ROTORES KAPLAN DE ALTA PRESSÃO. Luiz Guermandi ANDRITZ HYDRO

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1 ROTORES KAPLAN DE ALTA PRESSÃO Luiz Guermandi ANDRITZ HYDRO RESUMO Os projetos de máquinas Kaplan, com rotores classificados como rotores com servomotor de alta pressão, compreendem uma tecnologia relativamente nova no Brasil. No entanto, o primeiro projeto da Andritz Hydro com esta tecnologia foi desenvolvido em 1988, na Suécia, com potência de 726 kw e diâmetro do rotor de 2900 mm. Atualmente, mais de 50 projetos estão em funcionamento ao redor do mundo com potências em torno de 80 MW, além de projetos em andamento de até 200 MW. Na área de hidrogeração, alta pressão de acionamento óleo-hidráulico compreende a faixa de pressões de 140 a 160 bar. Em outras aplicações, nos diversos setores industriais, encontramse pressões de trabalho superiores, uma vez que existem válvulas, mangueiras e conexões, comercialmente disponíveis, para classes de pressões superiores a 250 bar, por exemplo. Em turbinas hidráulicas, de uma forma geral no Brasil, sistemas de alta pressão são aplicados normalmente em reguladores de velocidade para operação dos distribuidores das unidades geradoras. No entanto, em nosso país ainda existem algumas preocupações por parte dos Clientes com a confiabilidade de sistemas de alta pressão em servomotores Kaplan, do ponto de vista funcional e por questões ambientais. Em termos tecnológicos, um sistema de alta pressão em servomotores Kaplan possibilita a utilização de cubos menores. Em função disso, para a mesma potência gerada, pode-se diminuir o diâmetro do rotor, permitindo custos menores dos equipamentos e da obra civil, sem prejuízo do desempenho da máquina. Adicionalmente, o volume de óleo no sistema de regulação se torna menor, levando à redução do sistema hidráulico como um todo. Na prática, consegue-se essa redução da ordem de 30 % do tamanho em relação aos sistemas de pressão convencional (máximo de 64 bar), permitindo menor espaço para instalação e simplificação do arranjo dos equipamentos do sistema hidráulico. Encontrar no mercado componentes do sistema hidráulico poderia ser uma barreira, porém nos últimos anos, como mencionado acima, muitos componentes têm sido normatizados para alta pressão e disponíveis comercialmente de forma mais abrangente. Esse fato se dá não apenas na Europa e América do Norte, mas também no Brasil. Aplicações interessantes de sistemas de alta pressão para servomotores Kaplan ocorrem também em casos de repotenciação. Na Europa, em especial, tem-se feito uso do sistema para aumentar os ganhos em eficiência e geração de potência, com resultados atendendo às expectativas iniciais. Este fato pode ser observado no projeto de Seitakorva, na Finlândia, onde a modificação do sistema de pressão de 30 bar para alta pressão resultou em um aumento de

2 potência gerada de 59 MW para 76,2 MW. Este incremento significativo foi possível, pela diminuição do cubo mantendo-se o mesmo diâmetro do rotor existente, resultando no aumento da área útil de passagem de água, além da evolução do estado da arte do projeto hidráulico. Este trabalho pretende mostrar a possibilidade de ganhos importantes com a aplicação de sistema de alta pressão em servomotores de rotores Kaplan, tanto no aumento do desempenho da turbina, como na redução de custos de equipamentos e obra civil. Apresentase também a aplicabilidade desta tecnologia em repotenciações, oferecendo a possibilidade de substancial ganho de potência gerada e desempenho para o mesmo diâmetro de rotor original. Demonstra-se que essa nova tecnologia em rotores Kaplan no Brasil representa uma alternativa competitiva interessante e sua aplicação não encontra restrições tecnológicas. PALAVRAS-CHAVE Rotores Kaplan, Servomotor de Alta Pressão, Inovação Tecnológica. 