Estudo e Desenvolvimento de uma Turbina Hidráulica: Um Enfoque Voltado às Pequenas Centrais Hidrelétricas.

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1 studo e esenvolviento de ua Turbina idráulica: U nfoque Voltado às Pequenas Centrais idrelétricas. Carlos Barreira Martinez*, verton Adriano de Castro uarte, Antônio lísio Oliveira 2, Jair Nasciento Filho, Luis Antônio Aguirre Geração RSUMO ste trabalho apresenta o esforço desenvolvido no sentido de estudar os probleas relacionados ao projeto de turbinas hidráulicas de baixa queda e pequena potência. O desafio deste projeto é obter ua áquina hidráulica e apear o seu capo de funcionaento. Para se chegar a este resultado pretende-se estudar procedientos de cálculo, construir odelos reduzidos e testa-los e laboratório. Assi na etapa atual dos trabalhos estudara-se as etodologias de cálculo e se desenvolveu u odelo para posterior teste e laboratório. O objetivo é disponibilizar a tecnologia desenvolvida de odo a peritir a anufatura deste tipo de equipaento nas oficinas e unidade de anutenção ecânica das copanhias. de energia elétrica viabilizando o aproveitaento econôico de potenciais residuais. O projeto está sendo desenvolvido no Centro de Pesquisas idráulicas e de Recursos ídricos da scola de ngenharia da UFMG-CP. PALAVRAS-CAV onitoraento de turbinas, rendiento de turbinas, coissionaento de turbinas. I. INTROUÇÃO As turbinas hidráulicas, coo todas as áquinas de fluxo, apresenta dois coponentes ecânicos característicos: o rotor e o sistea distribuidor. É o rotor o principal responsável pela transutação da energia de pressão e ou energia cinética e trabalho ecânico de rotação. O sistea distribuidor possui coo função básica o direcionaento do fluido co o intuito de se otiizar o rendiento da turbina hidráulica. As turbinas hidráulicas pode ser classificadas coo turbinas ativas ou reativas. Nas turbinas ativas, a pressão à entrada do rotor é igual a pressão à saída do eso. Tais turbinas são denoinadas de jato livre e as pressões à entrada e à saída do rotor são iguais à pressão atosférica. Nas turbinas reativas, a energia de pressão diinui desde a entrada do distribuidor até à saída do rotor, voltando a auentar ao longo do tubo de sucção Macyntire (983). Os autores agradece a Copanhia Força e Luz Cataguazes Leopoldina / Copanhia de letricidade de Nova Friburgo e a Universidade Federal de Minas Gerais (por eio de convênio de esenvolviento de Pesquisa apoiado pela Aneel) pelo apoio recebido neste projeto. Centro de Pesquisa idráulica e de Recursos ídricos. Av. Antônio Carlos 6227, Belo orizonte MG. CP , artinez@cce.ufg.br. 2 Financiado pela Copanhia Força e Luz Cataguazes Leopoldina / Copanhia de letricidade de Nova Friburgo, Pça Rui Barbosa 8, centro, Cataguases MG. CP 36 7-; cataguases@cataguazes.co.br. A principal diferença entre as áquinas ativas e as reativas é presença do tubo de sucção. Sua função é anter a continuidade do escoaento, ipedindo que o fluido seja lançado livreente na atosfera. Coo exeplo de turbinas ativas teos as turbinas Pelton, as turbinas de fluxo cruzado (Michel-Banki) e as turbinas Turgo. As turbinas reativas pode ser classificadas co turbinas abertas ou fechadas. As turbinas abertas fica ergulhadas no poço de adução havendo, noralente, u coporta ou adufa co a finalidade de possíveis reparos ou revisões. As turbinas abertas são ais utilizadas para pequenas quedas e pequenas potências. ntretanto, para alguns casos é preferível confinar a turbina e u coponente que será inundado pelo fluido, o qual é conduzido por ua tubulação forçada. Tal coponente pode se apresentar sob a fora de ua caldeira ou no