AProveitamento Hidreletrico

5/22/2018 AProveitamento Hidreletrico

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MINISTRIO DA EDUCAO

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

VIABILIDADE DE MICROCENTRAIS HIDRELTRICASBASEADAS NO EMPREGO

DE EQUIPAMENTOS DE MERCADO

por

ALEXANDRE BELUCO

Dissertao para obteno do Ttulo de

Mestre em Engenharia

Porto Alegre, junho de 1994.


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VIABILIDADE DE MICROCENTRAIS HIDRELTRICASBASEADAS NO EMPREGO

DE EQUIPAMENTOS DE MERCADO

por

ALEXANDRE BELUCO

Bacharel em Fsica

Dissertao submetida ao Corpo Docente do Programa de Ps-graduaoem Engenharia Mecnica, PROMEC, da Escola de Engenharia da Universi-dade Federal do Rio Grande do Sul, como parte dos requisitos necessriospara a obteno do Ttulo de

Mestre em Engenharia

rea de concentrao: Energia

Orientador: Prof. Dr. Flvio Pohlmann Livi

Banca examinadora:Prof. Dr. Arno Krenzinger PROMECProf. Dr. Milton Antnio Zaro PROMECProf. Dr. Manoel Luis Leo PPGA (UFRGS)

Prof. Dr. Srgio V. MllerCoordenador do PROMEC

Porto Alegre, 23 de junho de 1994.


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No existe uma revoluo final, as revolues de-

vem durar para sempre. A revoluo final para cri-

anas: elas temem o infinito, e importante quedurmam tranqilas noite...

Ievgueni Zamiatin (1884-1937)

Outrora, quando me encontrava a ss, sonhava com

grandes aventuras de paixo. Depois me acalmei.

Tornei-me menos ingnuo. Aprendi ( minha prpriacusta) que no se deve confundir o salto com o vo,

e que, antes de mais nada, indispensvel dissimular

(como uma doena secreta) a necessidade infernal de

continuar acreditando.

Jean Giono(1895-1970)

Aos meus pais.


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Agradecimentos

edigir agradecimentos algo difcil e comprometedor. Sempre se corre o riscode esquecer algum, ainda mais quando um trabalho extenso e consome tanto

em tempo e dedicao (e, por que no dizer?, pacincia). Ento, de forma abran-

gente, gostaria de manifestar gratido a todos que, de uma forma ou de outra, o influencia-

ram. De modo particular...

Faltam-me palavras para expressar meu reconhecimento ao prof. Flvio P. Livi.

Sua serenidade e o equilbrio de sua sabedoria foram muito importantes para o perfeito an-

damento dos trabalhos e para que esta dissertao cumprisse seu papel como oportunida-

de de amadurecimento. Sou imensamente grato ao prof. Roberto P. Homrich, cuja me-

nor contribuio foi a que resultou no estudo que constitui o captulo 4, e ao prof. Manoel

L. Leo, que fez comentrios relevantes sobre alguns temas abordados nesta dissertao.

Tambm sou grato ao professor Anildo e turma do Ncleo de Energia, sempre irnicos

e bem dispostos, ao CNPq e CAPES, pelo suporte financeiro, e CPG do PROMEC, por

ter sido aceito como aluno especial durante sete meses. Devo cumprimentos Fluxotec,

que forneceu importantes relatrios sobre o funcionamento de bombas como turbinas, e ao

representante da WEG Mquinas em Porto Alegre, que se mostrou bastante prestativo

quando empreendi a tomada de preos para composio de parte do captulo 5.

Agradeoaos meus pais, pelo apoio (nem sempre incondicional) na longa cami-

nhada que tem este trabalho como ponto culminante, e minha tia Alice, que, entre ou-

tras coisas, permitiu que eu ocupasse seu apartamento. (Em vrias ocasies eles acredita-

ram mais do que eu que este trabalho viria luz, mesmo no tendo a mnima idia do qu

estaria por surgir.) Sinto-me em dvida com o amigoDaniel Penze com meu irmoA-

driano, bons companheiros, e acho oportuna uma homenagem ao escritor norte-

americano Kurt Vonnegut Jr., que no tem qualquer envolvimento com este trabalho, mas

com quem, durante os ltimos trinta e seis meses, aprendi um pouco mais sobre o mundo,

sobre a vida e sobre a razo cega de todas as coisas.

De modo bastante particular, quero tambm expressar meu reconhecimento Cin-

thia Gabrielle Machado Braga, pela cumplicidade e pela importncia que assumiu

em minha vida nestes ltimos meses.

E (como de praxe dizer...) se algo de proveitoso puder ser extrado deste traba-

lho, ou do que a partir dele for criado, que reverta unicamente para o benefcio e para a

continuidade do gnero humano.

R


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Resumo

Esta dissertao analisa a viabilidade de reduzir custos de implantao de microcentraishidreltricas, com o emprego de equipamentos de mercado como alternativa aos que so

tradicionalmente empregados. A exposio efetuada em trs etapas, construda de manei-

ra a fornecer subsdios para que pessoas no especialistas possam atuar no processo de im-

plementao de aproveitamentos hidreltricos de pequeno porte. Em primeiro lugar, em

carter introdutrio, caracterizado o conjunto de opes atualmente disponveis no mer-

cado, entre os equipamentos eletromecnicos, para gerao de energia por meios hdricos.

Na segunda etapa so apresentadas alternativas que proporcionam redues nos custos, so

tecidas consideraes sobre o uso destes equipamentos e efetuado um estudo experimen-

tal sobre gerao assncrona independente. Os equipamentos de mercado considerados, as

bombas centrfugas e os motores de induo (ambos utilizados em modo reverso), so pro-

duzidos em grande nmero, com economia de escala, o que garante facilidades nos proces-

sos de instalao, operao e manuteno, e so robustos e resistentes, o que favorece a

aplicao em locais de difcil acesso. Tambm foram consideradas as turbinas Michell-

Banki que, mesmo no sendo produzidas com economia de escala, so de construo e o-

perao fceis e apresentam custos reduzidos. O estudo experimental, realizado no LME

da UFRGS, teve por objetivo determinar as caractersticas de funcionamento de motores de

induo como geradores, preenchendo uma lacuna existente nas informaes sobre o com-

portamento dessas mquinas e fornecendo subsdios para o estabelecimento de metodolo-

gias de controle de tenso e freqncia. A terceira e ltima etapa, conclusiva, consiste em

um rpido estudo de viabilidade, onde efetuada uma comparao de custos e demons-

trada a extenso dos benefcios obtenveis com o emprego das alternativas consideradas.

Os equipamentos analisados, em sua totalidade, proporcionam redues nos custos, que em

alguns casos podem ser de at 80% do investimento que seria originalmente comprometido

com equipamentos tradicionalmente empregados. Apesar do sistema de controle no ser

trivial e de proporcionarem, em mdia, menores valores de rendimento, o menor capital

inicial representa grande incentivo utilizao das alternativas apresentadas. As propostas

analisadas podem ser empregadas tanto para viabilizar o fornecimento de energia em reas

remotas quanto para estimular a autoproduo (em funcionamento interligado), com a pos-

sibilidade de venda da energia excedente s concessionrias; em ambos os casos, a instala-

o de uma microcentral hidreltrica pode incentivar a mobilizao de recursos produtivos

e a criao de oportunidades econmicas junto comunidade consumidora.


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Abstract

Feasibility of micro hydro plants based on the utilization of market equipments

This dissertation analyses the feasibility of reduce costs of micro hydro plants with the uti-

lization of market equipments instead of traditional equipments. The exposition is reali-

zed in three stages, and is build with the purpose of provide non specialists with subsidies

to participate in the process of implementation of micro hydro plants. First, as an introduc-

tion, the set of market options (among electromechanical equipments) for electricity gene-

ration by means of hydro schemes is described. Second, the alternatives that provides costs

reduction are presented, some considerations on the use of these equipments are made and

an experimental study about self excited induction generation are described. The market

equipments analysed, centryfugal pumps and induction motors (both utilizated in reverse

mode), are produced in great number and are readily available, with facilities in instalation,

operation and maintainance, and they are stout and resistent, making them suitable to isola-

ted places. The Michell-Banki turbines are considered too, since they present characteris-

tics of simple construction and operation and reduced costs. The experimental study reali-

zed in LME/UFRGS had as objetive the determination of performance characteristics of

induction motors operated as self excited generators, supplying a gap in the subject and

providing subsidies to the determination of methodologies for voltage and frequency con-

trol. The third and conclusive stage consists in a short feasibility study, where a compari-

son of costs is realized and the extension of obtainable benefits is demonstrated. The a-

nalysed equipments provides costs reduction in all cases, with magnitudes of the order of

until 80% of the investment with traditional equipments. The control system are not trivi-

al and the efficiency are smaller than the efficiency of the traditional equipments, but the

minor initial investments represents a great incentive for utilization of presented alternati-

ves. The analysed proposals could be used to viabilize energy generation in isolated places

and to stimulate interconnected operation, with the possibility of exceeding energy sale to

public energy companies. In both cases, the implantation of hydro plants could be an in-

centive to the mobilization of produtive resources and the development of economic op-

portunities close to the consumer community.


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ndice

Captulo 1.Introduo.

1.1. A questo energtica. ............................................................................1

1.2. A importncia da gerao hidreltrica em pequena escala. ..................4

1.3. Objetivos. ............................................................................................12

Captulo 2. Mquinas motrizes hidrulicas.

2.1. Generalidades. ....................................................................................14

2.2. Tipos de mquinas. .............................................................................15

2.3. Aplicabilidade dos vrios tipos de mquinas. ....................................44

2.4. Bombas centrfugas funcionando como turbinas hidrulicas. ............50

2.5. A turbina Michell-Banki como um caso especial. .............................71

Captulo 3. Mquinas geratrizes eltricas.

3.1. Consideraes preliminares. ...............................................................82

3.2. Gerao sncrona. ...............................................................................83

3.3. Gerao assncrona. ............................................................................96

3.4. Consideraes sobre os tipos de gerao e suas particularidades. ...1073.5. Regularizao do movimento das mquinas. ...................................115

Captulo 4. Estudo experimental sobre gerao assncrona independente.

