IPH2009-Aula 6b - Turbinas

Marcelo Giulian Marques

DEPARTAMENTO DE OBRAS HIDRÁULICAS

GRUPOS GERADORES

TURBINAS - MÁQUINAS MOTRIZES :

⇒ Transformam a energia hidráulica que o líquido possui emoutra forma de energia e a transferem para o exterior.

energia hidráulica → energia mecânica → energia elétrica

GRUPO GERADORES* escolha ⇒ facilidade de operação e de manutenção,

tendência →operada no modo não assistido.

analisar → parâmetros técnicos e $, manutenção e

fornecimento de peças sobressalentes

* velocidade de rotação da turbina ⇒ ƒ(potência nominal, da altura de

queda, do tipo de turbina e do

tipo de gerador).

p 4 6 8 10 12 14 16 18 20 24 28 30 32 36n(rpm) 1800 1200 900 720 600 514.3 450 400 360 300 257.1 240 225 200

pf120n =

n = velocidade de rotação síncrona em rpmf = freqüência da rede em Hertz ⇒ 60 Hzp = no de pólos do gerador

GRUPO GERADORES*tipos de geradores ⇒ assíncrono,

síncrono com multiplicador de velocidade e

síncrono sem multiplicador.

* sem multiplicador ⇒ velocidade de rotação turbina = do gerador

acoplamento direto

GRUPO GERADORES

*com multiplicador ⇒ velocidade de rotação da turbina ≠ do geradorcorreção feita pelo multiplicador de velocidade,.

* Turbinas de Ação : quando o escoamento através do rotor ocorre sem variação de pressão estática - rotor não imerso

CLASSIFICAÇÃO DE TURBINAS

Roda d´água Pelton Banki (fluxo cruzado )

Francis Hélice Bulbo

* Turbinas de Reação: quando o escoamento através do rotor ocorre com variação de pressão - Rotor completamente imerso

Rotores : a) Francis , b) Pelton, c) Kaplan d) BankiFONTE: Hydro Tasmania, 2004.

Geometria dos rotores

d)

PP

zmax

AHmaxTmim =

P = γ x QAH x Hmax x ηtg

2zTmim ≥

Baixa queda ⇒ grandes vazões Hélice , Kaplan

Média queda ⇒

grande queda ⇒ baixas vazões Pelton

⇒ médias vazões Francis

POTÊNCIA DO GRUPO TURBINA GERADOR

P = 9,81 η t η g Q HL

P = potência instalada, em kwQ = vazão de projeto, em m3/sHL = queda liquida, em mηt = rendimento da turbina, fornecido pelo fabricanteηg = rendimento do gerador, fornecido pelo fabricante entre 0,70 e 0,98

FUNCIONAMENTO DE TURBINAS EM QUEDAS VARIÁVEIS

* A rotação da turbina (n) deve ser sempre a mesma

⇒ manter a mesma freqüência no gerador

pf120n =

a) Variação da carga

⇒ ⇒ pela lei de semelhança

n = velocidade de rotação síncrona em rpmf = freqüência da rede em Hertz ⇒ 60 Hzp = no de pólos do gerador

p 4 6 8 10 12 14 16 18 20 24 28 30 32 36n(rpm) 1800 1200 900 720 600 514.3 450 400 360 300 257.1 240 225 200

2

1

2

1

HH

nn

= →=→ 21 nn

gHv 2=2

1

2

1

HH

QQ

=3

2

31

2

1

H

HPP

=

* velocidade específica da turbinadefini a geometria ou o tipo do rotor.

⇒ Sistema STU ⇒ Sistema SIU

Queda de 1m vazão de 1m3/s

ns = velocidade específica da turbina;

n = velocidade de rotação da turbina (rpm);

P = potência nominal da turbina (kW);

Hliq = queda líquida nominal (m).