1. INTRODUÇÃO Desde a criação da turbina tipo Kaplan, há mais de um século, o projeto dos rotores com pás ajustáveis tem sido constantemente envolvido em processos de inovação para sempre ser empregada a melhor tecnologia disponível durante seu projeto. O ponto chave no projeto mecânico é aplicar o mecanismo interno de movimentação das pás em um espaço reduzido, garantindo os níveis aceitáveis de tensões mecânicas, deformações, pressões nos mancais das pás e vida residual de fadiga. A redução do mecanismo de movimentação das pás, principalmente do diâmetro do servomotor, permite a redução da razão do cubo ( Hub Ratio, igual à relação entre o diâmetro externo do cubo e o diâmetro externo do rotor), consequentemente permitindo o melhor desempenho hidráulico e menor custo. Para uma nova turbina, uma razão de cubo menor leva à possibilidade de reduzir o diâmetro do rotor, reduzindo a dimensão total da turbina e o custo geral da obra civil. Para reabilitações, há a possibilidade de melhor comportamento à cavitação e aumento da vazão e em consequência da potência fatores que em muitos casos são determinantes para a viabilidade do projeto. A seleção de cubos menores está atrelada ao uso do sistema de alta pressão para regulação das pás [1]. Entretanto, a redução da razão do cubo tem impacto direto no desempenho mecânico do rotor. A redução desse parâmetro, para um dado projeto, implica na redução proporcional de todos os componentes do mecanismo de movimentação, resultando em maiores tensões, maiores pressões de contato e maiores deformações, impondo a utilização de materiais que permitam a manutenção da vida residual de fadiga e resistência ao desgaste. A evolução dos materiais e técnicas de projetos têm tornado possível a utilização de cubos com diâmetros menores. Como processo padrão de projeto, é feito uso de análises por elementos finitos para otimizar as pressões, deformações e tensões de pico. Além disso, a utilização de mancais em materiais compósitos também viabiliza essa otimização. Como resultados desses esforços, são mais de 180 referências de rotores operando nos últimos 30 anos [1]. A figura 1 ilustra os principais componentes do rotor Kaplan. 2/ 8

3 Figura 1. Componentes Principais do Rotor Kaplan Devido a já utilização de alta pressão para regulação do distribuidor, na Europa é comum utilizar o sistema também para regulação das pás Kaplan. A tabela 1 abaixo mostra algumas referências de máquinas da Andritz Hydro com rotores de alta pressão. Tabela 1. Referência de projetos de rotores Kaplan de alta pressão (Andritz Hydro). Ano Planta Tipo de Turbina Pás Dn/D1 [mm] Dn [mm] D1 [mm] Hn rated [m] Q rated [m 3 /s] P [MW] n rated [rpm] País Pressão de Projeto [bar] Novo ou Reabilitação 2004 GAMLEBROFOSS BULBO 5 0, ,1 140, SWEDEN 100 REHABILITAÇÃO 2004 MATKA I KAPLAN 6 0, ,3 MACEDONIA 160 NOVA 2004 MATKA II KAPLAN 6 0, ,3 MACEDONIA 160 NOVA 2004 IMATRA VII KAPLAN 5 0, FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2004 KIERIKKI I KAPLAN 5 0, ,7 FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2006 HAAPAKOSKI II KAPLAN 5 0, FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2006 SEITENOIKEA KAPLAN 5 0, , FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2007 KELTTI III KAPLAN 4 0, * FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2007 PIRTTIKOSKI I KAPLAN 6 0, , ,4 FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2008 VANTTAUSKOSKI I KAPLAN 5 0, , FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2008 MONTTA T1 KAPLAN 5 0, , ,4 FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2009 AHVENKOSKI I KAPLAN 5 0, ,9 143, ,1 FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2009 PAHKAKOSKI II KAPLAN 5 0, ,25 121, ,7 FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2009 PETÄJÄSKOSKI I KAPLAN 5 0, , FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2011 