4.1. Objetivos e instrumentao. .............................................................120

4.2. Resultados obtidos. ...........................................................................122

4.3. Concluses preliminares. ..................................................................131


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Captulo 5. Estudos de viabilidade.

5.1. Aspectos gerais sobre a disposio dos rgos componentes

de uma microcentral hidreltrica. .....................................................133

5.2. Critrios para anlise de viabilidade. ...............................................140

5.3. Equipamentos eletromecnicos. .......................................................143

5.4. Consideraes a respeito de alternativas adequadas oferta

de energia em pequena escala. ..........................................................153

Captulo 6. Concluses. ......................................................................................163

Referncias bibliogrficas. .................................................................................166


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ndice de figuras

2.1. Tipos de roda hidrulica: (a) com alimentao superior, (b) com alimentao infe-

rior e (c) com alimentao a meia altura. [Fontes: Quantz, 1961, p.47, p.48; McInt-

yre, 1983, p.355.] .................................................................................................. 17

2.2. Variao da velocidade e da presso da gua em sua passagem por (a) uma turbina

de reao e por (b) uma turbina de ao. [Fonte: McIntyre, 1983, p.52.] ............ 212.3. Forma adequada para o tubo de suco. (a) Escoamento livre, sem tubo de suco.

(b) Tubo de suco cilndrico. (c) Tubo de suco tronco-cnico. [Fonte: McIntyre,

1983, p.53.] ........................................................................................................... 22

2.4. Tipos de turbinas quanto direo do movimento da gua em relao ao rotor: (a)

tangenciais, (b) radiais, (c) de escoamento misto e (d) axiais. [Fonte: Quintela,

1985, p.395.] ......................................................................................................... 23

2.5. Evoluo histrica das turbinas de reao. (a) Turbina Fourneyron. (b) TurbinaHenschell-Jonval. (c) Projeto original para a turbina Francis. [Fonte: Quantz, 1961,

p.51, p.52.] ............................................................................................................ 25

2.6. Evoluo da forma dos rotores da turbina Francis. (A), (B): Rotores de turbinas

Francis lentas. (C), (D): Rotores de turbinas Francis normais. (E): Rotor de

turbina Francis rpida. (F): Rotor de turbina Francis extra-rpida. [Fonte:

McIntyre, 1983, p.35.] ........................................................................................... 26

2.7. Corte longitudinal em turbina Francis, eixo vertical, com indicao dos seus com-

ponentes principais: (1) rotor, (2) p do rotor, (3) labirinto interno, (4) labirinto ex-

terno, (5) orifcios para equilbrio de presso, (6) tubo de equilbrio de presso, (7)

p diretriz mvel, (8) tampa, (9) caixa espiral, (10) p diretriz fixa, (11) tubo de

suco, (12) eixo, (13) flange de acoplamento e (14) servomotor para acionamento

das ps diretrizes. [Fonte: Souza et al., 1983, p.134.] .......................................... 27

2.8. Instalao de uma turbina Francis de tipo fechado.[Fonte: Schreiber, 1977, p.215.] .

................................................................................................................................. 28

2.9. Instalao de uma turbina Francis de tipo aberto. [Fonte: Quantz, 1961, p.138.] 29

2.10. Mecanismo de controle de Fink. [Fonte: McIntyre, 1983, p.37.] ......................... 30


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2.11. Corte longitudinal em uma turbina Kaplan, eixo vertical, com indicao dos seus

componentes principais: (1) rotor, (2) p do rotor, (3) p diretriz mvel, (4) tampa

intermediria, (5) tampa externa, (6) tampa interna, (7) anel perifrico, (8) caixa,

(9) p diretriz fixa, (10) tubo de suco, (11) eixo e (12) flange de acoplamento.

[Fonte: Souza et al., 1983, p.135.] ........................................................................ 31

2.12. Instalao de uma turbina Kaplan. [Fonte: McIntyre, 1983, p.41.] ...................... 32

2.13. Turbinas tubulares, com acoplamento direto dos respectivos geradores. [Fonte:

McIntyre, 1983, p.47.] ........................................................................................... 32

2.14. Turbinas de bulbo, com acionamento indireto, em (A), e acionamento direto, em

(B), dos respectivos geradores. [Fonte: McIntyre, 1983, p.47.] ........................... 33

2.15. Comparao do volume de obras civis para a instalao de turbinas Kaplan e de

turbinas de bulbo com as mesmas caractersticas de potncia. [Fonte: McIntyre,

1983, p.253.] ......................................................................................................... 34

2.16. Comparao do volume de obras civis para a instalao de turbinas Francis, Kaplan

e Straflo com as mesmas caractersticas de potncia. [Fonte: McIntyre, 1983, p.50.]

................................................................................................................................. 34

2.17. Corte longitudinal em uma turbina Straflo, eixo horizontal, com indicao dos seus

componentes principais: (1) ps diretrizes fixas, (2) ps diretrizes mveis do distri-

buidor, (3) ps fixas do rotor e (4) gerador. [Fonte: McIntyre, 1983, p.266.] ...... 36

2.18. Turbina Zuppinger. [Fonte: McIntyre, 1983, p.33.] ............................................. 37

2.19. Turbina Schwankrug. [Fonte: Quantz, 1961, p.54.] ............................................. 37

2.20. Turbina Girard. Indicao, no detalhe, da forma das ps na turbina limite. [Fonte:

Quantz, 1961, p.54.] .............................................................................................. 38

2.21. Turbina Pelton. [Fonte: Quantz, 1961, p.186.] ..................................................... 38

2.22. Bocal e agulha de regularizao de uma turbina Pelton. [Fonte: Quantz, 1961,

p.202.] ................................................................................................................... 39

2.23. Ps em forma de concha do rotor de uma turbina Pelton. [Fonte: Quantz, 1961,

p.187.] ................................................................................................................... 39

2.24. Corte transversal em uma turbina Pelton, com dois injetores, eixo horizontal, com

indicao dos seus componentes principais: (1) rotor, (2) p em forma de concha do

rotor, (3) coroa das ps, (4) tampa, (5) desviador frontal, (6) poo, (7) blindagem,

(8) canal de fuga, (9) eixo da turbina, (10) injetor, (11) freio do jato, (12) agulha de


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regularizao, (13) cruzeta Pelton e (14) defletor do jato. [Fonte: Souza et al., 1983,

p.140.] ................................................................................................................... 40

2.25. Turbina Pelton com seis injetores. [Fonte: Schreiber, 1977, p.180.] ................... 41

2.26. Funcionamento do defletor no jato de uma turbina Pelton. [Fonte: Schreiber, 1977,

p.179.] ................................................................................................................... 41

2.27. (a) Curvas de variao de rendimento em funo da vazo, expressa em funo da

vazo mxima, para queda e rotao constantes. (b) Curvas de variao de rendi-

mento, de potncia e de vazo em funo da altura, expressa em frao da altura pa-

ra o ponto de melhor rendimento. [Fonte: Quintela, 1985, p.428, p.430.] ........... 42

2.28. Turbina Michell-Banki. [Fonte: McIntyre, 1983, p.326.] ..................................... 43

2.29. Forma de rotores e velocidades especficas tpicas. [Fonte: McIntyre, 1983, p.128.]

................................................................................................................................. 49

2.30. Regies preferenciais para aplicao dos vrios tipos de mquinas. [Fontes: Ref. (3)

e (4).] ..................................................................................................................... 50

2.31. Tipos de bombas quanto direo do movimento da gua em relao ao impulsor,

com a indicao dos respectivos valores de velocidade especfica. [Fonte: McInt-

yre, 1987, p.196.] .................................................................................................. 53

2.32. Corte transversal, em (a), e corte longitudinal, em (b), em uma bomba centrfuga

com ps guias. [Fonte: McIntyre, 1987, p.44.] ..................................................... 54

2.33. Corte longitudinal em uma bomba centrfuga sem ps guias. [Fonte: McIntyre,

1987, p.44.] ........................................................................................................... 55

2.34. Corte longitudinal em uma bomba centrfuga, com a indicao de seus rgos prin-

cipais: (1) rotor, (2) caixa, (3) eixo, (4) tampa anterior da caixa, (5) tampa posterior

da caixa, (6) gaxetas, (7) luvas do eixo, (8) sobreposta, (9) porca do rotor, (10) anel

de vedao da boca de entrada, (11) anel de vedao da caixa de gaxetas, (12) anel

de lubrificao, (13) junta da porca do rotor, (14) chaveta, (15) junta da luva do ei-

xo, (16) defletor, (17) suporte e (18) junta de vedao. [Fonte: McIntyre, 1987,

p.47.] ..................................................................................................................... 57

2.35. Anis de desgaste renovveis. [Fonte: McIntyre, 1987, p.71.] ............................. 57

2.36. Selos mecnicos: (a) de montageem interna e (b) de montageem externa. [Fonte:

McIntyre, 1987, p.573, p.574.] .............................................................................. 59

2.37. Forma dos canais entre as ps do rotor de uma turbina Francis, com a indicaco do

tringulo de velocidades sua entrada. [Fonte: McIntyre, 1983, p.128.] ............ 59


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2.38. Esquema de uma bomba centrfuga, com a indicao de algumas possibilidades pa-

ra a curvatura das ps e dos respectivos tringulos de velocidade. [Fonte: McIntyre,

1987, p.102.] ......................................................................................................... 60

2.39. Comparao entre as propores de energia cintica e energia potencial que com-

pes a energia total correspondente a cada formato de p, com a indicao dos res-

pectivos tringulos de velocidade. [Fonte: McIntyre, 1987, p.105.] .................... 61

2.40. Curvas caractersticas normalizadas com velocidade constante, de uma bomba fun-

cionando como bomba e como turbina. (BFB: Bomba funcionando como bomba.

