Turbinas hidraulicas

Turbinas hidraulicas

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Algumas condições limitam a utilização das bombas como turbinas:

existentes nas turbinas, que controlam a entrada da água no interior do rotor,

o A operação eficiente de uma bomba requer uma constância nas condições tanto de vazão quanto de queda, devido a falta de mecanismos de controles hidráulicos nas BFTs, como as pás distribuidoras o Quando acima da necessária, a vazão pode ser regulada por uma válvula de controle; isso é freqüentemente adotado nos acionamentos diretos de equipamentos ou interligações a rede elétrica, onde a variação de velocidade não apresenta grandes problemas. Entretanto esse método é ineficiente pois a válvula reduz a altura útil dissipando considerável energia. o Variações de vazões podem ser acomodadas pela utilização de BFTs em paralelo permitindo funcionamento de cada uma conforme a variação da vazão. Entretanto, pode não haver vantagem no custo para esse tipo de arranjo quando comparado com o custo de uma turbina convencional possuindo um tradicional sistema de regulação de vazão através do uso de distribuidor.

VIANA; A. N. Carvalho e outros (1986), apresentam alguns resultados experimentais de bombas trabalhando como turbinas no campo exclusivo das microcentrais hidrelétricas, para potências até

50kW e rotação específica (ns, definida na pag. 60) inferior a 180 . Foram observados alguns itens importantes:

o Sua operação mecânica é suave e silenciosa; o O pico de rendimento apresentado quando funcionando como turbina é o mesmo quando funcionando como bomba; o A altura e vazão para o melhor ponto de rendimento quando trabalhando como turbina, são mais altos com relação aqueles medidos quando trabalhando como bomba; o O custo final da utilização da bomba funcionando como turbina, pode chegar a um terço do valor de uma turbina para a mesma finalidade.

Na utilização de uma BFT é importante também para minimizar os custos o estudo do motor de indução como gerador, FISCHER, G. e outros, 1992.

Turbinas hidráulicas Bombas funcionando como turbinas

Figura 3.17 – Gráfico mostrando o campo de aplicação das BFTs, e a comparação com o campo das turbinas hidrelétricas para micro e minicentrais hidrelétricas. Fonte: CHAPALAZ, J. M., e outros, 1992, adaptado.

3.3.10 –Turbinas para águas correntes

Mais que para gerar energia elétrica, este principio tem sido utilizado para acionar uma pequena bomba e possibilitar vantagens em um sistema de irrigação, mas também pode funcionar como uma microcentral, principalmente para atender as populações ribeirinhas que vivem em áreas isoladas, como palafitas da região norte.

Seu princípio de funcionamento se baseia no mesmo principio das turbinas eólicas, só que neste caso utiliza-se a velocidade da água, que é captada por uma roda disposta contra a correnteza do rio.

GARMAN; Peter (1986), mostra o cálculo da potência possível mediante as variáveis envolvidas:

onde: Pt = potência no eixo da turbina; (Watts); A = área total do rotor, projetada na corrente da água ( m2); V = velocidade da corrente, medida a duas vezes de distância do diâmetro do rotor (m/s);

Ct = rendimento esperado para a turbina Ct γ = peso específico da água (9,81 x 103 N/m3)

A maior área de qualquer máquina já testada foi de 5 m2 (d = 1,6 m), a qual pode produzir 625 Watts em uma corrente de 1 m/s e 1kW a 1,17 m/s, constatando-se o rendimento, neste caso, de 25%.

A Figura 3.18 mostra a potência que se pode ter para um rotor de área 3,75 m2 (d = 1,2 m) e um rendimento Ct = 25%.

Pode-se notar, que para velocidades de correntes menores que 0,8 m/s, a potência torna-se muito baixa para qualquer interesse de aplicação, e neste caso, somente condições extremamente econômicas poderão viabilizar a sua utilização.

A plataforma de apoio pode se construída de madeira utilizando-se de troncos de árvores, ou em estrutura de perfis leves como cantoneiras mantida flutuando na superfície através de tambores.

O posicionamento e a amarração nas margens é feito com cordas ou até mesmo cabos de aço.

Figura 3.18 – Potência no rotor da turbina conforme velocidade da corrente. Fonte: GARMAN; Peter, 1986.

A construção do rotor pode ser feita de várias formas e materiais. Entre as formas possíveis estão a do tipo tambor, com pás radiais, tanto de eixo horizontal como vertical, como o tipo axial de pás fixas (propeller), sendo esta última a mais utilizada.

