Tema_7_2011_Casa_Forca

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Tema 7 - Casas de força e seus principais 
equipamentos: 
turbinas, geradores e transformadores de 
energia elétrica 
 
Heloisa Teixeira Firmo 
hfirmo@poli.ufrj.br 
 
 
 
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Sumário: 
 
1. Bibliografia. 
2. Introdução: Revisão de alguns conceitos de eletrotécnica. 
3. Geradores. 
4. Transformadores. 
5. Casas de força. 
6. Número e tamanho dos grupos de geração. 
7. Turbinas. 
8. Pré-Dimensionamento. 
9. Arranjo da casa de força. 
10. Equipamentos auxiliares. 
11. Distribuição de energia elétrica. 
 
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3 
 
 Schreiber, Usinas Hidrelétricas - Editora 
Edgar Blücher, Ltda. 
 Macintyre, Máquinas Motrizes Hidráulicas. 
USBR, Selecting Hydraulic Reaction Turbines. 
 Manuais ELB (Inventário, PCH, Viabilidade, 
Projeto Básico). 
Internet... 
 
1. Bibliografia. 
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O deslocamento ordenado de cargas (corrente elétrica) produz um 
campo magnético. 
2. Introdução: Revisão de alguns 
conceitos de eletrotécnica 
 
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Pode-se afirmar que o campo magnético diminui quando: 
 nos afastamos do condutor 
 diminui a corrente elétrica 
Se dobrarmos um condutor em forma de espira, o campo magnético 
vai reforçar-se criando um pólo norte num dos lados da espira em 
pólo sul do outro lado. 
 
2. Introdução: Revisão de alguns 
conceitos de eletrotécnica 
 
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6 
Se enrolarmos um condutor em forma de bobina 
(conjunto de espiras) o efeito do campo magnético criado 
é ainda maior. 
2. Introdução: Revisão de alguns 
conceitos de eletrotécnica 
 
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7 
Quando um pedaço de metal facilmente magnetizável é 
colocado perto de uma bobina em corrente, o pedaço 
de metal desloca-se na direção da bobina. 
Isto porque o pedaço de metal é magnetizado e atraído 
pelo campo magnético gerado pela bobina. 
A força do campo magnético, quando uma corrente 
atravessa a bobina, é proporcional à quantidade de 
espiras e à intensidade dessa corrente. 
2. Introdução: Revisão de alguns 
conceitos de eletrotécnica 
 
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8 
Com a lei de Ampère, aprendemos que uma corrente 
elétrica induz um campo magnético. 
Na década de 1830, Faraday descobriu o inverso, isto é, 
um campo magnético pode criar uma corrente 
elétrica. Isso é possível através do surgimento de uma 
força eletromotriz (fem) induzida. 
Quando uma barra magnetizada se movimenta no interior 
de uma bobina, induz-se nesta última, uma corrente 
elétrica. 
2. Introdução: Revisão de alguns 
conceitos de eletrotécnica 
 
‘ 2. Introdução. 
 
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Princípio de funcionamento de um gerador de corrente 
alternada (alternador). 
Apenas é induzida f.e.m. num condutor se o seu 
movimento for normal às linha de força de um campo 
magnético, i.e.: 
 
 
 
 
 
 
Apenas nos movimentos a e c é gerada f.e.m. 
 
3. Geradores. 
 
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Se o condutor tiver 
uma trajetória 
circular o valor da 
f.e.m. mudará 
constantemente. 
3. Geradores. 
 
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Se, ao invés de termos um condutor retilíneo em 
movimento dentro de um campo magnético, tivermos 
uma espira, em rotação em torno do seu eixo, as f.e.m. 
induzidas em ambos os lados da espira vão adicionar-se 
3. Geradores. 
 
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3. Geradores. 
 
Dado que para a geração de f.e.m. o que interessa é o 
movimento relativo entre condutores e campo magnético, 
se em vez de serem condutores(espira) a rodar com o 
magneto parado, for o magneto que rodar com a espira 
parada, o efeito será similar. 
3. Geradores. 
 
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Magneto em rotação dentro de uma espira estática 
3. Geradores. 
 
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3. Geradores. 
 
