MÁQUINAS HIDRÁULICAS AULA 14 TURBINAS HIDRÁULICAS PROF.: KAIO DUTRA

Transcrição

1 MÁQUINAS HIDRÁULICAS AULA 14 TURBINAS HIDRÁULICAS PROF.: KAIO DUTRA

2 Centrais Hidroelétricas A energia hidráulica encontra-se no mares, rios e reservatórios, sob a forma potencial e cinética e podem ser transformadas em trabalho pela utilização das centrais hidroelétricas, mediante a utilização de desníveis naturais ou criados artificialmente. As centrais com turbinas hidráulicas são classificadas de acordo com a potência: Micro centrais: P<100KW Minicentrais: P=100 a 1000KW Pequenas centrais: P= 1 a 30MW Médias centrais: P=30 a 100MW Grandes centrais: P > 100MW

3 Centrais Hidroelétricas Uma central hidroelétrica, geralmente, é constituída de uma barragem que tem como finalidade o aumento do desnível da água e armazenagem para controle da geração. Para controlar o nível do reservatório, usa-se comportas que são abertas conforme a necessidade. A água é conduzida por dutos onde encontram-se instaladas as turbinas hidráulicas que transformam a energia cinética da água em trabalho de eixo, gerando energia elétrica por intermédio de um gerador elétrico. Após a passagem pela turbina, a águe seu curso natural.

4 Centrais Hidroelétricas O gerador é um dispositivo que funciona através da indução eletromagnética. Em sua forma mais simples, consiste numa espira em forma de retângulo. Ela fica imersa num campo magnético e gira em torno de um eixo perpendicular às linhas desse campo. Quando fazemos a espira girar com movimento regular, o fluxo magnético que atravessa sua superfície varia continuamente. Surge assim, na espira, uma corrente induzida periódica. A cada meia volta da espira o sentido da corrente se inverte, por isso ela recebe o nome de corrente alternada. Os geradores são ligados a uma subestação que onde é feita a transformação de tensão para distribuição na rede.

5 Centrais Hidroelétricas A energia disponível para geração de trabalho na turbina é denominada altura de queda disponível representado pela letra H. Este e determinada pela seguinte formulação: H=He-Hp Onde: He = Desnível geométrico entre o reservatório e a turbina; Hp = Perda de carga nos dutos até a chegada na turbina. H é geralmente apresentado em mca (metros coluna de água).

6 Centrais Hidroelétricas Segue as maiores centrais hidrelétricas: 1º - Três Gargantas (China): MW 2º - Itaipu (Brasil/Paraguai): MW 3º - Guri (Venezuela): MW 4º - Tucuruí I e II (Brasil): 8.370MW 5º - Grand Coulee (EUA): MW

7 Os principais tipos de turbina são: Impulso: Reação:

8 Turbinas Francis: A Figura mostra um corte longitudinal de uma turbina Francis, indicando os órgãos principais. Essencialmente constam das seguintes partes: Uma caixa, geralmente com forma de caracol do tipo fechado; Um distribuidor dotado de pás orientáveis, para proporcionar a descarga correspondente à potência demandada, com o ângulo mais adequado para a entrada da água no rotor; Um rotor dotado de pás com formato especial; Um tubo de sucção que conduz a água que sai do rotor a um poço ou canal de fuga.

9 Turbinas Francis: As turbinas Francis são máquinas de reação e o posicionamento do eixo podem ser: Horizontal Vertical

10 Turbinas Francis: Instalação aberta: Quando a turbina é colocada num poço, ao qual a água é conduzida em um canal de adução, havendo geralmente uma comporta para que se possa esvaziá-la na manutenção. Este tipo de instalação é conveniente apenas para pequenas quedas (até 10 m) e potências pequenas. Instalação fechada: Quando a queda é superior a 10 m é preferível colocar a turbina numa caixa à qual a água é conduzida em uma tubulação forçada. Estas caixas tem a forma de caracol, voluta ou espiral e são envolvidas pelo concreto armado.

11 Turbinas Pelton: A turbina Pelton é um turbina de impulsão constituída de um ou mais distribuidores e um receptor (rotor). Distribuidor: O distribuidor é um bocal de forma apropriada a guiar a água, proporcionando um jato cilíndrico sobre a pá do receptor. Rotor: O rotor consta de um certo número de pás com forma de concha especial, dispostas na periferia de um disco que gira preso a um eixo.

