade, Turbinas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ABSTRACT 
 
This academic work describes in a simple and objective way the main characteristics of 
hydraulic turbines, gas turbines, steam turbines and wind turbines, as well as their elements, 
characteristics, applications, advantages and disadvantages for the generation of electric 
energy. It was shown how the generation of electric energy occurs through the use of the most 
varied types of turbines, aiming at broadening the understanding of the clean energy matrix, 
since this subject becomes more and more evident for what sustainability concepts touch. The 
simple research method was used to prepare this work, analyzing and compiling information 
and data from different literature available for consultation. As a result, we obtained a 
succinct, objective work, rich in primary information, for a better understanding of how each 
type of turbine works, as well as its variations and peculiarities for the generation of energy in 
a sustainable way. 
 
Keywords: Energy, Sustainability, Turbines. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LISTA DE FIGURAS 
 
Figura 01 – Usina hidrelétrica de Itaipu ................................................................................ 13 
Figura 02 – Turbina e impelidor de Pelton ........................................................................... 13 
Figura 03 – Turbina e impelidor de Francis .......................................................................... 14 
Figura 04 – Turbina e impelidor de Kaplan .......................................................................... 14 
Figura 05 – Compressor, câmaras de combustão e turbina a gás ........................................... 15 
Figura 06 – Esquema geral de funcionamento de um aerogerador ........................................ 16 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SUMÁRIO 
 
1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 12 
2 TIPOS DE TURBINAS ............................................................................................. 13 
2.1 TURBINAS HIDRÁULICAS ................................................................................ 13 
2.1.1 TURBINA DE PELTON ................................................................................ 13 
2.1.2 TURBINA DE FRANCIS .............................................................................. 14 
2.1.3 TURBINA DE KAPLAN ............................................................................... 14 
2.3 TURBINAS EÓLICAS ......................................................................................... 15 
3 CONCLUSÕES ........................................................................................................ 18 
 
REFERÊNCIAS .......................................................................................................... 19 
 
APÊNDICE A – LISTA DE EXERCÍCIOS .................................................................... 21 
12 
 
 
 
1 INTRODUÇÃO 
Turbinas são máquinas de fluxo motrizes com finalidade de transformar a energia 
cinética de um fluido em energia mecânica, fazendo com que forças atuem nas palhetas 
fixadas a um impelidor. Ao serem aplicadas as palhetas, tais forças geram um momento motor 
resultante, que faz girar o impelidor. Basicamente, sua forma de construção é a mesma para 
todos os tipos: um impelidor (rotor) que contém um dado número de palhetas, preso à um eixo 
que gira sobre um conjunto de mancais. As turbinas são utilizadas para movimentar outro 
equipamento rotativo, como um compressor, um ventilador, uma turbobomba ou podem serutilizadas para geração de energia elétrica, neste caso são ligadas à um gerador elétrico. 
Possuem aplicações também nas indústrias naval e aeronáutica (MACINTYRE, 2012). 
O principal agente diferenciador das turbinas é o tipo de fluido de trabalho, existindo 
também outros parâmetros como máxima temperatura, pressão de trabalho, máxima potência, 
vazão mássica do fluido e afins. Todas podem ter uma rotação variável ou fixam, dentro de 
um determinado limite. Todavia, quando são utilizadas para geração de eletricidade a rotação 
costuma manter-se à um valor fixo, a fim de manter-se à frequência de rede constante 
(GUIMARÃES, 1991). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
13 
 
 
 
2 TIPOS DE TURBINAS 
2.1 TURBINAS HIDRÁULICAS 
São equipamentos especificados para transformar a pressão e força da água em energia 
elétrica, altamente aplicados em usinas hidrelétricas. As turbinas hidráulicas são classificadas 
em turbinas de impulso e turbinas de reação. Como exemplo de turbinas de impulso temos à 
Turbina de Pelton. As turbinas de reação são divididas em duas principais categorias: Turbina 
de escoamento radial ou misto (Turbina de Francis) e Turbina de escoamento axial (Turbinas 
de Kaplan) (HIDROENERGIA, 2018). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2.1.1 TURBINA DE PELTON 
Foi registrada por Lester Pelton, um engenheiro norte americano, em 1880. O 
impelidor possui pás em formato de concha e o distribuidor é formado por bocais com jatos 
de água direcionados para as pás. São comumente utilizadas em situações onde ocorrem 
pequenas vazões e uma grande queda. Sua faixa de operação é entre 350m e 1100m de queda, 
não são recomendáveis para altas vazões (HIDROENERGIA, 2018). 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 01 – Usina hidrelétrica de Itaipu. 
OLIVEIRA, 2012. 
Figura 02 – Turbina e impelidor de Pelton 
HIDROENERGIA, 2018. 
14 
 
