Turbina Francis

Turbinas Hidráulicas Prof. Daniel D.O. dos Santos Cláudio Augusto Dias Filho Luiz Fernando M. de Almeida Paulo José F. de Almeida Rafael Gomes Andrade Vergílio Torezan S. Del Claro

Turbina Francis

Introdução Idealizada em 1849, tendo o nome do seu inventor Primeira turbina foi construída pela Voith em 1873, passando por aperfeiçoamentos constantes É largamente aplicada pelo fato das suas características cobrirem um grande campo de rotação específica. Turbinas atuais podem ultrapassar a potências de 750 MW. As turbinas construídas entre 1930 a 1950 não possuíam rendimentos superiores a 85%, hoje ultrapassam a 92% para grandes máquinas.

Introdução Turbina Francis da Usina Hidrelétrica de Três Gargantas China

Rotor Rotores de tamanhos pequenos e médios podem ser construídos em uma só peça fundida. O material mais empregado é o aço com 12 a 15% de cromo. Pode-se dimensionar turbinas com rotores duplos, porém apenas para turbinas de eixo horizontal.

Funcionamento

Distribuidor O distribuidor (ou sistema diretor) é Distribuidor constituído de um conjunto de pás dispostas em torno do rotor de maneira a ajustar um melhor ângulo de entrada para cada valor de vazão, diminuindo assim as perdas hidráulicas. As pás possuem um eixo de rotação paralelo ao eixo da turbina e movimentam-se simultaneamente desde uma admissão máxima até o fechamento total.

Distribuidor

Caixa Caracol A caixa Caracol caracol (espiral) para as turbinas de Caixa pequeno porte normalmente é fundida em aço ou ferro fundido e bi-partida para facilitar a montagem e desmontagem do conjunto. É projetada de tal forma que garanta descargas parciais iguais em todos os canais formados pelas pás do distribuidor. Para isso, sua seção é gradativamente decrescente no sentido do escoamento.

Caixa Caracol Caixa Caracol

Aplicações Aplicações As turbinas Francis são as mais empregadas no Brasil em todas as categorias de centrais hidrelétricas. As usina hidrelétricas de Itaipu, Tucuruí, Furnas, Foz do Areia, Salto Pilão e outras no Brasil funcionam com turbinas tipo Francis, com cerca de 100m de queda d água.

Aplicações Usina Hidrelétrica de Itaipu (PR) - 20 máquinas Usina Hidrelétrica de Tucuruí (PA) - 12 máquinas Usina Hidrelétrica de Ilha Solteira (SP/MS) - 20 máquinas Usina Hidrelétrica de Itá (RS/SC) - 5 máquinas Usina Hidrelétrica Itaúba (RS) - 4 máquinas Usina Hidrelétrica Castro Alves (RS)* - 3 máquinas

Aplicações Aplicações Turbina Francis (azul) e gerador (vermelho) usados na Usina Hidrelétrica de Foz do Areia

Aplicações Aplicações Turbina Francis Eletrobrás-Furnas

Turbinas Pelton

Introdução São empregadas em locais com grande desnível e pequena vazão, geralmente áreas montanhosas e terrenos de grande altitude. São também denominadas rodas Pelton, turbinas tangenciais ou de ação. Há turbinas Pelton operando em pequenas quedas em fazendas e áreas afastadas com geração de algumas dezenas de kw até instalações com quedas de 1765 m em Reiβeck-Kreuzeck, na Áustria, e 1869 m em Valais, na Suíça, com geração de 423 MW.

Características Estas turbinas se caracterizam por serem compostas de uma roda com pás e jatos tangenciais à roda. O movimento é gerado pela transmissão de energia cinética do jato d'água para as pás da roda. Características da turbina O número de pás geralmente é arbitrário, porém o número de jatos depende do projeto (1, 2, 3, 4, 5 ou 6). Inicialmente, as turbinas eram montadas com eixo horizontal. Para acrescentar jatos e elevar a potência foram desenvolvidas turbinas com eixo vertical. Quanto maior o número de jatos, maior a potência útil que pode ser aproveitada, permitindo também a elevação da rotação e redução do diâmetro do rotor.