Para construção das pás são utilizados diversos materiais como: alumínio, chapas de aço estampadas, e até madeira .

bicicleta para a máquina acionada, que pode ser um pequeno gerador ou mesmo uma bomba

A rotação do rotor para o caso de um diâmetro d = 1,2m pode variar entre 15 a 25 rpm conforme a velocidade da corrente, necessitando sempre de uma transmissão, normalmente por corrente de

HARWOOD; John H. (1984), apresenta um estudo dessas máquinas, instalada na região amazônica, com rodas de d = 4 m, em correntes que chegam a gerar até 2 kW.

3.4 - Critérios para a seleção de turbinas hidráulicas para micro, mini e pequenas centrais.

A maior evolução em termos de atualização, seleção e padronização de PCH na América do Sul tem sido incentivada pela OLADE ( Organização Latino Americana de Desenvolvimento Energético ) e como países que melhor seguem essa cartilha podemos citar : Equador, Peru, e a Colômbia.

Considerando que muitos dos fabricantes de turbinas hidráulicas apresentam em seus catálogos, séries de turbinas padronizadas, é relevante revisar as bases conceituais e a metodologia subjacente aos parâmetros determinantes na seleção de turbinas hidráulicas.

A potência instalada é dada pela fórmula:

P = em CV [3.3] Onde: P = Potência instalada (kW) ou (CV) conforme fórmula utilizada; Q = vazão (m3/s);

Hu = altura útil (m); γ = peso específico da água (kgf/m3); η t = rendimento total ; onde η t = η tu x η g η tu = rendimento da turbina η g = rendimento do gerador

Como uma primeira orientação, o manual da OLADE (Hernández, Carlos A., 1980), fornece os rendimentos da Tabela 3.1.

Tabela 3.1 – Rendimentos propostos para avaliação de instalações de micro, mini, e pequenas centrais hidrelétricas.

Turbinas de Ação €€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€η€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€η€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€η€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€η tu
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Pelton e Turgo

Pequenas0,80 -- 0,824 0,97
Médias0,85 -- 0,87 0,98
Grandes0,92 -- 0,93 0,9
Turbinas de Reação €€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€η€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€η€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€η€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€η tuηηηη v ηηηη h

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Francis e Kaplan

Pequenas 0,82 0,95 0,89 0,97

Grandes0,94 0,9 0,96 0,9

Médias 0,86 0,97 0,92 0,98 Fonte: Hernández, Carlos A., 1980.

Figura 3.19 – Rendimentos de alguns tipos de turbinas com variações de vazões, mantido Hu constante. Fonte: HARVEY, Adam; e outros, 1998.

Harvey, Adam; e outros, 1998, propõem o gráfico da Figura 3.19 para estimativa de rendimentos de turbinas para micro e minicentrais hidrelétricas.

Torna-se interessante notar, que o mesmo gráfico também é apresentado por MEIER, Ueli, 1985, pág. 41, sendo que o mesmo excluí as curvas das turbinas Pelton e Turgo, e apresenta a curva da turbina Kaplan com distribuidor de pás fixas, e denomina ainda a turbina axial de pás fixas de propeller, como havia sido definido no item 3.2.5. Os valores para as curvas existentes nos dois gráficos não diferem, e o autor cita como fonte um fabricante de turbinas (James Leffel & Co.)(*) .

Os valores de rendimentos podem variar muito, conforme o mercado fabricante e a tecnologia empregada, para todos os tipos de turbinas.

Para rendimentos de geradores, podem ser adotados os valores constantes nos manuais e catálogos de fabricantes:

Para geradores síncronos η g = 0,75 a 0,94 aumentando com a potência. Para geradores assíncronos η g = 0,68 a 0,9 aumentando com a potência.

Para as transmissões entre turbina e gerador, quando necessário, Niemann, Gustav, 1971, Vol. I, faz uma comparação entre diversos tipos de transmissões, propondo os seguintes valores:

- Acoplamento direto eixo turbina – eixo gerador η = 1,0; o Transmissão por correia planas η = 0,96 a 0,98; o Transmissão por correias em V, η = 0,94 a 0,97; o Transmissão por corrente; η = 0,97 a 0,98; o Transmissão por redutor com engrenagem; η = 0,97n x 0,98n+1 , onde n é o número de pares de engrenagens.

O tipo de turbina para determinada aplicação pode ser baseado na seleção através da rotação especifica. A OLADE propõe o seguinte critério para o cálculo da rotação específica:

Define-se como rotação específica, ou ainda velocidade específica, o número de rotações por minuto de uma turbina unidade, tomada como padrão da turbina dada, e que representa todas as que lhe forem geometricamente semelhantes, desenvolvendo a potência de P = 1 HP, sob uma queda Hu = 1 m.

Em função da vazão:

Onde:

n q = rotação específica n = rotação em rpm

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