Tipos de Turbinas Hidráulicas

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TURBINAS: 
Ação – São aquelas em que o trabalho mecânico é obtido pela transformação da energia 
cinética da água em escoamento, através do elemento do sistema rotativo hidromecânico 
(rotor). Essas turbinas são operadas sobre pressão atmosférica por um jato livre. A 
altura encontrada é convertida em velocidade de queda; Pelton, Banki e Turgo. 
Reação – O trabalho mecânico é obtido pela transformação das energias cinética e de 
pressão da água em escoamento, através do elemento do sistema rotativo hidromecânico 
(rotor); Francis, Kaplan, Tubular e Subqueda. 
Gravidade - a água aciona a turbina pelo seu peso. Elas podem ser subdivididas em: 
Rodas d’água, Espirais. 
 
Pelton: 
O gerador é acoplado diretamente ao eixo da turbina, por meio de acoplamentos rígidos. 
No caso da utilização de correias, para pequenas potências dá-se preferência as correias 
padronizadas em V, que são mais versáteis e baratas que as correias planas, 
recomendadas para potências maiores. Basicamente a turbina consiste das seguintes 
partes consideradas principais: o rotor, o bocal e a caixa. Os rotores atuais são fundidos 
em uma só peça, com as conchas e a roda formando um só conjunto. Entretanto é 
possível a fabricação separada das conchas e da roda. A fixação por meio de pinos e 
parafusos. O material utilizado para a fabricação das conchas é o aço fundido com 
adição de 13% de cromo. A concha deve ter a capacidade de absorver convenientemente 
a energia cinética transmitida pela ação do jato que sai do bocal e ao mesmo tempo 
distribuí-la no seu retorno, sem interferir com a pá subsequente. No bocal, a pressão da 
água é convertida em velocidade. O bocal consiste em uma peça cônica fixada ao 
extremo da tubulação e uma agulha interna acionada por uma haste, a qual regula o 
fluxo de saída da água para a roda da turbina. Tanto o bocal quanto a agulha sofrem 
severo desgaste, sendo feitos de material de alta qualidade, normalmente um aço com 
manganês, que apresenta grande resistência ao desgaste, provocado por partículas como 
areia. Algumas máquinas possuem a agulha do bocal construídas em bronze e 
apresentam boa resistência ao desgaste. 
 
Turgo: 
 
Apresenta um rotor de diâmetro menor. Alta rotação [rpm]. 
 
Banki ou Fluxo cruzado: 
Este tipo de turbinas consiste num rotor com forma de tambor com um disco sólido em 
cada extremidade e pás dispostas radialmente unido os dois discos. O jacto de água 
entra na parte superior do rotor através das pás curvas emergindo na outra extremidade 
do rotor, passando assim duas vezes pelas pás. O seu rendimento é inferior aos das 
restantes turbinas, mas mantém-se num valor elevado ao longo de uma extensa gama de 
caudais. O seu campo de aplicação atende quedas de 3 a 100 metros, vazões de 0,02 a 
2,0 m3/s e potência de 1 a 100 kW. Em geral as turbinas de acção são mais flexíveis a 
variações de caudal fora do valor nominal de projeto, no entanto normalmente 
necessitam de diferenças de cota superiores a 10 m e idealmente acima dos 50 m. 
 
Francis: 
Este tipo de turbina é uma modificação das turbinas de reação, onde a água flui 
radialmente acionando o rotor e emerge axialmente. O rotor é montado normalmente em 
caixa em espiral com pás para orientação do fluxo de água. São turbinas adequadas para 
operação com condições intermédias de queda e de caudal. Apresentam um alto 
rendimento (80% a 90%), tanto mais alto quanto maior for a potência. As turbinas de 
reação em geral são menos flexíveis a variações de caudal, sendo que o máximo de 
eficiência é sempre próximo do valor de caudal de projeto, no entanto podem operar 
com alturas abaixo dos 10 m. 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. Antigamente (entre 1930 a 1950) não possuíam rendimentos superiores a 
85%, hoje ultrapassam a 92% para grandes máquinas. 
Horizontal: a roda trabalhando verticalmente é utilizada para pequenas unidades, nesse 
caso apoiados em mancais de deslizamentos radiais (não utiliza mancais guia) 
Vertical: utiliza-se mancais guias, além da utilização do mancal de escora axial. 
 
