TURBINAS. Engenharia Elétrica Especializada. Eng. Vlamir Botelho Ferreira 1 INTRODUÇÃO

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1 1 TURBINAS Eng. Vlamir Botelho Ferreira 1 INTRODUÇÃO Turbinas são equipamentos mecânicos que transformam energia de algum fluido (água, vento, gás, etc) que se move através dela, convertendo ou a energia cinética ou a energia potencial em energia mecânica de rotação. 2 TIPOS DE TURBINAS 2.1 Turbinas a Vapor Fig. 1.2a - Esquema Simplificado de uma Turbina a Vapor

2 2 Uma máquina motora a vapor tem como objetivo transformar a energia, contida no fluxo contínuo de vapor que receber, em trabalho mecânico. E somente parte da energia contida no vapor que chega à máquina poderá ser convertida em trabalho. A parte restante da energia, que não pode ser transformada em trabalho permanece no vapor descarregado pela máquina. Inicialmente existe uma caldeira fechada com água, onde ela é aquecida até se tornar vapor. Quando transformada, o vapor passa por uma tubulação onde é liberada nas pás fazendo-as girarem, e essas pás estão ligadas á um gerador que irá produzir energia. E para reaproveitar o vapor, existe um condensador fazendo o processo se repetir, como mostra a figura abaixo. Fig. 2.1b - Esquema Simplificado de uma Termelétrica a Vapor 2.2 Turbinas a Gás Quando falamos em turbinas a gás estamos nos referindo a um conjunto de três equipamentos: compressor, câmara de combustão (local onde ocorrem explosões da mistura ar-combustível) e a turbina.

3 3 O nome acaba por nos enganar, já que GÁS não se refere à queima de gases combustíveis, mas, ao fluido de trabalho da turbina. O combustível pode ser gasoso (gás natural, GLP) ou líquido (querosene, óleo diesel). Fig Esquema Simplificado de uma Turbina a Gás Por serem máquinas de combustão interna realizam o processo de conversão da energia do combustível a altas temperaturas (começando com temperaturas da ordem de 1000ºC e terminando em temperaturas próximas de 500ºC). A maior parcela da energia do combustível que não é aproveitada está nos gases de exaustão ainda a altas temperaturas. 2.3 Turbinas Hidráulicas As turbinas hidráulicas são projetadas para transformar a energia mecânica (a energia de pressão e a energia cinética) de um fluxo de água, em potência de eixo. Atualmente são mais encontradas em usinas hidrelétricas, onde são acopladas a um gerador elétrico, o qual é conectado à rede de energia. As turbinas hidráulicas dividem-se entre três tipos principais: Pelton, Francis e Axial (Kaplan). Cada um destes tipos é adaptado para funcionar em usinas, como uma determinada faixa de altura de queda.

4 4 As vazões volumétricas podem ser igualmente grandes em qualquer uma delas, mas a potência será proporcional ao produto da queda (H) e da vazão volumétrica (Q), sendo a Pelton que suporta maiores quedas. Em todos os tipos há alguns princípios de funcionamento comuns. A água entra pela tomada de água, a montante da usina hidrelétrica que está num nível mais elevado, e é levada através de um conduto forçado até a entrada da turbina. Lá a água passa por um sistema de palhetas guias móveis, que controlam a vazão volumétrica fornecida à turbina. Após passar por este mecanismo a água chega ao rotor da turbina. Por transferência de quantidade de movimento, parte da energia potencial dela é transferida para o rotor na forma de torque e velocidade de rotação. Após passar pelo rotor, um duto chamado tubo de sucção, conduz a água até a parte de jusante do rio, no nível mais baixo. a) Turbina Pelton: Na turbina Pelton, o torque é gerado pela ação de um jato livre sobre a dupla concha do rotor. Por essa razão a turbina Pelton também é chamada de turbina de jato livre. Essa turbina foi idealizada por volta do ano de 1880 pelo americano Pelton. Fig. 2.3a - Esquema Simplificado de uma Turbina Pelton

5 5 b) Turbina Francis A turbina Francis foi idealizada em 1849, tendo o nome do seu inventor, sendo que a primeira turbina foi construída pela empresa J.M. Voith em 1873, passando desde então por aperfeiçoamentos constantes, como a utilização das pás diretrizes, também chamadas de pás Fink (SARRETE, I. Lana, 1956). Fig. 2.3b - Esquema Simplificado de uma Turbina Francis c) Turbina Axial (Kaplan) A turbina axial tradicional 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.

6 6 Variando o passo das pás do rotor simultaneamente com as palhetas do distribuidor, pode-se conseguir bons rendimentos com vazões parciais. As turbinas axiais, nas quais tornase possível a variação dos passos das pás do rotor são chamadas de turbinas propeller de pás variáveis ou, como são mais conhecidas; turbinas Kaplan. Fig. 2.3c - Esquema Simplificado de uma Turbina Kaplan Alguns tipos de turbinas axiais podem possuir um conjunto de pás diretrizes dispostas de maneira radial, juntamente com uma caixa espiral. As pás do rotor podem ser construídas ou fundidas, ou estampadas e soldadas ou montadas no cubo, normalmente fundido. Para pequenas turbinas, do tipo propeller, as pás e o rotor podem ser fundidos em uma só peça. No caso da turbina Kaplan, o sofisticado mecanismo de controle das pás no rotor, pode encarecer sua fabricação e tornar a sua aplicação inviável quando comparado às outras turbinas na mesma faixa de aplicação.

7 7 2.4 Turbinas Eólicas A turbina eólica, ou aerogerador, é uma máquina eólica que absorve parte da potência cinética do vento através de um rotor aerodinâmico, convertendo em potência mecânica de eixo (torque x rotação), a qual é convertida em potência elétrica (tensão x corrente) através de um gerador elétrico. A turbina eólica é composta pelo rotor e pela torre que o sustenta, pela transmissão / multiplicação e pelo conversor. Ela pode extrair energia cinética somente do ar que passa através da área interceptada pelas pás rotativas. Fig Esquema Simplificado de uma Turbina Eólica