Trabaho Interdisciplinar Desenvolvimento de turbina para geração distribuída

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SISTEMA DE ENSINO PRESENCIAL CONECTADO NOME DO CURSO: ENGENHARIA MECÂNICA1
ADILSON CAETANO DA SILVA
FELIPE KRAWCZYK
HIAGO DICK MEIRELES DA SILVA ITACIR VALENTIN DEON MARCELO MARINHO
MICHEL AUGUSTO MARTINS WESLEY SCOTINI
DESENVOLVIMENTO DE TURBINA PARA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA.
	
Caçador 2020
2
ADILSON CAETANO DA SILVA 2
FELIPE KRAWCZYK
HIAGO DICK MEIRELES DA SILVA ITACIR VALENTIN DEON MARCELO MARINHO
MICHEL AUGUSTO MARTINS WESLEY SCOTINI
DESENVOLVIMENTO DE TURBINA PARA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA.
Trabalho de produção textual interdisciplinar em grupo apresentado à Universidade Pitágoras UNOPAR, como requisito parcial para a obtenção de média semestral nas disciplinas de Dinâmica de Corpos Rígidos; Eletrotécnica Geral; Mecânica dos Fluidos; Fundição e Processos Siderúrgicos; Metrologia e Controle Geométrico.
Orientador: Prof. Eduardo Ferracin Moreira; Giancarlo Michelino Gaeta Lopes; Katielly Tavares dos Santos; Rafael Misael Vedovatte; Rennan Otavio Kanashiro.
Tutor eletrônico: Camille Chaves Vicente 
Tutor de sala: Jader Mazutti De Geroni.
Caçador
2020
SUMÁRIO
1.	INTRODUÇÃO	4
2.	TURBINA FRANCIS E A ENERGIA CINÉTICA	5
2.1.	APLICAÇÕES	6
2.2.	MOMENTO DE INÉRCIA SISTEMA DE ROTAÇÃO	7
3.	SISTEMA DE CAPTAÇÃO DO MOVIMENTO DA ÁGUA	8
3.1.	Figura 1 – turbina e eixo do motor.	8
3.2.	Figura 2 – Característica a vazio do gerador.	9
4.	FABRICAÇÃO DE ROTORES	12
4.1.	FUNDIÇÃO	12
4.2.	PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DOS ROTORES DE HIDRELÉTRICAS	12
4.3.	AÇOS INOXIDÁVEIS	13
4.4.	AÇO INOXIDAVEL MARTENSÍTICO FUNDIDO- CA6NM	13
4.5.	VANTAGENS DO AÇO INOXIDÁVEL NA INDUSTRIA	13
5.	METROLOGIA DOS COMPONENTES DA TURBINA	15
5.1.	Figura 3 - Descritivo das partes de um paquímetro universal	15
5.2.	Figura 4 - Descritivo das partes de um micrometro	16
5.3.	POSSÍVEIS ERROS DE MEDIÇÃO	16
5.4.	DÚVIDAS EM RELAÇÃO AS MEDIDAS ENCONTRADAS	17
5.5.	Figura 5 – Dúvida da medida.	17
6.	CONCLUSÃO	19
7.	REFERÊNCIAS	20
INTRODUÇÃO
O presente trabalho foi elaborado como requisito parcial para a obtenção de média semestral do curso de Engenharia Mecânica envolvendo as disciplinas de Dinâmica de Corpos Rígidos; Eletrotécnica Geral; Mecânica dos Fluidos; Fundição e Processos Siderúrgicos; Metrologia e Controle Geométrico.
Sua finalidade é aplicar o conhecimento e aprendizado desenvolvido em sala de aula ao decorrer do semestre em uma situação prática do dia-a-dia de um profissional da área de engenharia, para que assim os professores envolvidos possam tirar conclusões sobre o aproveitamento do aluno nas disciplinas relacionadas. A produção textual em si, será elaborada resolvendo as tarefas nas quais é dividido o trabalho, onde será apresentado soluções para as possíveis problemáticas, relacionadas a instalação de tubulações de água. Tais tarefas serviram de esclarecimento para que ao final do trabalho, o aluno chegue a conclusões concretas e lógicas.
