Tipos de turbinas hidraulicas

Tipos de turbinas hidraulicas

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CAPÍTULO 3 Tipos de turbinas hidráulicas aplicadas às

pequenas, mini e microcentrais hidráulicas.

 

3.1 - Introdução

Desde o surgimento da civilização agrícola e o desenvolvimento das necessidades básicas do homem, o desafio da força d’água e sua utilização vêem sendo colocados entre os principais requisitos da existência do homem e de seu avanço econômico e cultural.

Um exemplo disso é a quantidade de esquemas hidráulicos encontrados na Mesopotâmia e no Império Egípcio da época dos Faraós, por volta de 3.000 a 2.000 anos A. C. (Ossberger Turbinenfabrik, 1998).

Na idade média a utilização da energia em cidades que possuíam cursos d’água, freqüentemente determinavam a produtividade de seus negócios e seu apogeu comercial.

Assim por exemplo a força econômica dos Augsburg na Baviera, muito antes do aparecimento da famosa família de mercadores Fluggers, foi concentrada por inúmeros artesãos com colocação de máquinas hidráulicas nos meandros dos rios Leach e Wertach.

Leonardo da Vinci, naturalmente, também pesquisou a utilização da força hidráulica. Seus projetos de turbinas para acionar laminadores, máquinas têxteis e outros equipamentos, os quais admite-se nunca foram colocadas em prática, já eram bastante avançados para a época.

No século XVII, foi construído um esplêndido dispositivo aquático nos jardins do rei francês Luís XIV, em Versailles, acionado por uma máquina movida pela água, com um custo enorme. Ela tinha algo em torno de 100 HP, era um triunfo tecnológico na época, mas com um rendimento muito baixo, não passando de apenas 6,5%.

Este capítulo tratará dos principais tipos de turbinas e máquinas utilizadas para geração de energia em micro, mini e pequenas centrais hidráulicas. São preferíveis os termos geração de energia e centrais hidráulicas à geração de eletricidade e central hidrelétrica, pelo fato de uma pequena turbina poder gerar energia exclusivamente para o uso mecânico, vindo a acionar diretamente certos tipos de máquinas sem a necessidade da transformação em energia elétrica.

3.2 -Histórico sobre a evolução das turbinas hidráulicas

Os seguintes marcos são relevantes na evolução das turbinas hidráulicas: (Fontes: Lauria, Douglas,1993. MOSONYI, Emil.1988 - Vol. I. Brief Historical Survey , pag. 119 - 131 . SARRATE, I. Lana, 1967).

1403 – Desenho mais antigo de uma roda d’água que se conhece, com eixo vertical.

1550 – J. Besson descreve a primeira turbina axial de reação com pás de madeira, construída na região de Toulouse, na França.

1730 – Bernouilli publica em seu livro uma fórmula para o cálculo da força exercida por um jato d’água.

1750 – J.A.Segner idealiza a primeira máquina fazendo uso do jato d’água, instalada em Nörten, próximo a Göttingen (rio Leine, Alemanha).

1754 – Euler estabelece a equação fundamental das máquinas de fluxo, admitindo escoamento uni direcional e número infinito de pás.

1824 – C. Burdin apresenta à Academia de Paris projetos de turbinas de ação e reação, e propõe pela primeira vez o nome turbina.

1827 - Fourneyron inventa a primeira máquina hidráulica praticamente utilizável, que se transformou posteriormente na turbina de reação.

1834 – Fourneyron constrói e instala sua turbina para uma queda de 108 m, potência de 25 kW e rotação de 2200 rpm.

1838 – J. V. Poncelet publica trabalho sobre a turbina de Fourneyron . Propõe uma roda d’água de fluxo inferior com as pás acionadas parcialmente, precursora da turbina de Fluxo Cruzado .

1841- Henschel-Jonval – primeira turbina axial de reação com tubo de sucção. Regulação do nível d’ água por meio de vários anéis; vazão o mais constante possível e queda variável.

1842- Roda tangencial de Zuppinger, para grandes quedas e vazões reduzidas.

1843- Fontaine construiu a turbina de Jonval para saltos constantes e vazões variáveis, trabalhando a livre admissão.

1848- Schwamkrug idealiza a primeira turbina parcial para grandes quedas e vazões reduzidas.

1849- Francis idealiza a turbina Francis. Inicialmente com câmara aberta.

1851- Girard aperfeiçoou a turbina Fontaine , regulando consecutivamente as células, assegurando sua regulação e construindo a turbina parcial com queda a mais constante possível.

1860- Haenel, Knop e Lehmann, constróem a turbina Girard em forma de turbina limite para vazões e alturas variáveis.

1872- Fink institui as palhetas diretrizes giratórias , primeira regulação correta das turbinas de reação.

1873 - J.M. Voith constrói a primeira turbina Francis com palhetas diretrizes Fink.

1880 - Pelton idealiza e patenteia a turbina Pelton.

1886 – G. A. Pfarr constrói para a firma Voith a turbina Francis com caixa espiral.