BFT: Bomba funcionando como turbina.) [Fonte: Souza et al., 198--, p.3.] ........ 64

2.41. Curvas de performance normalizadas, para rotao constante, de uma bomba fun-

cionando como turbina. [Fonte: Worthington Group, Relatrio n. 2146-2, 1982,

p.3.] ....................................................................................................................... 65

2.42. Curvas de performance normalizadas, para altura de queda constante, de uma bom-

ba funcionando como turbina. [Fonte: Worthington Group, Relatrio n. 2146-2,

1982, p.3.] ............................................................................................................. 66

2.43. Modificaes nos valores de vazo, em (a), e de altura, em (b), impostas pelo fun-

cionamento em modo reverso. .............................................................................. 68

2.44. Bomba funcionando como turbina. [Fonte: Souza et al., 198--, p.14.] ................. 69

2.45. Carta de seleo de bombas da Worthington Ltda. [Fonte: Catlogo do fabricante,

199--] ...................................................................................................................... 70

2.46. Regio preferencial para aplicao de bombas centrfugas utilizadas em modo re-

verso. ..................................................................................................................... 70

2.47. Partes integrantes de uma turbina Michell-Ossberger: (1) rotor, (2) distribuidor, (3)

eixo, (4) mancal, (5) tampa superior, (6) tampa lateral e (7) canal de fuga. [Fonte:

Ref. (5), 1985, p.363.] ........................................................................................... 73

2.48. Injetor e p diretriz de uma turbina Michell-Banki. [Fonte: Quantz, 1961, p.207.] ...

................................................................................................................................. 73

2.49. Rotor de uma turbina Michell-Banki. [Fonte: Ref. (50), 198--, p.8.] .................... 74

2.50. (a) Trajetria ideal do fluxo de gua. (b) Interferncia dos filetes de gua no interior

do rotor. [Fonte: Durali, 1976, p.20, p.35.] .......................................................... 75

2.51. Propostas alems para a disposio dos componentes de uma turbina Michell-

Banki. [Fonte: Mockmore e Merryfield, 1949, p.24, p.25.] .................................. 77


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2.52. Regio preferencial para utilizao de turbinas Michell-Banki, segundo a padroni-

zao adotada pela OLADE. ................................................................................. 78

2.58. Regio preferencial para utilizao de turbinas Michell-Banki produzidas no Brasil.

................................................................................................................................. 79

2.59. Instalao tpica de uma turbina Michell-Banki para baixas quedas. [Fonte: Quantz,

1961, p.208.] ......................................................................................................... 79

2.60. Instalao de turbinas Michell-Banki produzidas no Brasil, com indicao dos seus

principais componentes. (A) Turbina. (B) Alternador eltrico com volante de inrcia

montado. (C) Quadro de comando. (D) Conduto de aduo. (E) Grade de reteno.

(F) Alojamento da comporta de madeira. (G) Vertedouro lateral. (H)Regulador ele-

tro-eletrnico de velocidade. (I) Canal de fuga. [Fonte: BETTA Hidroturbi-

nas,catlogos do fabricante,199--] .......................................................................... 80

3.1. Geradores sncronos monofsicos elementares (a) de dois plos e (b) de quatro p-

los. [Fonte: Fitzgerald, 1975, p.134, p.135.] ........................................................ 85

3.2. Gerador sncrono elementar com rotor de plos no-salientes. [Fonte: Fitzgerald,

1975, p.137.] ......................................................................................................... 85

3.3. (a) Distribuio espacial de induo magntica e (b) forma da onda correspondente

de tenso induzida por um gerador sncrono de dois plos. (c) Forma da onda de

tenso gerada por um gerador sncrono de quatro plos. ...................................... 87

3.4. Geradores sncronos trifsicos elementares (a) de dois plos e (b) de quatro plos.

[Fonte: Fitzgerald, 1975, p.140.] .......................................................................... 88

3.5. Ligaes trifsicas: (a) ligao em Y, (b) ligao em . [Fonte: Fitzgerald, 1975,

p.586, p.589.] ........................................................................................................ 89

3.6. Ondas de tenso induzidas nos enrolameentos de uma mquina sncrona trifsica.

[Fonte: Fitzgerald, 1975, p.585, p.588.] ............................................................... 90

3.7. (a) Enrolamento simplificado de um estator trifsico com dois plos, com a indica-

o dos eixos para cada fase. (b) Correntes trifsicas instantneas. [Fonte: Fitzge-

rald, 1975, p.160, p.161.] ...................................................................................... 91

3.8. Produo de um campo magntico girante por meio de correntes trifsicas para os

instantes considerados: (a) t=0, (b) t=/3 e (c) t=

2/3. [Fonte: Fitzgerald, 1975,

p.162.] ................................................................................................................... 92

3.9. Curvas compostas de um gerador sncrono. [Fonte: Fitzgerald, 1975, p.303.] ... 94


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3.10. Curvas caractersticas de tenso nos terminais contra corrente de armadura, para

correntes de campo constantes, de um gerador sncrono. [Fonte: Fitzgerald, 1975,

p.303.] ..................................................................................................................... 95

3.11. Rotor em forma de gaiola. [Fonte: Gussow, 1985, p.417.] ................................... 98

3.12. Curva torque-escorregamento para uma mquina assncrona. [Fonte: Fitzgerald,

1975, p.351.] ....................................................................................................... 100

3.13. Curvas de desempenho de uma mquina assncrona conectada rede e alimentada a

tenso e freqncia constantes. [Fonte: Langsdorf, 1955, p.357.] ..................... 102

3.14. Gerador assncrono auto-excitado. ...................................................................... 104

3.15. Curva caracterstica a circuito aberto de um gerador assncrono auto-excitado. 105

3.16. Curvas normalizadas de torque contra escorregamento, mostrando o efeito da varia-

o da resistncia do circuito do rotor. [Fonte: Fitzgerald, 1975, p.351.] ......... 106

3.17. Esquema para fornecimento de energia por meio de energia por meio de uma nica

mquina funcionando de modo independente das redes de distribuio. (a) Gerador

sncrono. (b) Gerador assncrono. ....................................................................... 108

3.18. Esquema para fornecimento de energia por meio de uma rede de distribuio com-

posta por dois geradores sncronos. .................................................................... 110

3.19. Curvas caractersticas das mquinas motrizes M1e M2para abertura constante das

respectivas vlvulas de admisso. ....................................................................... 112

3.20. Esquema para fornecimeento de energia por meio de uma rede de distribuio com-

posta de ngeradores sncronos. .......................................................................... 114

4.1. Dispositivo experimental. ................................................................................... 121

4.2. Curvas de magnetizao para as rotaes de 1500, 1800 e 2300 rpm. ............... 124

4.3. Curvas de fator de potncia em funo da potncia, para velocidade constante e i-

gual a 1800 rpm, para os bancos de capacitores de 33, 38,5, 44, 49,5 e 55 F/fase.

............................................................................................................................... 124

4.4. Curvas de tenso terminal em funo da potncia, para velocidade constante e igual

a 1800 rpm, para os bancos de capacitores de 33, 38,5, 44, 49,5 e 55 F/fase. . 125

4.5. Curvas de freqncia em funo da tenso terminal, para velocidade constante e

igual a 1800 rpm, para os bancos de capacitores de 33, 38,5, 44, 49,5 e 55 F/fase.

............................................................................................................................... 125

4.6. Curvas de rendimento em funo da potncia, para velocidade constante e igual a

1800 rpm, para o banco de capacitores de 55 F/fase. ....................................... 126


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4.7. Curvas de fator de potncia em funo da potncia, para o banco de capacitores de

44 F/fase, para as rotaes de 1600, 1800 e 2000 rpm. .................................... 126

4.8. Curvas de tenso terminal em funo da potncia, para o banco de capacitores de

44 F/fase, para as rotaes de 1600, 1800 e 2000 rpm. .................................... 127

4.9. Curvas de fator de freqncia em funo da tenso terminal, para o banco de capa-

citores de 44 F/fase, para as rotaes de 1600, 1800 e 2000 rpm. ................... 127

4.10. Curvas de tenso terminal em funo da rotao, para o banco de capacitores de 44

F/fase, para o funcionamento em vazio e as quatro primeiras cargas conectadas. ..

............................................................................................................................... 128

4.11. Curvas de freqncia em funo da rotao, para o banco de capacitores de 44

F/fase, para o funcionamento em vazio e as quatro primeiras cargas conectadas. ..

............................................................................................................................... 128

5.1. Usina de derivao. [Fonte: Schreiber, 1977, p.9.] ............................................ 135

5.2. Usinas de desvio. [Fonte: Schreiber, 1977, p.10.] .............................................. 135

5.3. Usina de represamento. [Fonte: Schreiber, 1977, p.10.] . ................................... 136

5.4. Usina de desvio. Componentes: (1) barragem, (2) captao de gua, (3) conduto de

baixa presso, (4) chamin de equilbrio, (5) conduto forado, (6) casa de mquinas

e (7) restituio de gua. [Fonte: Souza, 1983, p.15.] . ....................................... 138

5.5. Usina a fio dgua. Componentes: (1) dispositivo de manobra da comporta do des-

carregador de vazo excedente, (2) grade fina, (3) comporta de entrada, (4) tubula-

o forada, (5) vlvula borboleta, (6) turbina Francis, (7) tubo de suco, (8) regu-

lador automtico de velocidade, (9) volante, (10) gerador, (11) mancal, (12) quadro

de comando e (13) canal de restituio. [Fonte: McIntyre, 1983, p.323.] .......... 139

5.6. Custos para turbinas tradicionais empregadas em quedas de 5, 10, 15, 20 e 30 m,

para bombas centrfugas e para turbinas Michell-Banki. .................................... 144

5.7. Custos para geradores sncronos trifsicos sem escovas, geradores sncronos trifsi-

cos (auto-regulados) com escovas e mquinas assncronas trifsicas, para velocida-

de de 1800 rpm. Custos para a mquina de induo de 2200 W, cujo ensaio refe-

rido no captulo 4, acrescida do conjunto de capacitores necessrio para seu funcio-

namento com capacidade nominal. ..................................................................... 145

5.8. Controle de tenso mediante chaveamento de capacitores, aceitando variao de

10%, em (a), e de 5%, em (b), em torno de seu valor nominal. .......................... 151


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5.9. Comportamento tpico dos custos financeiros acumulados, ao longo de um perodo

de 10 anos, para uma CH e para uma unidade geradora a leo diesel, com combus-

tvel a preo constante, onde C o custo da alternativa considerada e CH0 o custo

inicial para a alternativa hidreltrica. .................................................................. 157


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ndice de tabelas

1.1. Classificao das centrais hidreltricas de acordo com a potncia total instalada.

[Fontes: Ref. (4), (5), (6) e (46).] ............................................................................ 7

1.2. Parties tpicas de custos para centrais hidreltricas. [Fontes: Ref. (4), (5) e (52).]

................................................................................................................................... 9

2.1. Dimenses e desempenho tpico das rodas hidrulicas. [Fonte: McIntyre, 1983.] .................................................................................................................................... 18

2.2. Valores tpicos de velocidade especfica para os vrios tipos de mquinas. [Fonte:

McIntyre, 1983, p.121.] ......................................................................................... 48

2.3. Dimenses principais de turbinas Michell-Banki, segundo a padronizao adotada

pela OLADE. [Fonte: Hernndez Bazo, 1980.] .................................................... 78

5.1. Custos especficos de gerao de energia eltrica. [Fonte: Business Week,

Nov.1993, p.58-59.] ............................................................................................. 161


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Sumrio

Captulo 1. Introduo.