O gerador transforma a energia mecânica produzida pela 
turbina em energia elétrica. 
No Brasil, a energia das redes públicas de transmissão é de 
corrente alternada, trifásica, 60 Hz. 
O gerador possui uma parte móvel (rotor acoplado à 
turbina) e uma parte fixa, o estator. O estator deve estar 
fortemente ancorado ao concreto da casa de força para 
poder resistir ao momento de torção que assume seu valor 
máximo na ocasião de um curto-circuito. 
Os pólos do rotor magnetizados por corrente contínua, 
passam pelas bobinas do estator, induzindo nelas a 
corrente alternada. 
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 Nos geradores, o movimento de rotação do rotor provoca o 
aparecimento de uma f.e.m. no estator. 
Todas as máquinas rotativas de corrente alternada têm uma 
relação entre a freqüência da tensão de alimentação e a 
sua velocidade de rotação. Porém, as máquinas síncronas 
possuem uma velocidade de rotação fixa, que está 
relacionada, de uma forma rígida, com aquela freqüência. 
Essa relação é dada pela equação: 
 f = p.n 
 em que f é a freqüência, n é a velocidade de rotação (em 
rotações por segundo) e p é o número de pares de pólos 
da máquina. 
 
 
 
3. Geradores. 
 
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 Levando-se em conta que o número de bobinas do estator 
corresponde ao número de pares de pólos do rotor, que 
o estator de grandes geradores deve ser transportado 
em partes e que o número das bobinas de cada uma 
dessas partes deve ser iguais, pode-se aplicar números 
de rotação que correspondam a um número de pólos 
divisível por 4. 
Perdas de um gerador: com fator máximo de rendimento 
de 97% , os 3% de perdas transformam-se quase 
completamente em calor, que deve ser retirado para 
evitar aquecimento excessivo no gerador. 
Com essa finalidade, o rotor é equipado com aletas de 
ventilação. 
 
 
 
3. Geradores. 
 
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 Devido à versatilidade operativa e aos elevados 
rendimentos na conversão de energia, os geradores 
síncronos são amplamente utilizados em centrais 
hidrelétricas. 
Os geradores assíncronos, ou de indução, possuem a 
característica básica de trabalharem com rotação 
levemente diferente da rotação síncrona. 
 
 
3. Geradores. 
 
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5. Turbinas. 
 
Francis 
Turbina Francis da Voith (azul) acoplada a gerador Westinghouse 
de 117,6 kW (vermelho) 
http://pt.wikipedia.org/wiki/Gerador 
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A corrente elétrica alternada é hoje preferencialmente 
usada para a transmissão e distribuição de energia 
elétrica, pela facilidade de sua transformação em 
valores mais altos ou mais baixos, graças a um 
equipamento chamado transformador. 
Na saída da usina geradora a tensão é elevada, 
diminuindo-se a corrente, antes da sua entrada na 
linha de transmissão. No outro extremo da linha, 
fazemos o inverso, isto é diminuímos a tensão e 
elevamos a corrente, para que possamos fazer a 
distribuição de energia. 
4. Transformadores. 
 
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4. Transformadores. 
O transformador é uma máquina estática (não tem 
peças em movimento) que baseia seu funcionamento na 
indução eletromagnética. Destina-se a baixar ou elevar 
o valor de uma tensão ou de uma corrente. 
 
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Para facilitar a passagem das linhas de força, utiliza-se 
um material ferromagnético (bom condutor deste 
campo) a que se dá o nome de núcleo. 
 
4. Transformadores. 
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4. Transformadores. 
Nos transformadores da subestação elevadora de 
tensão, o enrolamento primário tem menor número de 
voltas de fio que o enrolamento secundário, podendo, 
em muitos casos, este enrolamento ser constituído por 
fios mais finos. 
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4. Transformadores. 
Os transformadores rebaixadores de tensão têm maior 
número de voltas de fio no enrolamento primário que no 
secundário. Em geral, nesse tipo de transformador os fios 
utilizados no enrolamento secundário são mais grossos. 
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Sendo UP e US as tensões nos terminais dos fios nos 
enrolamentos primário e secundário e NP e NS o número 
de voltas de fio em cada um desses enrolamentos, vale a 
seguinte relação para o transformador: 
 
 
 UP/US=NP/NS 
 
 
4. Transformadores. 
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Balanço energético no transformador 
O rendimento nos transformadores é em torno de 98%, o 
que significa que a potência elétrica no enrolamento 
 primário é praticamente igual à do enrolamento 
secundário, ou seja, UP iP (enrolamento primário) = US iS 
(enrolamento secundário)ou: 
 
 UP/US=iS/iP 
 
 
 
4. Transformadores. 
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5. Casa de força. 
 
Normalmente, a casa de força é um edifício com a 
função de abrigar os equipamentos eletromecânicos e 
pessoal para operação da usina. De acordo com o local, 
elas podem ser: 
 Externas: 
 - abrigadas, com superestrutura e ponte rolante. 
 - semi-abrigadas, com cobertura 
 removível e guindaste pórtico externo. 
 - abertas, com a tampa do gerador ao tempo. 
 Em caverna – a casa de força está enterrada e tem de 
ter altura suficiente para a retirada da maior peça do 
grupo turbina-gerador. 
 
