MÓDULO DIDÁTICO DE ENSAIOS DE TURBINAS DE AÇÃO

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1 MÓDULO DIDÁTICO DE ENSAIOS DE TURBINAS DE AÇÃO Carlos Barreira Martinez 1, Jair Nascimento Filho 2 Universidade Federal de Minas Gerais, Departamento de Hidráulica e Recursos Hídricos 1 Campus UFMG Pampulha - Av. Antônio Carlos CEP Belo Horizonte - MG - martinez@cce.ufmg.br Universidade Federal de Minas Gerais, Departamento de Hidráulica e Recursos Hídricos 2 Campus UFMG Pampulha - Av. Antônio Carlos CEP Belo Horizonte - MG jair@demec.ufmg.br Resumo. Esse trabalho apresenta os ensaios passíveis de serem desenvolvidos em um módulo de ensaios de turbinas de ação de até 100W de potência. O módulo em questão foi desenvolvido na Escola de Engenharia da UFMG e pode ser acoplado à uma bancada didática de ensaios de turbobombas, já existente e em operação. O módulo didático foi concebido e construído dentro da filosofia de se dispor para utilização, de um equipamento de baixo custo relativo àqueles importados, de fácil instalação (acoplamento fácil na bancada de turbobombas) e fácil transporte. Com ajuda do conjunto módulo de turbinas, será possível o levantamento de curvas características de turbinas de ação. A turbina de ação poderá ser equipada com um ou dois bicos injetores. O equipamento se encontra em fase de montagem e testes Palavras-chave: Turbina de ação, Bancada didática, Módulo didático, Curvas características MTE - 206

2 1. INTRODUÇÃO O desenvolvimento e utilização de um módulo didático de ensaios de turbinas de ação, está inserido em um esforço direcionado para a melhoria do ensino de disciplinas da área de turbomáquinas ministradas nos cursos de graduação em engenharia da UFMG (Universidade Federal de Minas Gerais). A reconhecida importância do estudo prático e experimental de turbinas hidráulicas nos cursos de graduação é reforçada face o atual contexto em termos de geração e aproveitamento de energia. Com ajuda do módulo didático de turbinas de ação, será possível a realização de estudos experimentais de turbinas hidráulicas tipo Pelton, em termos de levantamento de curvas características. A turbina deste módulo poderá ser montada com um ou dois bicos injetores, proporcionando grande elenco de possibilidades de estudo relativo ao seu desempenho do equipamento. O módulo foi concebido e construído em função de uma bancada didática de ensaios de turbobombas idealizada na Escola de Engenharia da UFMG e já em operação. Assim o módulo didático de ensaios de turbinas de ação seguiu a filosofia de se dispor para utilização de um equipamento de baixo custo relativo àqueles importados, de fácil acoplamento na bancada existente e fácil transporte. 2. DESCRIÇÃO DO MÓDULO DIDÁTICO DE ENSAIOS DE TURBINAS DE AÇÃO O módulo didático em questão foi projetado e construído tendo como parâmetro básico a necessidade de um equipamento versátil e que pudesse ser utilizado em salas de aulas convencionais. Assim observou-se os seguintes aspectos para o projeto hidromecânico do equipamento: A vazão e potência devem ser compatíveis com a capacidade da plataforma de ensaio; O equipamento deve ser leve de modo a poder ser manuseado com facilidade por alunos de graduação; O sistema de medição de torque deve ser simples e de fácil operação; O equipamento deve ser construído de modo a permitir um fácil aceso a todas as suas partes mecânicas; O sistema de controle de vazão (injetor) deve ser simples; O equipamento deve ser capaz de operar com um ou dois injetores; A manutenção deve ser fácil e barata; Em conformidade com esses dois aspectos, a turbina Pelton foi projetada para funcionar com potência máxima da ordem de 100W. Desta forma os valores máximos de vazão e altura manométrica utilizados foram de 10-3 m 3 /s (1,0 l/s) e 25m. Estes parâmetros de vazão e altura manométrica são compatíveis com os disponíveis na bancada didática de ensaios de turbobombas existente. Esta bancada é equipada com um inversor de freqüência de 1,1x10 3 W, um amperímetro, um voltímetro, com manômetros para faixa de 0 a 6x10 5 Pa (0 a 6kgf/cm 2 ), e manovacuômetros para faixa de Pa a 10 5 Pa (-1 a 1kgf/cm 2 ). A determinação da vazão é realizada por meio de medidas de volume coletado em uma caixa de taragem com medidor de nível calibrado para medição de volume, e medidas de tempo através de cronômetro. No caso de se optar por um ensaio mais rápido pode-se utilizar um medidor tipo placa de orifício conectado a um sistema eletrônico de medição. Este medidor (placa de orifício / sistema eletrônico) faz parte da bancada didática de ensaios de turbobombas e pode se acionado com grande facilidade. A queda hidráulica é obtida com ajuda de medições de pressões à entrada da turbina. A Figura 1 apresenta uma vista da bancada que será utilizada como plataforma para ensaio da turbina. Fig. 1: Bancada didática de ensaios de turbobombas MTE - 207

