PTG Desenvolvimento de uma turbina para geração distribuída (passei direto)

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UNOPAR EDUCACIONAL 
DESENVOLVIMENTO DE UMA TURBINA PARA GERAÇÃO
xxxx 2020
DESENVOLVIMENTO DE UMA TURBINA PARA GERAÇÃO
Professor(a): 
ccccccc2020
Sumario
1	INTRODUÇÃO	7
2	TURBINAS FRANCIS	8
2.1	Turbinas	8
2.2	Turbinas Francis	9
2.3	Conceito	10
3	SISTEMA DE CAPTAÇÃO DO MOVIMENTO DE ÁGUA	11
3.1	Velocidade de rotação do gerador	11
3.2	Corrente de campo fornecida	12
3.3	Corrente necessária para manter a tensão do terminal	12
3.4	Tensão de terminal	13
4	DIRECIONAMENTO DA ÁGUA PARA O ROTOR	13
4.1	Potencia criada na turbina	13
5	FABRICAÇÃO DE ROTORES	14
5.1	Processo de fabricação	14
5.2	Materiais e suas composições utilizados para fabricação desta turbina	14
6	METROLOGIA DOS COMPONENTES DA TURBINA	15
6.1	Aferições	15
6.2	Fatores de erro	16
6.3	Inspeção	16
7	CONCLUSÃO	17
REFERÊNCIAS	18
INTRODUÇÃO
O esquema de uma PCH é igual a de uma grande usina hidrelétrica, que é composta basicamente por quatro partes: barragem, sistema de captação e adução da água, casa de força e sistema de restituição da água ao leito do rio. (FRIEDRICH, 2010)
São consideradas Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCHs) os empreendimentos hidrelétricos com potência superior a 1.000 kW e igual ou inferior a 30.000 kW e com área total de reservatório igual ou inferior a 3,0 km2. (ANNEL, 2003, p.21)
As PCHs são projetos como complexidade técnica e acarretam menores impac- tos ambientais, ou seja, são mais fáceis de abrandar quando com parados aos impactos gerados pelas grandes usinas, por exemplo. Além disso, o seu prazo de implantação é curto, não ultrapassa 24 meses e os recursos necessários também são menores. (FRIEDRICH, 2010)
Historicamente, as PCHs foram importantes para o aprimoramento tecnológico para se chegar ao que hoje conhecemos como grandes usinas hidrelétricas. Ainda, o desenvolvimento industrial e a urbanização de várias regiões contaram com o suporte energético em um primeiro momento das PCHs. De acordo com Candiani et. al. e Rolim (2009, p. 100), as primeiras hidrelétricas eram pequenas usinas, destinadas a usos privados. A concentração dessas usinas na região sudeste, foi fundamental para a criação dos primeiros sistemas elétricos brasileiros e auxílio no desenvolvimento industrial da região.
TURBINAS FRANCIS
Turbinas
As turbinas são máquinas que possuem a capacidade de converter energia hidráulica em energia elétrica. Por mais que as usinas hidrelétricas têm um custo maior do que outros tipos de usinas, elas apresentam ótimas vantagens como: Alta eficiência, flexibilidade de operação, fácil manutenção, baixo desgaste, suprimento de energia potencialmente inesgotável e nenhuma poluição. (GUIMARÃES, 1991)
Turbinas são máquinas com a finalidade de transformar a maior parte da energia de escoamento contínuo da água que a atravessa em trabalho mecânico. Consiste basicamente em um sistema fixo hidráulico e de um sistema rotativo hidromecânico destinados, respectivamente, à orientação da água em escoamento e à transformação em trabalho mecânico. (SOUZA et al, 1981)
Estes equipamentos são compostos por um distribuidor, um rotor, um tubo de sucção e a carcaça (ou voluta). Como parte da instalação de uma máquina destas pode-se destacar ainda o reservatório, a tubulação forçada e o canal de fuga. (SOUZA et al, 1981)
O distribuidor é um elemento estático que tem por funções: acelerar o fluxo de água transformando a energia; dirigir a água para o rotor; e regular a vazão. O rotor é o elemento fundamental de transformação de energia, formado por uma série de palhetas (ou álabes). O tubo de sucção só existe nas turbinas a reação e tem forma de duto divergente e é localizado após o rotor. Sua função é recuperar a altura entre a saída do rotor e o nível de água na descarga; recuperar parte da energia cinética da velocidade residual da água na saída do rotor, a partir do desenho do tipo de difusor. E finalmente a voluta (ou carcaça) é o elemento que contêm todos os componentes da turbina. Nas turbinas Francis e Kaplan tem a forma de uma espiral. (GUIMARÃES, 1991)