 
 
2.1.2 TURBINA DE FRANCIS 
Possui um conjunto de pás móveis, com o objetivo de ajustar o ângulo de entrada de 
água, provendo maior rendimento à turbina em uma grande faixa de operação. A faixa 
operacional a qual essa turbina funciona com boa eficiência fica entre 45m e 400m de queda e 
vazão entre 10 e 700m3/s, e, devido à esta adaptabilidade e versatilidade, são as mais 
utilizadas em pequenas centrais hidrelétricas, apresentando uma eficiência na faixa de 90%. 
Não são recomendáveis para grandes demandas de energia elétrica (HIDROENERGIA, 
2018). 
 
 
 
 
 
 
 
2.1.3 TURBINA DE KAPLAN 
Criada pelo austríaco Victor Kaplan em 1912, a turbina de Kaplan foi projetada para 
situações onde se tem uma pequena queda, porém um grande volume de água. Ela opera em 
eficiência maior, em relação aos outros tipos de turbina, em quedas de até 60 metros. 
Algumas variações da Turbina Kaplan foram criadas ao longo do tempo. São elas: Kaplan 
Vertical, Kaplan “S”, Kaplan de Bulbo e Turbina Open Pit. Não são recomendadas para 
grandes quedas d’água (HIDROENERGIA, 2018). 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 03 – Turbina e impelidor de Francis 
HIDROENERGIA, 2018. 
HIDROENERGIA, 2018. 
Figura 04 – Turbina e impelidor de Kaplan 
15 
 
 
 
 
2.2 TURBINAS A GÁS 
Turbina a gás é o termo utilizado para referenciar um conjunto de três equipamentos: 
compressor, câmara de combustão e a turbina. Este conjunto opera em ciclo termodinâmico 
aberto, ou seja, ar em pressão atmosférica é admitido na sucção do compressor, entra em 
combustão juntamente com o combustível na câmara e os gases de escape retornam a 
atmosfera após passarem pela turbina, não retornando para a admissão (KAWASAKI, 2020). 
A palavra gás, advinda ao nome da turbina, refere-se ao fluido de trabalho da mesma, 
que neste caso é uma mistura de gases resultante da combustão. O combustível pode ser 
gasoso, como o GNV e o GLP, ou líquido, como óleo diesel, querosene ou óleos mais 
pesados. Nas turbinas a gás voltadas à geração de energia elétrica, o compressor trabalha com 
fluxo axial, e o ar sai do compressor com uma temperatura entre 300ºC e 450ºC. Após passar 
pela turbina, os gases são expelidos a temperaturas entre 500ºC e 650ºC. Visto isso, as 
termelétricas de maior eficiência e porte aproveitam esse potencial energético através de um 
novo ciclo termodinâmico, desta vez à vapor. A combinação de ciclos aumenta a eficiência de 
35% (para o ciclo simples) para valores acima de 60%. Aproximadamente metade da potência 
produzida pela turbina é utilizada no acionamento do compressor, é o restante da potência 
gerada que movimenta o gerador elétrico (KAWASAKI, 2020). 
 
