INSTITUTO FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE – IFRN IFRN CAMPUS JOÃO CÂMARA TECNOLOGIA EM ENERGIAS RENOVÁVEIS DISCIPLINA: DISCIPLINA: SISTEMAS DE ENERGIA HIDRÁULICA DOCENTE: GÊNNISSON CARNEIRO
JACKELINE CLEMENTINO WALTER JEFFERSON
DIMENSIONAMENTO DIMENSIONAMENTO DE TURBINAS HIDRÁULICAS
MARÇO, 2015
1. INTRODUÇÃO As turbinas hidráulicas são máquinas utilizadas para converter a energia mecânica em energia elétrica por meio da pressão e energia cinética da água o que corresponde a energia hidráulica. De acordo com suas funcionalidades, existem as turbinas de ação utilizadas para maiores alturas e baixas vazões e as turbinas de reação que são usadas em menores alturas e altas vazões. As turbinas hidráulicas são classificadas em:
Pelton;
Francis;
Kaplan;
Bulbo;
Straflo;
Propeller;
De acordo com o princípio de funcionamento de uma turbina hidráulica, tem-se que, segundo o autor, em toda turbina a água vem de um reservatório ou canal de nível mais elevado e com maior energia e escapa para um canal de nível mais baixo. A água de entrada é levada através de um duto fechado até um conjunto de lâminas curvas (palhetas), bocais ou injetores que transferem a energia da água para um rotor. Em consequência consequência a pressão e/ou a velocidade da água na saída são menores do que na entrada. A água que sai da turbina é conduzida por um duto, ou tubo de sucção, até o reservatório ou canal inferior. Algumas palhetas são estáticas, outras são fixas no rotor; ambas podem ser ajustáveis para controlar o fluxo e a potência gerada gerada ou a velocidade de rotação. O tubo de sucção geralmente tem diâmetro final maior que o inicial para reduzir a velocidade da água antes de despejá-la no canal inferior. As principais causas da baixa eficiência nas turbinas são as perdas hidráulicas (a energia cinética da água na saída da turbina) e as perdas mecânicas (atrito nos mancais, que converte parte da energia extraída da água em calor). A eficiência típica de uma turbina moderna varia entre 85% e 95%, dependendo da vazão de água e da queda. Para maximizar a eficiência, grandes turbinas hidráulicas são em geral projetadas especificamente para as condições de queda e vazão onde serão instaladas. Para selecionar o tipo de turbina a ser utilizada no projeto de uma Central Hidrelétrica ou PCH (Pequena Central Hidrelétrica) é calculado o valor da rotação
específica ( ) e compara-se esse valor com a altura de queda (H) e seleciona a turbina
mais viável para o projeto em questão conforme a tabela 1. A partir dessa escolha é feito os cálculos de dimensionamento para o tipo de turbina.
Figura 1: Tabela para seleção do tipo de turbina
2. CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS DE PROJETO E DIMENSIONAMENTO: A seguir serão dimensionados três projetos de turbinas hidráulicas.
2.1 PROJETO 1:
Altura de queda: Vazão:
Rotação real:
Potência efetiva:
Calculando a rotação específica:
Com os valores da rotação específica ( ), da altura de queda (H) e analisando a
√ √ √ √ √ √ √
tabela 1, o tipo de turbina para este caso é uma turbina FRANCIS.
2.1.1 Características e funcionamento As turbinas do tipo Francis são adequadas para trabalhar com médias vazões e médias alturas. E são turbinas de reação, ou seja, produz o trabalho mecânico por meio da transformação da energia cinética e de pressão da água de escoamento através do rotor. As turbinas Francis possuem subtipos que são Francis caixa espiral, Francis caixa aberta e Francis dupla. A turbina Frances possui as seguintes partes:
Caixa espiral;
Distribuidor;
Rotor;
Tubo de sucção; E funciona da seguinte maneira: A água entra na turbina pela entrada da caixa em espiral e passa pelo
distribuidor que possui pás distribuidoras ajustáveis que proporcionar a descarga correspondente correspondente à potência exigida, com o ângulo mais adequado para a entrada da água no rotor no qual a água anda simultaneamente em todas as pás e há uma variação de 90º no escoamento entre a entrada e a saída. Na saída da água possui um tubo de sucção que, segundo SOARES, permite que a água escoe de forma contínua ao invés de se descarregada livremente na atmosfera. Isso implica em um ganho na energia cinética na saída do rotor e também, num ganho do desnível topográfico entre saída do rotor e o nível da água no poço.
Figura 2: Esquema de uma turbina Francis
2.1.2 Dimensionamento
Valores dos coeficientes
e
Gráfico 1: Gráfico
x
.
encontrar o valor de
O valor de
é encontrado cruzando os valores até a curva do gráfico, logo:
Gráfico 2: Gráfico
encontrar o valor de
Do mesmo modo que encontra
para
, então:
Diâmetros principais internos,
e
:
x
.
para
√ √ Projeção vertical da entrada do rotor, :
Gráfico 3: Gráfico
x .
para
encontrar a relação
Para encontrar a relação , cruzam-se os valores até a curva do gráfico, portanto:
Logo, o valor de é:
Número de pás (para este caso que se trata de turbina Francis normal ou lenta):
deve estar em cm , então:
√ √
Potência disponível
:
Rendimento total
:
Número característico característico de Bovet
:
Raio de entrada superior
:
Velocidade angular:
Raio máximo de saída
:
Altura do filete externo :
o
Altura real do filete interno
:
Raio do ponto onde começa a curvatura da linha externa
o
:
Altura do filete interno :
o
Altura real do filete externo
Abcissa
:
Raio real do ponto onde começa a curvatura da linha externa
:
√
Ordenada
:
2.2 PROJETO 2:
Altura de queda: Vazão:
Rotação real:
Potência efetiva:
Calculando a rotação específica:
Com os valores da rotação específica ( ), da altura de queda (H) e analisando a
√ √ √ √ √ √
figura 1, o tipo de turbina para este caso é uma turbina tur bina PELTON.