MYLLYKOSKI KAPLAN 5 0, , ,75 FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2013 Xayaburi KAPLAN ,2 LAO 160 NOVA 2015 SINOP KAPLAN 5 0, , , ,737 BRAZIL 160 NOVA Segundo [2], a grande vantagem do sistema de alta pressão é a redução de custos e tamanhos. O uso da alta pressão reduz significantemente o volume de óleo para operação do sistema, reduzindo o tamanho do regulador de velocidade e seus componentes, seus custos e tempo de fornecimento: Redução do tamanho do sistema hidráulico (tanques de óleo, acumuladores); Remove a interação direta entre óleo e ar nos acumuladores; Remoção do sistema de ar comprimido; 3/ 8

4 Diminuição do tamanho de servomotores; Uso de componentes comercialmente disponíveis melhores adaptados para alta pressão. Portanto, o objetivo desse trabalho é realizar uma análise macro e apresentar as vantagens de se trabalhar com a tecnologia de alta pressão para regulação das pás Kaplan, na busca pela redução do custo dos equipamentos, melhor desempenho hidráulico da unidade com rotores de menores diâmetros e as oportunidades para essa tecnologia em reabilitações. 2. METODOLOGIA Como metodologia para realização do trabalho, foi selecionada uma turbina Kaplan projetada pela Andritz Hydro com servomotor do rotor Kaplan de alta pressão (160 bar) e estimaram-se tamanhos, custos e desempenhos hidráulicos se a mesma operasse com baixa pressão (64 bar), mantendo-se o mesmo perfil e características hidráulicas. Para isso, escalou-se o diâmetro do cilindro do servomotor do rotor para uma pressão de trabalho de 64 bar, mantendo a mesma margem de segurança de operação (razão entre a força necessário para abertura/fechamento das pás e a força fornecida pelo servomotor) do rotor original de 160 bar. Com isso, também verificou-se o aumento necessário do diâmetro do cubo do rotor para acomodar o mecanismo interno de movimentação das pás. Para isso, o diâmetro do cubo foi escalado na mesma grandeza do diâmetro do cilindro. Com o novo diâmetro do cubo encontrado (D N ), determinou-se o novo diâmetro de garganta do rotor (D 1 ), mantendo-se a mesma área de passagem do fluxo de água. Assumindo-se mesma vazão, mantêm-se as mesmas velocidades de fluxo e para a mesma queda, praticamente a mesma potência gerada e mesmos torques e empuxos hidráulicos da turbina original. Para determinar-se o novo diâmetro de garganta, utilizou-se o mesmo coeficiente de vazão para as duas configurações, conforme equação abaixo: Q Q "" = (D & " D & ( ) H Igualando-se Q 11 (baixa pressão) = Q* 11 (alta pressão): Q (D " & D ( & ) H = Q (D " & D ( & ) H Como Q = Q* e H = H*, pois permaneceram constantes a queda e vazão para manter a mesma potência gerada: 1 (D & " D & ( )1 = 1 (D " & D ( & )1 O novo diâmetro de garganta será: D " = D " & D ( & + D ( & Com a proporção de aumento do diâmetro de garganta do rotor D 1 /D 1 *, consegue-se estimar o aumento de custo da nova turbina como um todo, pois com o aumento de D 1 também há um aumento proporcional no diâmetro de tampas, poço, círculo das palhetas, entre outros. Através de um programa interno da Andritz Hydro, foi possível estimar esse aumento relativo da turbina. Para estimativas do custo do regulador de velocidade, foi utilizado o trabalho interno da Andritz Hydro já desenvolvido pelo autor [3]. Para a avaliação da aplicação do sistema de alta pressão em repotenciação, também foi consultado o trabalho interno da autora [4]. 4/ 8

