GERAÇÃO, TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA DE ELÉTRICA

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1 Universidade do Estado de Mato Grosso Campus Sinop Faculdade de Ciências Exatas e Tecnológicas GERAÇÃO, TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA DE ELÉTRICA ROGÉRIO LÚCIO LIMA Sinop Outubro de 2016

2 Turbinas hidráulicas: classificações As TH são classificadas como máquinas de fluxo, motoras e hidráulicas. Elas podem também ser classificadas segundo a direção do escoamento à entrada do rotor, como máquinas radiais, diagonais, axiais ou tangenciais. 1ª Classificação: quanto à parcela de energia transformada pelo rotor TH de jato livre são acionadas por um jato de água livre, não restrito, em contato direto com a atmosfera. Exemplo: turbina Pelton. TH de jato forçado (ou de reação) todas as outras fabricadas em série atualmente. Nelas, a energia cinética de pressão são transformadas em trabalho mecânico na passagem da água pelo rotor. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 2

3 Turbinas hidráulicas: classificações Turbina Pelton Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 3

4 Turbinas hidráulicas: classificações 2ª Classificação: quanto a disposição do eixo Horizontal Vertical inclinado Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 4

5 Turbinas hidráulicas: classificações 3ª Classificação: quanto ao número de rotores conectados ao mesmo eixo. Simples turbinas em que apenas um rotor é conectado ao eixo; Múltipla é o tipo de turbina em que há dois ou mais rotores por eixo. Os conjuntos de duas turbinas montadas no mesmo eixo são denominadas turbinas gêmeas, geminadas ou duplas. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 5

6 Turbinas hidráulicas: classificações 4ª Classificação: quanto a rotação específica Turbinas lentas: n s 100 rpm Turbinas normais: 100 n s 200 rpm Turbinas rápidas: 200 n s 400 rpm Turbinas extra-rápidas: 400 n s rpm A rotação específica é uma variável característica do funcionamento das máquinas de fluxo, definida por: n s = n N n /H n 5/4 n é a rotação em rpm H n - é a queda nominal em m N n - potência nominal em kw. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 6

7 Turbinas Pelton As turbinas Pelton (TP) são máquinas tangenciais, de jato livre e velocidade específica lenta. As pás do rotor tem a forma de conchas com uma espécie de gume no meio. Este gume divide a água incidente para os lados, em partes iguais, eliminando os esforços axiais. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 7

8 Turbinas Pelton Válvula de agulha (agulha de regularização) Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 8

9 Turbinas Pelton Defletor de jato Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 9

10 Turbinas Pelton Empregadas para rotações específicas variando entre 18 e 90 rpm e para quedas maiores que 100 m; A empresa VA Tech Hydro anuncia modelos para até 1800 m de queda, há uma TP instalada numa queda de 1765,3 m, na central Austríaca de Reisseck-Kreuzeck; São de fabricação, instalação e regulagem muito simples; Pequeno contato entre a água e o rotor, limitando desgastes por erosão em cursos d agua com alto conteúdo sólidos em suspensão; É impossível o uso do tubo de sucção, com consequente perda da parcela de energia relativa à (pequena) diferença de altura entre a parte inferior do rotor e o canal de fuga. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 10

11 Turbinas Francis São máquinas radiais ou diagonais, de jato forçado e de velocidade específica variando de lenta a extra-rápida. Elas tem o sistema diretor sempre dotado de pás orientáveis, para proporcionar um direcionamento ideal da água à entrada do rotor de cada regime de operação. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 11

12 Turbinas Francis Nas TFs médias e grandes existe um pré-distribuidor de pás fixas, para melhorar o direcionamento da água. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 12

13 Turbinas Francis Nas TFs é usual o emprego de uma caixa em forma de caracol, localizada em torno do sistema diretor, chamada caixa espiral, responsável por conduzir a água da saída da tubulação de adução até o sistema diretor. As TFs são as mais flexíveis TH no que diz respeito a quedas de potências de operação. Elas podem ser empregadas em rotações especificas variando entre 55 e 450 rpm e em quedas de 15 a 700 m. O escoamento predominantemente radial e a possibilidade de uso de um sistema diretor e de um pré-distribuidor permitem uma eficiente conversão de energia, que se traduz por um rendimento hidráulico. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 13

14 Turbinas Kaplan As turbinas Kaplan (TK) são máquinas axiais, de jato forçado e velocidade específica alta, variando entre rápida e extra-rápida. Nas TKs, à medida que aumenta a rotação específica, diminui o número de pás da hélice. Fabricam-se TK com rotores de 3 a 8 pás e com até 10 m de diâmetro. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 14