TURBINA FRANCIS E A ENERGIA CINÉTICA
A turbina Francis é uma turbina hidráulica usada em instalações de energia hidráulica com uma altura considerável de queda.
A turbina Francis é um tipo de turbina hidráulica construída pelo engenheiro britânico-americano James Bicheno Francis. A função da turbina Francis é principalmente gerar eletricidade com a ajuda de um gerador. As turbinas Francis possuem uma alta capacidade de utilização de mais de 90% e uma ampla gama de atividades em comparação com a altura (queda de construção) do fluido que flui através da turbina. Isto é particularmente enfatizado na água, onde alcança um desempenho ótimo em uma queda de construção de 20 metros a 700 metros e a potência de saída varia de alguns quilowatts a 750 MW. O diâmetro do rotor pode ser de 1 a 10 me a velocidade de rotação é de 83 a 1000 rpm.
É o tipo mais comum de turbina instalada em usinas de geração de energia que operam com base no fluxo de massa de água através de uma planta de produção. Na maioria dos casos, são usinas de energia renovável de origem hidrelétrica.
A turbina Francis, que é uma espécie de turbina a jato de água, usa a energia cinética da água da torneira como energia de pressão para girar uma roda d'água.
A turbina está localizada entre a porta de entrada onde a alta pressão é aplicada e a parte da porta de descarga de baixa pressão, e geralmente é instalada na base da barragem de uma usina hidrelétrica.
A parte de entrada da turbina é um invólucro (câmara espiral) formado em forma de espiral, e várias pás-guia (palhetas guia) fazem com que a água flua tangencialmente em direção ao corredor. Folha fluindo da água, para girar os corredores. O grau de abertura da aleta guia pode ser ajustado para executar uma operação eficiente de acordo com a quantidade de água usada.
A água que passa pelo corredor também atua no corredor quando vai em direção ao centro axial. Além da pressão da água (pressão da água), essa propriedade suporta o uso de energia hidráulica da água que flui para o interior.
Depois de agir no corredor na forma de uma xícara de café, a água sai com a energia cinética e com a energia potencial minimizada e o vórtice também desaparece. Na saída da turbina hidráulica, um tubo de sucção formado em conexão com a redução da velocidade da água e a restauração da energia cinética é conectada.
APLICAÇÕES
Têm a característica de terem alta eficiência. Além disso, este tipo de turbinas hidráulicas pode ser projetado com uma gama variada de cabeças e fluxos.
Atualmente, a turbina Francis é uma das turbinas mais usadas no mundo. As unidades tipo Francis cobrem uma faixa de cabeça de 40 a 600 m (130 a 2.000 pés) e a potência de saída de seu gerador conectado varia de alguns quilowatts a 800 MW. As grandes turbinas Francis são projetadas individualmente para que cada local trabalhe com o fornecimento de água e a altura da água fornecida com a maior eficiência possível. Geralmente, as turbinas Francis trabalham com uma eficiência de mais de 90%.
Em contraste com a turbina Pelton, a turbina Francis funciona no seu melhor, completamente cheia de água em todos os momentos. A turbina e o canal de saída podem ser colocados abaixo do nível do lago ou do mar, o que reduz a tendência à cavitação.
Além da produção de energia elétrica, os caminhões Francis também podem ser usados para o armazenamento de bombas. Neste caso, um tanque é preenchido pela turbina que executa a função de bomba acionada pelo gerador. O gerador, neste caso, atua como um grande motor elétrico durante períodos de baixa demanda de energia. Quando a demanda por energia é alta, o gerador é invertido e usados para gerar energia durante a demanda de pico. Esses tanques de armazenamento de bombas agem como grandes fontes de armazenamento de energia para armazenar "excesso" de energia elétrica na forma de água em altos depósitos. Este é um dos poucos métodos que permitem armazenar um excesso temporário de capacidade elétrica para uso posterior.