Características Introdução

Características VÍDEO 01 TURBINA PELTON

Características Características da turbina

Bicos Injetores Invariavelmente o jato de água será circular, para normalizar o escoamento e reduzir a área lateral do jato, minimizando as perdas por atrito. Bicos injetores O bocal geralmente tem a forma de um tronco de cone, com ângulo da geratriz entre 60 e 90, e um diâmetro de saída de 1.12 à 1.27 vezes o diâmetro do jato, fazendo com que na posição de abertura máxima haja apenas 10% de obstrução de área pela agulha. O diâmetro de entrada do bocal deve ser adotado entre 2.6 e 2.8 vezes o diâmetro do jato.

Bicos Injetores Características da turbina O mecanismo de abertura e fechamento da agulha deve ser extremamente robusto e deve respeitar um tempo de comando adequado para que se evite efeitos dinâmicos no canal de alimentação (golpe de aríete).

Bicos Injetores Bicos injetores

Fabricação Até 1930, as rodas Fabricação fabricadas por partes, costumavam ser pá por pá, e montadas num disco. Com a evolução dos processos de fabricação, possível hoje fabricar a roda numa única peça única fundida e/ou usinada. É possível fundir monoblocos com mais de 30 toneladas, com grande precisão e qualidade.

Fabricação Fabricação

Fabricação Fabricação VÍDEO 02 TURBINA PELTON

Manutenção Devido à ação abrasiva extrema sofrida pelo bico injetor e pela agulha, estes devem ser fabricados em materiais altamente resistentes ao desgaste. Manutenção Geralmente são fabricados em aço inoxidável (12% Cr e 5% Ni), porém para casos mais exigentes, onde a queda é maior e os abrasivos na água são mais duros usa-se outros materiais, como aços ao tungstênio, vanádio e aços cromados até 0.5mm de espessura. Também se fabricam estas peças em stellita (W-Co-Cr) que possui extrema resistência à abrasão.

Manutenção Manutenção

Aplicações Usina Hidrelétrica Governador Pedro Viriato Parigot de Souza (PR) 4 máquinas Usina Hidrelétrica Henry Borden (SP) 14 máquinas

Turbinas Kaplan

Introdução Idealizada pelo engenheiro austríaco Viktor Kaplan em 1912 Um novo conceito de turbina hélice: pás reguláveis Grandes vazões e alturas moderadas

Introdução Turbinas Kaplan

Características Turbina do tipo axial Rendimento elevado e praticamente constante Pode ser utilizada com quedas de 3m à 60m Grande flexibilidade de operação frente as variações de vazão e também altura de queda

Descrição

Descrição Turbinas Kaplan

Descrição

Distribuidor 2 mecanismos para regulação Devem atuar de modo sincronizado

Distribuidor

Distribuidor Fabricação VÍDEO 03 TURBINA KAPLAN

Mecanismo

Mecanismo Fabricação VÍDEO 04 TURBINA KAPLAN

Aplicações Usina Hidrelétrica de Ferreira Gomes (AP) 3 máquinas Usina Hidrelétrica de Estreito (MA/TO) 8 máquinas Usina Hidrelétrica de Aimorés (MG/ES) 3 máquinas Usina Hidrelétrica de Porto Estrela (MG) 2 máquinas Usina Hidrelétrica de Lajeado (TO) 5 máquinas Usina Hidrelétrica Eng. Souza Dias (MS/SP) 14 máquinas Usina Hidrelétrica Mário Lopes Leão (SP) - 3 máquinas Usina Hidrelétrica Monte Claro (RS)* - 2 máquinas Usina Hidrelétrica 14 de Julho (RS)* - 2 máquinas

Aplicações 14 de Julho Monte Claro Castro Alves

Comparação Turbinas Kaplan

Turbinas Bulbo

Descrição Solução compacta da turbina Kaplan. Permite a geração de energia em pequenas quedas d água (fio d água), com médias e grandes vazões. Substitui a montagem axial vertical da Kaplan por um perfil encapsulado horizontal.

