Turbinas hidraulicas

Turbinas hidraulicas

(Parte 3 de 5)

As pás diretrizes são construídas para as pequenas turbinas em uma só peça fundida solidárias ao eixo de acionamento das mesmas.

A caixa espiral para as turbinas de pequeno porte normalmente é fundida em aço ou ferro fundido e bi-partida para facilitar a montagem e desmontagem do conjunto.

3.3.5 - A turbina Axial

A turbina axial tradicional também chamada de propeller consiste basicamente de um rotor, similar a hélice de navio, ajustada internamente na continuação de um conduto, com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a tubulação muda de direção.

Normalmente três ou quatro pás são utilizadas quando a altura de queda é relativamente baixa, podendo ter até oito pás para maiores alturas. A entrada da água é regulada por palhetas diretrizes. O rendimento dessa turbina com vazões menores daquela do ponto normal de funcionamento tende a baixar de maneira considerável, até mais acentuada que na turbina Francis.

Embora o perfil das pás deva ser executado de maneira a otimizar as forças oriundas das pressões exercidas sobre as mesmas, projetos tem sido idealizados com seções mais planas, que oferecem menos eficiência, porém são mais fáceis de serem fabricadas. Essa espécie de projeto pode ser considerada seriamente para aplicações em micro centrais onde baixo custo e facilidade de fabricação são prioritários (HARVEY, Adam, 1998).

É também possível, na maioria das vezes considerar a caixa espiral da turbina axial de concreto.

Usinas de maiores escalas, como algumas pequenas centrais, podem fazer uso de uma versão mais sofisticada da turbina axial.

Figura 3.8- Desenho esquemático de funcionamento de uma turbina axial

Variando o passo das pás do rotor simultaneamente com as palhetas do distribuidor, pode-se conseguir bons rendimentos com vazões parciais. As turbinas axiais, nas quais torna-se possível a variação dos passos das pás do rotor são chamadas de turbinas propeller de pás variáveis ou, como são mais conhecidas; turbinas Kaplan.

Alguns tipos de turbinas axiais podem possuir um conjunto de pás diretrizes dispostas de maneira radial, juntamente com uma caixa espiral.

As pás do rotor podem ser construídas ou fundidas, ou estampadas e soldadas ou montadas no cubo, normalmente fundido. Para pequenas turbinas, do tipo propeller, as pás e o rotor podem ser fundidos em uma só peça.

No caso da turbina Kaplan, o sofisticado mecanismo de controle das pás no rotor, pode encarecer sua fabricação e tornar a sua aplicação inviável quando comparado às outras turbinas na mesma faixa de aplicação.

As turbinas axiais vêm apresentando grande interesse para quedas pequenas em rios de maiores vazões que habitualmente se consideraria para instalações da turbinas tipo Francis e fluxo cruzado. A turbina axial deu origem a uma série de variantes, além do conceito da turbina Kaplan, como: a turbina Bulbo, a turbina Sifão, a turbina S, tanto de jusante quanto de montante e até a turbina Strafflo.

No Brasil a turbina axial tem seu uso bastante difundido, aparecendo no inventário das usinas hidrelétricas de pequeno porte do SIPOT como a mais usada depois da turbina Francis.

Na região Centro-Oeste, apresenta grandes condições de aplicação devido as características hidrológicas aí existentes.

Contudo deve-se salientar, que é aquela que apresenta o maior custo em relação ao kW instalado, quando comparada com as tradicionais, Francis simples e Pelton.

Novas turbinas e novos conceitos para médias e baixas quedas 3.3.6 - Turbina Sifão

Para aproveitamentos de baixas quedas, normalmente inferiores a 5m pode-se utilizar os grupos eletromecânicos equipados com as turbinas axiais especiais para essa finalidade, denominadas tipo "Sifão".

Os equipamentos hidrogeradores para os grupos "Sifão", são de concepção simples. Um conduto em chapas de aço convenientemente calandradas e soldadas ou mesmo parcialmente em concreto, é instalado acima dos níveis de montante e jusante da água. A partida do grupo é realizada a partir de uma bomba de vácuo, criando assim um fluxo contínuo da água no interior do conduto. A parada da turbina, é conseguida pela admissão de ar no Sifão.

Os equipamentos hidromecânicos e a obra civil associada, normalmente utilizadas em instalações tradicionais podem ser assim economizadas. A turbina é constituída de um distribuidor fixo e um rotor tipo axial que pode ser ou propeller (com pás fixas), ou Kaplan (com pás móveis), Figura 3.10.

Os conjuntos de turbinas Sifão podem ser montados quase que completamente em fábrica, reduzindo assim os custos de instalação na obra.

No Brasil, a Alstom-ABB, antiga Mecânica Pesada, em Taubaté, padronizou e produz esse tipo de turbina, sendo utilizada em baixas quedas, de 1 à 4,5 m aproximadamente, com vazões entre 2,0 e 3,0 m3/s e uma faixa de potência entre 60 a 600 kW disponíveis em 6 diâmetros entre 1,180 m e 2,120m.

Para potências até 450 kW, a multiplicação da rotação entre a turbina e o gerador é feita por intermédio de polia e correia, e para potências acima de 450 kW, a multiplicação é feita utilizandose redutor de engrenagens.