MOMENTO DE INÉRCIA SISTEMA DE ROTAÇÃO
De acordo com a SEGUNDA LEI DE NEWTON, quando aplicamos uma força sobre um objeto que contém massa, o mesmo adquire aceleração. Para um corpo em movimento circular, isto é, para um corpo em rotação, podemos determinar sua posição e velocidade em função de variáveis como o ângulo e a velocidade angular, além do raio da sua trajetória.
 Primeiro passo será encontrar o volume do disco, onde seria representado pela fórmula:
Onde:
R = Raio do disco 50cm
E = Espessura 30cm
Adotamos assim os valores:
Obtendo assim um volume de 235.628cm³
Cálculo para encontrar a massa com densidade do inox sendo 7,85g\cm³
V = Volume 235.628cm³
D = Densidade aço Inox 7,85g\cm³ 
Obtendo assim uma massa de 1849680g que é igual a 1849,68kg
Com esses dados, concluímos que a inercia é igual:
Resultando assim: 
	
SISTEMA DE CAPTAÇÃO DO MOVIMENTO DA ÁGUA
Toda usina de geração de energia elétrica possui algum tipo de máquina elétrica configurada como gerador. Porém, cada tipo de usina utiliza uma máquina específica e componentes diferentes para fazer o acionamento e controle dessa máquina. Com a PCH que você estáprojetando, não será diferente. Basicamente, as PCHs possuem uma máquina síncrona configurada como gerador. Ao eixo dessa máquina está acoplado um sistema de pás, responsável por captar o movimento da água canalizada e transferi-lo ao rotor do motor. Esse movimento, como consequência das características construtivas da máquina, irá produzir uma determinada tensão nos terminais da máquina. Essa tensão é então ajustada e utilizada para acionar cargas ou alimentar baterias. A figura 4 ilustra o posicionamento dessa turbina acoplada ao eixo de um motor e captando a energia cinética provinda do movimento da água
 Figura 1 – turbina e eixo do motor.
Fonte: adaptada de https://images.app.goo.gl/seZMToXiW1D9D7ko6, acesso em 15/07/2020
 Seu desafio nesta etapa será determinar as características de um sistema que possua um tipo de hélice acoplada ao eixo de um gerador síncrono, de tal forma que, quando inserido no sistema de 
 Tecnologia Engenharia Mecânica captação do movimento de água, irá ter suas hélices girando a uma velocidade suficiente para alimentar as cargas ligadas no gerador. Considere que para o sistema em questão, foi utilizado um gerador síncrono de 480 V, operando em 60 Hz, ligado em triângulo. Ele possui 4 pólos e possui uma reatância síncrona de 0,1 Ω e resistência de armadura de 0,015 Ω. Quando está operando a plena, esse gerador fornece 1200 A com fator de potência 0,8 atrasado. Nessa condição, as perdas por atrito e ventilação somam 40 kW e as perdas no núcleo são de 30 kW. A Figura 5 apresenta a relação entre a tensão de terminal a vazio e a corrente de campo desse gerador.
 
Figura 2 – Característica a vazio do gerador. 
 
Sabendo disso, responda às seguintes perguntas sobre esse gerador e as condições de funcionamento citadas:
 a) Qual é a velocidade de rotação desse gerador? 
 120*F/P
 = 120*60/4
 
b) Quanta corrente de campo deve ser fornecida ao gerador para que a tensão de terminal seja de 480 V a vazio?
Para tensão no terminal = 480V.
Para corrente de campo 4,5A.
 
 c) Se o gerador for ligado a uma carga que solicita 1200 A com FP 0,8 atrasado, quanta corrente de campo será necessária para manter a tensão de terminal em 480 V?
A
A
= 480 *
532,1805,305V
= 480V
=532V5,7A
 d) Quanta potência o gerador está fornecendo agora? Quanta potência é fornecida ao gerador pela máquina motriz?