Descrição Ref. Componentes 1 2 3 4 5 6 Tubo de acesso ao gerador Câmara de adução Bulbo ou cápsula Sistema de óleo do rotor Gerador síncrono Mancais de guia Estrutura (e/ou pilar) de sustentação Tubo de acesso à turbina Distribuidor Pás do rotor Cubo Ogiva ou cone Tubo de descarga ou sucção 7 8 9 10 11 12 13

Descrição

Imagens Reais Descrição

Descrição Imagens Reais

Imagens Reais Descrição

Vantagens Seu perfil encapsulado horizontal permite: Descarga direta do fluxo do rio Ótima eficiência com grandes vazões Pequenos reservatórios Compacta Volume reduzido das obras civis: Concretagem, Escavações, Reduz o número de máquinas e operários

Vantagens Redução das dimensões dos tubos de adução e sucção. Redução dos impactos ambientais, sociais e econômicos, tais quais: Redução das áreas inundadas Redução das degradação do ecossistema Reduz investimentos em negociação de terra e campanhas de reparação do meio ambiente Aproveita a vazão do próprio rio. Permite a construção de pequenas usinas em cascata

Desvantagens Desvantagens de sua utilização Limitação de potência devido a dificuldade de refrigeração do gerador. Mancais necessitam de cuidados especiais e recomendações fornecidas pelo fabricante. Sua forma compacta exige mais investimentos em tecnologia e melhores componentes eletrônicos. Exige um eficiente sistema de vedação.

Comparação Kaplan Perfil de escoamento axial disposto verticalmente

Comparação Bulbo: Perfil de escoamento axial disposto horizontalmente

Comparação Kaplan: (médios reservatórios) Altura de operação em torno de 60 m Vazão de operação em torno de 30 m³/s Potência gerada em torno de 100 MW

Comparação Bulbo: (pequenos reservatórios fio d água) Altura de operação abaixo de 20 m Vazão de operação em torno de 50 m³/s Potência gerada em torno de 75 MW

Instalação Comparação Comparação entra as instalações das turbinas Kaplan e Bulbo (Souza et al., 2009)

Aplicação Usina Aplicação Hidrelétrica de Santo Antônio

Introdução Localização: Aplicação Rio Madeira, Estado de Rondônia, Proximidades da cidade de Porto Velho. Altura de queda em torno de 13m. Viabilidade do processo desenvolvida por: Furnas Centrais Elétricas e Construtora Norberto Odebrecht. Licença de instalação e inicio de obras em setembro de 2008. Atualmente é administrada pela Santo Antônio Energia (antiga Madeira Energia S.A.)

Aplicação Parâmetros técnicos da construção UHE Santo Antônio Potência instalada 3.150,4 MW Potência Assegurada (média) 2.218,0 MW Potência unitária 71,6 MW Unidade geradora 44 Turbinas Bulbo Vazão turbinada 24,584 m3/s Área do reservatório 271,3 Km2 Volume do reservatório 2,1 x 106 m3 Nível d água do Reservatório 70,5 m Profundidade média do reservatório 11,00 m Profundidade máxima do reservatório 27,00 m Maior vazão média diária registrada 47,236 m3/s Menor Vazão média diária registrada 2,322 m3/s Vazão média ao longo do tempo 18,6 m3/s Comprimento total da barragem 3.100 m Cimento 830.000 toneladas Aço 140.000 toneladas

Aplicação Parâmetros técnicos das turbinas Bulbo utilizadas na UHE Santo Antônio Tipo Bulbo com Rotor Kaplan Nº de unidades 44 Potência unitária nominal 71,6 MW Potência Total nominal 3.150 MW Velocidade Nominal 100 rpm Queda d água de referência 13,9 m Peso total unitário 8.820 KN Diâmetro do Rotor 7,5 m Comprimento do conjunto 16,17 m Parâmetros técnicos do Gerador Potência unitária nominal reativa 82,25 MVA Tensão nominal 13,8 KV Peso do Rotor 2.300 KN

Aplicação

Comparação Comparativo das usinas implantadas na bacia hidrográfica do Rio Amazonas