1891 – Primeiro regulador mecânico de rotação construído por G. A. Pfarr e instalado na Usina de Lauffen.

1892 – H. Bremer patenteia na Alemanha o injetor para turbina Pelton.

1903 – A. G. M. Michell inventa a turbina de fluxo cruzado.

1912 - Primeiros experimentos da turbina Kaplan.

1918 Banki constrói e otimiza a turbina de fluxo cruzado, independente de A. G..M. Michell.

1924 – A fábrica Charmilles constrói a usina Piottino, na Suíça com turbinas Francis de 300 m de queda e potência de 22 MW.

1925 - Colocação em funcionamento da primeira turbina Kaplan de grandes proporções.

1926 – A firma J. M. Voith constrói as primeiras turbinas Kaplan, com pás fixas e 6 MW.

1928 – A firma KMW constrói a primeira turbina Kaplan de grande porte com pás móveis e potência de 11 MW e diâmetro de 5,8 m.

1930 – A firma J. M. Voith fabrica as turbinas Pelton para Usina de Henry Borden, em Cubatão, S.Paulo.

1931 – A firma Escher Wyss constrói a primeira turbina reversível axial ( Bomba – Turbina ) enquanto que a Voith constrói a primeira turbina reversível tipo Francis, que é instalada na usina reversível de Pedreira para captação e geração de energia (rio Pinheiros – S. Paulo ).

1936 – A firma Escher Wyss constrói as primeiras turbinas bulbo.

1939 – As firmas J. M. Voith e Escher Wyss, constróem as turbinas Francis para queda de 87m, potência de 85 MW e 4,5 m de diâmetro.

1956– A firma suéca, Nohab, constrói 3 turbinas Francis com rotores completamente soldados para a usina de Stornorfors com potência de 147 MW.

1957 – A firma francesa, Neyrpic, constrói a primeira série de 24 bombas-turbina Kaplan para a usina maré motriz de La Rance (França).

1965 - A firma LeningradMetallindrustrie constrói 8 turbinas Kaplan com potência de 60 MW e diâmetro externo do rotor de 10,3m, até hoje o maior que se tem notícia, para a usina Satarow, no rio Volga.

1966 – A firma italiana, Riva, constrói duas turbinas Pelton de dois jatos e eixo horizontal com 130 MW cada e altura de queda 1300 m, para a usina de Monte Cerusio (Itália).

1969 – As firmas Andritz (Áustria), e Escher Wyss (Suíça), constroem 4 turbinas Francis com altura de queda de 672m (até então maior do mundo), e potência de 60 MW cada para a usina de Rosshag (Áustria).

1973 – A firma canadense Dominion e americana Allis Chalmers constroem as turbinas Francis para usina de Grand Coulle II, no rio Columbia, estado de Washington, até então as maiores turbinas do mundo com diâmetro externo de 10,30 m. potência de 700 MW.

1980 – A firma Escher Wyss constrói duas turbinas Pelton com potência de 265 Mw cada uma, e 6 jatos, para a usina de Silz (Austria).

1981 - As firmas Voith e Neyrpic com suas associadas brasileiras Voith S.P. e Mecânica Pesada, constróem 18 turbinas com 750 MW, com diâmetro da roda, tipo Francis, de 8,60 m, peso de 310 ton., para maior usina até então construída no mundo (Itaipu Binacional).

1984 – As firmas Andritz (Áustria) e Escher Wyss (Suíça), constroem para a usina de Häusling, na Áustria, duas turbinas Francis para altura de queda máxima de 740m e potência de 180 MW. Desde então, esta é a mais alta queda para este tipo de turbina.

1991 – As firmasGE Hydro e J.M. Voith iniciam a fabricação das turbinas de "Three Gorges Project", Sanxia, China, com 710 MW, e queda de 80,6 m, a qual após concluída, com previsão entre 2.020 a 2.030, será a maior central hidrelétrica do mundo, com 25.000 MW.

1998 – O consórcio formado pelas empresas: VA TECH VOEST MCE, austríaca, SULZER HYDRO e HYDRO VEVEY, suíças, instalam a turbina Pelton de BIEUDRON, na Suíça, com dois recordes mundiais, maior queda, de 1.800 m, e maior potência para uma turbina Pelton, 423 MW, com diâmetro do rotor de 3,993 m.

 

3.3 – Tipos de turbinas utilizadas em micro, mini e pequenas centrais hidráulicas.

Os tipos de turbinas usadas mundialmente e fabricadas para pequenas centrais hidrelétricas ou mesmo para aplicação de caráter mecânico na transmissão de força em pequenos sítios são:

1- A turbina Turgo ;

2- A Turbina Pelton;

3- A turbina de fluxo cruzado;

4- A turbina Francis ;

5- A turbina Axial;

6- A turbina sifão;

7- A turbina S;

8- A turbina Bulbo;

9- A bomba centrífuga funcionando como turbina;

10- A turbina de águas correntes.

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