Turbinas Hidráulicas

Transcrição

1 Modelo de Turbinas

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3 Turbinas Hidráulicas A geração de energia hidrelétrica utiliza turbinas hidráulicas para acionamento dos hidrogeradores; Três tipos de turbinas são largamente utilizadas: turbinas Pelton ou de impulso, turbinas Francis ou de reação e turbinas Kaplan ou de hélice; A água é conduzida até as turbinas através de uma tubulação chamada conduto forçado, sendo posteriormente descarregada pelo conduto de sucção, abaixo da turbina.

4 Turbinas Pelton ou de Impulso São utilizadas em usinas com queda d água maior do que 25 m, embora possam ser utilizadas em alturas menores; (Usina Hidrelétrica Gov. Parigot de Souza-PR) São de eixo horizontal, com o gerador montado ao lado da turbina.

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6 A regulação de velocidade é realizada ajustando o fluxo de água nos injetores através de válvulas de agulha; A queda total de pressão da água ocorre no injetor, não havendo queda no momento que o jato d água entra em contato com as pás; Toda energia cinética da água é transformada em trabalho mecânico de acionar o eixo ou é dissipada sob a forma de atrito.

7 Turbinas Francis ou de Reação Aplicadas em alturas desde menos de 1m até cerca de 25 m; A queda de pressão ocorre no injetor e na turbina; Consequentemente, a água ocupa completamente a cavidade ocupada pelo rotor e a água ao fluir, transfere tanto energia de pressão quanto energia cinética às pás do rotor; Como todas as pás são envolvidas neste processo, o diâmetro da turbina de reação é menor do que uma turbina de impulso de mesma capacidade; A maioria é do tipo de fluxo radial; Encontram-se de eixo horizontal e vertical, porém a vertical é mais comum.

8 O controle para este tipo de turbina é feito pelo distribuidor

9 As turbinas de Itaipu, Tucuruí e Furnas são Francis

10 Turbinas Kaplan Ela é uma turbina de reação, pois utiliza combinação de pressão e velocidade da água para acionar o eixo; Porém, ela emprega a velocidade da água maior que a Francis; São utilizadas em alturas de queda de 15m a 6m;(Usina de Jupiá-SP)

11 A figura abaixo mostra uma comparação de rendimento entre as turbinas Kaplan e Francis: O aumento rendimento da Kaplan implica em custos adicionais de fabricação e manutenção.

12 Conduto Forçado e Chaminés de Equilíbrio A água é conduzida pelo conduto forçado; Um dos problemas mais sérios associados ao conduto é o fenômeno de golpe de aríete (variação de pressão acima ou abaixo da pressão normal, causadas por rápidas variações na vazão no conduto); O golpe pode causar violentas oscilações de pressão que podem interferir com a operação da turbina; Para condutos forçados longo se utiliza a chaminé de equilíbrio, que alivia o golpe tanto positivo como negativo, o que não é feito pelo regulador de pressão, que só alivia o golpe positivo.

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14 Modelo de Turbina Hidraúlica Aqui será desenvolvido um modelo simplificado de uma turbina; Nesse modelo, o conduto será considerado inelástico, de comprimento pequeno e sem chaminé de equilíbrio; O modelo mostra uma relação entre a potência mecânica com a abertura da válvula da turbina.

15 A velocidade da água no conduto é dada por: v u 2 gh u é o fator proporcional à abertura da válvula; g é a aceleração da gravidade; H é a altura hidráulica.

16 Para pequenas perturbações em torno de um ponto de operação, desenvolvendo a expressão de velocidade em série de Taylor, em torno do ponto de operação: v v v v H u H u... em que H=H-H e u=u-u representam variações dessas grandezas em torno do ponto de operação.então: v u 2g H H 2gH 2 u

17 Dividindo ambos os membros pela velocidade base v, tem-se a equação em pu: v H u (1) v H 2 u A aceleração da coluna da água, segundo a Lei de Newton, é: LA c d v dt A gh (2) em que L é o comprimento do conduto; A c é a área transversal do conduto; é a densidade da água. c

18 A potência mecânica da turbina é dada por: P gqh m em que a vazão q, é dada por va c. Dividindo (2) pela potência mecânica(equação em pu) e expressando em Laplace, tem-se: s T w v v H H v T em que w L gh é a constante da água, tempo para acelerar a água no conduto até atingir a velocidade nominal v, sob ação de uma altura H. (3)

19 Substituindo (3) em (1), tem-se: v v 1 T 1 2 s u w u (4) A versão linearizada da potência mecânica: ou em pu: Pm vgac H H gac v P P H v m m H v (5)

20 Substituindo (3) e (4) em (5) tem-se: P P m m 1 st T 1 s 2 w w u u Assumindo os valores em pu, o modelo fica como no diagrama de blocos abaixo: u 1 1 st st 2 w w P m

21 Aplicando uma entrada tipo degrau de 1pu, tem-se o seguinte comportamento de P m

22 Qual a conclusão que se tira?

23 Exercícios para estudo: Demonstrar o que foi observado, via os teoremas do valor inicial e final. Aplicar uma rampa (conclusões). Aplicar um impulso (conclusões).