12 Turbinas Pelton: Cada pá possui um gume médio de defletem o fato, suavizando seu impacto, que forma que o eixo não sofra grandes variações de velocidade. Quanto ao número de jatos, as turbinas Pelton podem ser: de um jato, dois, quatro ou seis jatos e, excepcionalmente, de 3 jatos. Quanto maior o número de jatos, maior a potência para uma mesma queda, maior o desgaste por abrasão se a água tiver areia em suspensão e menor o tamanho do rotor (o que representa uma redução no custo por unidade de potência instalada). A incidência de jatos sobre o rotor, em cada volta, depende do número de jatos, de modo que, quanto maior a queda, menor deverá ser o número de impactos sobre a pá por minuto.

13 Turbinas Pelton: A turbina pode ser horizontal ou vertical:

14 Turbinas Pelton: O gráfico ao lado pode ser usado para escolha do número de jatos para turbinas Pelton Hitachi: As turbinas Pelton são recomendadas para quedas elevadas, para as quais a descarga aproveitável normalmente é reduzida, uma vez que a captação se realiza em altitudes onde o curso d'água ainda é de pequeno. Por serem de fabricação, instalação e regulagem relativamente simples, além de empregadas em usinas de grande potência, são também largamente empregadas em micro usinas, em fazendas, etc., aproveitando quedas e vazões bem pequenas para geração de algumas dezenas de CV.

15 Turbinas Kaplan: A necessidade de obtenção de turbinas com velocidades consideráveis em baixas quedas e grandes descargas, o que não é viável com as turbinas Francis, deu origem em 1908 às turbinas Hélice ou Propeller que após modificações ficaram conhecidas como turbinas Kaplan.

16 Turbinas Kaplan: Estas turbulas possuem os seguintes componentes básicos: Distribuidor: Se assemelha ao das turbinas Francis, tendo as mesmas finalidades. As pás do distribuidor, têm sua inclinação comandada por um sistema análogo ao das turbinas Francis, e ficam a uma distância considerável das pás do rotor. Deve haver uma sincronização entre os ângulos das pás do rotor e as do distribuidor. Rotor: Possui pás que podem ser ajustáveis variando o ângulo de acordo com a demanda de potência.

17 Turbinas Kaplan: Quanto ao número de pás as turbinas Kaplan podem ser de: 4 pás (para 10 < H < 20m); 5 pás (para 12 < H < 23m); 6 pás (para 15 < H < 35m); 8 pás (para H > 35m).

18 As turbinas acionam diretamente os geradores de energia elétrica, de modo que, naturalmente, ambos têm o mesmo número de rotações. Mas nos alternadores, pela forma como são construídos, existe uma dependência entre o número de pares de polos (p), o número de rpm(n) e a frequência em Hz (f), na forma:

19 Turbinas Hidráulicas Rendimento de turbinas hidráulicas:

20 Velocidade específica para turbinas hidráulicas: A velocidade específica adimensional pode ser interpretada como a velocidade de operação na qual a máquina produz potência unitária e carga unitária, esta pode ser calculada da seguinte forma:

21 Velocidade específica para turbinas hidráulicas: A velocidade específica pode ser utilizada para comprar máquinas de tamanhos diferentes, visto que máquinas com mesma velocidade específica são semelhantes. Esta também pode ser utilizada para escolha da turbina mais adequada, operado em níveis adequados de eficiência, utilizando o quadro ao lado:

22 Campo de aplicação de turbinas hidráulicas:

23 Turbinas Hidráulicas Campo de aplicação de turbinas hidráulicas:

24 Características de turbinas hidráulicas instaladas no Brasil.

25 Exemplo 1 Calcule a velocidade específica de uma turbina hidráulica operando com uma altura de carga de 150 metros, rotação de 150 rpm e um potência a ser gerada 9000 cv. Informe uma possível turbina para estas características.

26 Trabalho Proposto Variando a rotação específica e para uma altura de carga de 120 metros e rotação de 150 rpm, compare a geração de potência das turbinas hidráulicas apresentadas na tabela.