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5. Casa de Força. 
 
É composta das seguintes partes: 
 hall de máquinas; 
Área de descarga e montagem das máquinas; 
Anexos para a instalação de equipamentos elétricos e 
mecânicos; 
Passagens de dutos para cabos, barramentos e 
tubulações. 
Em adição, outras partes podem ou não estar na casa 
de força: sala de controle, oficina de manutenção, 
almoxarifado e escritório. 
 
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5. Casas de força. 
 
A largura, o comprimento e a altura do hall de máquinas 
são determinadas principalmente pelas dimensões e 
arranjo dos grupos de geração. 
Os demais equipamentos elétricos, tais como 
transformadores, painéis de comando e equipamentos 
dos serviços auxiliares são usualmente acomodados de 
forma mais conveniente nos anexos ou extensões do hall 
das máquinas. 
Nos casos de usinas semi-abrigadas a casa de força 
possui uma cobertura removível e a retirada das peças 
dos grupos é feita por intermédio de um guindaste 
pórtico. 
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5. Casas de força. 
 
O comprimento do edifício depende da disposição, 
número e dimensões dos grupos de geração. 
A largura do edifício depende dos seguintes aspectos: 
Dimensões e arranjos dos grupos de geração. 
Espaço para manutenção dos grupos. 
Desde que o edifício seja totalmente coberto, i.e., 
sejam instaladas uma ou duas pontes rolantes externas, 
a altura do edifício é definida pela altura de 
levantamento do gancho da ponte rolante, que será 
utilizada para retirar a maior peça dos grupos gerador-
turbina e transportar até a área de manutenção. 
 
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5. Casas de força. 
 
O eixo da unidade turbina-gerador pode ter posição 
horizontal ou vertical. Atualmente, a posição horizontal 
é usada apenas em unidades pequenas, enquanto as 
máquinas de grande potência nas usinas modernas são 
quase exclusivamente verticais. 
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6. Número e tamanho dos grupos de 
geração. 
 A capacidade total de geração de uma UHE é estabelecida 
levando-se em conta: 
A quantidade de energia que pode ser obtida de uma bacia 
hidrográfica por ela controlada e possíveis regularizações a 
montante, a potência firme e a potência média. 
O fator de capacidade que se pretende operar a usina, que 
depende do fator de demanda (carga) local ou global e pode 
variar de um mínimo no entorno de 0,25 (usina de ponta) até 
valores superiores a 0,60 
O custo da energia produzida, incluindo investimento, O&M. 
O retorno esperado. 
 
 
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6. Número e tamanho dos grupos de 
geração. 
 
Uma vez determinada a capacidade total a ser instalada, o 
próximo passo é decidir o número de grupos de geração. Os 
principais fatores que governam esta escolha são: 
Custo da instalação: o custo da CF e das fundações 
aumenta com o número de grupos, porém não na proporção 
direta. O aumento do número de grupos aumentará também 
os custos de outros itens do empreendimento. O preço de um 
grupo normalmente é mais barato do que o preço de dois 
grupos de potência igual à metade. 
Custo de operação: o custo de O&M de diversos grupos é 
maior do que o correspondente custo para grupos maiores e 
em menor número. 
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6. Número e tamanho dos grupos de 
geração. 
 
Confiabilidade do suprimento: as considerações que foram 
feitas levam sempre a diminuir ao mínimo o número de grupos. 
Entretanto é necessário assegurar a máxima confiabilidade 
ao suprimento de energia, no evento de falha ou retirada 
para manutenção de qualquer grupo de geração. 
A localização da planta e a sua utilização é um fator 
importante na análise desse item: se a usina alimenta um 
sistema isolado, é necessário que tenha um ou dois grupos de 
reserva para qualquer eventualidade; caso a usina esteja no 
sistema interligado haverá necessidade de verificar o número 
necessário de grupos reserva e mesmo se há necessidade de 
reserva. 
 