2.2.1 Características e funcionamento As turbinas Pelton trabalham com velocidades de rotação mais alta que os outros tipos. Elas são adequadas para operar entre quedas de 350 m até 1100 m. As partes de uma turbina Pelton são:
Distribuidor;
Rotor;
Defletor de jato;
Bocal de frenagem;
Agulha;
Injetor de agulha;
Mancal de escora;
Nesse tipo de turbina não há palhetas estáticas e sim um conjunto de bocais ou injectores, cada qual com uma agulha móvel (semelhante a uma válvula) para controlar a vazão. Nessas turbinas, a pressão da água é primeiramente transformada em energia cinética pelo bocal, que acelera a água até uma alta velocidade. O jato d'água é dirigido para uma série de conchas curvas curvas montadas montadas em torno do rotor.
Figura 3: Esquema de uma turbina Pelton.
2.2.2 Dimensionamento
Velocidade do jato
:
√ √ √ √
Número de jatos :
deve estar em pés. Sabendo que
Diâmetro do jato
Sendo que
, então:
:
é a vazão do projeto dividida pelo número de jatos:
o
Diâmetro máximo do jato
é calculado com acréscimo de 20% na vazão de projeto:
Velocidade periférica da roda :
ou
Diâmetro da roda :
Número de pás pás : o Número mínimo de pás pás
:
é o raio da roda:
Por segurança, recomenda-se adotar que o número de pás Z seja 1,15 a 1,5 vezes
:
Dimensões das pás: o
Largura :
o
Comprimento :
o
Excesso
:
√ √ √ √
o
Excesso de gume
:
o
Profundidade :
o
Largura do rasgo :
o
Ângulo do gume central :
o
Ângulo de inclinação da aresta da concha :
Varia entre 15° a 25º, então o
Ângulo :
PROJETO 3:
Altura de queda: Vazão:
Rotação real:
Potência efetiva:
Calculando a rotação específica:
.
Com os valores da rotação específica ( ), da altura de queda (H) e analisando a figura 1, o tipo de turbina para este caso é uma turbina tur bina KAPLAN.
2.3.1 Características e funcionamento Turbinas Kaplan são adequadas para operar em quedas até 60 m. Elas apresentam eficiência constante em ampla faixa de operação. O que difere as turbinas Kaplan e Francis é o rotor, que se assemelha a um propulsor de navio. O ângulo de inclinação das pás é controlado por pistões hidráulicos, normalmente em conjunto com as palhetas de distribuição. Há duas variantes da turbina Kaplan: a turbina Bulbo e a turbina Hélice. Tem outras duas que também se assemelham à Kaplan que são a turbina Straflo e a turbina Propeller. As partes de uma turbina Kaplan são:
Distribuidor;
Pás também chamadas de diretrizes;
Rotor
Cubo do rotor;
Ogiva;
Tubo de sucção;
Caixa espiral.
As turbinas Kaplan são do tipo axial, de reação e ação total. No quesito axial, significa dizer que se trata de é uma máquina de reação rotativa de fluxo contínuo, em que a água é escoada paralelamente ao eixo de rotação, fluindo através das pás do rotor, ao contrário do que se verifica na turbina radial como a Francis.
Figura 4: Esquema de uma turbina Kaplan.
2.3.2 Dimensionamento
Diâmetros e : o Diâmetro externo do rotor
o
Diâmetro do cubo
:
:
Figura 5: Diâmetros do Rotor.
) ( Seção livre de passagem da água pela turbina
Velocidade média de saída
Número de pás pás :
:
:
O número de pás é dado a partir do valor da altura de queda do projeto. Veja tabela abaixo:
H (m) 10 < H < 21 12 < H < 23 15 < H < 35 H > 35
Z (número de pás) 4 5 6 8
Tabela 1: Número de pás para determinados valores de altura de queda.
Sabendo que a altura de queda do projeto é
, então:
Passo entre as pás, medida no raio médio :
Comprimento das pás (corda) : o Fator de relação entre a rotação específica e o comprimento:
Velocidade periférica média u:
Rendimento hidráulico : o
Rendimento total
:
O rendimento hidráulico é 3% a 5% maior que o rendimento total, portanto: Para
,
Velocidade periférica absoluta
Ângulo de incidência
Velocidade relativa
:
:
:
Cálculo do coeficiente de sustentação
:
√ √ √ √
o
Coeficiente de sustentação da grade
:
o
Coeficiente de sustentação isolada
:
Ângulo de perfil
:
O ângulo de perfil é calculado da seguinte forma:
é o ângulo de incidência.
é o ângulo de ataque.
Para encontrar o ângulo de ataque, basta ter o valor do coeficiente de sustentação isolada . Neste caso, . A partir do gráfico 4, para o eixo 100.Ca, tem-se:
Logo, o ângulo de ataque
E pelos cálculos anteriores,
é 14,6°.
Gráfico 4: Gráfico de perfil para encontrar o ângulo de ataque
Então o ângulo de perfil
.
é:
3. REFERÊNCIAS SOARES, Ricardo Luiz Júnior. Projeto Conceitual de uma Turbina Hidráulica a ser
utilizada na Usina Hidrelétrica externa de Henry Borden . 2013. Rio de Janeiro. WOLSKI, Celso; MATSUI, Hélio Júnior; MORAIS, Rodrigo Rossi de. Desenvolvimento
de um software para o cálculo de dimensionamento de turbinas em Pequenas Centrais Hidrelétricas . 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.