Externamente à turbina tem-se o reservatório, que armazena o fluido que pas- sará pela turbina. A tubulação forçada que tem por função encaminhar o fluido do reservatório para a entrada da turbina. E o canal de fuga, que recebe o fluido que entregou energia hidráulica para a turbina. (GUIMARÃES, 1991)
Turbinas Francis
Essa turbina recebe o nome do engenheiro inglês James Bicheno Francis (1815- 1892) que a concebeu em 1848. Foi resultado do aperfeiçoamento da turbina Dowd, patenteada em 1838 por Samuel Dowd (1804-1879). É uma turbina de reação, com eficiência na faixa de 90%. Utilizada para alturas de 20 a 700 m, essa ampla faixa de aplicação a faz o tipo de turbina mais usada no mundo. (HEIN, 2006)
	
Nas turbinas Francis o rotor fica internamente ao distribuidor, de modo que a água, ao atravessar o rotor, aproxima-se do eixo. São vários os formatos possíveis para rotores desse tipo de turbina, e dependem da velocidade específica da turbina, podendo ser classificadas em: lenta, normal, rápida ou extra-rápida. (SOUZA et al, 1981)
O distribuidor tem um conjunto de pás dispostas em volta do rotor, e que podem ser orientadas durante a operação, assumindo ângulos adequados às descargas, de modo a reduzir a perda hidráulica. As pás do distribuidor têm um eixo de rotação paralelo ao eixo da turbina, podendo, ao girar, maximizar a seção de escoamento ou fechá-la totalmente. (FRIEDRICH, 2010)
É o tipo de turbina mais utilizada, pois pode trabalhar de forma eficiente em uma ampla faixa de condições de operação. Isto porque a altura de queda e a vazão são os dois fatores mais importantes para o desempenho de turbinas, e estão sujeitos a variações sazonais, sendo que a turbina Francis consegue se adaptar bem a esta sazonalidade. Sua faixa de operação vai de 45 a 400 m de carga e de 10 a 700 m3 /s. (HEIN, 2006)
Conceito
Considerando a turbina como um disco, foi feito primeiro a dedução da fórmula do momento de inércia para essa circunstância:
I = r2 dm
I = r2(ρ.dv)
I = r2.ρ. h.2.π.r dr I = ρ.h.2.π r3 dr
I = ρ.h.2.π. R4/2
Sabe-se que a densidade (ρ) é: (M/ h.π.r2)
I =	M	. (h.2.π). R4/2
h.π.R2
Cortando os temos semelhantes:
I = M.R2/2
A partir disso precisou-se obter o valor da massa da turbina, de acordo com os dados fornecidos no problema:
· Corpo da turbina com diâmetro de 90 cm, feito de aço inox;
· As pás, com diâmetro 90 a 100 cm, é feita de fibra de carbono;
· Espessura da turbina apresenta um valor de 30 cm;
· A densidade do inox é de 7,85 g/cm³;
· A densidade da fibra de carbono é de 1,76 g/cm³;
Para se encontrar o momento de inércia, primeiro deve-se encontrar o valor da massa (M). Utilizou-se para este cálculo a equação da densidade.
ρ = (M/ h.π.r2)
7,85 = M/ 30. Π. (45)2
M = 1.498.186,266 g à 1498,186 Kg
I = M.R2/2
I =1498,186. (0,45)2/2 I = 151,691 Kg.m2
Em seguida, foi necessário calcular a massa das pás para que se pudesse encontrar o momento de inércia exercido por elas. Primeiro encontrou-se os volumes necessários, através da fórmula:
Volume da parte menor (raio de 45 cm):
V = h.π.r2
V = 30. Π. (45)2
V = 190.851,75 cm3
Volume total da turbina (raio de 100 cm) V = h.π.r2
V = 30. Π. (50)2
V = 235.619,44 cm3
Para se encontrar o volume das pás (parte em vermelho no desenho da turbina) foi feito a diferença entre os dois volumes.
V (pás) = 235.619,44 – 190.851,75 V (pás) = 44.767,699 cm3
Em posse do volume, utilizou-se a equação da densidade para se encontra a massa referente as pás.
