Hidraulica Dimensionamento Turbinas (1)

INSTITUTO FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE IFRN

CAMPUS JOO CMARA

TECNOLOGIA EM ENERGIAS RENOVVEIS

DISCIPLINA: SISTEMAS DE ENERGIA HIDRULICA

DOCENTE: GNNISSON CARNEIRO

JACKELINE CLEMENTINO

WALTER JEFFERSON

DIMENSIONAMENTO DE TURBINAS HIDRULICAS

MARO, 2015

1. INTRODUO

As turbinas hidrulicas so mquinas utilizadas para converter a energia mecnica

em energia eltrica por meio da presso e energia cintica da gua o que corresponde a

energia hidrulica.

De acordo com suas funcionalidades, existem as turbinas de ao utilizadas para

maiores alturas e baixas vazes e as turbinas de reao que so usadas em menores alturas

e altas vazes.

As turbinas hidrulicas so classificadas em:

Pelton;

Francis;

Kaplan;

Bulbo;

Straflo;

Propeller;

De acordo com o princpio de funcionamento de uma turbina hidrulica, tem-se

que, segundo o autor, em toda turbina a gua vem de um reservatrio ou canal de nvel

mais elevado e com maior energia e escapa para um canal de nvel mais baixo. A gua de

entrada levada atravs de um duto fechado at um conjunto de lminas

curvas (palhetas), bocais ou injetores que transferem a energia da gua para um rotor. Em

consequncia a presso e/ou a velocidade da gua na sada so menores do que na entrada.

A gua que sai da turbina conduzida por um duto, ou tubo de suco, at o reservatrio

ou canal inferior. Algumas palhetas so estticas, outras so fixas no rotor; ambas podem

ser ajustveis para controlar o fluxo e a potncia gerada ou a velocidade de rotao. O tubo

de suco geralmente tem dimetro final maior que o inicial para reduzir a velocidade da

gua antes de despej-la no canal inferior. As principais causas da baixa eficincia nas

turbinas so as perdas hidrulicas (a energia cintica da gua na sada da turbina) e as

perdas mecnicas (atrito nos mancais, que converte parte da energia extrada da gua

em calor). A eficincia tpica de uma turbina moderna varia entre 85% e 95%, dependendo

da vazo de gua e da queda. Para maximizar a eficincia, grandes turbinas hidrulicas so

em geral projetadas especificamente para as condies de queda e vazo onde sero

instaladas.

Para selecionar o tipo de turbina a ser utilizada no projeto de uma Central

Hidreltrica ou PCH (Pequena Central Hidreltrica) calculado o valor da rotao

especfica ( ) e compara-se esse valor com a altura de queda (H) e seleciona a turbina

mais vivel para o projeto em questo conforme a tabela 1. A partir dessa escolha feito os

clculos de dimensionamento para o tipo de turbina.

Figura 1: Tabela para seleo do tipo de turbina

2. CARACTERSTICAS DE PROJETO E DIMENSIONAMENTO:

A seguir sero dimensionados trs projetos de turbinas hidrulicas.

2.1 PROJETO 1:

Altura de queda:

Vazo:

Rotao real:

Potncia efetiva:

Calculando a rotao especfica:

Com os valores da rotao especfica ( ), da altura de queda (H) e analisando a

tabela 1, o tipo de turbina para este caso uma turbina FRANCIS.

2.1.1 Caractersticas e funcionamento

As turbinas do tipo Francis so adequadas para trabalhar com mdias vazes e

mdias alturas. E so turbinas de reao, ou seja, produz o trabalho mecnico por meio

da transformao da energia cintica e de presso da gua de escoamento atravs do

rotor. As turbinas Francis possuem subtipos que so Francis caixa espiral, Francis

caixa aberta e Francis dupla.

A turbina Frances possui as seguintes partes:

Caixa espiral;

Distribuidor;

Rotor;

Tubo de suco;

E funciona da seguinte maneira:

A gua entra na turbina pela entrada da caixa em espiral e passa pelo

distribuidor que possui ps distribuidoras ajustveis que proporcionar a descarga

correspondente potncia exigida, com o ngulo mais adequado para a entrada da gua no

rotor no qual a gua anda simultaneamente em todas as ps e h uma variao de 90 no

escoamento entre a entrada e a sada. Na sada da gua possui um tubo de suco que,

segundo SOARES, permite que a gua escoe de forma contnua ao invs de se

descarregada livremente na atmosfera. Isso implica em um ganho na energia cintica na

sada do rotor e tambm, num ganho do desnvel topogrfico entre sada do rotor e o nvel

da gua no poo.

Figura 2: Esquema de

uma turbina Francis

2.1.2 Dimensionamento

Valores dos coeficientes e

Grfico 1: Grfico x para

encontrar o valor de .

O valor de encontrado cruzando os valores at a curva do grfico, logo:

Grfico 2: Grfico x para

encontrar o valor de .

Do mesmo modo que encontra , ento:

Dimetros principais internos, e :

Projeo vertical da entrada do rotor, :

Grfico 3: Grfico

x para

encontrar a relao

.

Para encontrar a relao

, cruzam-se os valores at a curva do grfico, portanto:

Logo, o valor de :

Nmero de ps (para este caso que se trata de turbina Francis normal

ou lenta):

deve estar em cm , ento:

Potncia disponvel :

Rendimento total :

Nmero caracterstico de Bovet :

Raio de entrada superior :

Velocidade angular:

Raio mximo de sada :

(

)

( )

Altura do filete externo :

o Altura real do filete externo :

Altura do filete interno :

o Altura real do filete interno :

Raio do ponto onde comea a curvatura da linha externa :

o Raio real do ponto onde comea a curvatura da linha externa

Abcissa :

Ordenada :

(

)

(

)

(

)

(

)

2.2 PROJETO 2:

Altura de queda:

Vazo:

Rotao real:

Potncia efetiva:



figura 1, o tipo de turbina para este caso uma turbina PELTON.