Qr = vazão garantida ou nominal (m3/s);

H liq

Qrn

H liq

Pnnq 75,025,1

==

qqa nn 3=H liq

Qrn

H liq

Pnns 75,025,1

==

velocidade específica da turbina (ns)

ProtótipoQp = Q1Hp = H1np = n1ηp = η1

ModeloQm = Q2 = 1 m3/sHm = H2 = 1 mnm = n2 = nsηm = η2 = η

3

2

1

2

1

2

1

⋅

=

DD

nn

QQ

2

2

12

2

1

2

1

⋅

=

DD

nn

HH

Igualando por tem-se 43HQn

ns =

2

1

DD

5

2

13

2

1

2

1

⋅

=

DD

nn

PotPot

Utilizando tem-se 45HPotnns =

Onde Q (m³/s), n (rpm), Pot (cv) e H (m)

TIPO DE TURBINA X VELOCIDADE ESPECIFICAns = velocidade específica da turbina;n = velocidade de rotação da turbina (rpm);P = potência nominal da turbina (kW);

Hliq = queda líquida nominal (m).Qr = vazão garantida ou nominal (m3/s);

nqa = 3 nsQ ≈ nsP

43HQn

nsQ =

45HPotnnsP =

ou

Santo Antonio

Jirau

* velocidade específica da turbina

43HQn

ns = 45HPotnns =ou

ns = velocidade específica da turbina;n = velocidade de rotação da turbina (rpm);P = potência nominal da turbina (kW);

Hliq = queda líquida nominal (m).Qr = vazão garantida ou nominal (m3/s);

TURBINAS DE AÇÃO* Pelton ⇒ altas quedas ≤ 1900 m

pequenas vazões energéticos

* ótimas características de desempenho sob cargas parciais

⇒ sem cavitação até 20% da carga nominal,

* arranjo ⇒ eixo horizontal, com 1 ou 2 jatos.

eixo vertical, até 6 jatos.

* Rotor ⇒ peça única em aço inoxidável, integralmente fundida, com as

conchas dispostas em sua periferia e posteriormente usinada.

Ponto mais baixo do rotor 1,0 m metro acima do nível de

água máximo de jusante.

* Controle da Vazão ⇒ agulha móvel disposta no interior de cada injetor

e acionada por mecanismo hidráulico.

DIMENSIONAMENTO BÁSICO

* dimensões finais da turbina determinadas pelo Fabricante

ou

Z0

QQ j =

H

Q jQij =

Qij54,0d0 =

Z0d03D =

DHns

1

3,37=

QZHns

075,076,5=

D1 = 12 d0

HKZn os =

Q = vazão da turbina, (m3/s)Z0 = número de injetorQj = vazão por injetor (m3/s) H = queda liquida (m)

Qi = vazão unitária por injetor (m3/s) d0 = diâmetro do jato de água (m)D = diâmetro do tubo de adução (m)D1 = diâmetro do rotor no ponto (m)n = rotação adequada para a turbina (rpm)K = constante 485 a 535

Pelton

rotor

distribuidor

eixo

tampa superior

tampa lateralpoço inferior

4 m ≤ H ≤ 200 m P ≤ 500 kW.

variação de vazão → Q ≥ 10 l/sHn < 10 m → n < 200rpm →multiplicador

Turbina Banki

Turbina Banki

* turbina Banki ⇒ 4 m ≤ H ≤ 200 m

P ≤ 500 kW.

turbina de ação

variação de vazão → Q ≥ 10 l/s

Hn < 10 m → n < 200rpm →multiplicador

* Velocidade de Rotação (n):

HL = queda líquida (m)Dn = diâmetro externo do rotor (m)

Dn

HL40n =


HL = queda líquida (m)Dn = diâmetro externo do rotor (m)

Dn

HL40n =

* rendimento:

TURBINA FRANCIS

* turbina Francis ⇒ 8 m ≤ H ≤ 850 m turbina de reação

ótimo rendimento para cargas parciais ≥ 70% Hn

funcionando adequadamente entre 40 e 70 % Hn

Gerador

DistribuidorSaída de Água

PásEixo

ComportaNível max normal

Captação

Tomada D´água

TURBINA FRANCIS COM CAIXA ESPIRAL * eixo vertical ou Horizontal

*Rotor ⇒ feito em uma única peça fundida e usinada. aço inoxidável

fundido, menor manutenção compensam o custo maior.


K = coeficiente adimensional entre 1300 e 1900; PCH ⇒ 1600;P = potência da turbina (kW).