 =*
* 480 * 1200 *0,8
= 798 KW
 Qual é a eficiência total dessa máquina?
= 3* * Ra
= 3** 0,015 = 21,6KW.
 Obs.: considere que a potência de entrada é igual a potência de saída, somadas as perdas elétricas devido à resistência da armadura, as perdas do núcleo e as perdas mecânicas (atrito e ventilação).
= 3* * Ra
= 3** 0,015 = 21,6KW.
= + + + + 
= 798 *+ 21,6 * + 30 *+ 40 *= 889,600KW
= * 100%
= * 100% = 89,750%
 e) Se a carga do gerador for repentinamente desligada da linha, que acontecerá à sua tensão de terminal? 
= = 532V.
FABRICAÇÃO DE ROTORES
Nesta quarta tarefa do desenvolvimento e implantação da PCH (Pequena Central Hidrelétrica), ficamos responsáveis em apresentar um relatório com os materiais utilizados para a fabricação de rotores e, também, dizer qual o processo de fabricação em que se obtém o rotor que no qual é o processo de fundição. (PORTIFÓLIO, 2020).
FUNDIÇÃO
Segundo a PTG (Produção Textual Interdisciplinar em Grupo) na qual se propõe que o processo de fabricação dos rotores se denomina fundição. O descreveremos a seguir:
 Fundição: é o processo no qual o metal, em estado líquido, corre pela gravidade, ou por ação de outra força, para um molde, no qual ele se solidifica na forma e desenho da cavidade no qual ele está inserido (GROOVER, 2014).
A partir da fundição, se pode originar peças já acabadas, e também, peças que precisam sofrer outros processos tais, como, por exemplo, a soldagem, e também, a usinagem. Na maioria das vezes, as peças tem de passar pelo processo de acabamento, e, dependendo do projeto, passam também por tratamento térmico, para aumentar a resistência mecânica. (FARIA, 2011).
Os moldes tem a função de dar forma ao metal fundido. Estes modelos podem compostos de polipropileno, metal, madeira, entre outros. O tipo mais comum é o composto de areia de fundição. Nesse processo de moldagem, cerca de 98% da areia pode ser reutilizada após sofrer peneiração. Os moldes de metal são utilizados para a produção de peças em série, por terem o custo de fabricação maior (FARIA, 2011).
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DOS ROTORES DE HIDRELÉTRICAS
A maioria dos rotores para usinas hidrelétricas são produzidos a partir da fundição. Segundo Gonçalves (2018), depois da fundição, as peças passam por um processo de montagem através da soldagem; um rotor possui coroa, cinta e pás que são unidos para dar-lhe forma final.
A solda tem um papel muito importante na qualidade final do produto. O sistema polibloco, no qual uma miríade de peças é unida para se obter a forma final. Com o tempo, a indústria foi se desenvolvendo e, com isso, partiram para a fabricação de rotores monoblocos, no qual se retiraria o processo de soldagem, diminuindo assim o custo e tempo da fabricação, e também reduzindo o valor para comercialização no mundo (GONÇALVES, 2018).
A partir desse desenvolvimento na indústria de fundidos, melhorou-se, de forma significante, a qualidade dos produtos, e também abriu possibilidades novas para melhorar a qualidade de outras peças nas hidrelétricas, a partir dos aços inoxidáveis (GONÇALVES, 2018).
AÇOS INOXIDÁVEIS
O aço inoxidável é uma liga metálica composta basicamente de Fe (ferro) e C (carbono), na qual é adicionada Cr (cromo) e Ni (níquel). Esse acréscimo faz com que a estrutura molecular iniba a constante troca de elétrons com a atmosfera, formando uma diminuta camada superficial no aço, a qual fará o impedimento do fenômeno químico da oxidação. 
Com o avanço tecnológico na elaboração e fabricação de ligas metálicas, foi possível confeccionar diferentes tipos de aços inoxidáveis, de particularidades e aplicações variadas. Os aços inoxidáveis se apresentam em três famílias: ferríticos, austeníticos e martensíticos (AÇOS, 2020).