1.1. A questo energtica.

1.2. A importncia da gerao hidreltrica em pequena escala.

1.3. Objetivos.

Captulo 2. Mquinas motrizes hidrulicas.

2.1. Generalidades.

2.2. Tipos de mquinas.

2.3. Aplicabilidade dos vrios tipos de mquinas.

2.4. Bombas centrfugas funcionando como turbinas hidrulicas.

2.5. A turbina Michell-Banki como um caso especial.

Captulo 3. Mquinas geratrizes eltricas.

3.1. Consideraes preliminares.

3.2. Gerao sncrona.

3.3. Gerao assncrona.

3.4. Consideraes sobre os tipos de gerao e suas particularidades.

3.5. Regularizao do movimento das mquinas.

Captulo 4. Estudo experimental sobre gerao assncrona independente.

4.1. Objetivos e instrumentao.

4.2. Resultados obtidos.

4.3. Concluses preliminares.

Captulo 5. Estudos de viabilidade.

5.1. Aspectos gerais sobre a disposio dos rgos componentes

de uma microcentral hidreltrica.

5.2. Critrios para anlise de viabilidade.

5.3. Equipamentos eletromecnicos.

5.4. Consideraes a respeito de alternativas adequadas oferta

de energia em pequena escala.

Captulo 6. Concluses.


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Captulo 2

Mquinas motrizes hidrulicas

2.1. Generalidades.

As mquinas motrizes hidrulicas, em diversas configuraes, transformam e-

nergia hidrulica em energia mecnica fornecida a seu eixo. Elas so projetadas para

atender um determinado conjunto de situaes, definidas pelos valores de queda e de

vazo existentes no local utilizado para gerao de energia, e acionar um dispositivo

secundrio (normalmente um gerador eltrico) com determinado nmero de rotaes

por minuto.H vrias exigncias sobre o seu funcionamento, j que devem permitir o apro-

veitamento de diversas vazes e desnveis com elevado rendimento. Estruturalmente,

podem apresentar eixo vertical ou horizontal, de acordo com as necessidades de aco-

plamento a geradores ou polias de transmisso. Embora as aplicaes mecnicas per-

mitam baixas velocidades, a utilizao para gerao de energia eltrica exige velocida-

des angulares mais altas e caractersticas satisfatrias de regulao.Os modelos tradicionalmente empregados, construdos sob medida para cada

projeto hidreltrico, cumprem satisfatoriamente estas exigncias, mas seus altos custos

dificultam a oferta de energia em pequena escala. Uma forma de reduzir estes custos

seria obtida com padronizao de projetos, possibilitando a produo seriada de equi-

pamentos e permitindo a diminuio de custos de aquisio e de manuteno e o esta-

belecimento de economias de escala, ainda que acarretando algumas perdas na eficin-

cia.


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15

Como introduo, este captulo apresenta um estudo comparativo dos vrios

tipos de mquinas e seus campos de aplicao, abrangendo, inclusive, um elenco de

mquinas que podem contribuir para a soluo desses problemas, tais como rodas d'-

gua, bombas centrfugas (utilizadas em modo reverso)e turbinas Michell-Banki. Um

dos resultados deste trabalho o estabelecimento de parmetros para a avaliao des-

sas alternativas.

2.2. Tipos de mquinas.

As mquinas motrizes hidrulicas podem ser classificadas em rodase turbinas,

que diferem basicamente pela velocidade especfica.

Historicamente, as rodas d'gua foram as primeiras mquinas hidrulicas efeti-

vamente empregadas. A sua inveno atribuda a Ctesbio de Alexandria, em meadosdo sculo II a.C., apesar de indcios sugerirem a preocupao de vrios povos do mun-

do antigo com a utilizao da gua como fonte de fora motriz. Um de seus discpulos,

Vitrvio, efetuou vrias instalaes de rodas d'gua para o acionamento de equipamen-

tos mecnicos rudimentares.

Com o tempo, devido extrema simplicidade, os conhecimentos necessrios

para sua construo foram sendo dominados pelos principais povos do planeta. As ro-

das revelaram-se suficientes para satisfazer as necessidades do modo de vida medieval,

caracterizado pelo funcionamento de moinhos, pequenas oficinas e artesanatos, sendo

as nicas mquinas motrizes hidrulicas disponveis. Isso mudou, porm, com a Revo-

luo Industrial, que lanou novas exigncias e, paralelamente, estimulou o desenvol-

vimento tecnolgico, a ponto de permitir a concepo de mquinas mais eficientes e

mais apropriadas s novas necessidades.

As rodas hidrulicas tipicamente possuem estrutura de madeira e so constitu-

das de duas coroas circulares, paralelas, unidas por uma superfcie cilndrica. No espa-


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16

o definido pelas coroas colocado um nmero determinado de paredes curvas, que

cumprem o papel de ps e delimitam as cubas que sero preenchidas com gua.

As rodas hidrulicas podem ser classificadas, segundo o ponto de seu corpo no

qual recebem alimentao, em rodas com alimentao superior(vulgarmente chama-

das rodas de cima), rodas com alimentao a meia altura(vulgarmente chamadas ro-

das de lado) e rodas com alimentao inferior (vulgarmente chamadas rodas de bai-

xo), o que determina sutis variaes na forma das ps.

Em cada um destes tipos a gua atua de forma diferente. Nas rodas com alimen-

tao superior a gua atua principalmente pelo seu peso, sem exercer ao de impulsosobre as ps, preenchendo os espaos existentes entre elas durante o seu movimento

para baixo, no sentido de rotao da mquina. A figura 2.1(a) apresenta um exemplo

deste tipo de roda. Nas rodas com alimentao inferior a gua atua quase que exclusi-

vamente por velocidade, impulsionando as suas ps. Obviamente, so empregadas nas

menores quedas e apresentam o mais baixo rendimento, que no ultrapassa 65%. Figu-

ra 2.1(b). As rodas com alimentao a meia altura recebem o fluxo de gua altura doeixo ou acima deste, e sofrem sua ao simultaneamente por peso e por velocidade,

formando uma espcie de conjugao dos dois tipos anteriores e apresentando o maior

rendimento dentre os trs tipos, podendo chegar a 85%. A figura 2.1(c) mostra um es-

boo de uma roda hidrulica com alimentao a meia altura, onde tambm se observa

a forma mais conveniente para o seu distribuidor, com 2 a 4 canais, que divide o fluxo

de gua e o lana da forma mais adequada sobre as ps.

As ps das rodas de cima devem ser curvas, de tal forma que permitam melhor

reteno de gua, enquanto as ps das rodas de baixo devem ser mais adequadas a re-

ceber sua impulso. As rodas de lado possuem ps que correspondem ao meio termo

entre estes dois modelos, servindo tanto acumulao como para receber a impulso

da gua.


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(a) (b)

(c)

FIGURA 2.1. Tipos de roda hidrulica: (a)com alimentao superior, (b)com a-limentao inferior e (c)com alimentao a meia altura. [Fontes: Quantz, 1961,

p.47, p.48; McIntyre, 1983, p.355.]

As rodas normalmente atingem grandes dimenses, mesmo para potncias rela-

tivamente pequenas, pois seu dimetro aumenta com a altura de queda e o tamanho das

cubas varia com a vazo.A tabela 2.1 apresenta uma comparao das dimenses e dodesempenho tpico das rodas hidrulicas.


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TABELA 2.1.Dimenses e desempenho tpico das rodas hidrulicas.

Tipos de roda Dimetro

[m]

Rotao

[rpm]

Va-

zo

Queda

[m]

Potncia

[kW]

Rendimento

Superior 3,5 - 8,5 4 - 8 < 1 4,0 - 10,0 < (24-80) 0,60-0,80

Acima do eixo 4,5 - 8,5 4 - 8 < 1 2,5 - 6,0 < (15-50) 0,60-0,80

Altura do eixo 5,0 - 8,5 3 - 7 < 2 1,5 - 5,0 < (20-85) 0,70-0,85

Inferior 2,0 - 6,0 2 - 6 < 3 0,4 - 1,5 < (6-30) 0,50-0,65

[Fonte: McIntyre, 1983.]

H ainda dois tipos, menos usuais, de rodas hidrulicas: as rodas Poncelete as

rodas flutuantes. A rodas Poncelet consistem basicamente em uma roda com alimenta-

o inferior dotada de ps encurvadas. O dimetro usual de aproximadamente 5 me-

tros, e a gua entra em seu corpo depois de atravessar um bocal bidimensional, sob

uma altura mxima de 3 metros. Estas rodas apresentam uma eficincia maior que a

roda de baixo, e requerem uma espcie de cmara de aduo, que pode ser feita em

madeira, alvenaria ou concreto.

As rodas ditas flutuantes, tambm conhecidas como cata-guas, se assemelham,

em parte, s rodas de alimentao inferior. Elas so empregadas no aproveitamento de

cursos dgua com pequena correnteza, com o eixo fixado sobre duas balsas presas

margem do rio. So pouco utilizadas porque seu rendimento bastante reduzido.