 
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6. Número e tamanho dos grupos de 
geração. 
 
Limites de Potência: independentemente dos limites de 
altura da queda associada aos diferentes tipos de turbinas, 
existem também os limites de potência para os vários tipos 
de turbinas e geradores em função da velocidade do grupo. 
No caso da turbina, este aspecto é devido a problemas do 
tamanho físico e de esforços mecânicos e também de 
considerações hidráulicas. 
Para os geradores, os problemas de esforços mecânicos do 
rotor nas condições de velocidade de disparo e de 
refrigeração são as variáveis que limitam o crescimento das 
potências dos grupos. 
2 geradores 60 MW 
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7. Turbinas. 
 
Basicamente existem dois tipos de turbinas hidráulicas: as 
de ação e as de reação. 
Ação: trabalho mecânico é obtido pela transformação de 
energia cinética: tudo isto ocorre a pressão atmosférica. 
Mais comuns: Pelton, Michell-Banki. 
 Reação: Na turbina de reação, trabalho mecânico é 
obtido pela transformação de energia cinética e de 
pressão da água em escoamento, o rotor é completamente 
submergido na água, com o escoamento da água ocorre uma 
diminuição de pressão e de velocidade entre a entrada e a 
saída do rotor. Mais usadas: Francis, Kaplan. 
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7. Turbinas. 
 
Pelton Pelton Kaplan 
Francis Francis Francis 
www.cerpch.efei.br/turbinas.html 
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7. Turbinas. 
 
Ação: Pelton, Michell-Banki 
 Pelton opera em quedas relativamente altas e pequenas 
vazões, com eixo horizontal, no caso de ter um ou dois 
jatos e eixo vertical para um número de jatos de 3 a 6, 
podendo alcançar potências até 100 MW por unidade e 
quedas de 1900m. 
A outra geometria de ação, o rotor Michell-Banki possui 
sempre eixo horizontal e pode alcançar potência máxima de 
2 MW. A simplicidade construtiva e o baixo custo de 
manutenção fazem com que esse turbina seja a preferida 
em sítios distantes dos grandes centros e que necessitem 
de pouca potência. 
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46 
7. Turbinas: Pelton. 
 
www.cerpch.efei.br/turbinas.html 
 
http://enerp4.ist.utl.pt/ruicastro/download/Mh_ed2.pdf 
7. Turbinas: Michell-Banki. 
 
http://meusite.mackenzie.com.br/mellojr/Turbinas%20Hidr%E1ulicas/CAP%CDTULO%203REV.htm 
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7. Turbinas. 
 
 Francis: Estator ou carcaça em forma de espiral, tubo de 
sucção com curva e cone. 600 > Hb (m) > 8 
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7. Turbinas: Francis. 
 
Francis 
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7. Turbinas: Francis. 
 
Francis 
Guri II Power Station (Venezuela) 
www.toshiba.co.jp/.../ equipment/index01_1.htm 
 
A Francis turbine runner, rated at nearly one million hp, being installed at the Grand Coulee Dam 
http://en.wikipedia.org/wiki/Water_turbine 
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7. Turbinas. 
 
Hélice e Kaplan: com relação à forma da carcaça e da 
maioria dos componentes, as turbinas de reação com motor 
axial se assemelham às do tipo Francis, exceto na 
geometria do rotor, composta por cubo com pás em forma 
de asa de sustentação, cujo número varia de 2 a 8. Essas 
pás podem ser fixadas rigidamente ao cubo e o rotor axial 
recebe a denominação de rotor hélice e a turbina 
correspondente, turbina hidráulica hélice. No caso das pás 
terem movimento em relação ao cubo, o rotor denomina-
se Kaplan e a turbina, turbina hidráulica Kaplan. 
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7. Turbinas. 
 
Kaplan 
Eixo turbina Kaplan - Sobradinho 
A propeller-type Kaplan runner rated 28,000 hp 
 http://en.wikipedia.org/wiki/Water_turbine 
Turbinas: manutençao – cavitação . 
http://en.wikipedia.org/wiki/Water_turbine 
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7. Turbinas. 
 
