Turbinas hidraulicas

Turbinas hidraulicas

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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.

As apresentações resumidas de cada tipo de turbina ou aplicações a seguir darão uma idéia bastante ampla de como pode ser feito um aproveitamento hidráulico principalmente no âmbito dos pequenos aproveitamentos hidráulicos para utilização motriz ou para a geração de energia elétrica, ajudando na decisão para se obter o melhor equilíbrio, econômico, social e ambiental.

Nem sempre a melhor técnica em termos de projeto e rendimento ou um menor custo será a melhor escolha para atender as necessidades locais em termos de distribuição de recursos de um empreendimento isolado como as agroindústrias e as cooperativas.

3.3.1 - A turbina Turgo

A turbina Turgo é uma máquina de impulso similar a turbina Pelton. Entretanto, o jato é desenhado para atingir o plano do rotor em um determinado ângulo (na prática se usa normalmente 200).

Neste tipo de turbina a água entra por um lado do rotor, saindo pelo lado oposto. Como conseqüência dessa passagem, o fluxo total de água que o rotor da turbina turgo pode aceitar não está sujeito a qualquer interferência principalmente quando da sua saída das pás o que acontece com o retorno do jato nas conchas da turbina Pelton ou mesmo interferindo com o próprio jato da entrada (HARVEY, Adam; e outros, 1998).

Assim, a turbina Turgo pode ter um rotor de diâmetro menor que o rotor da turbina Pelton, para uma potência equivalente. Possui, portanto uma alta rotação em rpm.

Figura. 3.1 – Desenho mostrando o funcionamento da turbina Turgo

Como a turbina Pelton, a turbina Turgo trabalha em uma grande faixa de rotações e não necessita de vedações especiais nos mancais, uma vez que a câmara não trabalha com pressão maior que a atmosfera.

A turbina Turgo possui também certas desvantagens com relação a turbina Pelton: primeiro, é mais difícil de fabricar que a turbina Pelton, uma vez que as pás, possuem forma complexa, sobrepostas e mais frágeis que as conchas da turbina Pelton; segundo, o esforço do jato causa uma reação axial nos mancais além do esforço radial normal. Isso provocará o uso de mancais de rolamentos autocompensadores ou mesmo de rolos cônicos ao invés dos simples rolamentos de esferas normalmente adotados.

O rotor da turbina Turgo é fundido, normalmente, em aço juntamente com as pás, o que requer uma pequena fundição, necessitando de modelo, moldes e todo aparato de uma pequena oficina de fundição, não sendo assim de grande praticidade para a maioria das pequenas oficinas.

Não se tem notícia desse tipo de turbina utilizada no Brasil. Na relação de inventário do SIPOT (Sistema de Informação do Potencial Hidrelétrico Brasileiro), não se encontra menção de qualquer instalação com a utilização desse tipo de turbina.

Porém, é bastante usada na Índia onde foi levada pelos ingleses, existindo firmas que constróem esse tipo de turbina para potências de 10 à 3.0 kW, com quedas entre 24 e 200 m ( Joyti Ltd)(*) .

3.3.2 – A turbina Pelton

Juntamente com as turbinas Turgo e de fluxo cruzado, a turbina Pelton é uma turbina de ação. A principal característica é a velocidade do jato na de saída do bocal, que pode chegar, dependendo da queda entre 150 a 180 m/s e a admissão parcial na turbina.

Na turbina Pelton, o torque é gerado pela ação de um jato livre sobre a dupla concha do rotor. Por essa razão a turbina Pelton também é chamada de turbina de jato livre. Essa turbina foi idealizada cerca de 1880 pelo americano Pelton de onde se originou o nome. Em grandes aproveitamentos as turbinas Pelton são consideradas para alturas superiores a 150m podendo chegar até 2000, neste caso para alturas menores que 250m pode-se tornar mais conveniente o uso da turbina Francis (EISENRING, Marcus, 1991).

Para mini e micro aplicações entretanto, a turbina Pelton pode ser usada para baixas quedas em alguns casos até menos de 20m (HARVEY, Adam ; e outros, 1998).

Para grande vazão e pequena queda a roda da turbina pode-se tornar demasiadamente grande em relação a potência; neste caso deve-se usar uma das duas soluções:

a. Aumentar o número de jatos. Com o uso de dois ou mais jatos pode-se admitir um menor diâmetro do rotor para a mesma vazão; b. Utilizar rotores gêmeos. Dois rotores podem ser usados lado a lado montados no mesmo eixo ou nos extremos do gerador montados também sobre o mesmo eixo. Essa opção normalmente só é utilizada quando não existe condições de maximizar o número de jatos. c. Pode-se ainda, bifurcar uma única tubulação principal, o mais próximo da turbina e instalar duas turbinas independentes, com geração independente.

Figura 3.3 – Desenho mostrando o funcionamento de uma pequena turbina Pelton com eixo horizontal e apenas um bocal.

Geralmente o gerador é acoplado diretamente ao eixo da turbina, por meio de acoplamentos rígidos, mas um ajuste de rotações pode ser feito com o uso de transmissão por correias ou redutores de engrenagens. No caso da utilização de correias, para pequenas potências dá-se preferência as correias padronizadas em V, que são mais versáteis e baratas que as correias planas, recomendadas para potências maiores.

Basicamente a turbina consiste das seguintes partes consideradas principais: o rotor, o bocal e a caixa.

