Turbinas Hidráulicas

Caio Fraga da LuzRafael Araújo Lehmkuhl

EMC – CTC – UFSC – Introdução à Engenharia Mecânica – 2012-1

TurbinaTermo criado pelo professor de minas Claudie Burdin

Do latim "turbo" = Redemoinho

Para que servem?

• Transformar energia hidráulica em energia mecânica.

• Hoje em dia a energia mecânica produzida é principalmente utilizada para gerar eletricidade.

Como funcionam?

• Um fluxo de água passa por um conjunto de pás fixadas ao redor de um aparato circular, fazendo-o girar.

• Elas basicamente convertem a energia cinética do fluido em energia mecânica através do torque.

• Essa energia mecânica geralmente é convertida em energia elétrica para a sua utilização em diversas finalidades.

Quando surgiu?

• Século III – Chemtou, Roma

• Usadas para acionar moinhos

E as Modernas?

• Século XVIII - França e Inglaterra

• Energia Mecânica para as fábricas

• Instaladas em rios de rápida correnteza e quedas d’água• Fábricas perto das turbinas• Acionamento por eixos e correias

Potência

P = n.d.g.h.f

P = potência

n = eficiência da turbina (nas modernas é entre 85% e 99%)

d = densidade da água

g = aceleração da gravidade

h = queda da água (altura)f = fluxo de água

Classificação

• De Ação ou Impulsão

• Pelton, Michel Banki e Turgo

• De Reação

• Hélio-centrípeta (radial-axial) - Francis• Mista (diagonal)• Axial - Kaplan

Pelton (Ou Jato Livre)

• Utiliza-se um ou mais jatos de água tangenciais que colidem com conchas presas ao redor do eixo do rotor.

• As conchas possuem um vinco e formato característico para absorver o máximo possível de energia cinética. Isso a torna um dos modelos mais eficientes.

• Melhor aproveitadas para quedas altas (grande diferença de altura). Comparando-se com a vazão.

• O projeto é inadequado para vazões muito grandes.

Michell Banki (Ou Fluxo Cruzado)

• Interior vazado com palhetas nas bordas• Custo Relativamente Baixo• Jato retangular de água atravessa o rotor 2 vezes.

Francis

• Turbina Radial-Axial de fora para dentro• Água entra por duto decrescente e é desviada por pás até o

rotor central

• Rotor com 1 a 10 m de diâmetro• Velocidades de 80 a 10 rpm• Potência entre 10 e 750 MW• Utilizada em quedas d'água de pequeno a grande porte• Alta Eficiência

Controle de Fluxo

Pás estáticas "fechadas" Pás estáticas "abertas"

Kaplan

• Formato axial.

• A única diferença estrutural em relação a Francis é o rotor em forma de propulsor de navio

• Perde eficiência com fluxos pequenos de água

• Pás com ângulos ajustáveis

• Quedas entre 20 m e 50 m

Kaplan de Bulbo• É utilizada geralmente quando a turbina necessita ficar abaixo

da linha de água tanto do reservatório de entrada como no de saída

• Possui uma cápsula de proteção geralmente metálica que abriga o eixo e o gerador elétrico

Utilização

• Em geral, decide-se pela utilização de uma ou outra turbina em função da altura da queda d'água:

• Roda d'água: 0,2 < H < 4

• Parafuso de Arquimedes: 1 < H < 10

• Kaplan: 2 < H < 40

• Francis: 10 < H < 650

• Pelton: 50 < H < 1300

• Turgo: 50 < H < 250

(H = Diferença de Altura em metros)

Usinas Hidrelétricas

• Forma mais comum da utilização de Turbinas Hidráulicas• Utiliza quedas d'água e grandes correntezas para a

movimentação das turbinas• Principal forma de geração de energia no Brasil

• Principais no país:

o Usina Binacional de Itaipu - 14.000 MWo Usina Hidrelétrica de Tucuruí - 8.000 MWo Usina Hidrelétrica de Belo Monte (contrução) -11.000 MWo Usina Hidrelétrica São Luiz do Tapajós (projeto) - 8.000 MW