Kaplan: 
Também chamada de propeller consiste basicamente de um rotor, similar a hélice de 
navio, ajustada internamente na continuação de um conduto, com o eixo saindo do 
conjunto no ponto em que a tubulação muda de direção. Normalmente três ou quatro pás 
são utilizadas quando a altura de queda é relativamente baixa, podendo ter até oito pás 
para maiores alturas. A entrada da água é regulada por palhetas diretrizes. O rendimento 
dessa turbina com vazões menores daquela do ponto normal de funcionamento tende a 
baixar de maneira considerável. Variando o passo das pás do rotor simultaneamente 
com as palhetas do distribuidor, pode-se conseguir bons rendimentos com vazões 
parciais. As pás do rotor podem ser construídas ou fundidas, ou estampadas e soldadas 
ou montadas no cubo, normalmente fundido. Para tipo propeller, as pás e o rotor podem 
ser fundidos em uma só peça. Alguns tipos de turbinas axiais podem possuir um 
conjunto de pás diretrizes dispostas de maneira radial, juntamente com uma caixa 
espiral. As turbinas axiais vêm apresentando grande interesse para quedas pequenas em 
rios de maiores vazões que habitualmente se consideraria para instalações da turbinas 
tipo Francis e fluxo cruzado. Contudo deve-se salientar, que é aquela que apresenta o 
maior custo em relação ao kW instalado, quando comparada com as tradicionais, 
Francis simples e Pelton. 
 
CENTRAIS HIDRELÉTRICAS: 
 
 
Caracterização da turbina em uma usina hidrelétrica: 
As turbinas hidráulicas convertem a energia potencial da água em energia cinética, pela 
utilização de diferenças entre dois níveis de água resultando numa altura (H). Essa 
diferença entre dois níveis de água é usualmente obtida com a construção de uma 
estrutura especial, chamada de Barragem, cuja altura dependerá das condições do local. 
Tipos de Usinas: 
QUANTO A VAZÃO: 
Centrais a Fio de Água 
Centrais a Fluxo Corrente 
Centrais com Regularização: diária, semanal, anual, plurianual 
QUANTO A POTENCIA: 
Grandes centrais :Potência acima de 100 MW 
Médias centrais: Potência entre 10 MW e 100 MW 
Pequenas centrais: Potência entre 1 MW e 10 MW 
Mini centrais: Potência entre 100 kW e 1000 kW 
Micro centrais: Potência abaixo de 100 kW 
Pequenas centrais: Potência até 30 MW e Barragem até 3,0 km2 
QUANTO A QUEDA D’AGUA: 
Alta queda: acima 250m 
Media queda: entre 50m e 250m 
Baixa queda: entre 10m e 50m 
Baixissima queda: abaixo de 10m 
QUANTO A CAPTAÇÃO DE AGUA 
Centrais em desvio de curso; 
Centrais em leito de rio. 
QUANTO A SUA FUNÇÃO NO SISTEMA 
Usinas de base 
Usinas de ponta 
Usinas de semi-base (ou Flutuantes) 
Usinas Reversíveis: de Bombeamento 
 