 
 
 
 
 
 
2.3 TURBINAS EÓLICAS 
No início da utilização da energia eólica, foram surgindo vário tipos de turbinas (eixo 
horizontal, eixo vertical, com apenas uma pá, com duas e três pás, gerador de indução, etc.). 
Porém, depois de algum tempo foi firmada o projeto de turbinas eólicas com as seguintes 
Figura 05 – Compressor, câmaras de combustão e turbina a gás 
GENERAL ELETRIC, 2020. 
16 
 
 
 
características: rotor, torre que o sustenta, transmissão/multiplicação, pás do rotor, eixo do 
rotor e conversor (ANEEL, 2020). 
As pás do rotor devem possuir um baixo peso, uma boa aerodinâmica e alta 
resistência, para que se tenha uma maior eficiência. Essas pás são fixadas no cubo que 
transmite as forças aerodinâmicas atingem nas pás em forma de torque para eixo do rotor. A 
maioria das turbinas são compostas por 3 pás, fazendo com que a energia capturada pelo 
vento aumente 3 a 5% por dar maior estabilidade e aerodinâmica. A caixa multiplicadora é 
acionada quando é necessário elevar a freqüência produzida, para ser transmitida ao gerador 
elétrico. O gerador elétrico transforma a energia mecânica em energia elétrica. A torre é 
essencial para elevar os demais componentes do aerogerador até uma altura suficiente para 
obtenção do vento com maior potencial, as torres modernas podem ter dezenas de metros de 
altura (PICOLO; BÜHLER; RAMPINELLI, 2014). 
O princípio de funcionamento da turbina eólica se da através da absorção de parte da 
potência cinética do vento a partir de um rotor aerodinâmico, convertendo em potência 
mecânica de eixo, pela qual será convertida em potência elétrica por meio de um gerador 
elétrico. Ela só pode extrair energia cinética do ar que passa através da área interceptada pelas 
pás rotativas (BARROS, VARELLA, 2020). Um arerogerador converte energia a partir de 
dois processos, inicialmente a energia cinética do vento é transformada em energia mecânica 
e em seguida em energia elétrica que será distribuída para rede elétrica (Figura 2) (PICOLO; 
BÜHLER; RAMPINELLI, 2014). 
 
Figura 6 - Esquema geral de funcionamento de um aerogerador 
 
PICOLO; BÜHLER; RAMPINELLI, 2014 
17 
 
 
 
Principais vantagens da energia eólica são a diminuição da emissão de gases de efeito 
estufa, não emite gases poluentes e nem resíduos, é inesgotável e as desvantagens são a 
intermitência (pois nem sempre sempre o vento sopra quando a eletricidade é necessária, 
tornando difícil a interação da sua produção no progrma de exploração), o impacto sonoro (o 
som do vento bate nas pás produzindo um ruído constante (43dB (A)) as abitações ou zonas 
residenciais mais próximas deverão estar, no mínimo a 200 metros de distância) e o impacto 
sobre as aves do local (REIS, 2019). 
 
2.4 TURBINAS A VAPOR 
A turbina a vapor é uma máquina motriz (transformam energia contida em um fuido 
em energia mecânica) que opera com uma alta energia cinética de massa de vapor 
expandindo, fazendo com que as forças consideráveis, devida a variações de velocidades, 
atuem sobre as palhetas fixadas em um rotor. Essa força aplicada na palheta, determina um 
momento motor resultante, que faz girar o motor. Essa turbina é um dos equipamentos mais 
versáteis, sendo amplamente utilizadas em geradores elétricos, turbobombas, compressores, 
etc (MACINTYRE, 1997). 
Os principais componentes de uma turbina a vapor são o rotor (transforma energia 
cinética do vapor emtrabalho mecânico através dos receptores fixos), o estator (transforma 
energia potencial (térmica) do vapor em energia cinética através dos distribuidores) e os 
bocais (distribui adequadamente o vapor) (GUSTAVO; FERREIRA; GOUDAK, 2013). 
As turbinas a vapor podem ser classificadas quanto ao seu princípio de funcionamento, 
que são as turbinas de ação ou de reação. Na turbina de ação ocorre a transformação da 
energia térmica em cinética apenas nos bocais. E já nas turbinas de reação, o gás se expande 
em parte nos bocais e em parte nas pás dos rotores (MACINTYRE, 1997). 
E assim como as outras turbinas, a de vapor também apresentam vantagens e 
desvantagens. Uma vantagem importante é que a turbina a vapor pode utilizar qualquer tipo 
de combustível (inclusive os menos nobres) e uma desvantagem é que é uma instalação mais 
pesada (necessita de condesadores, bombas, etc.) (ERIVA, 2008). 
18 
 