15 Turbinas Kaplan O sistema diretor das TKs mantém o aspecto que tem nas TF mas a distância que o separa da entrada do rotor é bem maior. Assim como nas TFs, as pás são ajustáveis para permitir um direcionamento da água compatível com a potência demandada pela rede. O controle é realizado pelo regulador automático de velocidade. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 15

16 Turbinas Kaplan O uso de TH axiais mostrou que a eficiência diminui muito em vazões diferentes da nominal. Uma maneira de resolver o problema foi tornar as pás do rotor orientáveis, isto é, com passo variável, proposta apresentada pelo engenheiro Vitor Kaplan O mecanismo que permite variar o ângulo das pás encontra-se alojado na peça ogival localizada no centro da hélice e seu comando também é realizado pelo regulador automático de velocidade. O tubo de sucção e a caixa espiral também estão presentes nas TKs. Eles são idênticos ao das TFs e têm os mesmos objetivos. As TKs podem se utilizadas em rotações especificas acima de 250 rpm e quedas abaixo de 80 m. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 16

17 Turbinas Deriáz As turbinas Deriáz são máquinas diagonais, de jato forçado e velocidade específica rápida. As pás do rotor das TD são ajustáveis, como as da TK, mantendo seu alto rendimento sob amplas variações de vazão. Neste sentido, as TD estão para as TF assim como as TK estão para as turbinas hélices. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 17

18 Turbinas Deriáz O formato de seu rotor permite que sejam utilizadas em centrais de acumulação, onde funcionam ora como turbina, ora como bomba. Em praticamente todos os detalhes construtivos, as TD são idênticas às TF. Possuem sistema diretor dotado de pás ajustáveis, tudo de sucção e caixa espiral. Seu campo de utilização são as velocidades específicas entre 200 e 300 rpm e as quedas de 25 a 170 m. Vantagens: eficiência mais constante e à reversibilidade do funcionamento. Desvantagem: alto custo inicial e necessidade de manutenção do mecanismo de ajuste das pás do rotor. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 18

19 Turbinas Tubular, Bulbo e Straflo Estas turbinas foram concebidas para aproveitar quedas com reservatórios de captação (a fio d agua) ou marémotrizes. Todas elas pertencem a uma categoria mais ampla, a das turbinas hélice, que inclui também TK. São máquinas axiais, de pás fixas ou móveis, jato forçado e velocidade rápida ou extra-rápida. As turbinas Tubular, Bulbo, e Straflo tem tamanho relativamente reduzido e, em consequência, baixo custo das obras civis. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 19

20 Turbinas Tubular, Bulbo e Straflo As turbinas Bulbo são praticamente idênticas às Tubulares, mas o gerador situa-se num compartimento em forma de bulbo localizado dentro da tubulação de adução a montante do rotor. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 20

21 Turbinas Tubular, Bulbo e Straflo O diâmetro do bulbo nas turbinas deste tipo é semelhante ao do rotor, que tem pás ajustáveis e a regulagem da vazão é feita por uma válvula de borboleta. Algumas turbinas Bulbo são diagonais, nas turbinas mais antigas, o bulbo apenas acomoda a transmissão, ficando o gerador do lado de fora como nas turbinas tubulares. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 21

22 Turbinas Tubular, Bulbo e Straflo A turbina Straflo (straight flow) também é bastante semelhante à Turbina Tubular. Neste tipo, o indutor do gerador é colocado na periferia do rotor para reduzir ainda mais o tamanho do conjunto. O indutor forma um anel articulado nas pontas das pás da hélice, que podem ser de passo variável como nas TK. O estator fica localizado nas paredes do tubo dentro do qual a turbina encontra-se instalada. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 22

23 Turbinas Tubular, Bulbo e Straflo Uma vantagem da turbinas Straflo sobre o Bulbo é que sua construção dispensa o bulbo e seus problemas de refrigeração associados. É o mais compacto dos três tipos. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 23

24 Turbinas Tubular, Bulbo e Straflo O campo de aplicação das turbinas Tubulares, Bulbo e Straflo é basicamente o mesmo das TK, no que diz respeito à velocidade específica. As quedas aproveitáveis, entretanto, são significativamente menores, variando entre 2 a 40 m. As maiores vantagens das turbinas Tubulares, Bulbo e Straflo são, conforme mencionado, o seu reduzido tamanho e o fato de poderem ser instaladas em baixíssimas quedas. Isto implica que rios de planície podem ser aproveitados para a geração de energia elétrica sem inundar grandes áreas ao redor. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 24

25 Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica EL-SHARKAWI, M. A. Electric Energy An Introduction. Third Edition, CRC Press, Sistema de energia elétrica: análise e operação/ editado por Antonio Gómez-Espósito, Antônio J. Conejo, Cláudio Cañizares; tradução e revisão técnica Antônio Padilha Feltrin, José Roberto Sanches Mantovani, Rubén Romero. Rio de Janeiro: LTC, Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 25

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