PEA -2420 : Produção de Energia Elétrica Geração Hidrelétrica Parte 2 Prof. Dr. Dorel Soares Ramos Profa Eliane Amaral Fadigas Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
TURBINA HIDRÁULICA É uma máquina hidráulica, que, recebendo em sua porta de entrada energia mecânico-hidráulica de um fluido, converte essa energia em energia mecânicomotriz. Como as turbinas são máquinas hidráulicas reais, a energia disponibilizada em seu eixo mecânico é menor do que aquele fornecida pelo fluído. Potência mecânico-motriz Potência mecânico-hidráulica Rendimento da turbina TURBINA 1- RESERVATÓRIO SUPERIOR 6- TUBULAÇÃO FORÇADA 2- BARRAGEM 7- TUBINA DE REAÇÃO 3- TUBULAÇÃO DE PRESSÃO 8- GERADOR 4- CHAMINÉ DE EQUILÍBRIO 9- CANAL DE FUGA 5- BLOCOS DE ANCORAGEM 10- CASA DE MÁQUINAS
FAMÍLIAS DE TURBINAS EÓLICAS Um fluido porta energia nas formas em que ele é capaz de receber, isto é, energia de posição ou potencial, energia de pressão e energia cinética. Existem turbinas que giram o seu rotor usando a energia cinética portada pelo fluido, tão somente ( energia de velocidade do fluido). Essas turbinas necessitam de acessórios que convertam as outras formas de energia portada pelo fluido em energia cinética e direcionem o jato deles às pás do rotor da turbina. Formam a grande família das turbinas de ação, e o membro mais representativo da família é formado pelas turbinas PELTON. Portanto, cada família de turbinas terá suas particularidades e diante dessas particularidades, são, classificadas em: Turbinas de ação Turbinas de reação
Em termos de turbinas hidráulicas, o Brasil possui conhecimento consolidado. Tomem-se por exemplo, os aproveitamentos hidráulicos do quadro abaixo. Quadro: Exemplo de aproveitamentos hidráulicos brasileiros Aproveitamento Turbina N. de turbinas Potência de cada turbina Itaipú Francis 20 971000 CV Ilha Solteira Francis 12 225000 CV Jupiá Kaplan 14 141000CV Barra Bonita Kaplan 04 47.400CV
Disposição do conjunto turbina-gerador De acordo com a potência a ser gerada, com limitações de espaço e com altura de queda d água disponível é a posição do eixo gerador-turbina. Assim, podem-se encontrar, na atualidade, conjuntos gerador-turbina que operam com seu eixo motriz na posição: 1) Horizontal 2) Vertical 3) Inclinada em relação à vertical Vertical Horizontal
Turbinas de Ação São conversores hidrodinâmicos que operam com a energia cinética da água, recebendo energia na forma mecânico-hidráulica e fornecendo na forma mecânico-motriz. Toda a energia potencial do aproveitamento, a menos das perdas na tomada d água e nas canalizações de pressão e forçada, é transformada em energia cinética antes de chegar as conchas do rotor da turbina. PRINCIPAIS COMPONENTES 1- Tubulação forçada 6- Jato d água 2- Flanges 7- Rotor Pelton 3- Válvula borboleta 8- Aletas do rotor 4- Injetor pelton 9- Desviador 5- Eixo do servomotor 10 Comando do desviador Vista simplificada de uma turbina Pelton dotada de Injetor
Aspectos de operação de uma turbina Pelton As Pelton são turbinas de Ação e operam com injetores ou injetor que dirigem o jato de água contra as pás de um rotor, que se denomina RODA PELTON O número de pás da roda Pelton, seu diâmetro e sua velocidade angular estão intimamente ligados à altura topográfica do aproveitamento e à potência mecânica da turbina. O número de injetores depende do tamanho das pás da roda ou do rotor e da vazão total firme do aproveitamento. Quando a vazão firme cresce, o número de injetores deve crescer, conseguindose assim, pás menores para o rotor e um número maior de pás.
Turbina Pelton Aspectos de operação Com base em inúmeras experiências realizadas com rotores Pelton, nos mais variados aproveitamentos, estabeleceu-se a relação entre Raio do Rotor Pelton, que é determinado pela distância entre o centro do jato que chega do injetor e o centro do eixo da turbina o Diâmetro do Jato, e essa relação não deve ser menor que 8. djato Rrotor m= Rrotor/djato > 8 coeficiente
Foi determinado, experimentalmente, a relação entre a queda ou altura topográfica HTOP e o mínimo valor para o coeficiente m (quadro abaixo) Valores mínimos para os coeficientes m, função da altura topográfica H(m) 400 500 600 750 1000 1500 2000 M(mínimo) 8 9 10 11 14 19 24 A Altura topográfica para turbina de ação a eixo horizontal HTOP(A)=HA-HD HA HD D HF Desnível existente entre o ponto A, parado ou dotado de movimento aleatório, e colocado no reservatório superior, e um ponto D colocado à saída do Injetor de uma turbina de ação.
