57 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). UFRJ 58 7. Turbinas. http://meusite.mackenzie.com.br/mellojr/Turbinas%20Hidr%E1ulicas/CAP%CDTULO%203REV.htm UFRJ 59 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. UFRJ 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; UFRJ 61 7. Turbinas. http://meusite.mackenzie.com.br/mellojr/Turbinas%20Hidr%E1ulicas/CAP%CDTULO%203REV.htm UFRJ 62 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 UFRJ 64 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 . UFRJ 65 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 UFRJ 66 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. UFRJ 67 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. UFRJ 68 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: UFRJ 69 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 UFRJ 71 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. UFRJ 72 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. UFRJ 73 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 UFRJ 74 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 28 214,29 257,14