3 A partir da formulação clássica apresentada por A.J. Macintyre, [1], e D.F Carvalho [2], chegou-se as dimensões da turbina que são apresentadas na figura 2. Devido ao fato da turbina ter finalidade didática optou-se por fazer uma janela frontal em acrílico que permitirá a visualização da atuação do injetor, o que permite uma boa compreensão do seu funcionamento. O sistema de freio utilizado é do tipo convencional Prony e se assemelha aos amplamente empregados em equipamentos deste porte Ref [1], J. Salzard [3]. Para a medição da velocidade utiliza-se um tacômetro ótico que é considerado como parte integrante do módulo. A fim de permitir agilidade nos ensaios de levantamento de curva característica, e ao mesmo tempo permitir a demonstração da influência do número de injetores na velocidade da turbina, dotou-se a mesma de dois injetores que podem ser acionados em conjunto ou individualmente. Devido a limitações de custo para o equipamento optou-se por um esquema de operação individual, mesmo sabendo-se das limitações e restrições impostas por este tipo de operação. Assim obteve-se uma turbina de pequenas dimensões, adaptada ao uso em uma plataforma (bancada de ensaio) de pequena potência e que tem capacidade para efetuar boa parte dos ensaios necessários a uma aula de graduação. O posicionamento dos injetores foi planejado de forma a permitir o seu acionamento manual com facilidade e sem provocar movimentos bruscos ou em ângulos inconvenientes para o operador. A válvula de agulha pode ser facilmente desmontada permitindo aos alunos uma melhor visualização do seu esquema de funcionamento. Os materiais utilizados na construção deste módulo bem como os procedimentos de fundição e construção mecânica foram objeto de estudos e pesquisas que possibilitaram obtenção de um equipamento robusto e adaptado às necessidades atuais dos cursos de engenharia civil elétrica e mecânica da EEUFMG. A coloração do revestimento (pintura) final deste módulo foi idealizada para permitir um bom contraste interno facilitando a visualização, através da janela frontal de acrílico, do fluxo d água atuando sobre as pás da turbina. Assim a parte interna da carcaça foi revestida com tinta epoxi branca e as pás da turbina foram revestidas com tinta epoxi vermelha. A figura 2 apresenta um esquema da turbina que equipa o módulo de ensaio em questão.. Figura 2 Turbina de ação do módulo 3. TIPOS DE ENSAIOS E PRÁTICAS REALIZÁVEIS COM AJUDA DO MÓDULO DIDÁTICO DE ENSAIOS DE TURBINAS DE AÇÃO Com ajuda do conjunto módulo didático de ensaios de turbinas de ação e bancada didática de ensaios de turbobombas (que será denominado, para facilitar, como conjunto módulo de turbinas bancada) é possível se realizar estudos experimentais de turbinas hidráulicas tipo Pelton, em termos do levantamento de suas curvas características. Para um determinado arranjo da turbina do módulo, em função do número injetores (um ou dois injetores), podese realizar um elenco de estudos experimentais que serão descritos a seguir. 3.1 Curva de rendimento em função da velocidade A determinação da curva de rendimento η em função da velocidade n é feita mantendo-se constantes, durante o ensaio, a vazão e a queda hidráulica. A queda hidráulica constante é obtida a partir do controle de freqüência na bancada didática de ensaios de turbobombas (plataforma de ensaio). Este controle de freqüência permite que se mantenha a altura manométrica constante mesmo sob variação da vazão no sistema. Obtém-se vazão constante mantendo-se inalterada a posição da agulha do bico injetor. O ensaio se realiza a partir da aplicação de um momento resistor devido à ação de um freio tipo Prony capaz de paralisar o eixo da turbina. Para cada momento resistor aplicado obtém-se uma velocidade no eixo da máquina. A velocidade de rotação do eixo da turbina é obtida com ajuda do tacômetro ótico. O rendimento da turbina é determinado em função da razão entre potência obtida no eixo e potência hidráulica bruta disponível. A potência no MTE - 208