TURBINA PELTON - OPERAÇÃO Com a finalidade de elevar a velocidade angular da turbina e reduzir o diâmetro do rotor, foram construídas Rodas Pelton dotadas de dois rotores operando no mesmo eixo. Dessa forma, os rotores são menores, mais velozes, a descarga é repartida sobre o dobro do número de injetores, e, consequentemente, ocorre a redução do diâmetro de cada jato, e, portanto, de cada rotor, guardada a relação m de Gerber.
Componentes de uma turbina Pelton O rotor ou rotores de uma turbina Pelton, são constituídos de uma coroa circular ao redor da qual são fixadas, por parafusos ou arrebites, as PÁS ou CONCHAS. As CONCHAS têm formato de uma colher dupla. Tudo se passa como se duas colheres fossem moldadas lado a lado, formando um septo central
Injetor da turbina Pelton a) Orientar o jato de água em direção tangencial ao Rotor Pelton, de forma que ele toque as conchas na linha divisória entre as duas colheres. b) Como a velocidade do jato é Injetor Desviador Eixo do servomotor praticamente constante, o injetor, por meio do movimento de uma agulha reguladora, adequa a vazão modificando o diâmetro do referido e ajustando à potência da turbina. c) Um potente servomotor hidráulico, atuando diretamente na agulha reguladora, movimente a referida para a frente ou para trás, modificando o diâmetro do jato, e, consequentemente, a vazão da turbina.
Disposição de eixo das turbinas Pelton - Eixo vertical Eixo horizontal opera com até 06 injetores Eixo vertical com o aumento da vazão, aumenta o número de injetores, o que torna a posição vertical mais adequada. Porém, problemas aparecem devido a exaustão do fluido que demanda a turbina. Nesse ponto, adotou-se a técnica de pressurização da turbina a partir do uso de ar comprimido, criando-se a turbina pneumática.
Alguns aproveitamentos Hidrelétricos Pelton, no Brasil APROVEITAMENTO N o DE TURBINAS Htop m VAZÃO m 3 /seg LOCAL (Estado) CUBATÃO I 9 720 12,0 São Paulo CUBATÃO II 6 684 12,7 São Paulo PARIGOT DE 4 715 10,0 Paraná SOUZA FONTES 9 310 6,3 Rio de Janeiro Com turbinas Pelton de eixo vertical, tem conseguido vencer alturas superiores a 1500m e vazões relativamente grandes de tal forma que as turbinas desenvolvam potências em torno de 100.000CV ou mais.
TURBINAS HIDRÁULICAS DE REAÇÃO Turbina de reação é uma máquina hidráulica que converte energia mecânico-hidráulica, das formas cinética e de pressão, em energia mecânico-motriz. A água, à saída do rotor, pode estar a pressão positiva, negativa ou nula em relação a pressão atmosférica.
Por volta de 1847, o engenheiro americano Francis, propôs inverter a forma de receber e exaurir a água que chega a um rotor de uma máquina hidráulica. Com o passar do tempo o rotor foi-se modificando, evoluindo e ganhando outras formas para atender as solicitações de melhores rendimentos e aplicabilidade a alturas disponíveis e vazões dispares. Rotor Francis Na atualidade, os ROTORES FRANCIS, associados a variados dispositivos de controle de vazão e de rotação, formam as turbinas FRANCIS. 1: Pá diretora fixa 2: Pá diretora móvel 3: Rotor Francis 4: Eixo do rotor A filosofia Francis trouxe: a) Entrada de água Radial centrípeta b) Saída de água axial
Turbina Francis: Aspectos Gerais A figura mostra o rotor Francis Fundamental. Na referida figura, mostra-se as coroas D1 e D2 que estão localizadas à entrada e saída do fluido respectivamente. Á medida que a turbina foi sendo empregada e ensaios começaram a ser realizados, podese notar que ela apresentava resultados satisfatórios em aproveitamentos dotados de alturas disponíveis bem díspares, porém o rotor deveria passar por alterações para atender o aumento da vazão e da velocidade específica. A partir da velocidade específica obtida em função da altura disponível do aproveitamento, resulta o desenho do rotor e sua classificação ou categoria. Para atender as mais variadas solicitações, os rotores tem desenhos bem típicos e são classificados nas diversas categorias. Figura 6.10
Evolução dos rotores Francis A medida que as vazões cresceram e decresceram as alturas disponíveis dos aproveitamentos, os rotores tiveram que adaptar-se as novas exigências, sempre oferecendo rendimentos elevados. D1 permaneceu imutável ou decresceu, e D2 foi crescendo. As pás ou aletas foram crescendo em direção ao tubo de aspiração e a coroa D2 passou a segurar as referidas aletas pelas pontas. As dimensões dos rotores estão ligadas a vazão nominal para o qual o referido é projetado. Possui grande velocidade específica a adapta-se a aproveitamento de pequenas alturas. Ultraveloz A medida que a altura disponível foi decrescendo, as pás ou aletas do rotor foram ganhando uma parte inferior, junto á coroa D2, mais pronunciada e como se estivesse entrando para o interior do tubo de aspiração. Nesse ponto termina a evolução dos rotores Francis e começa a família dos rotores oblíquos
CARACOL é o prolongamento da tubulação forçada. A água ao percorrê-lo, forma uma espiral e é lançada, por meio de pás diretoras fixas ao caracol, no rotor da turbina. Na direção radial, voltada para parede interna do caracol, estão colocadas as pás diretoras fixas. Estas pás dão à água o sentido radial centrípeto. A água deixando as pás diretoras fixas, dá de encontro a um conjunto de pás diretoras móveis. Estas pás diretoras movimentam-se em torno de um eixo e podem ir da posição tangencial ( fechando o fluxo hidráulico) a uma posição quase radial ( vazão máxima).