Turbina hidráulica axial bulbo: com gerador dentro do 
bulbo. Esse tipo tem sido utilizado na faixa de quedas 
entre 2 e 30 metros sendo a potência máxima construída 
de 66 MW (não mais – Jirau = 76,5 MW). 
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58 
7. Turbinas. 
 
http://meusite.mackenzie.com.br/mellojr/Turbinas%20Hidr%E1ulicas/CAP%CDTULO%203REV.htm 
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7. Turbinas. 
 
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. A turbina axial deu origem a 
uma série de variantes, além do conceito da turbina Kaplan, 
como: a turbina Bulbo, a turbina Sifão, a turbina S, tanto 
de jusante quanto de montante e até a turbina Strafflo. 
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60 
7. Turbinas. 
 
As turbinas axiais tipo "S" têm sua aplicação, principalmente 
para aproveitamento de baixas quedas, entre 5 e 20 m, 
podendo em alguns casos chegar a 25 m de queda. Seu 
emprego em projetos de pequenos aproveitamentos é 
conveniente por apresentar flexibilidade de operação, 
simplicidade de montagem e facilidade de acesso e 
manutenção. 
Cada dimensão de turbina pode ser fornecida, dependendo 
das variações de altura de queda e vazão em quatro variantes: 
distribuidor móvel e rotor de pás móveis; 
distribuidor fixo e rotor de pás móveis; 
distribuidor móvel e rotor de pás fixas; 
distribuidor fixo e rotor de pás fixas; 
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7. Turbinas. 
 
http://meusite.mackenzie.com.br/mellojr/Turbinas%20Hidr%E1ulicas/CAP%CDTULO%203REV.htm 
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7. Turbinas. 
 
Turbina axial periférica ou straflo (straight flo): com 
gerador externo e coroa de pólos nas extremidades das 
pás do rotor. Esse tipo reduz substancialmente a casa de 
máquinas. 
Rendimentos de alguns tipos de turbinas com variações de 
vazões para PCH’s. 
http://meusite.mackenzie.com.br/mellojr/Turbinas%20Hidr%E1ulicas/CAP%CDTULO%203REV.htm 
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7. Turbinas. 
 
A escolha do tipo adequado baseia-se nas condições de 
vazão, queda líquida, na rotação da turbina, no casamento 
turbina-gerador e na altura de sucção, no caso de máquinas 
de reação . 
Conhecidos a altura (H) e a vazão (Q) disponíveis no local, 
levando-se em conta: a rotação (n) imposta em valores 
discretos em função do número de pares de pólos (z), do 
gerador elétrico, e altura de sucção,(hs), no caso da 
turbina hidráulica ser de reação, determina-se uma 
rotação específica, que definirá o tipo de rotor da turbina 
hidráulica, adequado ao aproveitamento em questão . 
 
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7. Turbinas. 
 
Define-se como rotação específica, ou ainda velocidade 
específica, o número de rotações por minuto de uma turbina 
unidade, tomada como padrão da turbina dada, e que 
representa todas as que lhe forem geometricamente 
semelhantes, desenvolvendo a potência de P = 1 HP, sob uma 
queda Hu = 1 m; 
 
ns - velocidade específica; 
n - rotação em rpm; 
P - potência em cv; 
H - queda em m. 
 
251
50
,
,
H
P
nns
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7. Turbinas. 
 
 
Semelhança de turbinas: corresponde a um conjunto de leis e 
conhecimentos através dos quais se torna possível prever o 
comportamento de uma turbina de maior porte a partir da 
atuação ou desempenho de uma turbina menor; 
O aumento da ns tem as vantagens: 
aumento da velocidade do gerador e diminuição de seu 
peso e preço; 
Diminuição do diâmetro do rotor e das suas dimensões 
físicas, do peso e do preço da turbina; 
Diminuição das dimensões da casa de força; 
Pórticos rolantes mais leves. 
Desvantagem; diminuição da eficiência das turbinas. 
 
 
 
 
 
 
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8. Pré-dimensionamento. 
 
As principais informações utilizadas para dimensionamento da 
turbina são as seguintes: 
 potência instalada inicial em MW; 
 queda líquida máxima em m; 
 nível d’água normal do canal de fuga; 
 nível d’água mínimo do canal de fuga; 
 fator de potência; 
 rendimento médio do gerador; 
 temperatura média da água no verão, T em °C; 
 freqüência do sistema elétrico, f em Hz, 60 Hz no caso do 
Brasil. 
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8. Pré-dimensionamento. 
 
