Energia Hidráulica

Energia Hidráulica

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1.Processo de Transformação Hidrelétrico Utiliza o movimento e queda d’água de rios para geração de energia elétrica.

A energia elétrica em uma usina hidroelétrica é gerada pela passagem da água através de uma turbina, acoplada a um gerador síncrono de pólos salientes, formando o conjunto turbogerador. O conjunto, turbina-gerador gira a velocidades relativamente baixas, de 50 a 300 rpm, quando comparadas às turbinas a vapor. O eixo da turbina está diretamente ligado ao eixo do rotor do gerador.

O número de par de pólos dos geradores é relativamente grande:

n → velocidade angular em rpm f → freqüência em Hz p → número de pares de pólos.

A quantidade de energia produzida é proporcional à: - Vazão da água

- Altura do nível do reservatório P = ρ.Q.H.g.η (kW)

P → potência em kW ρ → densidade da água em kg/m3 Q → vazão da água em m3/s H → altura da coluna d’água em m g → aceleração da gravidade m/s2 η → rendimento do sistema por unidade. As principais causas de perda de energia nas turbinas são:

− Perdas hidráulicas: a água tem que deixar a turbina com alguma velocidade, e esta quantidade de energia cinética não pode ser aproveitada pela turbina. − Perdas mecânicas: são originadas por atrito nas partes móveis da turbina e calor perdido pelo aquecimento dos mancais.

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Tipicamente turbinas modernas têm uma eficiência entre 85% e 95%, que varia conforme a vazão de água e a queda líquida.

A classificação de usinas quanto à capacidade de produção é apresentada na tabela abaixo.

A energia elétrica é em geral produzida por geradores síncronos movidos por uma máquina primária denominada de turbina hidráulica do tipo Pelton, Francis, Kaplan ou Bulbo. Cada um destes tipos de turbinas é adaptado para funcionar em usinas, com uma determinada faixa de altura de queda. As vazões volumétricas podem ser igualmente grandes em qualquer uma delas, mas a potência será proporcional ao produto da queda (H) e da vazão volumétrica (Q).

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As turbinas hidráulicas podem ser montadas com o eixo no sentido vertical. Um mancal de escora suporta todo o peso das partes girantes da turbina e do gerador que é montado logo acima dela.

Em todos os tipos de turbo-geradores há alguns princípios de funcionamento comuns. A água entra pela tomada de água, a montante da usina hidrelétrica que está num nível mais elevado, e é levada através de um conduto forçado até a entrada da turbina. Lá a água passa por um sistema de palhetas guias móveis, que controlam a vazão volumétrica fornecida à turbina. Para se aumentar a potência as palhetas se abrem, para diminuir a potência elas se fecham. Após passar por este mecanismo a água chega ao rotor da turbina. Nas turbinas Pelton, não há um sistema de palhetas móveis, e sim um bocal com uma agulha móvel, semelhante a uma válvula. O controle da vazão é feito por este dispositivo.

Por transferência de quantidade de movimento parte da energia potencial do fluido é transferido para o rotor na forma de torque e velocidade de rotação. Devido a isto a água na saída da turbina está a uma pressão pouco menor que a atmosférica, e bem menor do que a inicial.

Após passar pelo rotor, um duto chamado tubo de sucção, conduz a água até a parte de jusante do rio, no nível mais baixo. As turbinas Pelton, têm um princípio um pouco diferente (impulsão), pois a pressão primeiro é transformada em energia cinética, em um bocal, onde o fluxo de água é acelerado até uma alta velocidade, e em seguida choca-se com as pás da turbina imprimindo-lhe rotação e torque.

2.Turbinas Hidráulicas Uma turbina é constituída basicamente por cinco partes: caixa espiral, prédistribuidor, distribuidor, rotor e eixo, tubo de sucção.

2.1.Caixa espiral É uma tubulação de forma toroidal que envolve a região do rotor. Esta parte fica integrada à estrutura civil da usina, não sendo possível ser removida ou modificada. O objetivo é distribuir a água igualmente na entrada da turbina. É fabricada com chapas de aço carbono soldadas em segmentos. A caixa espiral conecta-se ao conduto forçado na secção de entrada, e ao pré-distribuidor na secção de saída. 2.2.Pré-distribuidor

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A finalidade do pré-distribuidor é direcionar a água para a entrada do distribuidor.

É composta de dois anéis superiores, entre os quais são montados um conjunto de 18 a 24 palhetas fixas, com perfil hidrodinâmico de baixo arrasto, para não gerar perda de carga e não provocar turbulência no escoamento. É uma parte sem movimento, soldada à caixa espiral e fabricada com chapas ou placas de aço carbono. 2.3.Distribuidor

O distribuidor é composto de uma série de 18 a 24 palhetas móveis, acionadas por um mecanismo hidráulico montado na tampa da turbina (sem contato com a água). Todas as palhetas têm o seu movimento conjugado, isto é, todas se movem ao mesmo tempo e de maneira igual. O acionamento é feito por um ou dois pistões hidráulicos que operam numa faixa de pressão de 20 bar nas mais antigas, até 140 bar nos modelos mais novos. O distribuidor controla a potência da turbina, pois regula vazão da água. É um sistema que pode ser operado manualmente ou em modo automático, tornando o controle da turbina praticamente isento de interferência do operador. 2.4.Rotor e eixo O rotor da turbina é onde ocorre a conversão de energia hídrica em potência de eixo. 2.5.Tubo de sucção Duto de saída da água, geralmente com diâmetro final maior que o inicial, desacelera o fluxo da água após esta ter passado pela turbina, devolvendo-a ao rio parte jusante da casa de força.