Figura 3.10 – Desenho do esquema de funcionamento de uma turbina tipo Sifão

Conhecendo-se a queda líquida e a vazão turbinável, com o auxílio de um ábaco, como o apresentado Figura 3.12, pode-se estimar a potência nos bornes do gerador e determinar as dimensões principais da turbina (diâmetros do rotor e do cubo).

Pode-se notar que as dimensões desse tipo de turbina são relativamente grandes, o que de certa forma poderá encarecer a parte de transporte e a utilização de equipamentos de levantamento utilizados na sua montagem de obra, principalmente se a instalação for realizada em lugares mais remotos do território nacional e de difícil acesso.

Por outro lado, deve-se acrescentar o fato de que o conjunto pode trabalhar desabrigado, reduzindo os custos com as obras civis, que em casos extremos pode chegar até a 15% do valor dos equipamentos eletromecânicos (Alstom – ABB, 1998).

O controle de operação da turbina Sifão, requer certos cuidados, principalmente na partida com a ligação da bomba de vácuo, e a certeza da tomada completa da água na tubulação eliminando a existência do ar, o que poderá prejudicar o perfeito funcionamento do conjunto turbina - gerador.

Na sua instalação, a turbina deverá ficar localizada de tal maneira que o ponto inferior da roda esteja acima do nível máximo de montante.

O ponto superior de saída do tubo de sucção deverá estar localizado no mínimo 0,3 m do nível de jusante de funcionamento.

A altura de sucção, ou seja, a posição do ponto superior da roda em relação ao nível de jusante de funcionamento, deverá ser definido em cada caso pelo fabricante do equipamento.

3.3.7 -Turbina tipo S

As turbinas axiais tipo "S" tem sua aplicação, principalmente para aproveitamento de baixas quedas, entre 5 e 20 m, podendo em alguns casos chegar a 25 m de queda. Seu emprego em projetos de pequenos aproveitamentos é conveniente por apresentar flexibilidade de operação, simplicidade de montagem e facilidade de acesso e manutenção.

Cada dimensão de turbina pode ser fornecida, dependendo das variações de altura de queda e vazão em quatro variantes:

o distribuidor móvel e rotor de pás móveis; o distribuidor fixo e rotor de pás móveis; o distribuidor móvel e rotor de pás fixas; o distribuidor fixo e rotor de pás fixas;

O esquema de funcionamento desse tipo de turbina pode ser visualizado na Figura 3.13.

Figura 3.13 – Desenho do esquema de funcionamento de uma turbina tipo "S".

Grandes variações requererão, geralmente, instalações de turbinas com pás móveis (tipo Kaplan). No caso de aplicação de turbinas com distribuidor fixo, a partida e a parada da unidade deverá ser assegurada por um órgão de segurança, geralmente uma comporta vagão ou por uma válvula borboleta.

A Alstom-ABB, em Taubaté, fornece este tipo de turbinas para alturas entre 3 e 22m, vazões entre 9 e 50 m3/s e faixa de potência de 500 à 5000 kW, com diâmetros de rotores que variam de 1,50 m até 2,65 m.

Existe ainda a possibilidade do rotor trabalhar no lado de montante ou jusante, dependendo do lado onde fica situado o grupo gerador ; no caso da Figuras 3.13 e 3.14, ilustra-se o tipo montante.

3.3.8 -Turbinas Bulbo

A turbina bulbo apresenta-se como uma solução compacta da turbina Kaplan, podendo ser utilizada tanto para pequenos quanto para grandes aproveitamentos. Se caracteriza por ter o gerador montado na mesma linha da turbina em posição quase horizontal e envolto por um casulo que o protege do fluxo normal da água, Figura 3.16.

É empregada na maioria das vezes para aproveitamentos de baixa queda e quase sempre a fio d’água. Sua concepção compacta de uma turbina Kaplan reduz considerávelmente o volume das obras civis, tornando a mesma de menor custo. Em compensação, o custo do equipamento eletromecânico, turbina e gerador é maior que os das turbinas convencionais, pela tecnologia e processos de fabricação aplicáveis em termos de ajustes e vedações. Pela relação do SIPOT, podemos encontrar algumas dessas turbinas instaladas nos mais diversos estados brasileiros, de potências variando de 0,43 MW (Aripuanã.– MT –CEMAT) até 42 MW ( Igarapava –SP/MG – CEMIG), ou ainda as futuras turbinas da usina de Canoas, com 80 MW (Grupo Votorantim).

Fig.3.16 – Desenho de uma turbina tipo Bulbo.

3.3.9 – Bomba centrifuga funcionando como turbina (BFT)

Nos projetos de mini e microcentrais hidrelétricas pode ser interessante o estudo de utilização de uma bomba funcionando como turbina.

Basicamente, os procedimentos de projetos são similares tanto para a bomba como para a turbina convencional.

CHAPALLAZ, J. M., e outros, (1992), descrevem algumas vantagens do uso de bomba trabalhando como turbina principalmente para aproveitamentos hidráulicos com potência até 500 kW(*) .

Para maiores potências as bombas não são fabricadas em grande escala, portanto possuem uma desvantagem com relação as turbinas, pois no caso de se optar pela fabricação, essa opção recairá sobre a máquina mais indicada, a turbina, por não se poder usar uma bomba de prateleira. Assim, as vantagens em termo de custo das BFTs(**) ficam reduzidas de maneira considerável.

(Parte 3 de 5)

Comentários