Para a construção, produção e aplicação de rotores nas turbinas hidráulicas, o aço inoxidável que é utilizado se trata do martensítico fundido, denominando tecnicamente de “CA6NM” (GONÇALVES, 2018).
AÇO INOXIDAVEL MARTENSÍTICO FUNDIDO- CA6NM
O CA6NM é um tipo de aço inoxidável que possui menor teor de carbono e adições de Ni e Mo (molibdênio). A causa de seu desenvolvimento foi a diminuição dos defeitos ocasionados durante o processo de solidificação de aço inoxidável fundido tipo CA15, o qual era utilizado em tempos anteriores (GONÇALVES, 2018).
VANTAGENS DO AÇO INOXIDÁVEL NA INDUSTRIA
O aço inoxidável é muito utilizado no meio industrial, inclusive na produção de componentes de usinas hidrelétricas, devido suas amplas vantagens como, por exemplo (VANTAGENS, 2017):
a. Por ter cromo em sua composição, apresenta uma camada protetora em sua superfície tornando-o altamente resistente à corrosão;
b. Alta resistência à temperatura;
c. Consegue comportar líquidos muito frios ou muito quentes sem danificar sua estrutura;
d. Pode ser submetido a diversos tipos de acabamento, polimento, esmerilhado, entre outros;
e. Por possuir fácil conformabilidade, esse tipo de material pode ser dobrado, forjado, prensado, sem que sofra algum dano em sua estrutura.
METROLOGIA DOS COMPONENTES DA TURBINA
A metrologia pode ser definida como a ciência que abrange todos os processos teóricos e práticos relativos às medições, em quaisquer campos da ciência ou da tecnologia. Sob essa temática, sua equipe foi convocada para realizar a inspeção final da turbina recém-fabricada a fim de verificar se o perfil hidráulico, milimetricamente estudado, calculado e fabricado, atende os requisitos para a obtenção do melhor aproveitamento do fluxo de água que, consequentemente, afeta o desempenho da turbina. 
Para verificação de medidas dos componentes da turbina será utilizado paquímetros e micrometros. 
Paquímetro é um instrumentode medição em formato de pinça usado para medir com precisão.
Um paquímetro universal pode medir medidas internas e externas e também de profundidade.
O mecanismo de um paquímetro consiste em uma régua graduada fixa e uma régua graduada móvel, na qual desliza sobre a régua fixa. Quanto mais divisões ter a escala móvel (nônio ou vernier) mais precisa será a resolução do instrumento. Os instrumentos mais utilizados apresentam uma resolução de:0,05 mm, 0,02 mm, 1/128″ ou 0,001″
Vale ressaltar que existem paquímetros digitais e também paquímetros com relógio.
Figura 3 - Descritivo das partes de um paquímetro universal 
Disponível em: https://www.industriahoje.com.br/wp-content/uploads/2013/06/detalhes-paquimetro.jpg
Os micrometros são instrumentos de medição mais precisos que os paquímetros devido sua forma construtiva e graduação das escalas. 
As principais partes do micrômetro são denominadas de: arco, isolante térmico, parafuso micrométrico, faces de medição, bainha, tambor, porca de ajuste, catraca e trava.
O princípio de medição do micrômetro baseia-se no deslocamento axial de um parafuso micrométrico com passo de alta precisão dentro de uma rosca ajustável.
Seu funcionamento é simples porem eficaz. Um tambor graduado desliza sobre uma escala fixa.
Figura 4 - Descritivo das partes de um micrometro
Disponível em: https://www.industriahoje.com.br/wp-content/uploads/2013/06/partes-micrometro-.jpg
POSSÍVEIS ERROS DE MEDIÇÃO
Quando se utiliza instrumentos de medição como paquímetros e micrometros é possível estes apresentar algum erro seja do próprio instrumento ou do operador do mesmo.