As turbinas Pelton trabalham com velocidades de rotao mais alta que os outros

tipos. Elas so adequadas para operar entre quedas de 350 m at 1100 m. As partes de uma

turbina Pelton so:

Distribuidor;

Rotor;

Defletor de jato;

Bocal de frenagem;

Agulha;

Injetor de agulha;

Mancal de escora;

Nesse tipo de turbina no h palhetas estticas e sim um conjunto de bocais ou

injectores, cada qual com uma agulha mvel (semelhante a uma vlvula) para controlar a

vazo. Nessas turbinas, a presso da gua primeiramente transformada em energia

cintica pelo bocal, que acelera a gua at uma alta velocidade. O jato d'gua dirigido

para uma srie de conchas curvas montadas em torno do rotor.

Figura 3: Esquema de uma turbina Pelton.


Velocidade do jato :

Nmero de jatos :

deve estar em ps. Sabendo que , ento:

Dimetro do jato :

Sendo que a vazo do projeto dividida pelo nmero de jatos:

o Dimetro mximo do jato

calculado com acrscimo de 20% na vazo de projeto:

Velocidade perifrica da roda :

ou

Dimetro da roda :

Nmero de ps :

o Nmero mnimo de ps :

o raio da roda:

(

)

(

)

Por segurana, recomenda-se adotar que o nmero de ps Z seja 1,15 a 1,5 vezes

:

Dimenses das ps:

o Largura :

o Comprimento :

o Excesso :

o Excesso de gume :

o Profundidade :

o Largura do rasgo :

o ngulo do gume central :

o ngulo de inclinao da aresta da concha :

Varia entre 15 a 25, ento .

o ngulo :

(

)

(

)

PROJETO 3:

Altura de queda:

Vazo:

Rotao real:

Potncia efetiva:



figura 1, o tipo de turbina para este caso uma turbina KAPLAN.


Turbinas Kaplan so adequadas para operar em quedas at 60 m. Elas apresentam

eficincia constante em ampla faixa de operao. O que difere as turbinas Kaplan e Francis

o rotor, que se assemelha a um propulsor de navio. O ngulo de inclinao das ps

controlado por pistes hidrulicos, normalmente em conjunto com as palhetas de

distribuio. H duas variantes da turbina Kaplan: a turbina Bulbo e a turbina Hlice. Tem

outras duas que tambm se assemelham Kaplan que so a turbina Straflo e a turbina

Propeller. As partes de uma turbina Kaplan so:

Distribuidor;

Ps tambm chamadas de diretrizes;

Rotor

Cubo do rotor;

Ogiva;

Tubo de suco;

Caixa espiral.

As turbinas Kaplan so do tipo axial, de reao e ao total. No quesito axial,

significa dizer que se trata de uma mquina de reao rotativa de fluxo contnuo, em que

a gua escoada paralelamente ao eixo de rotao, fluindo atravs das ps do rotor, ao

contrrio do que se verifica na turbina radial como a Francis.

Figura 4: Esquema de

uma turbina Kaplan.


Dimetros e :

o Dimetro externo do rotor :

o Dimetro do cubo :

Figura 5: Dimetros do Rotor.

Seo livre de passagem da gua pela turbina :

(

)

Velocidade mdia de sada :

Nmero de ps :

O nmero de ps dado a partir do valor da altura de queda do projeto. Veja tabela

abaixo:

H (m) Z (nmero de ps)

10 < H < 21 4

12 < H < 23 5

15 < H < 35 6

H > 35 8 Tabela 1: Nmero de ps para determinados valores de altura de queda.

Sabendo que a altura de queda do projeto , ento:

Passo entre as ps, medida no raio mdio :

(

)

(

)

Comprimento das ps (corda) :

o Fator de relao entre a rotao especfica e o comprimento:

Velocidade perifrica mdia u:

Rendimento hidrulico :

o Rendimento total :

O rendimento hidrulico 3% a 5% maior que o rendimento total, portanto:

Para ,

Velocidade perifrica absoluta :

ngulo de incidncia :

Velocidade relativa :

(

)

(

)

Clculo do coeficiente de sustentao :

o Coeficiente de sustentao da grade :

(

)

o Coeficiente de sustentao isolada :

ngulo de perfil :

O ngulo de perfil calculado da seguinte forma:

o ngulo de incidncia.

o ngulo de ataque.

Para encontrar o ngulo de ataque, basta ter o valor do coeficiente de sustentao

isolada . Neste caso, .

A partir do grfico 4, para o eixo 100.Ca, tem-se:

Logo, o ngulo de ataque 14,6.

E pelos clculos anteriores,

Grfico 4: Grfico de perfil para encontrar o ngulo de ataque .

Ento o ngulo de perfil :

3. REFERNCIAS

SOARES, Ricardo Luiz Jnior. Projeto Conceitual de uma Turbina Hidrulica a ser

utilizada na Usina Hidreltrica externa de Henry Borden. 2013. Rio de Janeiro.

WOLSKI, Celso; MATSUI, Hlio Jnior; MORAIS, Rodrigo Rossi de. Desenvolvimento

de um software para o clculo de dimensionamento de turbinas em Pequenas

Centrais Hidreltricas. 2013. Curitiba.

Generalidades de la turbinas Pelton. .

Acesso em 02 Mar. 2015

Groupo Turbine. < http://www.pxlseals.com/br/groupo-turbina#.VPRiUizRZmw>.

Acesso em 02 Mar. 2015.

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