A principal desvantagem das rodas em relao s turbinas reside no fato de ope-

rarem com rotaes muito baixas, exigindo o emprego de complexas e dispendiosas

transmisses para o acionamento de mquinas modernas e de gerao de energia el-

trica. Foi este o fator determinante do seu crescente abandono a partir do incio do s-

culo. Pode-se pensar em amenizar esse quadro pelo emprego de transmisses desen-

volvidas recentemente, com correias denteadas, que apresentam alto rendimento de

transmisso. Outro inconveniente que poderia ser apontado o de no se prestarem

regularizao automtica de velocidade com resposta rpida, o que no chega a res-

tringir seu campo de aplicao, por no ser a mesma necessria na maioria de suas o-


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peraes. Em contrapartida, as rodas hidrulicas apresentam as vantagens de constru-

o e manuteno fceis, somadas ao fato de estarem menos sujeitas a problemas por

sujeira ou corpos slidos em suspenso na gua.

Atualmente, as rodas d'gua no so consideradas como alternativa para oferta

de energia em pequena escala, ou seja, esto relegadas ao esquecimento, mesmo con-

sistindo, em alguns casos, em boa opo. Isto ocorreu como conseqncia do surgi-

mento e rpida disseminao de equipamentos baseados na utilizao de combustveis

fsseis, abundantes e baratos, da utilizao de equipamentos com rotaes mais altas,

para gerao de eletricidade, e da expanso de redes de energia eltrica com custossubsidiados. Estes fatores fizeram com que, no caso do Rio Grande do Sul, por exem-

plo, toda uma cultura trazida por imigrantes alemes e italianos para a utilizao da

gua como fonte de fora motriz deixasse de ser repassada para as geraes subse-

qentes.

Considerando o seu emprego em fazendas, stios e pequenas indstrias, e tendo

em mente que, devido sua simplicidade, o prprio interessado poderia se encarregarda construo, as rodas hidrulicas podem constituir uma soluo tcnica e economi-

camente vivel, em situaes onde outras alternativas se mostrem inconvenientes, ou,

simplesmente, quando o desempenho oferecido pela roda hidrulica for suficiente.

No sculo XVIII, o advento da Era Industrial fez com que recassem sobre as

mquinas motrizes hidrulicas novas exigncias: cumpria gerar valores maiores de po-

tncia, com rotaes mais altas. O caminho estava sendo aberto: eram publicados os

primeiros trabalhos em Hidrodinmica e a prpria Revoluo Industrial proporcionava

os meios tecnolgicos necessrios s extraordinrias modificaes que ocorreram na

concepo das mquinas. Surgiram ento as turbinas, cujo nome devido a Claude

Burdin (1790-1873), que publicou o trabalho Das turbinas hidrulicas ou mquinas

rotativas de grande velocidade. A concepo atual das turbinas se deve aos trabalhos

de Leonard Euler1(1707-1783), que efetuou vrios experimentos com uma roda de re-

ao equipada com distribuidor fixo.


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Nas turbinas, a gua movimenta-se com velocidade e direo determinadas de

maneira a levar o rendimento ao mximo. Ao passar pelo rotor ela varia sua velocida-

de em magnitude e direo devido ao contato com as ps, que recebem a ao das for-

as exercidas, entregando potncia mecnica ao eixo. O dimetro do rotor diminui ao

aumentar a velocidade da gua, isto , ao aumentar a altura de queda, e mesmo com

grandes valores de vazo obtm-se turbinas com dimenses reduzidas.

As turbinas podem ser classificadas de vrias maneiras, de acordo com diferen-

tes parmetros. As classificaes mais esclarecedoras dizem respeito forma de atua-

o da gua sobre o rotor e direo do movimento da gua em relao ao rotor.Quanto forma de atuao da gua sobre o rotor tm-se as turbinas de reao e as

turbinas de ao. A diferena entre estes dois tipos faz referncia, basicamente, s va-

riaes de presso ao longo da mquina considerada.

A figura 2.2 mostra a variao da velocidade e da presso da gua em sua pas-

sagem pela turbina. Nas turbinas de reao, em (a), a presso na entrada do distribui-

dor maior que na sada do rotor, porque, alm da gua atuar por sua velocidade, co-mo nas turbinas de ao, h tambm uma transformao de energia de presso em e-

nergia cintica. A presso sada do rotor , inclusive, menor que a presso atmosfri-

ca. Nas turbinas de ao, em (b), a presso entrada igual que surge na sada do

rotor, e seu valor igual ao da presso atmosfrica.

Nas turbinas de ao, a presso igual presso atmosfrica j na sada do dis-

tribuidor, o que significa que o rotor opera sem estar submerso no fluxo de gua. No

caso das turbinas de reao isto no ocorre. Diz-se, ento, que as turbinas de ao so

mquinas de escoamento livre, ou de ao parcialou, ainda, de jato livre, j que o dis-

tribuidor tem forma de bico injetor, que projeta o fluxo de gua como um jato sobre as

ps do rotor. As turbinas de reao so ditas mquinas de escoamento forado, ou de

ao total, j que a gua, ao atravessar o rotor, enche completamente os canais forma-

dos pelas ps.

1 Matemtico suo, com trabalhos importantes em vrias reas da Fsica e da Matemtica.


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(a) (b)

FIGURA 2.2. Variao da velocidade e da presso da gua em sua passagem por (a) umaturbina de reao e por (b)uma turbina de ao. [Fonte: McIntyre, 1983, p.52.]

Da figura 2.2(a) percebe-se que a presso da gua na sada do rotor menor

que a presso atmosfrica, e que esta lentamente recuperada ao longo do tubo de

suco, o que essencial para o funcionamento da mquina com rendimento satisfat-

rio. A figura 2.3 explicita com mais detalhes a utilidade do tubo de suco. No caso de

sua no utilizao, em (a), o fluxo de gua liberado diretamente na atmosfera, o que

faz com que a presso na sada do rotor seja a presso atmosfrica e que a altura cor-

respondente ao desnvel deste ponto at o nvel de gua seja perdida. No caso de um

tubo de suco cilndrico, em (b), o desnvel h recuperado, j que as velocidades

sada do rotor e sada do tubo passam a ser iguais.


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(a) (b) (c)

FIGURA 2.3. Forma adequada para o tubo de suco. (a)Escoamento livre,sem tubo de suco. (b)Tubo de suco cilndrico. (c)Tubo de suco tronco-cnico. [Fonte: McIntyre, 1983, p.53.]

No caso de um tubo com forma cnica divergente, em (c), que representa a me-

lhor alternativa, como a velocidade sada do tubo menor que a velocidade sada

do rotor estar ocorrendo movimento retardado, devido seo crescente do tubo, de

modo que se recuperar tambm a energia correspondente essa diferena de veloci-dades, descontadas as perdas por atrito. A funo do tubo de suco , ento, a de re-

cuperar a energia cintica da massa lquida, mantendo a sua continuidade, desde a sa-

da do rotor at o nvel de gua no poo de escapamento. O tubo de suco cria uma

depresso sada do rotor, de modo a recuperar no apenas o desnvel topogrfico en-

tre a sada do rotor e o nvel de gua no poo, mas tambm ganhar a maior parte da e-

nergia cintica da gua que sai do tubo.Como o rotor das turbinas de ao no opera submerso, a potncia que entre-

gue ao eixo provm apenas do aproveitamento da energia cintica do fluxo de gua, e

o desnvel entre a sada do distribuidor e o nvel de gua perdido. Isto indica que es-

tas turbinas so mais apropriadas para instalaes hidreltricas com grandes alturas de

queda, onde o desnvel perdido representa pequena frao do total aproveitado.

As turbinas de ao permitem, ainda, outra classificao, segundo a disposio

de suas ps, podendo-se agrup-las em turbinas com admisso total, onde a gua pe-


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netra em todo o contorno do rotor, e turbinas com admisso parcial, onde a gua pe-

netra apenas em parte do seu contorno.

Quanto direo do movimento da gua em relao ao rotor, as turbinas podem

ser classificadas como turbinas radiais, turbinas de escoamento misto,turbinas axiais

e turbinas tangenciais. A figura 2.4 mostra a disposio tpica de turbinas tangenciais,

onde o rotor no opera submerso, e de turbinas radiais, de escoamento misto e axiais,

que operam com rotor submerso.

(a) (b)

(c) (d)

FIGURA 2.4. Tipos de turbinas quanto direo do movimento da gua emrelao ao rotor: (a)tangenciais, (b)radiais, (c)de escoamento misto e (d)axiais. [Fonte: Quintela, 1985, p.395.]

As turbinas radiais so aquelas onde o fluxo de gua, em sua ao sobre o rotor,mantm-se aproximadamente sobre um plano normal ao eixo da turbina. Estas turbinas


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podem ainda ser centrfugas, quando em seu movimento sobre o plano normal ao eixo

da turbina o fluxo de gua se afasta deste, ou podem ser centrpetas, quando o fluxo de

gua realiza o movimento no sentido contrrio, aproximando-se do eixo da turbina.

Nos modelos de escoamento misto ocorre uma mudana gradativa na direo de esco-

amento do fluxo, que passa de radial para axial, descrevendo trajetrias de dupla cur-

vatura. As turbinas axiais so aquelas em que o fluxo de gua percorre trajetrias heli-

coidais em torno do eixo da turbina.

As turbinas tangenciais, por sua vez, so aquelas em que a gua lanada em

forma de jato sobre as ps do rotor, segundo direo tangente ao seu contorno. Por se-rem as nicas dentre estes quatro tipos a no operarem com o rotor submerso, tais tur-

binas confundem-se com as turbinas de ao parcial.

Ser analisada, primeiramente, a evoluo das turbinas de reao.

Em 1827, um dos discpulos de Burdin, Benoit Fourneyron (1802-1867), cons-

truiu uma turbina centrfuga, de funcionamento submerso, que alcanava rendimento

de 80% e tida como a primeira turbina industrial. O prottipo de Fourneyron consta-va de um rotor, que girava fixado a um eixo vertical, e de um distribuidor fixo, ambos

formados por vrias ps curvas presas a coroas circulares. A figura 2.5(a) apresenta

um esboo deste equipamento.

A partir de 1841 surgiram as turbinas Henschell-Jonval, as primeiras a possu-

rem geometria axial e as primeiras a terem instalado um tubo de suco, ou de aspira-

o, o qual recebeu este nome pela semelhana que apresenta com os tubos de suco

utilizados em bombas centrfugas. Pode tambm ser chamado de tubo difusor, ou tubo

recuperador, mais de acordo com a sua verdadeira funo. Figura 2.5(b).