Os rotores atuais são fundidos em uma só peça, com as conchas e a roda formando um só conjunto. Entretanto é possível a fabricação separada das conchas e da roda e a fixação por meio de pinos e parafusos. No primeiro caso, caso haja uma concha danificada o rotor precisa ser substituído por inteiro, enquanto no segundo caso, basta substituir a pá danificada. O material utilizado para a fabricação das conchas é o aço fundido com adição de 13% de cromo. A geometria das conchas é bastante complicada o que torna sua fabricação um serviço quase artesanal principalmente a etapa de acabamento. A concha deve ter a capacidade de absorver convenientemente a energia cinética transmitida pela ação do jato que sai do bocal e ao mesmo tempo distribuí-la no seu retorno, sem interferir com a pá subsequente.

No bocal, a pressão da água é convertida em velocidade. O bocal consiste em uma peça cônica fixada ao extremo da tubulação e uma agulha interna acionada por uma haste, a qual regula o fluxo de saída da água para a roda da turbina.

Tanto o bocal quanto a agulha sofrem severo desgaste, sendo feitos de material de alta qualidade, normalmente um aço com manganês, que apresenta grande resistência ao desgaste, provocado por partículas como areia.

Algumas máquinas possuem a agulha do bocal construídas em bronze e apresentam boa resistência ao desgaste.

Encontram-se no Brasil várias centrais hidrelétricas, principalmente no campo das pequenas centrais, funcionando com esse tipo de turbina porém o número é bastante reduzido quando comparado com as tradicionais Francis e Kaplan.

A firma N.H. GERADORES Ind. e Com. Ltda (1999), de Manhuaçu, Minas Gerais, fabrica e instala o conjunto completo, turbina Pelton/gerador, para potências até 8,5 kVA, podendo ser estudado o fornecimento com geradores de fabricação de terceiros, até 30 kVA. É utilizada também para pequenas quedas, que podem variar de 6 a 20 m. Seu fabricante possui registros de mais de 10.0 dessas unidades instaladas em todo Brasil. Os preços podem variar de R$ 70,0 a R$ 6.80,0 o kVA, dependendo da altura e potência.

3.3.3 - A turbina de fluxo cruzado

A turbina de fluxo cruzado, também chamada de fluxo transversal, Michel-Banki, Michel – Ossberger, ou simplesmente Banki, tem o comportamento de uma turbina de ação, estando no mesmo nível de classificação das turbinas Pelton e Turgo.

Sendo nosso foco de estudos, a turbina de fluxo cruzado será analisada no CAPÍTULO 4 com todos os detalhes necessários para sua fabricação e utilização, principalmente dos seus componentes mais importantes e que ainda hoje são motivo de estudos em diversos laboratórios de pesquisas em todo o mundo: o injetor e o rotor.

Figura 3.5 – Esquema de uma turbina de fluxo cruzado com regulador manual

A turbina de fluxo cruzado, embora já bastante difundida em muitos países não apresenta grande penetração no Brasil. Na lista oficial do SIPOT, não se encontra qualquer menção de um tipo desta turbina instalada com registro oficial.

3.3.4 - A turbina Francis

A turbina Francis foi idealizada em 1849, tendo o nome do seu inventor, sendo que a primeira turbina foi construída pela firma J.M. Voith em 1873, passando desde então por aperfeiçoamentos constantes, como a utilização das pás diretrizes, também chamadas de pás Fink (SARRETE, I. Lana, 1956).

Tem sido aplicada largamente, pelo fato das suas características cobrirem um grande campo de rotação específica. Atualmente se constróem para grandes aproveitamentos, podendo ultrapassar a potência unitária de 750 MW. As turbinas construídas entre 1930 a 1950 não possuíam rendimentos superiores a 85%, hoje ultrapassam a 92% para grandes máquinas.

Figura 3.6 – Desenho esquema de funcionamento de uma turbina Francis de eixo vertical.

A turbina Francis, considerada uma turbina de reação ou seja, funciona com uma diferença de pressão entre os dois lados do rotor.

As pás do rotor são perfiladas de uma maneira complexa e uma caixa espiral, normalmente fundida, para as turbinas pequenas, distribuí a água ao redor do rotor.

Em operação, a água entra no rotor pela periferia, após passar através da pás diretrizes as quais guiam o líquido em um ângulo adequado para a entrada das pás do rotor, deixando o mesmo axialmente em relação ao eixo.

A turbina Francis pode ser executada tanto com eixo na horizontal quanto na vertical. A construção com eixo na horizontal, ou seja, a roda trabalhando verticalmente é utilizada para pequenas unidades, nesse caso apoiados em mancais de deslizamentos radiais e dispensa a utilização de mancais guias, utilizados quando a construção é de eixo vertical, além da utilização do mancal de escora axial.

A água transfere parte da sua energia para o rotor e deixa a turbina pelo tubo de sucção.

As turbinas Francis modernas estão sempre ajustadas com as pás diretrizes também chamadas de distribuidoras, e as mesmas são comandadas pelo conjunto regulador que ajustam a vazão à carga da turbina.

A turbina Francis é uma das mais difundidas e utilizadas no Brasil tanto para grandes quanto para pequenas, mini e microcentrais hidrelétricas.

Um dos únicos inconvenientes dessa turbina é a variação da curva de rendimento com a vazão, já mencionado por QUANTZ, L. [1956].

O rotor da turbina Francis de tamanhos pequenos e médios pode ser construído em uma só peça totalmente fundida. O material utilizado é o aço fundido com 12 a 15% de cromo, mas em alguns casos é construída em aço inoxidável.

Dependendo do tamanho esperado para o rotor, motivado por uma grande vazão de projeto, pode-se dimensionar uma única turbina utilizando-se de um rotor duplo (dupla sucção). Tal construção, porém, só é viável para a turbina funcionando com eixo na horizontal.

A curvatura das pás é relativamente complexa seguindo perfis pré-estabelecidos conforme a admissão da água no rotor.

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