Máquinas de Fluxo Prof. Dr. Emílio Carlos Nelli Silva Escola Politécnica da USP Departamento de Engenharia Mecatrônica e Sistemas Mecânicos

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1 1 Máquinas de Fluxo Prof. Dr. Emílio Carlos Nelli Silva Escola Politécnica da USP Departamento de Engenharia Mecatrônica e Sistemas Mecânicos

2 Turbinas Hidráulicas 2 Introdução Apresentam-se as turbinas de uso mais comum Características construtivas, operacionais, condições de aplicação limites de execução e instalação Características operacionais e construtivas = escolha da melhor máquina para uma dada aplicação São elas: Pelton, Francis e Kaplan e suas variantes Formas menos comuns apenas citadas Seguidas as normas brasileiras relacionadas

3 Turbina Pelton Rotação específica: n q 20, número tipo K 0,364 Máquinas de fluxo de ação: Energia mecânica = transformação da energia cinética do fluxo de água através do rotor (NBR 6445) Turbina Pelton: segundo norma NBR 6445, turbina de ação na qual o fluxo de água incide sob a forma de jato sobre o rotor que possui pás em forma de duas conchas. A direção dos jatos é paralela em relação ao plano do rotor. Elevadas alturas de queda e conseqüentes pequenas vazões Topografia brasileira não favorece Pelton de grande porte 3

4 Turbina Pelton Princípio de operação e partes principais Número de jatos = função da vazão disponível 1 a 6 Mesma Q mais jatos = menores diâmetros = menores pás = menor rotor 4 Turbina Pelton de 1 jato Corte da pá e velocidades.

5 Turbina Pelton Princípio de operação e partes principais Partes principais segundo norma NBR Componentes principais (trabalho): 1- rotor; 2 injetor; 3 defletor Demais: 4 mancal de escora; 5- conduto de distribuição; 6- agulha; 7- acionamento do defletor; 8- anel de regulação; 9- anteparo para jato

6 Turbina Pelton Exemplos de turbinas Pelton Posição da Agulha: define a vazão do jato: 6 1- defletor; 2 agulha; 3 alavanca de posição; 4- transferidor; 5- braço de alavanca (transfere informação para sistema de regulação);

7 Turbina Francis Rotação específica: 20 n q 100, número tipo 0,364 K 1,82 Máquinas de fluxo de reação: Máquinas em que o trabalho está associado à variação de pressão e energia cinética no rotor Exemplo: turbina Francis: segundo norma NBR 6445, turbina de reação na qual o fluxo de água penetra radialmente no distribuidor e no rotor, no qual as pás são fixas. Outros: turbinas Kaplan e todas as bombas hidráulicas de fluxo Altura de queda entre 45 e 750m competem com Kaplan e Pelton Grande parte da eletricidade gerada no Brasil 7

8 Turbina Francis Princípio de operação e partes principais Água atua simultaneamente em todas as pás Variação de 90 o no escoamento entre entrada e saída 8 Rotor Francis

9 Turbina Francis Princípio de operação e partes principais Partes principais segundo norma NBR Obs.: componentes adicionais (com relação à Pelton) maior rendimento (2%) projeto mais complexo e > custo de instalação, operação e manutenção

10 Turbina Francis Transformação de energia em turbinas de reação Comportamento das pressões e velocidades: 10 Obs.: parte da energia de pressão energia cinética (no distribuidor) Equação de Euler: Y u c u c th u2 u2 u1 Obs1.: menores curvaturas das pás menos perdas no escoamento maiores rendimentos das turbinas de reação Obs2.: variação da direção do fluxo = esforços axiais no eixo u1

11 Turbina Francis Representação gráfica e indiciação em rotores Francis Projeções parciais em planta e elevação (a de cima), em corte => projeção meridiana: 11 Obs.: bombas mesma indiciação

12 Turbina Francis Formas construtivas de rotores Francis Tabela: formas construtivas das turbinas 12 Rotores correspondentes: projeção meridiana:

13 Turbina Francis Exemplo: Usina de Victoria Falls rotor; 2 caixa espiral; 3 mancais; 4- gerador elétrico; 5- excitatriz; 6- válvula de esfera; 7- comporta do tubo de sucção;

14 Turbina Francis Triângulos de velocidade na face de sucção (Saída) de turbinas Francis Vazões diferentes => pontos ou condições de operação diferentes => α s diferentes 14

15 Turbina Francis Triângulos de velocidade na face de sucção (Saída) de turbinas Francis β 1 * = β 1 saída sem choque; Ponto de máximo rendimento Condição de projeto: saída irrotacional α 1 =90º mínimo de dissipação na saída do rotor (sem rotação em torno do eixo do tubo de sucção) 15 Aumento de pressão ao longo do duto reduz-se velocidade de rotação = redução de perdas!