A seleção do tipo de turbina poderá ser feita 
diretamente a partir do gráfico a seguir, em função da 
queda líquida máxima e da potência unitária da turbina, 
ou pelas seguintes expressões equivalentes (Eletrosul, 
1996- Manual Inventário), para H em metros: 
 para Pelton: 
150 H1  1500
para Francis de eixo vertical: 
27 H1  600
para Francis de eixo horizontal: 
50 H1  350
50 H1  350
para Kaplan: 
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8. Pré-dimensionamento. 
Seleção de turbinas. 
1000900800700600500400300200100807060 9050403020108 9765
2000
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
90
70
80
60
50
40
30
20
3
4
5
6
7
8
9
10
1
2
3
4 5
6
7
8
9
10
11
12
1314
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
32
31
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8. Pré-dimensionamento. 
 
Para quedas onde é possível adotar mais de um tipo de 
turbina, a seleção deverá ser feita levando em consideração 
características técnicas e operacionais do equipamento de 
geração e também custos e benefícios associados a cada 
tipo. 
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8. Pré-dimensionamento. 
 
As principais informações para quantificação são as 
seguintes: 
cota média do terreno na área da casa de força; 
condições geológicas e profundidade do topo rochoso na 
área da casa de força; 
volume de concreto correspondente à escavação adicional 
necessária por fundação deficiente; 
volume de concreto resultante de modificações no projeto 
para nível d’água máximo do canal de fuga superior à cota 
do piso do gerador; 
tipo de casa de força; e 
nível d’água máximo do canal de fuga. 
 
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8. Pré-dimensionamento. 
Manual de Inventário - ELB 
 
A velocidade específica inicial, n’s, é obtida no gráfico 
abaixo em função da queda líquida máxima ou pelas 
expressões equivalentes (Eletrosul, 1996): 
10
100
1000
10000
10 100 1000
Eixo Horizontal
ns=271xlog(502/H) para 50,6  H < 192,9
ns=3364xH
-0,646,
para 192,9  H  360,8
Eixo vertical
ns=219xlog(1006/H) para 33,2  H  358,1
ns=2772xH
-0,568
 para 358,1 < H  1179,6
VELOCIDADE ESPECÍFICA (ns)
Limites de aplicação: 33,2  H 1180
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8. Pré-dimensionamento (Pelton). 
 
1
1
6
g1
Hk
P10
 N= Q


k g t g     1 1
89,01t 
95,01g 
UFRJ 
75 
8. Pré-dimensionamento(Pelton). 
 
Q1 - vazão turbinada máxima total, em m
3/s; 
H1 - queda líquida máxima, em m; 
P1 - potência de uma unidade geradora, em MW; 
k - coeficiente; 
 = 1000 kg/m3 - massa específica da água; 
t1 - rendimento da turbina para queda líquida 
máxima; 
g1 - rendimento do gerador para queda líquida 
máxima; 
g = 9,81 m/s2 - aceleração da gravidade; 
 
 
UFRJ 
76 
8. Pré-dimensionamento (Pelton). 
 
A velocidade inicial, n’ (rpm), é dada pela expressão: 
 
n' = n' H Ps 1
1,25
1t
-0,5 
sendo: 
 
j
P10
 = P
g
1
3
1t

n’s - velocidade específica inicial; 
H1 - queda líqüida máxima, em m; 
P1t - potência unitária da turbina, 
em kW; 
 
P1 - potência de uma unidade 
geradora, em MW; e 
g 
 
j 
- rendimento do gerador para 
queda líquida máxima. 
– número de injetores 
UFRJ 
77 
8. Pré-dimensionamento (Pelton). 
 
O número de pólos do gerador, p, é obtido a partir do 
Quadro 5.8.2.01 (Manual de Inventário, Eletrobras), em 
função da velocidade inicial e vazão turbinada unitária 
máxima. 
UFRJ 
78 
8. Pré-dimensionamento. 
 