forato de ua voluta. Coo a fora e caldeira apresenta grandes perdas hidráulicas e ua condução iperfeita do fluido ao rotor, está fora cedeu lugar para as caixas volutas. Tais caixas volutas pode ser cilíndricas ou e fora de espiral (caracol). II. O PROJTO O MOLO A etodologia deste trabalho se baseou na bibliografia existente. Assi o projeto do rotor atende a clássica condição na qual a queda otriz recebida pelo rotor seja a esa, não iportando qual o filete líquido considerado. A etodologia para o projeto do rotor para cálculo de variáveis geoétricas e desenho das projeções eridiana e noral foi fundaentada principalente no étodo de Bovet (963). Alé disso, utilizara-se as diretrizes apresentadas por diversos autores Macintyre (983), Pfleiderer (979), Balge (98). Os desenhos do olde do rotor fora realizados a partir das projeções de seções planas (Macintyre, 983). O rotor foi inicialente oldado e adeira de lei. ste olde, tal coo proposto, foi utilizado para a confecção do odelo e chapa de aço. Optou-se por utilizar o aço e vez do latão devido à facilidade de se trabalhar co o aço e a sua resistência ecânica. Os deais coponentes da turbina tais coo carcaça, pás diretrizes, caixa espiral, tubo de sucção etc., fora diensionados de acordo co as recoendações contidas e ncinas (975), Macintyre (983). 262 ANAIS O II CITNL / 23

2 A carcaça foi construída e aluínio fundido. Na construção dos oldes fora utilizados alguns dos procedientos citados por Bran (969), Balge (98), Macintyre (983), Martinez (2)b, Freitas 2. Alé destas referências, Addison (938), Contaldi (927), Phillips (875), Zeuner (95), Pacoret (9), uantz (922) e Barrows (934), que apesar de se tratar de referências antigas, possibilitara a confecção do odelo. Os principais coponentes ecânicos desta turbina são: Tubo de Sucção; Sistea istribuidor; Caixa Voluta. O tubo de sucção é o equipaento que perite ao fluido que sai do rotor atingir o canal de fuga, escoando de fora contínua ao invés de ser lançado livreente na atosfera. Assi, tal equipaento possibilita que, e alguns casos, a instalação da turbina se dê e u nível superior ao do canal de fuga, alé de peritir que a pressão à saída do rotor seja enor que a pressão atosférica, Macintyre (983). Basicaente, para o projeto de u tubo curvo basta atender que a redução de velocidade do fluido deve ser obtida co o auento das diensões das seções transversais proporcionalente aos coprientos edidos segundo à linha édia, Carvalho (982). FIGURA - Tubo de sucção curvo Macintyre (983). Assi, de acordo co Macintyre (983), te-se: s σ h () b v Para que não ocorra o fenôeno de cavitação é necessário que o valor da altura de sucção não ultrapasse u deterinado liite. Sabe-se que a altura de sucção s é função do coeficiente de cavitação (σ). O coeficiente de Thoa é função do tipo de turbina e, conseqüenteente, da velocidade específica da esa. Sendo hv a tensão de vapor na teperatura de escoaento. Para se deterinar o coeficiente de Thoa recorre-se ao uso de fórulas, gráficos e ou tabelas. Poré, no presente estudo, utilizareos apenas as fórulas de Graeser e do NBR-USA, apresentadas respectivaente a seguir:,7 σ (2) 64935, (3) O sistea distribuidor é o operador do sistea de regularização de vazão. O distribuidor possui u deterinado núero de pás orientáveis, denoinadas pás diretrizes, que gira siultaneaente co o eso ângulo possibilitando a passage da descarga requerida ou ipedindo-a quando necessário. As turbinas de édio e grande porte utiliza u outro grupo de pás fixas e o conjunto de tais pás é denoinado de pré-distribuidor e a inclinação das pás do pré-distribuidor é corresponde à posição do