16 Turbina Francis Triângulos de velocidade na face de pressão (Entrada) de turbinas Francis 16 Obs.1: comportamento diferente do da face de sucção; * Obs. 2: ponto ótimo 2 2 entrada sem choque (mínima dissipação) condição de projeto

17 17 Turbina Kaplan Rotação específica: 95 n q 310, número tipo 1,729 K 5,642 Turbina de reação, na qual o fluxo de água tem direção radial no distribuidor, aproximadamente axial na entrada do rotor, analogamente às turbinas hélice, porém na qual as pás têm passo regulável em funcionamento 2 variantes adicionais: hélice e bulbo Altura de queda entre 2 e 60m competem com Francis ultra rápidas em alturas de queda mais elevadas (> n q ) Alternativa onde há restrição quanto a área inundada (ex: proximidade com cidades) número de pás: 4 a 8 aumento = redução das tensões de flexão no eixo que suporta o conjunto, em balanço

18 Turbina Kaplan Princípio de operação e partes principais Água atua simultaneamente em todas as pás Kaplan de eixo vertical: variação de 90 o no escoamento entre entrada do distribuidor e entrada do rotor Bulbo: escoamento aproximadamente axial Rotores Kaplan Rotor Andritz 18

19 Turbina Kaplan Princípio de operação e partes principais Usina Hidrelétrica de Estreito 19 Partes principais segundo norma NBR 6445 Partes não mostradas: Caixa semi-espiral Tubo de sucção, pás fixas do prédistribuidor, e palhetas diretrizes do distribuidor (ver Francis) Mecanismo de movimentação das pás: interior da ogiva ogiva cubo pá Obs.: partes específicas: rotor, caixa semiespiral (< 360 o ), cubo do rotor, ogiva e variador de rotação (= geradores menores)

20 Turbina Kaplan Representação gráfica e indiciação em rotores Kaplan Projeções parciais em planta e elevação (a superior): projeção meridiana 20

21 Turbina Kaplan Exemplos de turbinas Kaplan Kaplan de eixo vertical 21

22 Turbina Kaplan Exemplos de turbinas Kaplan Bulbo 22

23 Formas construtivas adicionais Aproveitamentos de menor porte = rotores iguais aos anteriores, mas com demais componentes mais simples Ou novas formas de rotores, menos eficientes ou mais caras Exemplo: Turbina Diagonal ou Dèriaz Aplicadas em alturas de queda entre 30 e 130m Custo elevado; características da Kaplan e Francis 23

24 24 Formas construtivas adicionais Turbina tubular com gerador periférico (Straight flow ou Straflo) Reguláveis ou em forma hélice Turbina e gerador = unidade integral = não há eixo ligandoos 1-Rotor, 10-Estator, 2-Pá, 8- Tubo de sucção

25 25 Formas construtivas adicionais Turbina de fluxo transversal ou Michell-Bànki Turbinas de ação Simplicidade = pequenas centrais hidrelétricas 6-válvula de aeração = impedir pressões muito abaixo da atmosférica integridade estrutural da máquina

26 26 Formas construtivas adicionais Turbina para pequenos ou micro aproveitamentos Também chamadas de standard pelos fabricantes = dimensões padrão e condições operacionais pré-definidas = aproveitamentos devem estar adequados às máquinas Versões simplificadas e reduzidas das de grande porte = reduzir custos de fabricação e atingir mercado específico Demanda limitada; aproveitamentos privados

27 Partes componentes de turbinas Caixa espiral e pré-distribuidor Caixa espiral: NBR 6445 conduzir o fluxo de água recebido da adutora até o distribuidor. Obs.: seções transversais reduzem-se. pré-distribuidor: pás fixas entre os anéis 4 e 5 rigidez estrutural da caixa e préorientação do escoamento para o distribuidor. 27

28 Partes componentes de turbinas Distribuidor e acionamento das palhetas diretrizes Distribuidor: pás móveis entre os anéis 4 e 5 orientação do escoamento e controlar a vazão para o rotor. Acionamento: anel de regulação 1, movido por 1 ou 2 motores hidráulicos Itaipu Eixo da turbina 28 Sistema hidráulico que controla as palhetas móveis do distribuidor