Nº de Velocidade Nº de Velocidade 
pólos 
do 
Síncrona pólos 
do 
Síncrona 
gerad
or 
50 Hz 60 Hz gerad
or 
50 Hz 60 Hz 
6 1000 1200 60 100,0 120,0 
8 750,0 900,0 62 96,8 116,1 
10 600,0 720,0 64 93,75 112,5 
12 500,0 600,0 66 90,91 109,09 
14 428,57 514,29 68 88,24 105,88 
16 375,0 450,0 70 85,71 102,86 
18 333,33 400,0 72 83,33 100,0 
20 300,0 360,0 76 78,95 94,74 
22 272,73 327,27 78 76,92 92,31 
24 250,0 300,0 80 75,00 90 
26 230,7 276,9 82 73,17 87,80 
28 214,29 257,1484 71,43 85,71 
30 200,0 240,0 86 69,77 83,72 
32 187,50 225,0 88 68,18 81,82 
34 176,47 211,8 90 66,67 80,0 
36 166,67 200,0 92 65,22 78,26 
38 157,89 189,47 96 62,50 75,0 
40 150,0 180,0 98 61,2 73,5 
42 142,86 171,43 100 60,00 72,0 
44 136,36 163,64 104 57,69 69,23 
46 130,43 156,52 108 55,56 66,67 
48 125,0 150,0 112 53,57 64,29 
50 120,0 144,0 116 51,72 62,07 
52 115,38 138,46 120 50,0 60,0 
56 107,14 128,57 124 48,39 58,06 
58 103,45 124,14 128 46,88 56,25 
60 100,0 120,0 132 45,45 54,55 
UFRJ 
79 
8. Pré-dimensionamento (Pelton). 
 
Dimensões da caixa espiral e do tubo de sucção 
 D n Dsj3 21028 0 0137   , ,
L D  078 206 3, ,
G L  0196 0 376, ,
H L  0 62 0 513, ,
I L  128 0 37, ,
B L  0 595 0 694, ,
C L  0 362 0 68, ,
D L   0 219 070, ,
E L  0 43 070, ,
A 
D 
E 
B C 
D3, A, 
B, C, 
D, E 
 
- 
 
dimensões da 
turbina, em m; 
F, G, 
H I, L 
- dimensões da 
câmara blindada, 
em m; e 
D2 - diâmetro da linha 
de centro do jato, 
em m. 
UFRJ 
80 
8. Pré-dimensionamento (Pelton). 
 
Dimensões da casa de força 
A largura de bloco da unidade da casa de força no 
sentido transversal ao fluxo, B1cf (m), é dada pela 
expressão 
B B C dcf1 1  
B,C - dimensões do bico injetor, em m; e 
d1 - espaçamento entre unidades 
geradoras definido pelo projetista, 
em m. 
UFRJ 
81 
8. Pré-dimensionamento (Pelton). 
 
Dimensões da casa de força 
A largura total da casa de força, Bcf (m), sem incluir a 
área de montagem, é dada pela expressão 
B = N B + 2,0cf g 1cf
Ng - número de unidades geradoras; e 
B1cf - largura de bloco da unidade da casa de 
força, em m. 
UFRJ 
82 
8. Pré-dimensionamento. 
 
E mais: 
Largura da área de montagem 
Comprimento da superestrutura, 
Volume de escavação comum, 
Volume de escavação em rocha, 
Tratamento das fundações, 
Cálculo da armação, 
Custo aquisição turbinas, geradores, pórticos, etc 
 
UFRJ 
83 
8. Pré-dimensionamento. 
 
Para dimensionar a casa de força e seus equipamentos, o 
Manual de Inventário da Eletrobras recomenda utilizar uma 
das planilhas abaixo, baseadas no tipo de turbina selecionado 
nos estudos preliminares: 
 
UFRJ 
84 
8. Pré-dimensionamento. 
 
– 582P.xls-para casa de força equipada com turbinas Pelton; 
– 582Fv.xls -para casa de força equipada com turbinas 
Francis de eixo vertical; 582FV.XLS; porteiras.XLS 
– 582Fh.xls -para casa de força equipada com turbinas 
Francis de eixo horizontal; 
– 582Ka.xls -para casa de força equipada com turbinas Kaplan 
com caixa espiral de aço; 
– 582Kc.xls -para casa de força equipada com turbinas Kaplan 
com caixa semi-espiral de concreto; e 
- 582B.xls – para casa de força equipada com turbinas Bulbo. 
 
UFRJ 
85 
8. Pré-dimensionamento. 
 
 
No entanto: importância de se saber o que se está 
fazendo. Exemplo do “Selecting Reaction Turbines (USBR)”, 
mostrar gráficos de rendimentos acoplados dos grupos 
turbina-gerador, determinação altura de referência. 
 
UFRJ 
86 
9. Arranjo dos equipamentos 
elétricos. 
 A área de montagem pode ser construída no fim ou no meio 
do hall de máquinas. É utilizada para receber e descarregar 
os veículos pesados, com espaço suficiente para que a 
maior peça (normalmente o rotor e o estator do gerador) 
possa ser total ou parcialmente desmontada. 
 