Sendo o rotor dotado de aletas fixas, a turbina FRANCIS possui uma única forma de ajustar a vazão á demanda de energia solicitada ao eixo motriz. E isso é conseguido com a atuação do DISTRIBUIDOR MÓVEL, sobre o fluxo hidráulico. As turbinas de médio e grande porte possuem reguladores de velocidade que atuam sobre o óleo hidráulico que é mandado para o servomecanismo. Seguindo uma malha fechada de controle, a velocidade angular da turbina é pilotada pelo regulador de velocidade atuando sobre um servomotor hidráulico.
Turbinas tipo hélice fixa família de rotores à qual pertencem, também os rotores oblíquo, Kaplan e Deriáz. O rotor hélice fixa é empregado em turbinas que trabalham com vazão pouco variável e próxima da vazão nominal, porque o máximo rendimento desta turbina ocorre quando a vazão está em torno de 70%. Em turbinas muito pequenas, em que o fator preponderante é gerar energia a partir de uma queda de d água e o rendimento é relegado para o segundo plano, o ajuste da vazão é feito por uma válvula borboleta colocada entre a tubulação forçada e a turbina. Quando porém, a potência da turbina começa a crescer, e as perdas em uma válvula borboleta não totalmente aberta começam a ter importância singular, manter uma regulagem de vazão a partir desta é insustentável. A solução é usar um distribuidor móvel acoplado, exigindo que a turbina tenha um caracol. Figura 6.6 página 92 Figura 6.16 página 104
Turbina Kaplan- Tem pás móveis comandadas por um servomotor hidráulico colocado no interior do eixo da turbina. O eixo do gerador é vazado no sentido longitudinal e por esse furo passam os tubos que levam e trazem o óleo hidráulico do comando do servomotor. Por possuírem pás móveis, conseguem ajustar-se a vazão requerida. Pode operar com seu eixo na horizontal, vertical e inclinado. O rotor pode trabalhar com ou sem caracol São turbinas apropriadas para o uso em grandes volumes de água ( vazão elevada) e usualmente utilizada em aproveitamento de baixa altura topográfica Tem a vantagem da possibilidade de variar o ângulo de passo das pás quando a demanda varia
Turbina Tendo pás desenhada móveis, a curva para característica rendimento pequenas versus vazão alturas torna-se mais disponíveis (inferiores a 50 fixa. metros) plana que a da turbina hélice
O rotor Kaplan é utilizado em uma variante de turbina denominado TURBINA BULBO, em que o gerador é colocado no interior de um casulo que é colocado no eixo do veio líquido. O gerador, para poder atender á grande potência gerada pela turbina que tem velocidade angular bastante baixa, deve possuir velocidade angular elevada e, portanto, na ponta do eixo de um gerador existe um redutor de rotação mecânico que, recebendo energia do eixo da turbina, girando a baixa velocidade, eleva a velocidade do sistema e entrega energia ao gerador. Dessa maneira, o gerador torna-se uma máquina veloz, seu volume diminui e o casulo ou bulbo pode adaptar-se melhor ao canal de adução do aproveitamento.
Turbina Bulbo com rotor Kaplan Estas turbinas têm um campo de aplicação mais restrito, dado as suas particularidades. No EU, são usadas em usinas maremotrizes. Tendo o passo da pá do rotor ajustável podem, girando em um sentido único, ter o fluido ora fluindo em um sentido, ora em outro. No Brasil, são usadas nas Usinas do Rio Madeira.