Obs. gerador tipo síncrono e não houver multiplicador de velocidade, o valor encontrado deve ser corrigido para a velocidade síncrona mais próxima..n ↑ D↓ $ gerador↓

P

H 75,0liqK

n =

FORMA DE ROTORES DE TURBINAS FRANCIS,

DE ACORDO COM SUAS VELOCIDADES ESPECÍFICAS

POTÊNCIAS P = γ x Q x H x η

Diagrama de colina adimensionalizados

DIMENSIONAMENTO BÁSICO* dimensões finais da turbina determinadas pelo Fabricante

nHliqku5,84

D3 =

Hliq

1Q 2/18 Hliq3,0Dn +=

Dn = diâmetro externo do rotor (m)Q = vazão nominal, (m3/s)Hliq = queda líquida (m)D3 = diâmetro nominal da saída do rotor (m)n = velocidade de rotação (rpm)ns = velocidade especifica da turbina

+=

100ns1

27,0ku

* altura de sucção ficar 1 a 2 metros acima do nivel de jusante

* estimativa das dimensões básicas da turbina

T1 = 1,5 Dn T2 = 1,9 Dn T3 = 1,7 Dn T4 = 12,0 Dn T5 = 1,3 Dn

T6 = 1,05 Dn T7 = 2,9 Dn T8 = 1,4 Dn T9 = 2,0 Dn T10 = 1,5 Dn

* Espiral de concreto e uma turbina Francis

Turbina Francis Caixa Aberta

* turbina Francis ⇒ H ≤ 10 m

caixa aberta 500 ≤ P ≤ 18 000 kW.

turbina de reação

baixo rendimento

* eixo vertical ou Horizontal


K = coeficiente adimensional entre 1100 e 1300P = potência da turbina (kW).

Obs. gerador tipo síncrono e não houver multiplicador de velocidade, o valor encontrado deve ser corrigido para a velocidade síncrona mais próxima..n ↑ D↓ $ gerador↓

P

H 75,0liqK

n =

* altura de sucção ficar 1 a 2 metros acima do nível de jusante

Dimensionamento Básico

* dimensões finais da turbina determinadas pelo Fabricante

nHliqku5,84

D3 =

Hliq

1Q 2/18 Hliq3,0Dn +=

+=

100ns1

27,0ku

Dn = diâmetro externo do rotor (m)Q = vazão nominal, (m3/s)Hliq = queda líquida (m)D3 = diâmetro nominal da saída do rotor (m)n = velocidade de rotação (rpm)ns = velocidade especifica da turbina

Turbina Francis Dupla

* turbina Francis ⇒ rotor duplo

turbina calculada considerando a metade da vazão.

gerador com velocidade síncrona maior

Incluir

Turbinas Hélice

Rotor da turbina de Greifenstein, Áustria,6,5m de diâmetro

UHE de Yacyretá, ArgentinaTurbina Kaplan Rotor de 9,5 m de diâmetro

Dimensionamento Básico* dimensões finais da turbina determinadas pelo Fabricante

nHliqku5,84

D3 =

Dn = diâmetro externo do rotor (m)Q = vazão nominal, (m3/s)Hliq = queda líquida (m)D3 = diâmetro extrno das pás do rotor (m)n = velocidade de rotação (rpm)ns = velocidade especifica da turbina

600ns85,0k u +=

Turbina Tubular “S”* turbina tubular ⇒ 4 m ≤ H ≤ 25 m

“S” 500 ≤ P ≤ 5 000 kW.

Q ≤ 22,5 m3/s

turbina de reação

distribuidor fixo → operação de 80 % e 100 % de Hn

distribuidor móvel→operação de 20 % e 100 % de Hn

menor rendimento ⇒ ƒ(da posição do eixo)

* eixo vertical ou Horizontal


K = coeficiente adimensional PCH ⇒ 2100;P = potência da turbina (kW).Obs. gerador tipo síncrono e não houver multiplicador de velocidade, o valor

encontrado deve ser corrigido para velocidade síncrona mais próxima..n ↑ D↓ $ gerador↓

P

H 75,0liqK

n =

Dimensionamento Básico* dimensões finais da turbina determinadas pelo Fabricante* velocidades especificas altas ⇒linha do centro do rotor abaixo do nível

de água de jusante.

Turbina Bulbo com Mutiplicador

* turbina Bulbo ⇒ 4 m ≤ H ≤ 12 m

P ≤ 1700 kW.

turbina de reação

grande variação de vazão

operação satisfatória com 10 % a 20 % de Hn

pás fixas →operação de ≥ 80 % da vazão nominal

menor rendimento ⇒ ƒ(da posição do eixo)

* eixo Horizontal ou inclinada

*Rotor ⇒ eixo horizontal ou inclinado

3 a 4 pás


K = coeficiente adimensional entre 1800 e 1900; PCH ⇒ 1900;P = potência da turbina (kW).