4 eixo P[W] e é obtida em função do produto do momento resistente útil M[J], obtido com ajuda do freio de Prony, pela velocidade angular w[ rd / s ], obtida com ajuda do tacômetro ótico tal como apresentado na Eq. 1. P e = Mw (1) A potência hidráulica bruta P[W] h é obtida segundo a Eq. (2) em função da queda hidráulica H [m] (altura manométrica da turbobomba da bancada), vazão Q [m 3 /s], obtida com ajuda da instrumentação de medição de vazão da bancada, e peso específico γ [kgf/m 3 ]. P h [W]=(1/9,81) P h [ kgf.m / s ]. P h = γqh (2) 3.2 Curva de rendimento em função da vazão, e curva em função da potência. A determinação da curva de rendimento η em função da vazão Q é feita mantendo-se constantes, durante o ensaio, a velocidade de rotação no eixo da turbina (devido à ação do freio de Prony), e a queda hidráulica (devido a altura manométrica constante na turbobomba). A cada posição da agulha no bico injetor corresponde uma vazão. O procedimento para obtenção do rendimento é o mesmo de 3.1. A determinação da curva de rendimento η em função da potência no eixo P e é feita mantendo-se constantes, durante o ensaio, a velocidade de rotação no eixo da turbina, e a queda hidráulica, e variando-se a vazão. O procedimento para obtenção do rendimento é o mesmo de 3.1. A potência no eixo P e é obtida com ajuda da Eq. (1). 3.3 Curvas e Colinas de iso-rendimento Uma curva de vazão em função da velocidade de rotação, a rendimento constante, pode ser obtida a partir de um elenco de ensaios (curvas) de rendimento em função da velocidade de rotação, a vazão e queda hidráulica constante. Conhecido o procedimento para o levantamento de curva de rendimento em função da velocidade de rotação (a vazão e queda hidráulica constante), explicado na seção 3.1, pode-se levantar um elenco dessas curvas. Um elenco desse tipo de curva significa um elenco de ensaios a queda hidráulica constante, cada ensaio realizado a uma vazão constante, isto é, a vazão varia de ensaio para ensaio. Define-se o valor de rendimento para o qual será levantada a curva de iso-rendimento, e, dispondo-se do elenco de curvas obtidas experimentalmente, obtém-se de cada curva um ou dois pares vazão-velocidade de rotação correspondente ao valor de rendimento em questão. O número de pontos (pares vazão-velocidade de rotação) obtidos depende do número de ensaios realizados. A partir desses pontos, obtém-se a curva vazão em função da velocidade de rotação relativa ao valor de rendimento em questão. Essa é a curva de iso-rendimento relativa ao valor de rendimento considerado. O conjunto das curvas de iso-rendimento representadas no mesmo diagrama constitui o que se denomina de colina de iso-rendimento, devido ao seu aspecto de curvas de nível representativas em topografia de uma colina em que o eixo vertical, no caso, ao invés de altura indica rendimentos. Essas curvas de iso-rendimento e colinas de iso-rendimento tem um aspecto semelhante ao daquelas curvas e colinas apresentadas nas Ref. [1], [2], [3], e GP. Schereiber [4]. Finalmente, com ajuda das curvas de iso-rendimento, será possível também de se realizar uma estimativa da velocidade específica da turbina ensaiada. Identificando-se na colina de iso-rendimento os valores de vazão e rotação correspondentes ao rendimento máximo, calcula-se a potência N, segundo a Eq. (3), com as unidades N[CV], γ [kgf/m 3 ], H[m], n[rpm], e Q[m 3 /s], adequadas para utilização na Eq. (4), tradicionalmente empregada para definição de velocidade específica. γqh N = η 75 n N n s = 5 / 4 H (3) (4) 4. COMENTÁRIOS E CONSIDERAÇÕES FINAIS A operacionalização do módulo didático de ensaio de turbinas de ação permitirá um grande impulso no ensino das disciplinas dos cursos de engenharia hidráulica, elétrica e mecânica da EEUFMG. A partir do início da utilização deste módulo, pretende-se fazer um levantamento dos tempos demandados para a realização de experiências em salas de aulas de forma a se otimizar o equipamento e permitir uma maior agilidade durante as aulas de laboratório, a exemplo do que já vem sendo feito com relação a outros dispositivos didáticos. MTE - 209

5 As características físicas, tais como robustez, resistência a corrosão, desgaste pelo uso etc., serão determinadas com maior precisão a partir do uso contínuo do equipamento e servirá para futuras correções e modificações no mesmo. Os procedimentos para a realização deste tipo de ensaio serão objeto de estudos mais profundo e se constituem no foco principal a ser contemplado na fase subseqüente a esta. Posteriormente pretende-se desenvolver um software de apoio que complementará o suporte didático para este módulo. Espera-se que a disponibilidade de um equipamento, que pode ser construído dentro dos laboratórios das universidades, venha a contribuir para a melhoria do ensino de engenharia permitindo uma ligação bastante forte entre o ensino teórico e experimental. A partir desta experiência pretende-se iniciar um estudo para desenvolvimento de um módulo didático para ensaio de turbinas do tipo Francis e posteriormente de turbinas Hélice e Kaplam. Agradecimentos : Os autores agradecem ao apoio dos departamentos de Engenharia Hidráulica e de Recursos Hídricos, de Engenharia Mecânica, de Engenharia Elétrica e de Engenharia Eletrônica pelo apoio recebido neste projeto Fax: BIBLIOGRAFIA [1] A. J. Macintyre, Máquinas Motrizes Hidráulicas Editora Guanabara Dois, Rio de Janeiro, [2] D. F. Carvalho, Usinas Hidroeletricas. Turbinas. Belo Horizonte, FUMARC/UCMG,1982 [3] J. Salzard, "Hydraulique Apliquee a l'exploitation des Usines Hydroelectriques" Dunod Paris [4] G. P. Schereiber, Usinas Hidreelétricas. Editora Edgard Blücher Rio de Janeiro, ENGEVIX, MTE - 210