BOMBAS: 
Conceito de Bomba Centrífuga: 
É aquela que desenvolve a transformação de energia através do emprego de forças 
centrifugas. As bombas centrífugas possuem pás cilíndricas, com geratrizes paralelas ao 
eixo de rotação, sendo essas pás fixadas a um disco e a uma coroa circular, compondo o 
rotor da bomba. 
O funcionamento da bomba centrífuga baseia-se, praticamente, na criação de uma zona 
de baixa pressão e de uma zona de alta pressão. Para o funcionamento, é necessário que 
a carcaça esteja completamente cheia de liquido e portanto, que o rotor esteja 
mergulhado no liquido. 
Devido à rotação do rotor, comunicada por uma fonte externa de energia (geralmente 
um motor elétrico), o liquido que se encontra entre as palhetas no interior do rotor é 
arrastado do centro para a periferia pelo efeito da força centrífuga. Produz-se assim uma 
depressão interna ao rotor, o que acarreta um fluxo vindo através da conexão de sucção. 
O liquido impulsionado sai do rotor pela sua periferia, em alta velocidade e é lançadona 
carcaça que contorna o rotor. Na carcaça grande parte da energia cinética do liquido 
(energia de velocidade) é transformada em energia de pressão durante a sua trajetória 
para a boca de recalque. 
Faz-se necessária essa transformação de energia porque as velocidades do liquido na 
saída do rotor, seriam prejudiciais às tubulações de recalque e também porque a energia 
de velocidade pode ser facilmente dissipada por choques nas conexões e peças das 
canalizações de recalque. 
Principais Componentes: 
Constituída essencialmente de duas partes: 
a) Uma parte móvel: rotor solidário a um eixo (denominado conjunto girante) 
b) Uma parte estacionaria carcaça (com os elementos complementares: caixa de gaxetas, 
mancais, suportes estruturais, adaptações para montagens etc,.). 
Rotor: É a peça fundamental de uma bomba centrífuga, a qual tem a incumbência de 
receber o líquido e fornecer-lhe energia. Do seu formato e dimensões relativas vão 
depender as características de funcionamento da bomba. 
Carcaça: É o componente fixo que envolve o rotor. Apresenta aberturas para entrada do 
liquido até ao centro do rotor e saída do mesmo para a tubulação de descarga. 
Fundido juntamente, ou a ela preso mecanicamente, tem a câmara (ou câmaras) de 
vedação e a caixa (ou caixas) de mancal. 
Possui na sua parte superior, uma abertura (suspiro) para vantagem e escorva; e na parte 
inferior, uma outra para drenagem. Nas bombas de maior porte, tem ainda as conexões 
para as tubulações de “líquido de selagem” e “liquido de refrigeração”. 
O bocal (flange) de entrada do fluido na carcaça recebe o nome de “sucção da bomba” e 
o de saída de “descarga da bomba”. 
Os materiais geralmente utilizados na fabricação da carcaça são: ferro fundido, aço 
fundido, bronze e aços liga. 
Vantagens Das Bombas Centrífugas: 
a) Maior flexibilidade de operação: Uma única bomba pode abranger uma grande faixa 
de trabalho (variando a rotação e o diâmetro do rotor). 
b) Pressão máxima: Não existe perigo de se ultrapassar, em uma instalação qualquer, a 
pressão máxima(Shutt-off) da bomba quando em operação . 
 