Usina VÍDEO 05 UHE S. ANTÔNIO

Cavitação em Turbinas

Cavitação Cavitação Quedas bruscas de pressão sofridas pelo líquido em escoamento; Nucleação, crescimento e colapso (implosão) de bolhas de vapor em um líquido; Ondas de choque e microjatos altamente energéticos; Elevadas tensões mecânicas: desgaste erosivo da superfície pela qual o líquido escoa Intensa instabilidade hidráulica: geração de ruído e vibração, o que diminui o rendimento da máquina

Cavitação Gráfico Pressão x Temperatura

Turbina Francis Cavitação Pá de um rotor intensamente danificada por cavitação (IV SMER, Seminário de Manutenção de Equipamentos Rotativos, Outubro 2011)

Turbina Francis Cavitação Pá de um rotor intensamente danificada por cavitação Cavitação nas pás do rotor da Turbina tipo Francis (IV SMER, Seminário de Manutenção de Equipamentos Rotativos, Outubro 2011)

Turbina Francis Cavitação Carcaça danificada por cavitação (IV SMER, Seminário de Manutenção de Equipamentos Rotativos, Outubro 2011)

Turbina Francis Solução Tanques de ar comprimido para rebaixamento do tubo de sucção (Visita Técnica, 2013)

Turbina Francis Solução Tanques de ar Cavitação nas pás do rotor da Turbina tipo Francis comprimido para rebaixamento do tubo de sucção (Visita Técnica, 2013)

Turbina Francis Solução Compressor de parafusos (Visita Técnica, 2013)

Manutenção Restituição do perfil hidrodinâmico original das pás: solda na região cavitada Comparação com um gabarito de presente na UHE; perfil Correções posteriores podem ser feitas com uma esmerilhadeira ou refusão pelo processo TIG.

Manutenção Eletrodos de aço inox, ou Cavitalloy, ou ainda Cavite (ligas de Co)

Turbina Francis Manutenção Rotor recuperado (IV SMER, Seminário de Manutenção de Equipamentos Rotativos, Outubro 2011)

Turbina Francis Manutenção Carcaça recuperada (IV SMER, Seminário de Manutenção de Equipamentos Rotativos, Outubro 2011)

Golpe de aríete em UHE's

Golpe de aríete Golpe de Aríete em Usinas Hidrelétricas Escoamento transitório Aceleração ou desaceleração repentinas do escoamento Variação bruscas de pressão: ondas de pressão Geração de ruído e rompimento de tubulações

Golpe de aríete Golpe de Aríete em Usinas Hidrelétricas Controle e Proteção: Chaminés de Equilíbrio Reservatórios hidropneumáticos Válvulas reguladoras de pressão (de alívio, ou de retenção) Bypass

Golpe de aríete Golpe de Aríete em Usinas Hidrelétricas Foto de uma chaminé de equilíbrio. (Visita Técnica, 2013)

Golpe de aríete Foto de uma chaminé de equilíbrio. (Visita Técnica, 2013) Golpe de Aríete em Usinas Hidrelétricas

Golpe de aríete Foto de reservatório hidropneumático. Golpe de Aríete em Usinas Hidrelétricas (www.assistherm.com.br)

Golpe de aríete Acidente em Sayano-Shushenskaya (Rússia)

Golpe de aríete VÍDEO 06 UHE RÚSSIA

Visita Técnica Visita técnica a Furnas

Visita Técnica Visita à Usina Hidroelétrica de Itumbiara, administrada pela Eletrobrás-Furnas (03/10/2013) 6 unidades geradoras do tipo Francis rápida, com vazão individual de 87m³/s, gerando 2142MW de energia.

Visita Técnica Visita técnica a Furnas Diâmetro do conduto forçado: 10 m

Visita Técnica Visita técnica a Furnas VÍDEO 07 UHE ITUMBIARA

Visita Técnica Visita técnica a Furnas VÍDEO 08 UHE ITUMBIARA

Turbinas Hidráulicas Prof. Daniel D.O. dos Santos Cláudio Augusto Dias Filho Luiz Fernando M. de Almeida Paulo José F. de Almeida Rafael Gomes Andrade Vergílio Torezan S. Del Claro