Alguns dos possíveis erros:
Erro de calibração do instrumento: instrumento não foi calibrado antes da medição.
Erro de resolução: instrumento com resolução diferente da medição desejada.
Erro de paralaxe: Erro de paralaxe é um erro que ocorre pela observação errada na escala de graduação causada por um desvio optico causado pelo ângulo de visão do observador.
DÚVIDAS EM RELAÇÃO AS MEDIDAS ENCONTRADAS
Na figura abaixo apresenta as mediadas encontradas na inspeção da turbina qual está gerando dúvida.
Figura 5 – Dúvida da medida.
Disponível em : Imagem elaborada pelos autores do PTG
A medida encontrada na primeira escala e de 112,05 mm.
A resolução de um paquímetro é a distância compreendida entre a 1ª subdivisão do nônio e a subdivisão subsequente na escala fixa.
· Nônio de 39 mm com 20 divisões
X/n = 1,95
Resolução = 2 – 1,95 = 0,05 mm
Temos 112 milímetros inteiros mais o valor do primeiro traço coincidente do nônio que vale 
0.05mm, somando 112,05mm no total. 
A medida encontrada na segunda escala é de 5,11mm
A escala do tambor fixo é de 0,5 mm por divisão e a escala do tambor móvel é de 0.01 mm.
Basta dividir a escala do tambor fixo que é de 0,5 mm pelo número de divisões do tambor móvel que é 50 divisões.
0.5 / 50 = 0,01.
Podemos ver 5 mm inteiros na escala fixa mais 11 divisões na escala do tambor totalizando 5,11mm .
 CONCLUSÃO
O Engenheiro Mecânico deve saber todas as problemáticas que são inerentes a sua profissão. O Profissional deve estar apto a atuar em um contexto global e capazes de propor soluções para resolver os problemas, com senso crítico e ético, habilitando-o a ingressar e manter-se integrado ao mundo produtivo, por meio da pesquisa aplicada e de sua inserção no mundo do trabalho promovendo o desenvolvimento científico e tecnológico.
Saber trabalhar com todos os materiais, identificar quais os tipos de propriedades destes tanto mecânicos como químicos e como aplicá-los para cada tipo projeto, como também saber a realização dos cálculos pertinentes para cada caso e a realização dos desenhos técnicos dos projetos mecânicos. Acredito que com o trabalho conseguimos realizar e compreender todas as tarefas do trabalho.
REFERÊNCIAS
Oriol Planas. Disponível em: https://pt.solar-energia.net/energia-renovavel/energia-hidraulica/turbinas-hidraulicas/turbina-francis. Acesso em 01 Nov. 2020
AÇOS Inoxidáveis: Princípios e aplicações. Materiais Júnior. 2020. Disponível: https://materiaisjr.com.br/acos-inoxidaveis-principios-e-aplicacoes/. Acesso em: 25 de out. 2020.
FARIA, Caroline. Fundição. InfoEscola, 2011. Disponível em: https://www.infoescola.com/quimica/fundicao/. Acesso em: 15 out. 2020.
GONÇALVES, Flavio. Rotores de turbinas hidráulicas para usinas hidrelétricas, [S.l.], 2018; Disponível em: https://pt.linkedin.com/pulse/rotores-de-turbinas-hidráulicas-para-usinas-flávio-gonçalves, Acesso em 25 out. 2020.
GROOVER, Mikell P. Introdução aos processos de fabricação. Rio de Janeiro: LTC, 2014.
PORTIFÓLIO interdisciplinar em grupo. Portal Digital do Aluno. Disponível em: https://www.colaboraread.com.br/aluno/timeline/download/2035820806?id=2926403. Acesso em: 25 de out. 2020.
VANTAGENS da utilização do aço inoxidável. Ionix. 2017, Disponível em: https://www.ionix.ind.br/noticias-e-eventos/noticias/vantagens-da-utilizacao-do-aco-inoxidavel, Acesso em 25 de out de 2020