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(a) (b)

(c)

FIGURA 2.5. Evoluo histrica das turbinas de reao. (a)Turbina Fourneyron.(b)Turbina Henschell-Jonval. (c)Projeto original para a turbina Francis. [Fonte:Quantz, 1961, p.51, p.52.]

Esses dois tipos de turbina tornaram-se obsoletos, cedendo lugar s turbinas

Francis. Em 1838, o engenheiro americano Samuel Dowd (1804-1879) requereu pa-

tente de uma mquina motriz de admisso centrpeta, que havia desenvolvido com ba-


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se em resultados de Fourneyron e Jonval. Em 1849, aps dois anos de desenvolvimen-

to, James B. Francis (1815-1892) apresentou uma evoluo da turbina Dowd, com tan-

tos aperfeioamentos que com seu nome foi batizada. A proposta inicial de Francis,

conforme a figura 2.5(c), continha rotor radial.

FIGURA 2.6. Evoluo da forma dos rotores da turbina Francis.(A), (B): Rotores de turbinas Francis lentas. (C), (D): Rotores de

turbinas Francis normais. (E): Rotor de turbina Francis rpida.(F): Rotor de turbina Francis extra-rpida. [Fonte: McIntyre, 1983,

p.35.]

Em 1885 surgiram os rotores Swain, para velocidades intermedirias, e em

1915 os rotores Dubs, para velocidades mais elevadas. Todos, entretanto, foram sendo

considerados como variaes do prottipo original de Francis, e a ele foram relaciona-

dos. A figura 2.6 mostra a evoluo destes rotores. Em (A)e (B)esto os rotores dasturbinas Francis lentas, iguais s do projeto original de Francis, em (C)e (D)esto


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os rotores ditos normais, correspondentes aos rotores Swain, e em (E) e (F) se a-

cham os rotores Francis rpidos e extra-rpidos, semelhantes aos rotores Dubs.

As turbinas Francis so constitudas por quatro componentes principais: (a) um

rotor, dotado de ps de formato especial e adequado velocidade de funcionamento,

cuja evoluo foi ilustrada acima; (b) um distribuidor, dotado de ps orientveis, para

proporcionar a vazo correspondente demanda de potncia, com o ngulo mais ade-

quado entrada da gua no rotor; (c) um tubo de suco, para conduzir adequadamen-

te a gua da sada do rotor ao canal de fuga; e (d) uma caixa, com forma de caracol,

nas turbinas de tipo fechado, ou simplesmente uma cmara de aduo, nas turbinas detipo aberto. Figura 2.7.

FIGURA 2.7. Corte longitudinal em uma turbina Francis, eixo vertical, com indicaodos seus componentes principais: (1) rotor, (2) p do rotor, (3) labirinto interno, (4) la-

birinto externo, (5) orifcios para equilbrio de presso, (6) tubo de equilbrio de pres-so, (7) p diretriz mvel, (8) tampa, (9) caixa espiral, (10) p diretriz fixa, (11) tubode suco, (12) eixo, (13) flange de acoplamento e (14) servomotor para acionamentodas ps diretrizes. [Fonte: Souza et al., 1983, p.134.]

A caixa, nas turbinas Francis de tipo fechado, projetada de maneira a garantir

a mesma vazo em todos os canais formados pelas ps do distribuidor, com seo gra-


46/189

28

dativamente decrescente no sentido do escoamento. tambm chamada de caixa espi-

ral ou caracol.

As figuras 2.8 e 2.9 mostram exemplos de instalao de uma turbina Francis de

tipo fechado e de uma turbina Francis de tipo aberto, permitindo a observao dos seus

vrios componentes.

FIGURA 2.8. Instalao de uma turbina Francis de tipo fechado. [Fonte:Schreiber, 1977, p.215.]


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29

FIGURA 2.9. Instalao de uma turbina Francis de tipo aberto. [Fon-te: Quantz, 1961, p.138.]

O distribuidor constitudo de um conjunto de ps dispostas em volta do rotor,

como mostra a figura 2.10, que podem ser orientadas por meio de um comando espe-

cial, de modo a oferecerem, para cada valor de descarga, o ngulo mais conveniente

para a entrada da gua no rotor. As ps possuem eixo de rotao paralelo ao eixo da

turbina e, por meio de um anel concntrico ao distribuidor e ligado s ps por meio debielas, podem girar simultaneamente de um mesmo ngulo, fazendo com que a seo

de escoamento varie entre a admisso mxima e o fechamento total. Este dispositivo

conhecido como mecanismo de controle de Finke comeou a ser amplamente utiliza-

do a partir de 1873. Em equipamentos com maiores dimenses h, ainda, um pr-

distribuidor fixo, com o objetivo de diminuir perdas por turbulncia na aproximao

do fluxo de gua do distribuidor.


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30

FIGURA 2.10. Mecanismo de controle de Fink. [Fonte:

McIntyre, 1983, p.37.]

Na primeira dcada deste sculo surgiram as turbinas tipo Hlice, ou Propeller,

para atender pequenas quedas sujeitas a grandes descargas. Nestas turbinas, o rotortem a forma de uma hlice e o distribuidor o mesmo utilizado nas turbinas Francis,

apenas mantendo distncia maior em relao s ps do rotor, que so fixas.

Como desenvolvimento tecnolgico bvio surgiu, pouco tempo depois, em

1912, a turbina concebida por Victor Kaplan (1876-1934), que apresentava a possibi-

lidade de variao do passo das ps. Figura 2.11. Trata-se, em suma, de uma turbina

Hlice com ps orientveis, e uma de suas principais caractersticas o fato de conser-var o melhor valor de rendimento em um amplo intervalo de variao de potncia. A

orientabilidade das ps permite que uma turbina Kaplan se comporte como uma srie

de turbinas Hlice, sendo a curva de variao de rendimento em funo da vazo para

uma turbina Kaplan a envolvente das curvas respectivas s vrias turbinas Hlice. A

sua grande desvantagem o alto custo, devido aos mecanismos de controle das ps.

A figura 2.12 mostra uma instalao de turbina Kaplan.


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31

FIGURA 2.11. Corte longitudinal em uma turbina Kaplan, eixo vertical, com indicaodos seus componentes principais: (1) rotor, (2) p do rotor, (3) p diretriz mvel, (4) tam-

pa intermediria, (5) tampa externa, (6) tampa interna, (7) anel perifrico, (8) caixa, (9)p diretriz fixa, (10) tubo de suco, (11) eixo e (12) flange de acoplamento. [Fonte: Sou-za et al., 1983, p.135.]

A concepo das turbinas Hlice e Kaplan, de geometria axial, so resultado da

tendncia de construo de mquinas com velocidades altas e do aproveitamento de

quedas pequenas e mdias com grandes vazes, ou seja, da tendncia de construo de

mquinas com velocidade especfica cada vez mais alta. Porm, no incio do sculo,

era especialmente comum a construo de turbinas com eixo vertical, o que ainda difi-

cultava o aproveitamento das menores quedas e, em particular, a instalao de usinas a

fio d'gua e usinas mar-motrizes. A busca de alternativas fez com que vrios novos

projetos surgissem, envolvendo o emprego de geometria axial com eixo horizontal.

Sendo assim, alm das turbinas Hlice e Kaplan, foram tambm desenvolvidas as tur-

binas tubulares, tipo bulbo e Straflo.


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32

FIGURA 2.12. Instalao de uma turbina Ka-plan. [Fonte: McIntyre, 1983, p.41.]

Nas turbinas tubulares, o rotor (de ps fixas ou orientveis) colocado no tubopor onde a gua escoa, com eixo horizontal ou inclinado, para acionar o gerador colo-

cado externamente a este tubo. A figura 2.13 mostra, nas condies referidas, duas ins-

talaes de turbinas tubulares.

FIGURA 2.13. Turbinas tubulares, com acionamento direto dos res-pectivos geradores. [Fonte: McIntyre, 1983, p.47.]


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33

As turbinas de bulbo, consideradas como uma evoluo direta dessas turbinas,

possuem ps orientveis, como as Kaplan, e seu rotor colocado frente de uma esp-

cie de bulbo hidrodinmico, prprio para a colocao do gerador e seu acoplamento ao

eixo da mquina. Figura 2.14.

FIGURA 2.14. Turbinas de bulbo, com acionamento indireto, em(A), e acionamento direto, em (B), dos respectivos geradores. [Fon-te: McIntyre, 1983, p.47.]

O fator mais importante na deciso de se fazer uso de algum destes modelos

econmico, visto no ser necessria a utilizao de caixa em caracol ou tubo de suc-

o, conduzindo a um menor volume ocupado em planta e, conseqentemente, a me-

nores gastos em obras civis. A figura 2.15 mostra uma comparao do volume de o-

bras civis para a instalao de uma turbina Kaplan de eixo vertical e de uma turbina

bulbo, ambas com as mesmas caractersticas de potncia.


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34

FIGURA 2.15. Comparao do volume de obras civis para a instala-o de turbinas Kaplan e de turbinas de bulbo com as mesmas caracte-rsticas de potncia. [Fonte: McIntyre, 1983, p.253.]

Com o objetivo de diminuir ainda mais o volume ocupado pelo projeto foram

desenvolvidas as turbinas Straflo que, conforme mostrado na figura 2.16, exigem o-

bras civis ainda menores. O modelo Straflo (contrao de straight eflow), de esco-

amento retilneo, exclusividade da empresa sua Escher Wyss. Sua principal ca-

racterstica a fixao do anel do indutor do gerador s extremidades das ps do rotor,

girando, portanto, solidrio com o eixo da prpria turbina. Por isso tambm denomi-

nada turbina geradora de anel. Figura 2.17.

FIGURA 2.16. Comparao do volume de obras civis para a instalao de turbinas Francis, Ka-plan e Straflo com as mesmas caractersticas de potncia. [Fonte: McIntyre, 1983, p.50.]


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35

A soluo de adaptar o anel do indutor do alternador s extremidades das ps

do rotor de uma turbina axial data de 1919, tendo sido patenteada em 1924. Os russos

tentaram a sua efetivao em projeto semelhante, logo aps a Segunda Guerra Mundi-

al, mas foram os engenheiros da Escher Wyss que resolveram os srios problemas de

vedao (empregando selos especiais para impedir o acesso da gua ao alternador) e

de variao das tenses nas ps (que sustentam o anel do indutor). Como vantagem

desta disposio h o aumento do momento de inrcia da rvore da turbina, reduzindo

a amplitude de variao da velocidade angular e facilitando o trabalho de regulariza-

o do movimento.A principal vantagem desta disposio construtiva o fato de, no estando o

gerador instalado em um bulbo, no haver limitaes de tamanho ou problemas com

refrigerao.