distribuidor e funcionaento noral. O projeto das pás diretrizes é realizado considerando sepre a condição de funcionaento noral. Para o diensionaento de distribuidores, utiliza-se o seguinte procediento: a) Forneciento dos dados iniciais. Os dados iniciais são a queda disponível (), a vazão disponível () e o núero de rotações (n). Co isso, deterinaos as deais grandezas, coo potência (N) e velocidade específica (ns)... N η (4) 75 n. N 4 5 (5) b) Co o núero velocidade específica ( ), entra-se na tabela e encontra-se os valores aproxiados dos coeficientes de velocidades. Vu kvu 2. g. (6) V kv 2. g. (7) TABLA Velocidade específica e coeficiente de velocidades (rp) kv u o. 3 KV o. 3 7, , , , , , , , , , , , , , Ref.:Carvalho (982). c) Adota-se u diâetro ( r ) coo referência, no caso o aior diâetro do rotor acrescido de ua tolerância ( ). Assi o diaetro de entrada do distribuidor ( () ): () + (8) r II Congresso de Inovação Tecnológica e nergia létrica 263

3 Te-se então: Z (9) t,522. () () π. () () Z que Z () representa o núero de pás diretrizes e prieira aproxiação e t () corresponde ao passo entre as pontas das pás diretrizes e prieira aproxiação. d) eterina-se a contração voluétrica. ν e () () t senα θ 2. r. R + (2) A A A figura 2 representa o esquea do injetor (espiral). Assi, obté-se que: θ Geração que e corresponde à espessura da ponta da pá diretriz edida a aproxiadaente da ponta. e) fetua-se as correções considerando o coeficiente de contração voluétrica e que o novo será: π. B. V. ν (2) Coo novo, recalcula-se os novos valores para Z e t. Para auentar a energia de velocidade do fluido antes desse atingir o rotor, utiliza-se u sistea diretor, noralente, coposto por ua espiral (caracol) e palhetas fixas. Assuindo que na entrada da turbina haja u injetor, a velocidade pode ser expressa por: V,2. 2. g. (3) 4. π. V (4) Ipondo que V V, tê-se que: V 4. π. 2 (5) evido a ua variação hiperbólica de V para VI, utili-zar-se-á, coo prieira aproxiação para :,33. (6) r Substituindo (6) e (5), te-se que: V,72. 2 (7) r FIGURA 2 - squea siplificado de ua voluta e espiral. III. O MOLO A partir da etodologia apresentada fora anufaturados a caixa voluta, o sistea de distribuição, o rotor Francis e o tubo de restituição. A tabela 2 nos fornece os dados de funcionaento noral do novo odelo. TABLA 2 ados de funcionaento noral do novo odelo Potência (N) ueda () Vazão () Núero de Rotações (n) 3 cv,263/s 22rp Confeccionou-se o olde a caixa voluta e adeira e epóxi que posteriorente foi fundida e aluínio. As figuras 3 a nos ostra o resultado obtido. 264 Agora, é necessário avaliar os oentos de velocidade da espiral. Assi: k ( r + ). V (8) ANAIS O II CITNL / 23 Agora, já se pode deterinar os raios da espiral. Para isso: 72. k. A (9) π FIGURA 3 - iensões e do olde confeccionado na CP - UFMG.

4 FIGURA 4 - Modelo confeccionado e epóxi. FIGURA 8 - Vista do odelo ontado no CP-UFMG. FIGURA 5 - Modelo fundido e aluínio. O rotor Francis foi construído e aço ABNT 2 e pos-sui u diâetro de 5 e ua altura do bordo de entrada de 24, confore ostrado na figura 6. FIGURA 9 - Vista do conjunto de peças e da unida pré ontada no CP-UFMG FIGURA 6 - Rotor Francis noral construído no CP - UFMG. A figura 7 apresenta o arranjo rotor co a caixa voluta. FIGURA - Vista do sistea distribuidor e da unida pré ontada no CP-UFMG FIGURA 7- Rotor e caixa voluta construído. FIGURA - Vista geral do odelo no CP-UFMG II Congresso de Inovação Tecnológica e nergia létrica 265