 
 
3 CONCLUSÕES 
O presente trabalho conseguiu expor os mais diferentes tipos de turbinas existentes, 
mostando a importância de cada uma delas em cada área e a sua teoria básica necessária para 
seu desenvolvimento. Foi possível ver também, através do mesmo, o princípio de 
funcionamento de cada tipo de turbina, bem como suas vantagens e desvantagens quando 
aplicadas. 
Além disso, conseguiu-se atingir os objetivos pretendidos pelo trabalho. Mostrando os 
diversos tipos de geração de energia, usando os mais diferentes tipos de turbinas. Expondo um 
grande leque de alternativas para que a matriz energética se torne cada vez mais limpa, e com 
menores impactos ambientais. Com isso, concluímos que o trabalho alcançou o objetivo 
proposto. 
 
 
 
 
 
 
 
 
19 
 
 
 
REFERÊNCIAS 
ANEEL. Energia eólica: Tecnologias de Aproveitamento – Turbinas Eólicas. [S. l.], 2020. 
Disponível em: <http://www2.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/energia_eolica/6_4.htm>. Acesso 
em: 29 fev. 2020. 
 
BARROS, M.M.M; VARELLA, V.S.Q. Fontes de Energia Renováveis: Geração Eólica. 
Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2020. Disponível em: 
<http://www.solar.coppe.ufrj.br/eolica/eol_txt.htm. Acesso em: 2 mar. 2020>. 
 
ERIVA, F. Turbinas a vapor. [S. l.], 13 set. 2008. Disponível em: 
http://engmetalmecanica.blogspot.com/2008/09/turbinas-vapor.html. Acesso em: 3 mar. 2020. 
 
GUIMARÃES, L.B. Máquinas hidráulicas. Curitiba: UFPR, 1991. 
 
GUSTAVO, M.; FERREIRA, M.; GOUDAK, G. Máquinas Térmicas: Turbina a vapor. [S. 
l.], 27 jun. 2013. Disponível em: https://pt.slideshare.net/GustavoMeloo/fsiicaa. Acesso em: 3 
mar. 2020. 
 
HIDROENERGIA. Tipos de turbinas hidráulicas. Ijuí, 2018. Disponível em: 
<https://www.hidroenergia.com.br/tipos-de-turbinas-hidraulicas/>. Acesso em: 20, Fev. 2020. 
 
KAWASAKI. Sobre turbinas a gás. Minato, 2020. Disponível em: 
<https://global.kawasaki.com/br/energy/equipment/gas_turbines/outline.html>. Acesso em: 
22, Fev. 2020. 
 
MACINTYRE, Archibald Joseph. Equipamentos industriais e de processo. 1. ed. Rio de 
Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 1997. 
 
20 
 
 
 
OLIVEIRA, Artur. A outra história de Itaipú. Brasília, 2012. Disponível em: 
<http://www.defesanet.com.br/geopolitica/noticia/5648/A-outra-Historia-de-ITAIPU>. 
Acesso em: 18, Fev. 2020. 
 
PICOLO, A.P.; BÜHLER, A.J.; RAMPINELLI, G.A. Uma abordagem sobre a energia 
eólica como alternativa de ensino de tópicos de física clássica, Universidade Federal de 
Santa Catarina, Araranguá, SC, Brasil, p. 1-13, 3 out. 2014. Disponível em: 
<http://www.scielo.br/pdf/rbef/v36n4/v36n4a07.pdf>. Acesso em: 2 mar. 2020. 
 
REIS, P. Vantagens e desvantagens da energia eólica. [S. l.], 10 fev. 2019. Disponível em: 
<https://www.portal-energia.com/vantagens-desvantagens-da-energia-eolica/>. Acesso em: 3 
mar. 2020. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
21 
 
 
 
APÊNDICE A – LISTA DE EXERCÍCIOS 
 
1 – Qual é a principal aplicação para as turbinas hidráulicas? 
2 – Quais são os principais tipos de turbinas hidráulicas? 
3 – Quais são os equipamentos que compõem o conjunto da turbina a gás? 
4 – Quais são os principais componentes de uma turbina a vapor? 
5 – Cite uma vantagem e uma desvantagem da turbina eólica: