10 turbomáquinas hidráulicas - pt2

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Os principais tipos de turbinas hidráulicas são:

• Pelton (outros semelhantes – Michell, Banki ou Ossberger)

• Francis

• Mista (Dériaz)

• Kaplan

A divisão dos tipos de turbinas pode ainda ser feita em dois grupos:

• Turbinas de acção (actuadas por água à pressão atmosférica)

• Turbinas de reacção (escoamento sob pressão)

Hidráulica II - Turbomáquinas

Turbinas - tipos



Tomada de água para turbina


A turbina Pelton é uma turbina

hidráulica de reacção, que

funciona portanto à pressão

atmosférica. Esta é constituída

por uma roda e um ou mais

injectores, que efectuam a

transformação de energia de

pressão em energia cinética. Os

jactos de água, ao chocarem

com as pás da roda, geram o

impulso que a faz mover.


Turbinas Pelton



Turbinas Pelton



Turbinas Pelton

Corte

horizontal

de turbina

Pelton



Turbinas Pelton - Características

• Podem existir desde um (apesar de o mínimo normal serem dois) a seis

injectores.

• Os injectores possuem uma agulha que pode regular o jacto de

água, diminuindo o caudal quando necessário, e de um deflector, que pode

desviar a direcção do jacto; estes, em geral, apontam para a extremidade da

roda.

• É mais adequada para grandes quedas úteis.

• Opera com maiores velocidades de rotação do eixo do rotor.

• Funcionam com vasta gama de caudais sem perder eficiência.

• Podem sofrer erosão no caso de a água não estar bem limpa, devido à força do

impacto dos jactos de água, caso estes possuam areia, por exemplo.

• Maior facilidade de evitar altas sobrepressões.

• Maior simplicidade de manutenção.



Turbinas Francis

A turbina Francis é um tipo de turbina

de acção, que funciona com um fluxo

de água de fora para dentro. A água

sob pressão entra por um ducto em

espiral de secção decrescente, sendo

desviada por um conjunto de pás

estáticas do distribuidor para um rotor

central. A água atravessa a parede

lateral do rotor, empurrando um

conjunto de pás do rotor, saindo pela

base com pressão e velocidade

reduzidas.



Turbinas Francis

Esquema

geral de

turbina

Francis



Turbinas Francis - características

• Foi concebida por Jean-Victor Poncelet em 1820 e aperfeiçoada pelo

engenheiro norte americano James Francis em 1849.

• As pás estáticas podem ser ajustáveis.

• São as mais usadas pela sua flexibilidade e eficiência.

• Funcionam com quedas desde 10 até 650 m, a velocidades de 80 a 1000 rpm.

• Não necessitam de uma estrutura tão grande como as Pelton, com menor custo

de escavação e betonagem

• O difusor é normalmente de secção decrescente, para promover a recuperação

de parte da energia cinética e de pressão

• O caudal é tanto maior quanto maior for a abertura das directrizes



Turbinas Francis

Turbina regulada

para baixo caudal

Turbina regulada

para caudal elevado



Turbinas Kaplan

A turbina Kaplan é um tipo de turbina

axial, de acordo com o movimento do

líquido em relação à respectiva roda.

Esta assemelha-se a um propulsor de

um navio (hélice), e possui um sistema

de pás servo-controláveis, por um

sistema hidráulico a óleo sob pressão

ligado a um servomotor.



Turbinas Kaplan

Turbina Kaplan da HACKERTurbina Kaplan da VOITH



Turbinas Kaplan



Turbinas Kaplan - características

• Foram concebidas pelo engenheiro austríaco Victor Kaplan que, a partir de

estudos teóricos e experimentais, criou um novo tipo de turbina a partir das

turbinas hélice, com a possibilidade de variar o passo das pás do rotor e do

distribuidor.

• Aplicadas em quedas baixas (até 50 metros) e grandes volumes de água

• O acionamento das pás, realizado por um sistema de bombeamento localizado

fora da turbina, é conjugado ao das palheta do distribuidor, de modo que, para

um determinada abertura do distribuidor, corresponde um determinado valor de

inclinação das pás do rotor

• Conseguem atingir altos rendimentos (até 94%)



Turbinas Kaplan - características



Turbinas – domínio de aplicação



Turbinas - parâmetros

• H0 – queda útil dos melhores rendimentos

• Q0 – caudal máximo absorvido pela turbina para H0

• P0 – potência da turbina correspondente a H0 e Q0

• n – número de rotações por minuto

• ns – número específico de rotações para a queda útil de 1 m

• np – número de pás da roda



Turbinas – número específico de rotações



Turbinas – número específico de rotações

Variação do

número

específico de

rotações com

a queda útil



Turbinas – aspectos importantes

Uma turbina funciona com caudais e quedas úteis que variam dentro de

determinados intervalos.

A velocidade de rotação, n, deve manter-se constante, em virtude da

necessidade de conservar invariável a frequência da rede eléctrica alimentada.

Numa dada altura do ano (queda útil constante), o caudal absorvido varia por

se modificar ao longo do tempo o pedido de potência da rede eléctrica.

O distribuidor é comandado por um órgão que aumenta ou diminui a abertura

de modo a repor a igualdade entre o binário motor e o resistente, para uma

dada velocidade de rotação do grupo.

Por sua vez, a queda útil também varia lentamente ao longo do tempo, em

consequência de se modificarem os níveis da água a montante.



Turbinas – aspectos importantes

Variação da secção do escoamento de acordo com

a abertura do distribuidor



Turbinas – variação do rendimento

A cada par de valores do caudal e da queda útil com que uma turbina funciona

em regime permanente (n = constante) corresponde um valor de rendimento. O

seu valor mais elevado, designa-se de rendimento óptimo.



Turbinas – diagramas em colina

Às curvas que unem os

pontos do diagrama (H,

Q) ou (H, P) com igual

valor de rendimento,

chamam-se de diagrama

em colina.

À direita: ns = 111 a 178

rpm



Turbinas – diagramas em colina

Às curvas que unem os

pontos do diagrama

(H, Q) ou (H, P) com igual

valor de

rendimento, chamam-se

de diagrama em colina.

À direita: ns = 214 a 334

rpm



Turbinas – vazio e embalamento

Dois pontos de funcionamento de turbinas em regime permanente (não

representados no diagrama em colina) devem ser destacados: o funcionamento

em vazio e em embalamento.



Turbinas – vazio e embalamento

Uma turbina funciona em vazio quando gira à sua velocidade de regime e não

fornece potência ao exterior (potência e rendimento nulos). Trata-se do ponto

mais baixo dos gráficos anteriores, sendo o caudal absorvido no caso de

turbinas Pelton e Kaplan de 7% do caudal máximo para H0.

Uma turbina funciona em embalamento quando, a plena abertura do

distribuidor (caudal máximo) e com o alternador desligado da rede, atinge o

regime permanente, sendo a potência e o rendimento praticamente nulos. A

ocorrência deste regime pressupõe também que o regulador de velocidade

esteja fora de serviço. A velocidade de rotação em embalamento cresce com a

queda a que a turbina estiver submetida.

ns,embalamento = 1,8-1,9 ns,0 (Pelton) = 1,85-2,25 ns,0 (Francis)



Turbinas – queda bruta e queda útil



Turbinas – altura de aspiração

Define-se altura de aspiração (hs) de uma turbina como a diferença entre a cota

de uma secção característica da roda e o nível de água a jusante. Diz-se que a

turbina funciona em contrapressão quando a altura de aspiração é negativa.



Turbinas – estratégia para a escolha

O intervalo de variação da queda útil fornece a primeira orientação.

Existem intervalos de H nos quais se pode aplicar mais de um tipo de

turbina.

Pelton: bom rendimento com variação da potência, menos problemas com

sobrepressões, manutenção mais simples.

Francis: Menos espaço exigido, maior velocidade de rotação, rendimentos

mais altos para altas potências, menor custo da turbina (face às hélice).

Kaplan: bons rendimentos face a ampla variação da potência e queda e

maior velocidade de rotação do que as Francis, menor custo do alternador,

roda e soleira do difusor a cotas inferiores (construção civil mais cara).



Turbinas – número de rotações



Turbinas – diâmetro de roda (Pelton)



Bombas

Uma bomba hidráulica rotodinâmica compõe-se de dois elementos principais: a

roda (ou rotor, ou ainda impulsor), que modifica as trajectórias líquidas, e o

corpo da bomba. Os trechos da conduta são o tubo de sucção/aspiração e o

tubo de impulsão/descarga. Consoante a direcção do escoamento, as bombas

classificam-se em centrífugas, mistas ou axiais.

Exemplo de

bomba

centrífuga



Bombas - tipos

Bomba centrífuga de três andares

(3 bombas em série, quando não se

consegue altura de elevação com bom

rendimento com apenas uma bomba



Bombas – domínio de aplicação



Bombas – número específico de rotações



Bombas – variação do rendimento com ns



Bombas – diagramas em colina

Diagrama em colina

de bomba centrífuga

Sulzer

[note-se as isolinhas de

rendimento e as curvas

H = H(Q) – cada uma

respeitante a uma

velocidade de rotação]



Bombas – funcionamento em vazio e curto-circuito



Bombas – influência de ns no andamento de H = H(Q)

Como se pode ver à direita, as curvas

características dependem do tipo de

bomba e da velocidade de rotação.

Com o aumento de ns, a relação H/H0

para o funcionamento em vazio

cresce.

Nas bombas centrífugas, a potência

aumenta com o caudal a partir do

vazio; nas axiais, a máxima potência

corresponde a esse ponto. Logo, não é

corrente neste tipo utilizar-se a jusante

uma válvula de regulação do caudal.



Bombas – influência de ns no andamento de H = H(Q)

Curvas H = H(Q), P = P(Q) e η = η(Q) para bombas centrífugas (a), mistas

(b) e axiais (c), em relação aos do ponto de rendimento óptimo



Bombas – ponto de funcionamento

Variação do caudal para instalações

com altura de elevação diferentes

Variação do caudal para bombas

de curva característica diferente



Bombas – bombas em série e em paralelo



Bombas – escolha de bombas

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