ρ = M/ V M = ρ. V
M = 1,76 . 44.767,699
M = 78.791,1502 g à 78,79 Kg I = M.R2/2
I = 78,79. (0,5)2 /2 I = 9,848 Kg.m2
Em seguida, calculou-se o momento de inércia total, somando os dois momentos de inércia. Tanto o da turbina quando os das pás.
I total = 9,848 + 151,691
I total = 161,54 Kg.m2
O conceito do momento de inércia trata-se do grau de dificuldade em se alterar o estado do movimento de um corpo em rotação. Quanto maior for o momento de inércia de um corpo, mais difícil será para girá-loou alterar sua rotação.
Baseado nisso e através dos cálculos, conclui-se que seria necessário um valor de 161,54 Kg.m2 para fazer com que a turbina saia do seu estado de inércia (repouso). E este mesmo valor para fazê-la mudar sua rotação
SISTEMA DE CAPTAÇÃO DO MOVIMENTO DE ÁGUA
Velocidade de rotação do gerador
Corrente de campo fornecida 
Conforme gráfico:
Corrente necessária para manter a tensão do terminal 
solucionando a equação
Fornecimento de potência e eficiência do gerador 
Tensão de terminal
Se a carga for desligada a tensão de saída se tornará a tensão induzida na armadura
DIRECIONAMENTO DA ÁGUA PARA O ROTOR
Potencia criada na turbina
Para sabermos com será feirta o direcionamento da agua para o motor devesse definir a energia total pode ser gerada na PCH utilizamos a equação 𝑇𝑓= 𝑃/𝜔.𝑛 Rotação do gerador de 35 rev/min e o fluxo de água de 5m³/s.
P = Potência produzida pela turbina; 
ꞷ = Velocidade angular das turbinas; 
n = Eficiência da turbina
A velocidade tangencial na pá é de 4,594 m/s 
A vazão de entrada será: Q = v*A = 4,594*1²*π = 14,43m³/s 
A = a seção da turbina; 
v = velocidade.
F = (vazão) (densidade do fluído) (aceleração da gravidade) = (14,43) (1000) (9,81) = 141,438 kN/s 
r = 0,5 m. 
Com isso o torque da turbina é: 
Tf = 141,438*0,5 = 70,719 kN*m 
Calculo da potência P gerada na turbina: 
P = n*ꞷ*Tf, sendo: 
n = 90% 
ꞷ = 3,67 rad/s 
P = 233,267 kW 
A potência criada de 233,267kW é transformada em energia elétrica.
FABRICAÇÃO DE ROTORES
Processo de fabricação
O processo de fundição atualmente, é um dos mais versáteis processos de fabricação. Este processo possui a capacidade de produzir diferentes componentes, de diferentes tamanhos e formatos, de praticamente quase todos os tipos de materiais metálicos, o que o torna um processo único com vasta utilização no meio Industrial. Especificamente falando em produtos voltados para usinas hidrelétricas, em especial rotores para turbinas hidráulicas, calcula-se que 90% sejam fabricados a partir do processo de fundição.
Materiais e suas composições utilizados para fabricação desta turbina
Para a fabricação de grande parte dos rotores hidráulicos modernos, em especial turbinas Francis, o material mais utilizado é o aço inoxidável martensílico A743 CA6NM, que é se trata de uma liga composta pelos elementos químicos, carbono, manganês, sílico, fósforo, enxofre, cromo, níquel e molibdênio, nas quantidades indicadas na tabela a seguir.
	Elemento
	% em peso(%wp)
	C (carbono)
	0,06máx
	Mn (manganês)
	1,00 máx
	Si (sílico)
	1,00 máx
	P (fósforo)
	0,04 máx
	S (enxofre)
	0,03 máx
	Cr (Cromo)
	11,50 – 14,00
	Ni (níquel)
	3,50 – 4,50
	Mo (molibdênio)
	0,40 – 1,00
Tabela: Composição química da liga CA6MN
METROLOGIA DOS COMPONENTES DA TURBINA
A metrologia pode ser estabelecida como a ciência que engloba todos os procedimentos teóricos e práticos relativos às medições, em quaisquer campo da tecnologia ou da ciência 
Aferições
As aferições podem ser realizadas com o auxílio de um Paquímetro e um micrômetro ambos devidamente calibrados e em perfeitas condições. A parte do rotor, por se tratar de uma geometria consideravelmente mais simples, podemos realizar as aferições das dimensões por meio do micrômetro, este instrumento pode nos fornecer com precisão a espessura, altura, largura e profundidade do objeto, o mesmo é muito utilizado na indústria mecânica para medir peças de máquinas em geral. O método de medição do micrômetro consiste no deslocamento de forma axial de um parafuso chamado (micrométrico) na porca e conforme o parafuso é girado num sentido ou no outro.