5 Geração IV. COMNTÁRIOS FINAIS O odelo desenvolvido será ensaiado e u banco de teste no Centro de Pesquisas idráulicas e de recursos ídricos da UFMG. Apesar da escala escolhida ser grande e de o rotor ter apenas 5 de diâetro, espera-se obter resultados que perita apriorar os procedientos de cálculo. O desenvolviento desse equipaento peritiu a equipe u sensível auento na base de conheciento, principalente no que se refere às técnicas de construção de odelos de áquinas. Os próxios passos se refere ao ensaio e caracterização do equipaento e e seguida a construção de u odelo de ua áquina axial do tipo "S". V. AGRACIMNTOS Os autores agradece ao corpo técnico da Copanhia Força e Luz Cataguazes Leopoldina pelo apoio e assistência nos procedientos e capo. VI. BIBLIOGRAFIA [] AISON,. " Applied ydrulics". John Wiley & Sons Inc.. New York 938. Páginas 26-6 [2] BALG, O.. "Turboachines - A guide to design, selection, and theory" Jonh Willey & Sons, New York, 98. [3] BARROWS,. K. Water Power ngineering., McGraw-ill., Lon-dres, 934. Páginas [4] BOVT, M. Th., "Contribution a létude du trace daubage dune turbine a reaction du type Francis", Inforations Techniques Char-illes Nº 9, 963. [5] BRAN, R.; SOUZA,Z.; " Máquina de fluxo" Ao Livro Técnico S.A. Rio de Janeiro 969. [6] CARVALO,. F. "Usinas idroelétricas - Turbinas"; Belo orizonte, 982; FUMARC/UCMG. [7] CONTALI, P.; CAVALLI,C.A. " La Meccanica e le Macchine" Volue Terzo. Ulderico oelpli. Milano - Itália 927. Páginas [8] OBLIN,. O. "Measureent Systes", 4th edition, McGraw ill Publishing Copany, 99, Chapter 4. [9] NCINAS, M.P.," Turboáquinas hidráulicas" dit. Liusa México 975. [] FRITAS, A.W; BRASIL, A.N. "esenvolviento de pás e odelo reduzido de turbinas Pelton". Relatório Interno SNAI/ CTF, Itaúna MG. 2. [] FRITZ, J. J. Sall and Mini ydropower Systes. New York, McGraw- ill, (Resource Assesent and Project Feasibility), 984. [2] GIBSON, A.. ydro electric engineering. Londres, Blackie and Son, 92 [3] IA, T. Analysis of scale effects on perforance-characteristics of hydraulic-turbines..scale forulas of hydraulic perforance and loss distribution coefficients in odel francis turbines and pup-turbines. Journal of hydraulic research, 27(6), p [4] MACINTYR, A. J. "Maquinas otrizes hidráulicas". Rio de Janeiro, Guanabara ois, 983. [5] MARTINZ, C.B.; NASCIMNTO FILO, J.;BRASIL A.N, "Construção de u odelo didático de turbina Pelton", Relatório Interno Centro de Pesquisa idráulicas e de R.. da UFMG, B.. MG. 2. [6] Monition, L. et al. "Les Microcentrales ydroélectricques"; 2ª dição, Paris, 984; ditora Masson. [7] PACORT,. Tecnique de la houille blanche.,. unod et. Pinat diteurs. Vol. I e II Paris, 9.. Paginas [8] PARKIN, B.R.;MORGANB.W. " Cavity flows" The Aerican Societty OF Mechanical ngineers, New York, 975. [9] PFLIRR, C. et al. "Máquinas de Fluxo"; 4ª dição; Rio de Janeiro, 979; Livros Técnicos e Científicos ditora S.A. [2] PILLIPS, M. " Cours hydraulique et hydrostatique" J.ejey & Cie Éditeuurs.. Paris, 875. Páginas 75, 287. [2] UANTZ, L.," Motores hidráulicos". Gustavo Gilli, d., Barcelona, 922. [22]UINTLA, A.C. "idráulica", Lisboa, Fund. Calouste Gulbenkian, 98. [23] SALZAR, J. "ydraulique Apliquee a lexploitation des Usines ydroelectriques" unod Paris 965; [24] SÉILL, M. " Turbo-achines, ydrauliques et Theriques" Masson et Cie Éditeurs Paris 967. [25]SPR,.G. " Principles of turboachinery" The Macillan Copant, Nee York956. [26] ULIT, P.; Seleção e diensionaento de turbinas Francis. sei-nário de engenharia hidroecânica, Voith, São paulo-sp 8-2/3/976. [27] WILLIANS, A A, " Constraints on the iffusion of Sall- Scale ydropower in Northern Pakistan", Science, Technology & evelopent, Vol. 2, Nos. 2&3, August/eceber, 994, ISSN [28] ZUNR, G. "Théorie des turbines" Vve.Ch unod Éditeur, Paris, 95. Páginas ANAIS O II CITNL / 23