Esses modelos (de mquinas axiais) so aplicveis, devido s suas caractersti-

cas, quedas a partir de 3 m, o que representa uma faixa de atuao reservada at bem

pouco tempo s turbinas Kaplan mais modernas.As turbinas Francis e as turbinas axiais so as mais amplamente utilizadas,

sempre apresentando rendimentos superiores a 85% e nmero de revolues que, na

maioria dos casos, pode dispensar transmisses e permite o acoplamento direto s m-

quinas geratrizes.

Mais recentemente, em 1956, surgiu a turbina Driaz, tambm chamada turbina

diagonal, pela forma de suas ps, que consiste numa tentativa de combinar em um ni-

co modelo a melhor caracterstica das turbinas Kaplan, de permitir alto rendimento pa-

ra um intervalo razovel de valores de potncia, com a possibilidade de operao com

alturas de queda acima de 200 m, normalmente atendidas pelas turbinas Francis. Como

resultado, obteve-se uma turbina reversvel, ou seja, que funciona ora como turbina ora

como bomba, com as ps do rotor articuladas, permitindo sua utilizao em usinas de

acumulao. Um esboo de uma turbina Driaz apresentado na figura 2.4(c).


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36

FIGURA 2.17. Corte longitudinal em uma turbina Straflo, eixo horizontal, com indicao dosseus componentes principais: (1) ps diretrizes fixas, (2) ps diretrizes mveis do distribuidor,(3) ps fixas do rotor e (4) gerador. [Fonte: McIntyre, 1983, p.266.]

Analisar-se-, agora, a evoluo das turbinas de ao.

Visando aproveitamentos com as maiores quedas e as menores vazes, a em-

presa Escher Wyss construiu as turbinas Zuppinger, em 1842, com injeo parcial da

gua e jato de seo retangular (figura 2.18). Pequenas modificaes no rotor e a ado-o do bocal injetor, mais moderno e mais apropriado, levaram turbina proposta por

Lester A. Pelton (1829-1908), cujas primeiras instalaes foram efetuadas por volta de

1880 (figura 2.21).

Apresentaram sucesso relativo os projetos das turbinas Schwankrug e Girard,

tambm no sculo passado. A primeira, mostrada na figura 2.19, surgiu em 1848 e

uma mquina radial centrfuga, com bocal injetor para a sada de gua. A segunda,uma turbina de ao simples e admisso total, surgiu em 1863, apresentando geometria


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37

axial. Como se pode perceber pela figura 2.20, este projeto apresentava vrios incon-

venientes quanto possibilidade de que o rotor, por falta de capacidade do canal de

fuga, acabasse tendo que operar submerso. A partir da, surgiu o que se denominou

turbina limite, ou de combinao, residindo a nica diferena no perfil das ps, que se

encaixava perfeitamente nas exigncias originais de funcionamento de uma turbina de

ao e permitia perdas pequenas quando operando como turbina de reao, em situa-

es inevitveis.

FIGURA 2.18. Turbina Zuppinger.[Fonte: McIntyre, 1983, p.33.]

FIGURA 2.19. Turbina Schwankrug. [Fonte: Quantz, 1961, p.54.]


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FIGURA 2.20. Turbina Girard. Indicao, no detalhe, da forma das ps naturbina limite. [Fonte: Quantz, 1961, p.54.]

Dentre as turbinas de ao, a que apresenta o melhor projeto e as melhores con-

dies de operao a turbina Pelton, sendo, inclusive, a nica a ser fabricada atual-

mente. Figura 2.21.

FIGURA 2.21. Turbina Pelton. [Fonte: Quantz, 1961, p.186.]


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As turbinas Pelton so bastante mais simples que as turbinas de reao, consis-

tindo principalmente em um distribuidor e um rotor. O distribuidor formado por um

nmero determinado de bocais (1, 2, 4 ou 6) que possuem forma apropriada para guiar

a gua sobre o rotor como um jato cilndrico, conseguido com a utilizao de uma agu-

lha, dita agulha de regularizao (figura 2.22). O rotor consta de um certo nmero de

ps com forma especial de cunha, dispostas na periferia de um disco que gira preso a

um eixo. A forma de concha a partir da qual construda a p possui um gume mdio,

que fica sobre o plano mdio da roda e que divide simetricamente o jato e o desvia la-

teralmente, conforme mostra a figura 2.23. As ps com forma de concha so originaisda turbina Zuppinger.

FIGURA 2.22. Bocal e agulha de regularizao de uma turbina Pelton.[Fonte: Quantz, 1961, p.202.]

FIGURA 2.23. Ps em forma de concha do rotor de uma turbina Pelton.[Fonte: Quantz, 1961, p.187.]


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40

As turbinas Pelton apresentam altos valores de rendimento para uma ampla fai-

xa de variao de vazo, porque a velocidade do jato que incide sobre as ps prati-

camente constante, por depender unicamente da altura de queda.

A figura 2.24 mostra uma turbina Pelton com dois injetores, com indicao de

seus componentes, e a figura 2.25 mostra uma turbina Pelton com seis injetores.

FIGURA 2.24. Corte transversal em uma turbina Pelton com dois injetores, eixo horizontal,com indicao dos seus componentes principais: (1) rotor, (2) p em forma de concha do ro-tor, (3) coroa das ps, (4) tampa, (5) desviador frontal, (6) poo, (7) blindagem, (8) canal defuga, (9) eixo da turbina, (10) injetor, (11) freio do jato, (12) agulha de regularizao, (13)

cruzeta Pelton e (14) defletor de jato. [Fonte: Souza et al., 1983, p.140.]


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FIGURA 2.25. Turbina Pelton com seis injetores. [Fonte: Schreiber, 1977, p.180.]

A turbina Pelton possui um defletor de jato, empregado quando a potncia de-

mandada pela rede de energia diminui bruscamente. Nessa hiptese, uma atuao rpi-

da da agulha de regularizao, reduzindo a descarga, poderia vir a provocar sobrepres-

so no bocal, nas vlvulas e ao longo do conduto de aduo. Aps a atuao da agulha,

o defletor retorna sua posio original, liberando a passagem do jato. comum, tam-

bm, a utilizao de um bocal de frenagem, em equipamentos de potncia mais eleva-

da, que faz incidir um jato nas costas das ps, proporcionando um freamento mais r-

pido. Estes dispositivos podem ser vistos na figura 2.25 de forma genrica, enquanto a

figura 2.26 mostra em detalhe o funcionamento do defletor no jato da turbina Pelton.

FIGURA 2.26. Funcionamento do defletor no jato de uma turbina Pelton.[Fonte: Schreiber, 1977, p.179.]


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42

A figura 2.27(a) apresenta curvas de variao de rendimento para os vrios ti-

pos de turbinas, em funo da vazo, expressa em frao da vazo mxima, supondo

constantes a queda e a velocidade de rotao. A figura 2.27(b) mostra uma curva de

variao de rendimento, para turbinas de reao, em funo da altura, expressa em fra-

o da queda para o ponto de melhor rendimento.

(a)

(b)

FIGURA 2.27. (a) Curvas de variao de rendimento em funo da vazo,expressa em funo da vazo mxima, para queda e rotao constantes.(b)Curvas de variao de rendimento, de potncia e de vazo em funo da al-tura, expressa em frao da altura para o ponto de melhor rendimento. [Fon-

te: Quintela, 1985, p.428, p.430.]


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Os melhores perfis de rendimento so apresentados pelas turbinas Pelton e Ka-

plan, com altos valores para uma larga faixa de variao de vazo. Verifica-se tambm

que as turbinas Hlice e as turbinas Francis rpidas no so adequadas ao funciona-

mento com potncia varivel. De acordo com a experincia, h limites de variao pa-

ra a altura de queda alm dos quais o rendimento cai bastante. Para as turbinas Francis

e as turbinas Kaplan

0 65 1 250

, < < ,H

H

e para as turbinas Hlice

0 90 1 100

, < < ,H

H

Essa figura tambm apresenta curvas de variao de potncia e de vazo, expressas em

funo das respectivas grandezas para o ponto de melhor rendimento.

Por fim, tambm deve ser mencionada a turbina Michell-Banki, que, pela faci-

lidade de operao, pela simplicidade de desenho e fabricao e pelos reduzidos custos

de produo e manuteno, apresenta timas perspectivas de utilizao em CH's.

FIGURA 2.28. Turbina Michell-Banki. [Fonte: McIntyre, 1983, p.326.]


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uma turbina de ao parcial e de fluxo transversal, que pode ser utilizada para

um vasto intervalo de valores de queda e de vazo, gerando desde poucos Watts at

mais de 1000 kW. Na figura 2.28 v-se que seu rotor, lembrando uma roda d'gua, tem

forma de tambor e atravessado duas vezes pelo fluxo de gua. Ele constitudo de

dois discos paralelos unidos em sua periferia pelas ps, sendo a gua levada at ela por

um injetor construdo de forma a dar ao fluxo a trajetria mais conveniente. Neste inje-

tor pode ser instalada uma p diretriz, para regular a vazo sobre o rotor, podendo

manter bons valores de rendimento para potncias de 15 a 100% do valor mximo. Es-

ta turbina descrita em mais detalhes na seo 2.5.

2.3. Aplicabilidade dos vrios tipos de mquinas.

Teoricamente, previsto que todos os modelos de turbina possam ser adequa-

dos para atender a qualquer aproveitamento. Na prtica a situao no to fcil as-sim. Resultados obtidos com turbinas instaladas indicam que cada tipo de mquina a-

presenta bom rendimento apenas para um determinado intervalo de valores de queda e

de vazo.