A parte do defletor apresenta uma geometria um pouco mais complexa, no entanto a ferramenta ideal para esse tipo de geometria seria o paquímetro. Por ser uma ferramenta que apresenta 4 diferentes tipos de medidas, medição interna por meio de suas orelhas, medição externa por meio de seus bicos fixos e medição de profundidade por meio de sua vareta que também nos permite realizar medição de ressaltos. Após definida qual tipo de medida se deseja realizar, deverá se posicionar a peça medida bem posicionada no centro da parte de medição correta
Fatores de erro
Poder ocorrer uma series de erros duante a as medições motivado por pertubações internas ou externas, modificando o desempenho do sistema.ou agiando diretamente na grandeza que será medida, a mudança da temperatura é o fator mais critico. 
 
Inspeção
A Figura 8 apresenta as medidas nos instrumentos. Logo, com intuito de auxiliar seu colega você informou que as leituras encontradas são: 11,04 e 5,11. A primeira medida identifica-se da seguinte forma, quando observamos a escala fixa, o numero 11 é a maior medida inteira que antecede o zero do nônio, sendo assim o primeiro numero aferido é o 11, em seguida a imagem identifica por um ponto no quarto traço da divisão da escala principal que coincide com o traço do nônio, totalizando assim 0,4 que posteriormente será somado com o primeiro valor encontrado totalizando assim 11,04 mm.
A segunda medida é aferida por meio do micrômetro, identificamos através da sua escala fixa a medida inteira encontrada é 5 mm e posteriormente através do tambor graduado vamos obter a segunda medida, (0,11 mm), sendo assim obtemos um total de 5,11mm.
CONCLUSÃO
Com o intuito de atender a demanda de energia e reduzir o custos com a mesma, foi adotado a criação de uma PCH. 
Definições e conceitos foram abordados e verificou-se que Pequenas Centrais Hidreletricas são fundamentais para a geração complementar de energia.
Foram feitos os calculos do momento de inercia da turbina, analize do sistema de captação da aguá e estimada a potencia gerada pela turbina.
REFERÊNCIAS
ABRAPCH - O que são PCH’s e CGH’s. Disponível em <https://abrapch.org.br/o-setor/o-que-sao-pchs-e-cghs/>. Acesso dia 25 de setembro de 2020. 
CANDIANI, G.; PENTEADO, C. L. C.; CENDRETTI, E. C.; SANTOS, E. M.; BIONDI, A. E. C.; Estudo de caso: aspectos socioambientais da pequena central hidrelétrica (PCH)-Queluz-SP, na bacia do rio Paraiba do Sul. Revista do Departamento de Geografia – USP, Volume 25 (2013), p. 98-119. 
HENN, E.A.L. Máquinas de fluido. 2ª ed, Porto Alegre: UFSM, 2006.
GUIMARÃES, L.B. Máquinas hidráulicas. Curitiba: UFPR, 1991.
FRIEDRICH, P. G. Benefícios Econômicos e Sociais das Pequenas Centrais Hidrelétricas (PHCs). 2010, 51 f. Trabalho de conclusão de curso. Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre, 2010. 
SOUZA, Z.; FUCHS, R.D.; SANTOS, A.H.M. Centrais hidro e termelétricas. São Paulo: Ed. Blücher, 1983.
CARACTERIZAÇÃO DO COMPORTAMENTO ELETROQUÍMICO DO AÇO ASTM A743 CA6NM APÓS SOLDAGEM GMAW COM METAL DE ADIÇÃO AWS 5.22 EC410NIMO,2018.Disponível em: https://repositorio.unb.br/bitstream/10482/33899/1/2018_DivinoDiogodoNascimentoMartins.pdf/. Acesso em: 09 Set. 2020.
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ASTM A743 Propriedades e composição química,2018. Disponível em: https://www.materiais.gelsonluz.com/2018/11/astm-a743-propriedades-e-composicao.html. Acesso em: 08 Set. 2020.
https://www.stefanelli.eng.br/micrometro-milimetro-centesimal-leitura-uso/
http://conectafg.com.br/paquimetro-usando-de-forma-correta/
https://www.starrett.com.br/manual-do-estudante-starrett/files/assets/common/downloads/manual-do-estudante-starrett.pdf?uni=2a7a6d6f0220d136cfdc58e1b3f3c264