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3.Tipos de Turbinas Hidráulicas De acordo com a queda d’água os principais tipos de turbina hidráulica são respectivamente: - Pelton;

- Francis;

- Kaplan;

- Bulbo

As turbinas hidráulicas podem ser classificadas como: − Turbinas de Ação (ou impulso): aquela em que o trabalho mecânico é obtido pela obtenção da energia cinética da água em escoamento através do rotor. As turbinas de ação são as do tipo Pelton.

− Turbinas de Reação (ou propulsão): são turbinas em que o trabalho mecânico é obtido pela transformação das energias cinéticas e de pressão da água em escoamento através do rotor. As turbinas de reação são as do tipo Francis e Kaplan.

3.1.Turbinas Pelton São turbinas de ação porque utilizam a velocidade do fluxo de água para provocar o movimento de rotação.São adequadas para operar entre quedas de 350 m até 10 m, sendo por isto muito mais comuns em países montanhosos.

Este modelo de turbina opera com velocidades de rotação maiores que os outros, e tem o rotor de característica bastante distintas. O que se vê é o rotor ao centro, cercado por bocais. Cada um bocal é controlado por um servo motor e tem uma válvula na forma de agulha para o controle da vazão. Os jatos de água ao se chocarem com as "conchas" do rotor geram o impulso.

simultaneamente, ou apenas cinco, quatro, etcO número normal de bocais varia de

Dependendo da potência que se queira gerar podem ser acionados os 6 bocais dois a seis, igualmente espeçados angularmente para garantir um balanceamento dinâmico do rotor.

Um dos maiores problemas destas turbinas, devido à alta velocidade com que a água se choca com o rotor, é a erosão provocada pelo efeito abrasivo da areia misturada com a água, comum em rios de montanhas. As turbinas pelton, devido a possibilidade de acionamento independente nos diferentes bocais, tem uma curva geral de eficiência plana, que lhe garante bom desempenho em diversas condições de operação.

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Turbina Pelton com um bocalTurbina Pelton com vários bocais

3.2.Turbinas Francis Tem sido aplicada largamente, pelo fato das suas características cobrirem um grande campo de rotação específica. Atualmente se constroem para grandes aproveitamentos, podendo ultrapassar a potência unitária de 750 MW.

É uma típica turbina de reação, pois recebe água sob pressão na direção radial e descarrega numa direção axial, havendo transformação tanto de energia cinética como de energia de pressão em trabalho.

A vazão trazida até a turbina pelo conduto forçado é dirigida em direção radial para a roda e, ao sair, ganha uma direção axial indo para o canal de fuga através do tubo de sucção.

A roda Francis apresenta um íntimo contato com a água que percorre os seus canais, não sendo, por isto, recomendável o seu emprego em usinas cuja água possua alto teor de sólidos em suspensão, que acarretam excessivo desgaste da roda por erosão.

As turbinas Francis podem ser instaladas de eixo horizontal ou vertical, sendo este ultimo mais comum nas usinas de grande potencia.

As turbinas Francis, relativamente às Pelton, têm um rendimento máximo mais elevado, velocidades maiores e menores dimensões.

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Turbina Francis.

3.3.Turbinas Kaplan e Hélice São turbinas de reação, adaptadas às quedas fracas e caudais elevados. São constituídas por uma câmara de entrada que pode ser aberta ou fechada, por um distribuidor e por uma roda com quatro ou cinco pás em forma de hélice. Quando estas pás são fixas diz-se que a turbina é do tipo Hélice. Se as pás são móveis, o que permite variar o ângulo de ataque por meio de um mecanismo de orientação que é controlado pelo regulador da turbina, diz-se que a turbina é do tipo Kaplan.

As Kaplans também apresentam uma curva de rendimento "plana" garantindo bom rendimento em uma ampla faixa de operação.

As turbinas Kaplan e Hélice têm normalmente o eixo vertical, mas podem existir turbinas deste tipo com eixo horizontal, as quais se designam por turbinas Bulbo.

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3.4.Turbinas Bulbo Operam em quedas abaixo de 20 m. Foram inventadas na década de 30 e aplicadas na década de 1960, na França, para a usina maremotriz de La Rance e depois desenvolvidas para outras finalidades. Possui a turbina similar a uma turbina Kaplan horizontal, porém devido à baixa queda, o gerador hidráulico encontra-se em um bulbo por onde a água flui ao seu redor antes de chegar às pás da Turbina.

No Brasil as Usinas de Santo Antônio e Jirau, a fio d’água, em construção no rio

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