5 3. RESULTADOS Partindo-se de uma solução de baixa pressão para alta pressão, houve uma diminuição de 67 % no diâmetro do cilindro do servomotor (D), o que resultou em uma diminuição de 17 % no diâmetro do cubo do rotor (D N ), 3,7 % no diâmetro de garganta do rotor (D 1 ) e 9,5 % no custo da turbina. A tabela 2 e a figura 2 sumarizam os resultados. Tabela 2. Resultados. Máquina #1 (baixa pressão) Máquina #2 (alta pressão) Pressão de Regulação [bar] Diâmetro do Cilindro (D) [mm] D 67%D Diâmetro do cubo (D n ) em [mm] Dn 83%Dn Diâmetro de garganta (D 1 ) em [mm] D1 96,3%D1 Razão do cubo (D 1 /D n ) 45,3 40,3 Custo da turbina (C) C 90,5%C Custo do rotor (C R ) C R 89%C R Figura 2. Resultados comparativos (grandeza com * refere-se à máquina com alta pressão). A figura 3 ilustra como as dimensões do rotor foram escaladas e o comparativo do rotor para alta e baixa pressão. 5/ 8

6 D* N D N D* 1 D 1 Figura 3. Comparativo geométrico do rotor para alta e baixa pressão (grandeza com * refere-se à máquina com alta pressão). Nesse trabalho, foi mantida a mesma área de passagem de água para manter a mesma característica hidráulica das duas alternativas, alta e baixa pressão. Assim, assume-se que as duas soluções possuem a mesma vazão, queda, torques e empuxos hidráulicos. Para a comparação das duas soluções de turbinas em vista do rendimento e cavitação, não foi possível fazer uma análise conclusiva, pois ambas as soluções apresentam fatores positivos e negativos que influenciam o desempenho hidráulico. Já numa comparação entre rotores com alta e baixa pressão dos servomotores, mantendo-se o diâmetro de garganta, como apresentado em [2], com a redução do diâmetro do cubo do rotor, melhora-se o desempenho, uma vez que neste caso aumenta-se a área de passagem de água. Como no presente trabalho considerou-se uma diminuição no diâmetro do cubo e também no diâmetro de garganta, da solução de baixa para alta pressão, essa conclusão em [2] não se aplica. No que se refere ao sistema de regulação, segundo [3], que estudou o comparativo entre os sistemas de alta e baixa pressão para reguladores de velocidade, considerando-se o mesmo torque para abertura/fechamento das pás, o aumento da pressão do sistema de regulação possibilita trabalhar com volumes de servomotores menores, o que impacta diretamente no tamanho dos mesmos. Com a redução dos servomotores, consegue-se uma redução linearmente proporcional do tamanho das bombas, válvulas, reservatórios, acumuladores de pressão e tubulações. Até a classe de pressão de 250 bar, todos os componentes são de prateleira, como: cilindros, bombas, válvulas, instrumentação, conexões e tubulação. Um ponto interessante no projeto do sistema de alta pressão são os acumuladores hidráulicos ar-óleo. Esses equipamentos são utilizados para pressões do sistema de até 70 bar, pois acima desse valor ocorre a emulsificação do ar no óleo, o qual fica impregnado de bolhas de ar e, assim, inviabilizado para a aplicação hidráulica. Além disso, pode haver risco de explosão pelo efeito diesel no acumulador, dependendo do patamar de pressão atingido, geralmente pressões muito acima de 70 bar. Dessa forma, para pressões maiores, são aplicados acumuladores com interface mecânica entre o ar e o óleo, como as bexigas de borracha nitrílica ou de pistão, evitando a emulsificação e o risco de explosão. Além disso, o arcomprimido é substituído pelo nitrogênio por ser um gás industrial de expansão endotérmica. Por esse fato, o tamanho do sistema como um todo ficará menor, pois não serão necessários 6/ 8

7 os bancos de compressores e tanques de ar comprimido de grande volume. Adicionalmente, a bitola das tubulações será menor, o volume de óleo do sistema também será menor, sem instrumentação e manutenção necessárias aos compressores. Em termos de custo, o sistema de regulação de alta pressão apresentou uma redução de custo da ordem de 58 % em relação ao sistema de baixa pressão [3]. Para garantir a segurança de operação, como filosofia interna da Andritz Hydro, todo o sistema de alta pressão, inclusive o rotor Kaplan, é testado por ensaio hidrostático e de estanqueidade com 150% da pressão nominal, sendo que a norma ASME recomenda 130%. Assim, adotandose