As dimensões principais e a disposição dos grupos, são 
estabelecidas pelas suas características mecânicas e 
hidráulicas, pelas condições de acesso rodoviário, direção 
das LT´s e pela aparência arquitetônica do conjunto. 
A subestação deve ser acomodada o mais próximo da CF. 
 
UFRJ 
87 
9. Arranjo dos equipamentos 
elétricos. 
 O projeto e o arranjo particular dos grupos de geração 
terão um efeito importante sobre o número de pavimentos 
da CF. 
 
Quando o eixo é horizontal, normalmente 1 pavimento é 
suficiente e o grupo de geração é montado sobre suas 
fundações. 
 
Com o eixo vertical, a quantidade de pisos dependerá do 
projeto do grupo e do espaço requerido para os 
equipamentos auxiliares. 
 
UFRJ 
88 
9. Arranjo dos equipamentos elétricos: 
Transformadores principais. 
 
Em geral, dificultam a solução de arranjo devido ao seu 
considerável peso, área, altura e risco de fogo. 
Teoricamente, pertencem ao sistema de transmissão e não ao 
sistema de geração de energia. 
Porém, normalmente, o gerador está ligado ao transformador 
e os dois elementos formam, assim, um bloco. 
Além disso, as barras blindadas usadas para a ligação são 
bastante caras e a distância entre o gerador e o 
transformador deve ser a menor possível, de forma que o 
transformador faça parte das máquinas e instalações que 
determinam o projeto da CF. 
 
UFRJ 
89 
Podem ser trifásicos (juntando os enrolamentos das três 
fases numa só unidade) ou monofásicos, destinando-se para 
cada fase um transformador. 
Um transformador trifásico é mais barato do que três 
monofásicos. Em favor de três monofásicos: só precisa de 1 
desses como reserva e são mais leves para serem 
transportados nas estradas. 
Os enrolamentos e o ferro ativo do transformador 
encontram-se mergulhados num banho de óleo isolante que 
deve ser resfriado. As dimensões do transformador podem 
ser reduzidas se é usada água como meio resfriador ou 
circuito forçado de óleo. 
 
9. Arranjo dos equipamentos elétricos: 
Transformadores principais. 
 
UFRJ 
90 
10. Equipamentos auxiliares. 
 
As turbinas, os geradores e os transformadores representam 
as peças maiores e mais importantes nas instalações de uma 
CF, mas para sua operação precisa-se de um grande número 
de instalações secundárias: 
 pontes rolantes e guindastes pórticos; 
Regulador de velocidade; 
Sistema de refrigeração dos mancais; 
Bombas de alta pressão de óleo para macaqueamento do 
rotor do gerador; 
Bombas do sistema de resfriamento; 
Sistema anti-incêndio dos geradores; 
etc 
 
UFRJ 
91 http://www.itaipu.gov.br/ 
UFRJ 
92 
UHE Machadinho 
11.140 MW 
A Usina Hidrelétrica Machadinho está localizada no Rio Pelotas a 1,2 km a 
jusante da foz do Rio Inhandava, entre os municípios de Piratuba/SC e 
Maximiliano de Almeida/RS. 
 
Barramento blindado - Unidade 3 
Ligação dos painéis de instrumentação - Unidade 3 
UFRJ 
95 Central hidráulica do sistema de regulação - Unidade 3 
Acoplamento do eixo superior com o rotor - Turbina 3 
UFRJ 
97 Sistema de CO2 da sala de óleo lubrificante 
Vista geral da galeria de serviços - El. 372,40m 
UFRJ 
99 
11. Distribuição de energia 
elétrica 
Pretendemos transmitir uma potência de 50 MW com fator 
de potência de 0,85, por meio de uma linha de 
transmissão trifásica com condutores de alumínio, desde 
a usina hidroelétrica, cuja tensão nominal do gerador é 
13,8 kV, até o centro consumidor situado a 100 km. 
Admitindo-se uma perda por efeito Joule de 2,5 % na 
linha, determine o diâmetro do cabo nos seguintes casos: 
a) usando linha de transmissão direta sob os 13,8 kV (essa 
é a idéia de quem acha que é suficiente 'esticar' os fios 
diretamente do gerador até o centro consumidor). 
b) usando linha de transmissão sob 138 kV (linha trifásica 
de alta tensão).