1. TURBINAS HIDRÁULICAS

Os sistemas fluidodinâmicos são largamente utilizados pela

sociedade em distintos setores, que abrangem desde grandes

usinas hidrelétricas, capazes de produzir milhares de Megawatts, à

simples instalações de bombeamento rurais, para extração de água

de poços.

Entende-se por sistemas fluidodinâmicos, todos os

mecanismos que têm como finalidade adicionar ou remover energia

de um fluido de trabalho.

As Turbinas Hidráulicas encaixam-se no grupo dos sistemas

fluidodinâmico e são subclassificadas como Máquinas Hidráulicas

Motrizes, o que significa que elas utilizam a energia mecânica de

um fluido (geralmente a energia potencial da água) para produzir

trabalho de eixo. Geralmente utiliza-se água de um reservatório

elevado; a água é então canalizada através de dutos fechados para

os bocais, hélices (ou paletas) e injetores; os rotores são

impulsionados pela energia desta água e a turbina entra em

movimento, podendo então, desde que acoplada a um gerador,

produzir energia elétrica. Depois de movimentar as turbinas, a água

retorna para um reservatório inferior para posteriormente ser

redirecionada ao reservatório de entrada.

As condições de passagem da água através do rotor

classificam as turbinas como sendo de ação (impulsão) ou de

reação.

Turbinas de Ação: nesse tipo, os canais do rotor

servem apenas para direcionar o fluxo através deste,

não havendo alterações na pressão do fluido. É o caso

das turbinas Pelton.

Turbinas de Reação: nesse tipo, os canais constituídos

pelas pás móveis do rotor têm forma de injetores, o que

faz a pressão do fluido ser reduzida na passagem pelo

rotor. As turbinas Kaplan e Francis são exemplos.

Os três principais tipos de turbinas hidráulicas existentes

foram citados como exemplo anteriormente. Segue uma descrição

sucinta de cada uma delas, com o formato, características e

elementos construtivos.

1.1. Turbina Pelton

É uma turbina de ação. Apresenta algumas variações quanto

a capacidade e número de jatos. Os principais componentes são:

Distribuidor: é um bocal de vazão controlável. Sua

função é acelerar a água que vêm do reservatório, e

direcioná-la a um conjunto de conchas montadas no

entorno do rotor. A aceleração ocorre pela

transformação da energia de pressão em cinética.

Rotor: é um mecanismo formado por um determinado

número de pás em forma de conchas que são montadas

na extremidade de um disco que gira preso ao eixo.

Defletor de Jato: é um componente que atua como um

controlador de vazão; á medida que a demanda de

energia cai, ele atua desviando o fluxo da concha, assim

a rotação da turbina pode ser controlada e a potência é

reduzida. Tal sistema é importante porque, se ao invés

disso a agulha do bocal se fechasse repentinamente,

haveria uma sobre pressão no mesmo e uma

sobrecarga em toda a tubulação anterior.

Bocal de Frenagem: é um bocal que emite um jato sobre a parte traseira da concha, contrário ao movimento. É utilizado para frear a turbina rapidamente.

1.2. Turbina Francis

Turbina de reação, radial-axial (dependendo do tipo). Foi

criada por James Francis a partir do aprimoramento da máquina de

escoamento centrípeta de Samuel Dowd. Apresenta diferentes

capacidades e formas de instalação. Os componentes são:

Caixa: espécie de compartimento que abriga a turbina.

A caixa, que recebe a água do reservatório, geralmente

tem forma espiral ou de voluta. Também pode ser um

compartimento aberto ou poço. A escolha é em função

da altura da queda d’água.

Distribuidor: mecanismo responsável pelo envio da

água para o rotor. O distribuidor é dotado de pás

reguláveis que permitem alterar o ângulo de entrada do

fluido de acordo com a demanda de potência.

Rotor: mecanismo rotativo de formato característico.

Tubo de Sucção: responsável por conduzir o fluido que

já atravessou o rotor para um poço ou canal de fuga.

1.3. Turbina Kaplan

Turbina axial semelhante a um propulsor de navio;

desenvolvida por Victor Kaplan. O sistema é muito semelhante ao

modelo Francis em termos de componentes, porém o rotor é

formado por pás ajustáveis de acordo com a potência requerida e a

geometria da caixa também é diferente.

2. FORÇAS E VELOCIDADES EM TURBINAS HIDRÁULICAS

A análise da trajetória das partículas no interior do fluido ajuda

a caracterizar as transferências e transformações de energia que

ocorrem no interior dos equipamentos.

Apesar dos escoamentos no interior das turbinas serem em

geral transitórios e tridimensionais, é possível avaliá-los em função

do triângulo de velocidades.

O triângulo de velocidades é obtido levando-se em conta a

velocidade da pá do rotor analisada (U⃗=ωr ¿ e a velocidade relativa

do rotor (baseado em um observador movendo-se solidariamente à

pá). A soma vetorial dessas duas velocidades é a velocidade

absoluta (identificada por um observador parado, fora do sistema).

Ao se observar as velocidades absolutas na entrada e saída

das pás, observam-se direções distintas, o que permite a

compreensão de como o fluido foi direcionado pelo sistema e as

mudanças que ocorreram. É possível observar que, na saída,

diferentes componentes direcionais de velocidade aparecem, o que

demonstra o surgimento de forças direcionais, aplicadas devido

ao formato e movimento das pás. Uma análise das mudanças

direcionais evidencia se o fluido exerceu trabalho sobre a pá ou o

contrário, caracterizando o mecanismo como bomba ou turbina.

Sendo assim, escoamentos tangenciais como no caso de

turbinas Pelton provocam esforços tangenciais; no caso da turbina

Kaplan, cujo fluxo é axial, surgem esforços axiais de arrasto e na

Francis, onde a trajetória pode ser radial-axial, surgem esforços

centrífugos e de arrasto.

3. ASPECTOS AMBIENTAIS

Devido a grande demanda de energia, são necessárias

diferentes alternativas de geração. Como exemplo, pode-se citar as

usinas termoelétricas, sistemas de geração a partir da energia solar,

eólica e, sobretudo a geração a partir das hidrelétricas, onde as

turbinas hidráulicas são empregadas.

Certamente, a energia hidrelétrica pode ser considerada

limpa, uma vez que não se utiliza da queima de combustíveis

fósseis, por exemplo, e não compromete a água utilizada. Mesmo

assim, ela apresenta um grande impacto ambiental, pois provocam

emissões consideráveis de metano, gás carbônico e óxido nitroso,

gases que contribuem para o efeito estufa. Além do mais, demanda

o represamento de rios, alagamento de grandes áreas e construção

de barragens para melhor aproveitar o potencial hidráulico, ações

que podem causar prejuízos ao ecossistema, uma vez que alteram

o habitat natural dos animais, modificam a vida nos rios e podem

também alterar o modo de vida das populações que vivem à beira

dos rios.

Países que possuem uma boa rede hidrográfica e um relevo

acidentado são os maiores usuários dessa tecnologia considerada

limpa, pois não queima nenhum combustível fóssil (carvão ou

petróleo) ou nuclear (urânio) na obtenção de eletricidade.

Fatores como custo de construção, operação, tempo efetivo

de geração de energia e, mais recentemente com um peso ainda

maior, o impacto ambiental, têm de ser considerados anteriormente

à construção.