29 Partes componentes de turbinas Tubo de sucção 29 NBR 6445 finalidade: grande parte da energia cinética energia de pressão + conduzir a água até o canal de fuga ou o início de uma nova estrutura hidráulica. seção transversal crescente = aumento de pressão. Máquinas Francis e Kaplan de eixo vertical

30 Partes componentes de turbinas Tubo de sucção Máquinas Francis e Kaplan de eixo vertical Hidrelétrica Norris: 30 Máquina Bulbo:

31 Partes componentes de turbinas Mancais para turbinas Deslizamento: sapatas intermediárias e filme de óleo sob pressão entre elas (submetido a resfriamento) 31 Mancal de escora Mancal de guia Mancal combinado

32 Análise das formas construtivas Escolha por rotação específica: superposição de formas construtivas. Exemplo: Francis e Kaplan 32 Objetivo: apresentação de informações técnicas sobre as principais formas construtivas visando permitir uma análise comparativa mais profunda Além de aspectos técnicos: econômicos e de financiamento da obra

33 33 Análise das formas construtivas Rendimento comparado Rendimentos máximos: Francis, Kaplan e Bulbo > Pelton Rendimento em função da vazão: diverso Obs.: Máquinas de ação: velocidade do jato depende da altura da queda e para altas quedas esta pouco varia => força do jato pouco varia => rendimento pouco varia

34 34 Análise das formas construtivas Rendimento comparado Kaplan: segunda melhor curva (menor variação de η) dupla regulação = mudar ângulo das pás na operação = busca da melhor condição operacional para cada vazão Curva de rendimento da turbina Kaplan de dupla regulação:

35 35 Análise das formas construtivas Superposição das formas construtivas Pelton-Francis Operação sob mesma altura de queda e potência: Pelton: não afogada Pelton: diâmetro menor, mas casa de máquinas maior Francis: tubo de sucção: custo elevado Fator de preço (ref.: Francis 20MW): Relação de preços: fornecimento de conjunto completo de peças sobressalentes em aço inox

36 36 Análise das formas construtivas Superposição das formas construtivas Pelton-Francis Tabela com principais características comparadas (Escher-Wyss): Tabela Obs.: Pelton manutenção com pessoal menos qualificado; reduzida massa dos rotores = aquisição de sobressalente; fácil retirada do rotor

37 37 Análise das formas construtivas Superposição das formas construtivas Francis - Kaplan Operação sob mesma altura de queda e potência (50m e 50MW): Francis: D 2 <D 1 => distribuidor e caixa espiral menores Kaplan: cubo: módulos de velocidade maiores = maior sensibilidade à ocorrência de cavitação = maior submergência maior velocidade à saída do rotor = tubos de sucção maiores Portanto (maiores submergências e tubos de sucção) maiores volumes escavados Kaplan: dupla regulação eleva custo de projeto, execução, montagem e manutenção reduz sensibilidade a variações de altura de queda e vazão

38 38 Análise das formas construtivas Pré-dimensionamento de diâmetros de turbinas Tomando como referência levantamentos estatísticos das máquinas em operação => diagramas relacionando diâmetros específicos de turbinas com a rotação específica, tendo-se como parâmetros das curvas, os adimensionais ø e φ Com os diagramas: valor inicial para o diâmetro de turbinas conforme o seguinte equacionamento: Diâmetro específico: Diâmetro do rotor:

39 Turbinas Hidráulicas 39 Transformação de energia em turbinas Fluxo de energia em turbinas: cada forma específica de perda identificável ao longo do trajeto da partícula fluida entre a entrada e saída da máquina Análise = sob aspectos global e interno Global = máquina = caixa preta: somente modelo termodinâmico importa (equações do trabalho e potência discutidos anteriormente) Interno = perdas

40 Turbinas Hidráulicas: Transformação de Energia Análise global 40 Modelo: I: face de sucção da máq.; região de menor pressão II: face de pressão da máq.; região de maior pressão máq. adiabática = troca de calor nula: Q=0 regime permanente: m cte

41 Turbinas Hidráulicas: Transformação de Energia Análise global Conceitos na análise: definições resumidas nas equações seguintes: Trabalho específico: Y III II variação da energia Altura de queda: H altura Y g Potência fluida: my QY QgH Rendimentos: η u : útil = u Pu η i : interno = i η m : mecânico = η h : hidráulico = P f Pf Pi m Pf P u P i específica h Pt Pf Obs.: f indica fluido e t indica teórico (número infinito de pás e largura pequena do canal) 41

42 42 Turbinas Hidráulicas: Transformação de Energia Análise interna Fluxo de potência: Contribuição de cada um dos componentes para perdas e rendimento: Francis com Re=6 10 6