Com o objetivo de facilitar a delimitao destes intervalos e caracterizar de

forma nica cada aproveitamento foi criada uma grandeza adimensional [47]chamada

de rotao especfica. O clculo desta grandeza utiliza valores de queda e de vazo,

obtidos por meio de estudos hidrolgicos, hidrulicos e topogrficos, entre outros, e

invoca o valor de rotao, ligado ao projeto das mquinas motrizes, o nmero de pares

de polos do gerador e a freqncia adotada no sistema energtico (no caso do Brasil,

60 Hz).

A rotao especfica , como dito, uma grandeza adimensional, que assume va-

lor nico para cada conjunto de valores de rotao, altura de queda e vazo, determi-

nada de forma a satisfazer a seguinte equao:


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45

n kn Q gHqA a b c= ( )

ondenqA a rotao especfica,k um coeficiente a ser determinado,n[rps] a rota-o, Q [m3/s] a vazo, g [m/s2] a acelerao da gravidade e H [m] a altura de

queda. Para tanto, considerando as dimenses das grandezas envolvidas, pode-se es-

crever que

[ ] [ ]M L T T L T L Ta b b c c0 0 0 3 2 2=

de onde 3b+2c =0 e -a-b-2c =0. Arbitrando o valor a =1 e resolvendo o siste-ma obtm-se b =1/2 e c =-3/4, logo:

n knQ gHqA= 12 34( ) Para que nqAassuma valores maiores que 10 para os valores usuais de n,He Qsupe-

se que k=103. Como conhecido o valor de ge sendo, ainda, comum medir-se a ro-tao em rpm ao invs de rps, pode-se obter:

n nQ

HqA= 3

34 (2.1)

Esta formulao mais moderna que aquela apresentada tradicionalmente (e mostrada

nas equaes (2.2) e (2.3)), baseada na teoria da semelhana, e apresenta vantagens

por resultar, como j dito, em valor adimensional.

Com os valores de rotao, queda e vazo, e uma estimativa preliminar para o

rendimento que permita o clculo da potncia final do aproveitamento, pode-se deter-

minar a grandeza que tradicionalmente chamada de velocidade especfica, ou nmero

especfico de rotaes, pela seguinte equao:

n n

Ps= 34 (2.2)


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46

ondens[rpm] a velocidade especfica, n[rpm] a rotao,P[cv] a potncia eH

[m] a altura de queda.

Alguns autores alemes preferem a expresso (2.3), que define a grandeza co-

mumente chamada de nmero caracterstico de descarga e dispensa a estimativa inicial

para o rendimento.

n nQ

q=34

(2.3)

ondenq[rpm] o nmero especfico de descarga,n[rpm] a rotao, Q[m3/s] a va-

zo eH[m] a altura de queda.

As grandezas definidas por (2.1), (2.2) e (2.3) so relacionadas por:

n ns q( , )3 65 n ns qA( , )1 22 n nqA q3

Supondo um rendimento mdio de 85%, estas expresses podem ser reescritas como:

n ns q( , )3 36

n ns qA( , )1 12

A experincia mostra que, para valores dados de queda e de potncia, os custos

da turbina e da instalao diminuem quando a velocidade especfica aumenta, mas isto

ocorre dentro de certos limites. Valores elevados da velocidade especfica podem levar

a uma reduo muito pronunciada das dimenses da turbina, a tal ponto que o tubo de

suco no seria mais suficiente para recuperar a energia cintica da gua, pois a velo-

cidade desta ltima na sada do rotor seria muito alta. A velocidade demasiadamentealta na sada do rotor tambm pode provocar depresso muito acentuada na entrada do


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47

tubo, o que poderia acarretar problemas de cavitao.

No caso de um projeto que conjugue elevada altura de queda e grande veloci-

dade especfica h aumento generalizado no custo de construo do equipamento e de

sua instalao, devido aos grandes esforos que surgem com a alta velocidade real da

rvore. H tambm o acrscimo nos custos de um projeto com pequena altura de queda

e reduzida velocidade especfica, pois o baixo nmero de rotaes elevaria os custos

do gerador.

A tabela 2.2, determinada empiricamente, mostra valores de velocidade espec-

fica para os quais as turbinas apresentam seus melhores valores de rendimento e, porsuas dimenses mais adequadas, incorrem em reduo de custos em comparao com

os outros tipos de mquinas. Cumpre ressaltar que estes valores no so definitivos, j

que, por exemplo, tm sido concebidas turbinas Kaplan para alturas maiores que 80

metros, e turbinas Francis para mais de 700 metros de queda. Os dados desta tabela

so vlidos para aproveitamentos com altos valores de rendimento, e podem ser rela-

xados em situaes em que no exista este compromisso.A figura 2.29 mostra a forma dos rotores das turbinas de acordo com os respec-

tivos valores de velocidade especfica. Para a escolha do tipo de mquina a ser empre-

gada, a primeira orientao fornecida pelo intervalo de variao da altura de queda.

As mquinas so classificadas em lentas ou rpidas, de acordo com a sua velocidade

especfica, que ser tanto maior quanto menores forem as alturas de queda. Como a

velocidade de rotao diretamente proporcional altura de queda, verifica-se que

mesmo as mquinas classificadas como mais rpidas, operando com pequenas quedas

giraro com pequenas velocidades de rotao.


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48

TABELA 2.2. Valores tpicos de velocidade especfica para os vrios tipos de mquinas.

Tipos de mquinas H[m] ns[rpm] nq[rpm] nqA

Turbinas Pelton 1 jato

2 jatos

4 jatos

6 jatos

800800-400

400-100

800-400

400-100

400-100

500-200

400-100

1818-25

26-35

26-35

36-50

40-50

51-71

72-90

5,45,4-7,4

7,7-10,4

7,7-10,4

10,7-14,9

11,9-14,9

15,2-21,1

21,4-26,8

16,216,2-22,2

23,1-31,2

23,1-32,1

32,1-44,7

35,7-44,7

45,6-63,3

64,2-80,4

Turbinas Francis muito lenta

lenta

normal

rpida

extra-rpida

600-200

200-100

100-70

70-25

25-15

55-70

71-120

121-200

201-300

301-450

16,4-20,8

21,1-35,7

36,0-59,5

59,8-89,3

89,6-133,9

49,2-62,4

63,3-107,1

108,0-178,5

179,4-267,9

268,8-401,7

Turbinas axiais

(Hlice, Kaplan,

de bulbo, tubula-res e Straflo)

8 ps

7 ps

6 ps5 ps

4 ps

70-50

50-40

40-3030-20

> 30

250-320

321-430

431-530534-620

> 624

74,4-95,2

95,5-128,0

128,3-157,7158,9-184,5

> 185,7

223,2-285,6

286,5-384,0

384,9-473,1476,7-553,5

> 557,1

[Fonte: McIntyre, 1983, p.121.]

Verifica-se que, para determinadas condies, indicada a utilizao exclusiva

de um tipo de mquina. Por exemplo, para as menores quedas e maiores vazes tm-se

as turbinas axiais, enquanto que para as maiores quedas, acima de 600 metros, indi-

cam-se as turbinas Pelton. Por outro lado, na faixa intermediria, h sobreposio dos

campos de aplicao das turbinas Francis, Pelton e Kaplan. Pode-se, por exemplo,

questionar o emprego de turbinas Francis lentas ou turbinas Pelton de 6 jatos, ou o

emprego de turbinas Francis extra-rpidas ou turbinas Kaplan. Nestes casos, a deci-

so deve ser tomada tambm com base em outros fatores, como condies topogrfi-

cas do local de instalao ou a viabilidade econmica para o empreendimento, alm de

considerar caractersticas especficas de cada mquina.


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49

FIGURA 2.29. Forma de rotores e velocidades especficas tpicas.[Fonte: McIntyre, 1983, p.128.]


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50

A aplicabilidade dos vrios tipos de mquinas indicada na figura 2.30. So

mostrados intervalos de queda e de vazo correspondentes s CH's e s mCH's.

0.01 0.10 1.00

Vazo [m3/s]

1

10

100

Queda [m]

FIGURA 2.30. Regies preferenciais para aplicao dos vrios tipos de mquinas.[Fontes: Ref. (4) e (5).]

2.4. Bombas centrfugas funcionando como turbinas hidrulicas.

A idia de se utilizarem bombas como turbinas para gerao de energia eltrica

ou acionamento mecnico no recente. Segundo Stepanoff[48]

(baseado nos trabalhos

de Thoma[49]

, Engel[12]

e Kittredge[22]

, na Alemanha, e Knapp[23, 24]

, nos Estados U-

nidos), desde meados da dcada de 30 o comportamento de bombas hidrulicas sobcondies especiais de operao bem conhecido.

TurbinasPelton

TurbinasKaplan

TurbinasFrancis

TurbinasMichell-Banki


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No incio da dcada de 60, Kittredge[21]

realizou testes com quatro tipos dife-

rentes de bombas, desde fluxo radial a fluxo axial, e montou curvas de desempenho

adimensionalizadas pelos valores correspondentes de queda, vazo, potncia e rendi-

mento nos respectivos pontos de melhor rendimento, utilizando-as em um mtodo de

seleo de bombas para que, quando utilizadas como turbinas, atendam a valores espe-

cificados de queda, vazo e rotao.

Buse[8]

fez estudos detalhados sobre a utilizao de bombas centrfugas como

turbinas, mostrando a variao imposta s caractersticas de funcionamento dos equi-

pamentos pela variao na velocidade especfica, e tambm apresentando uma meto-dologia para seleo de equipamentos.

Wong [55]apresentou comentrios bsicos sobre a converso de bombas em tur-

binas, dando alguns exemplos das suas possveis aplicaes.

H informaes de que a Diviso Worthington da empresa McGraw-Edison Co.

efetuou centenas de instalaes de bombas em modo reverso nos Estados Unidos, nas

dcadas de 70 e 80, tanto para gerao de energia eltrica em CHs e mCHs comopara acionamento de bombas para irrigao. De todo este esforo resultaram vrios

relatrios [30, 31, 56, 58]e publicaes [44, 45, 57], que tratam do funcionamento e de detalhes

de operao destes equipamentos. O emprego de bombas em modo reverso foi to di-

fundido que justificou a anlise de possveis modificaes na caixa espiral e no rotor

[31], por meio de utilizao de material epoxi adequado ou por meio de usinagem, que

resultem em aumento no rendimento.

No Brasil, em 1988, surgiu o projeto BFT (Bombas Funcionando como Turbi-

nas), com o obje

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