Obs. Multiplicador eleva a rotação para 1200 ou 900 rpm..

P

H 75,0liqK

n =

TURBINA BULBO HORIZONTAL

TURBINA BULBO HORIZONTAL

UHE Santo AntônioPinst = 3.168 MWNt = 42

UHE JirauPinst = 3.326 MW Nt = 48

UHE Belo Monte –Pinst = 11.187 MWNt = 20 Francis de 550 MW

9 Bulbo de 25,9 MW(com redução da

capacidadede geração no período

seco).

Campo Operacional

ηg = Rendimento do gerador 0,90 ≤ ηg≤ 0,97

0,88 ≤ ηt ≤ 0,95ηg = Rendimento da turbina

VAZÃO MÍNIMA ESTIMATIVA

Turbina Vazão Mínima

Pelton Qmim= 0,25 Q1/1

Michell-Banki -1 setor Qmim= 0,45 Q1/1

Francis

Axial Hélice - distribuidor fixo Qmim= 0,88 Q1/1

Axial Hélice-distribuidor móvel Qmim=, 0,81 Q1/1

Axial Kaplan- distribuidor fixo Qmim= 0,71 Q1/1

Axial Kaplan -distribuidor móvel Qmim= 0,25 Q1/1

( )233 10.403,310.714,2248,0 ssmim nnQ −− −+=

Grandezas unitárias - H= 1mComportamento da mesma maquina para

diferentes condições de operação. Diferentes alturas de queda.

Itaipu

Diagrama de Colina

Grandezas biunitárias - H= 1m e D = 1mAplicado dentro dos limites impostos pela teoria de semelhança, a todas as turbinas

que tem o mesmo ns.

Diagrama de operação ⇒

ALTURA DE SUCÇÃO

* Problemas de cavitação - Variação de pressão no interior da turbinaTurbinas de reação – Francis, Hélice, Kaplan, bulbo, ...

Valores da Curva de tensão do Vapor de Águapv/γ mca 10 4,68 1,97 1,12 0,73 0,42 0,23 0,12t oC 100 50 60 50 40 30 20 10

Tipos de instalações

ALTURA DE SUCÇÃO

Sempre medida do nível de jusante até o eixo da turbina (eixo horizontal)até a linha media do distribuidor (eixo vertical)até o centro do rotor (eixo inclinado)

pv

ma

sumáx HpHph +−−=γγ

ba Zp 00122,010 −=

γZb = altitude do eixo da turbina

ALTURA DE SUCÇÃO

pv

ma

sumáx HpHph +−−=γγ

ba Zp 00122,010 −=

γZb = altitude do eixo da turbina

aTdecavitaçãodeecoeficientHHm hom−= σ

Francis ⇒σ = 0,0245*e 0,00833nqA

Axial ⇒σ = 1,266 x 10 -5 nqA1,75

Hppv ≅γ

Hsumax=10-0,00122 Zb -σH

75,0

5,0

HQnnq =qqA nn 3=

Rotação de Disparo (ne)

⇒ Rotação máxima → distribuidor completamente aberto.sem fornecer Potencia – trabalhando em vazio

n

ee n

nf = nn= rotação nominal da turbina

⇒ Coeficiente de disparo (fe) ou embalamento da turbina

Curvas esquemáticas para o distribuidor todo aberto


n

ee n

nf =

263 10014,110385,2539,1 qAqAe nxnxf −− −+=

Kaplan e Bulbo

263 10713,010384,1684,1 qAqAe nxnxf −− −+=

Francis e Hélice

( ) nDHafe 38,13,1=

Pelton

( ) nD

Hafe4cos

37,127,1α

=

Michel-Banki


epem nn ≥

⇒ Previsão da rotação de disparo em função do modelo (nqap=nqam)

mem H

nDn

=11

DHnn eme 11=

ESCOLHA DO TIPO DE TURBINA

a) Numero de pares de pólos (zpp) - fixar

b) rotação pares de pólos (zpp)

( )rpmzz

npppp

360060*120==

c) rotação especifica (zpp)

45

3H

Qnns =

aTdecavitaçãodeecoeficientHHm hom−= σ

Francis ⇒σ = 0,0245*e 0,00833nq

Axial ⇒σ = 1,266 x 10 -5 nQ 1,75

d)

Marcelo Giulian Marques

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