uma pressão nominal ou de trabalho de 160 bar, a pressão de ensaio ainda ficará abaixo da pressão máxima admissível dessa classe, que é de 250 bar [3]. Em se tratando de repotenciação de turbinas Kaplan, a Andritz Hydro, especialmente na Europa, considera uma prática normal a instalação de sistema de controle utilizando alta pressão, além de outras modificações nas turbinas. Segundo [4] um dos principais motivos para se repotenciar uma usina é para extensão da vida útil de equipamentos, da melhoria de seu rendimento, da eliminação do desgaste causado pela cavitação e do aumento da sua potência instalada. Para isso, é necessário alterar a hidráulica existente. Em turbinas Kaplan, focando somente no rotor em um caso típico de repotenciação, uma das ideias é aumentar o engolimento, através da diminuição do diâmetro do cubo original, contribuindo para a evolução da nova hidráulica repotenciada. Com base em [4], um exemplo foi a usina hidrelétrica de Tsimlyanskaya, na Rússia, onde o diâmetro do cubo original foi reduzido de 50 % para 47 % do diâmetro da turbina, para melhorar o comportamento da cavitação e posicionar o pico de rendimento para a faixa desejada de vazões. Em muitos casos de repotênciação da Andritz Hydro, somente foi possível garantir os objetivos iniciais, como o aumento da potência gerada, com a aplicação do sistema de alta pressão, como foi o caso da usina Seitakorva, na Finlândia. Nesse caso, a modificação do sistema de pressão de 30 bar para 160 bar proporcionou uma margem de aumento de potência gerada de 59 MW para 76,2 MW, em função da diminuição do cubo mantendo-se o mesmo diâmetro do rotor existente, além de outras modificações hidráulicas. 3. CONCLUSÕES O sistema de alta pressão é um sistema bastante difundido na Europa para novas usinas e também para repotenciação, pois se mostra uma alternativa interessante em relação à baixa pressão nos aspectos técnicos e financeiros. Trata-se de um sistema vantajoso, pois se consegue trabalhar com equipamentos de menor porte, tanto a turbina em si, quanto os sistemas auxiliares, com vantagens em aquisição, fabricação, logística, manutenção, custos e tempo de fornecimento. Além disso, do ponto de vista do desempenho hidráulico da turbina, o sistema de alta pressão possibilita utilizar cubos do rotor menores, o que impacta diretamente na melhora de desempenho da turbina, para um mesmo diâmetro de garganta. Adicionalmente, as técnicas atuais de projeto baseadas em elementos finitos e os desenvolvimentos de materiais viabilizam também o uso de cubos menores e de alta pressão, garantindo a otimização mecânica do mecanismo de movimentação das pás. Trata-se também de um sistema confiável, pois é testado hidrostaticamente com base em valores além dos pedidos por normas internacionais, como a ASME. Portanto, acredita-se que a tendência no mercado de novas usinas e também de repotenciação seja cada vez mais o emprego de sistema de alta pressão, apesar de que o mesmo ainda não seja difundido no Brasil. 4. AGRADECIMENTOS Agradeço a Bartos Wykrota, Murillo Trettel, Marcos Assialdi, Lucas Pataro e Ricardo Moretto, todos da empresa Andritz Hydro pela colaboração e auxílio. 7/ 8

8 5. REFERÊNCIAS [1] SCHNEEBERGER, M. Gegenwart und Zukunft der Kaplan-Turbine bei ANDRITZ HYDRO. Wasser Wirtschaft, n 6, p , [2] WYKROTA, B., WURM, E., MORETTO, E., WEISSENBERGER, S., GOMES, E., BARDINET, D., TODESCO, R. Hydraulic and Mechanical design of the biggest Kaplan unit in Brazil. IAHR, [3] ASSIALDI, M. Projeto padronizado de unidade hidráulica, para aplicação em reguladores de velocidade de turbinas tipo Francis, em pequenas centrais hidrelétricas. Trabalho de Conclusão de Curso, Unisal, Campinas, [4] GOMES de PODESTÁ, E. Potencial de repotenciação de usinas hidrelétricas no Brasil e sua viabilização. UNICAMP, Campinas, / 8