c) Pressão Uniforme: Se não houver alteração de vazão a pressão se mantém 
praticamente constante. 
d) Baixo custo: São bombas que apresentam bom rendimento e construção 
relativamente simples 
Classificação das Bombas Centrifugas: 
a) De fluxo radial: centrifuga propriamente dita. O liquido sai do rotor radialmente a 
direção do eixo. São as mais difundidas. A potência consumida cresce com o aumento 
da vazão. 
b) De fluxo axial: propulsora. A água sai do rotor com a direção aproximadamente axial 
com relação ao eixo. Neste tipo de bomba o rotor é também chamado de hélice. A 
potência consumida, ao contrário da centrífuga é maior quando a sua saída se acha 
bloqueada. É indicada para grandes vazões e baixas alturas manométricas. 
c) De fluxo misto: centrifugo-propulsora. O liquido sai do rotor com direção inclinada 
com relação ao eixo. Atende a faixa intermediária entre a centrifuga e a axial A direita 
do ponto de melhor rendimento a vazão aumenta com decréscimo da altura 
manometrica, mas a potência consumida diminui ligeiramente. Para a esquerda a altura 
manometrica cresce com a diminuição da vazão, enquanto que a potência consumida 
cresce ligeiramente de inicio e em seguida decresce. 
BOMBAS EM PARALELO: 
É recomendável neste tipo de associação, que as bombas tenham as mesmas 
características, ou pelo menos muito próximas. Neste tipo de associação tem-se: as 
bombas operando com a mesma altura manométrica: HB1 = HB2, a vazão do sistema é 
QS =Q1 +Q2. 
Recomendações para associação em paralelo. 
a) Selecionar bombas com curvas características do tipo estável; 
b) Utilizar de preferencia bombas iguais; 
c) Empregar motores cujas potências sejam capazes de atender a todas as condições de 
trabalho (bombas operando em paralelo e isoladamente), sem perigo de sobrecarga; 
d) Projetar a instalação, de modo que o NPSHDISP > NPSHREQ em qualquer ponto de 
trabalho (bombas operando em paralelo e isoladamente). 
BOMBAS EM SÉRIE: 
Se duas ou mais bombas estão operando em série as vazões se mantém e as alturas 
manométricas totais se somam. 
Nestas aplicações, deve-se tomar cuidados de verificar se a flange de sucção da segunda 
bomba suporta a pressão de descarga da primeira. 
Para a associação em série, a curva resultante tem as seguintes características: 
HBS = HBs1 + HBs2; QS = Q1 = Q2. 
 
BOMBA CENTRÍFUGA FUNCIONANDO 
COMO TURBINA (BFTs) 
Nos projetos de mini e micro centrais hidrelétricas pode ser interessante o estudo de 
utilização de uma bomba funcionando como turbina. O PROJETO é similar tanto para a 
bomba como para a turbina convencional. O uso de bomba trabalhando como turbina 
em aproveitamentos hidráulicos com potência até 500 kW. 
Para maiores potências as bombas NÃO são fabricadas em grande escala, portanto 
possuem uma desvantagem com relação as turbinas, pois no caso de se optar pela 
fabricação, essa opção recairá sobre a máquina mais indicada, a turbina, por não se 
poder usar uma bomba de prateleira. 
Algumas condições limitam a utilização das bombas como turbinas: A operação 
eficiente de uma bomba requer uma constância nas condições tanto de vazão quanto de 
queda, devido a falta de mecanismos de controles hidráulicos (pás distribuidoras 
existentes nas turbinas, que controlam a entrada da água no interior do rotor) 
A vazão pode ser regulada por uma válvula de controle; isso é frequentemente adotado 
nos acionamentos diretos de equipamentos ou interligações a rede elétrica, onde a 
variação de velocidade não apresenta grandes problemas. 
Entretanto esse método é ineficiente, pois a válvula reduz a altura útil dissipando 
considerável energia. 
Variações de vazões podem ser acomodadas pela utilização de BFTs em paralelo 
permitindo funcionamento de cada uma conforme a variação da vazão. Entretanto, pode 
não haver vantagem no custo para esse tipo de arranjo quando comparado com o custo 
de uma turbina convencional possuindo um tradicional sistema de regulação de vazão 
através do uso de distribuidor; 
Sua operação mecânica é suave e silenciosa; 
O pico de rendimento apresentado quando funcionando como turbina é o mesmo 
quando funcionando como bomba; 
A altura e vazão para o melhor ponto de rendimento quando trabalhando como turbina, 
são mais altos com relação aqueles medidos quando trabalhando como bomba; 
O custo final da utilização da bomba funcionando como turbina, pode chegar a um terço 
do valor de uma turbina para a mesma finalidade; 
Na utilização de uma BFT é importante também para minimizar os custos o estudo do 
motor de indução como gerador;