Apresentação Final - Turbinas Pelton

Universidade Federal de Pernambuco  –  UFPE Centro de de Tecnologia Tecnologia e Geociência Geociência - CTG

Grupo: Ebenezaide Alves

Emerson Vero Guilherme Pereira Guilherme Reis Hamilton Geum Nathalia Mota Roberto Rosseline

Disciplina: Máquinas Primárias 2 Professor: Helder Lima

Turbin Tur binas as Pel Pelton ton - Tóp Tópico icoss  

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Histórico Definições Classificação Características Princí Pri ncípio pioss de Ação Vantagens e Desvant Vantagens Desvantagens agens Aplicações

Histórico das Turbinas Pelton 

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O surgimento da Turbina Pelton se deu por   volta de 1878, quando o norte-americano Lest Le ster er Pe Pelt lton on (18 1829 29 –  190 1908) 8) ini inicio ciou u expe experim rimento entoss com rodas   d’água, utilizando um novo conc co ncei eito to ch cham amad ado o de “ splitter ”. Sua primeira aplicação real se deu quando a turbina foi conectada a uma máquina de costura, fazendo a agulha subir e descer   utiliza util izando ndo ener energia gia hid hidrául ráulica ica apen apenas. as.

Histórico das Turbinas Pelton 

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Impulsionado pelo sucesso, Pelton demonstrou sua invenção a George Allen, operador de uma fundição. Com a ajuda de Pelton, ele construiu a turbina de demonstração   “Wheel One”, e usou-a para operar algumas de suas máquinas Este novo tipo de energia hidráulica interessou muito aos donos de minas e logo se difundiu pela região do ouro.

Histórico das Turbinas Pelton 

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A patente foi concedida a Pelton em 1880, quando, juntamente com seu sócio, formou a “Pelton Water wheel Company of San Francisco” . A chegada das máquinas elétricas nas primeiras décadas do Século 20 marcou uma nova fase. Em 1887 uma turbina Pelton foi conectada a um gerador de energia elétrica e foi criada a primeira fonte de energia hidrelétrica do mundo.

Definição 

Turbina 

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É um dispositivo mecânico rotativo que extrai energia do fluxo de um fluido e a converte em trabalho útil. Este trabalho pode ser utilizado para movimentar outro equipamento mecânico rotativo como uma bomba, um compressor ou ventilador. Na geração de energia elétrica, a turbina é associada a um gerador.

Definição 

Turbina 

Os principais tipos de turbinas são: 

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Turbinas hidráulicas; Turbinas a vapor; Turbinas a gás; Turbinas aeronáuticas; Turbinas eólicas.

Turbina a vapor da Siemens

Todos esses tipos têm a mesma forma construtiva básica: um rotor dotado de certo número de pás ou palhetas ligado a um eixo que gira sobre um conjunto de mancais.

Definição 

Turbinas hidráulicas 

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São turbinas projetadas especificamente para transformar a energia hidráulica de um fluxo de água em energia mecânica na forma de torque e velocidade de rotação. As turbinas hidráulicas possuem uma grande variedade de formas e tamanhos. E dividem-se entre quatro tipos principais: 

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Pelton; Francis; Kaplan; Bulbo.

Definição 

Turbina Pelton 

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É uma turbina de ação, pois a energia hidráulica é transformada em energia cinética para, depois de incidir nas pás do rotor, transformar-se em mecânica. É a mais adequada para grandes quedas úteis ( entre 350 m e1100 m). A principal característica é a velocidade do jato na saída do bocal que, dependendo da altura de queda, pode chegar a uma velocidade de 150 m/s até 180 m/s. É também chamada de turbina de jato livre.

Classificação das turbinas 

É classificada como uma turbina de ação 

A energia hidráulica é transformada em energia cinética para, depois de incidir nas pás do rotor, transformar-se em mecânica.

Energia hidráulica • Queda de

água

Energia cinética • Incidência

nas pás do rotor 

Energia mecânica

Classificação quanto a posição do eixo  

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As turbinas Pelton podem ser de eixo horizontal ou vertical São caracterizadas por terem baixo número de rotações Eixo horizontal Geralmente utilizada para um ou dois jatos A instalação é mais econômica Fácil manutenção, É possível montar, numa mesma árvore, dois rotores Eixo vertical Geralmente utilizado para quatro ou seis jatos sobre as pás do rotor 

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Gráfico da Hitachi para escolha da turbina Pelton.

Características da turbina Pelton em função da queda e da potência.

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Número de jatos de turbina Pelton em função de H e ns.

Número de jatos em função da rotação e da queda

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Gráfico para determinação da potência, da rotação e do diâmetro do rotor da turbina Pelton em função da queda e da vazão.

Gráfico da Escher Wyss para determinação de N (MW), n (rpm) e Droda (m).

CARACTERÍSTICAS DAS TURBINAS PELTON Defletor de jato –  intercepta o jato, desviando-o

das pás quando há uma severa redução na potência demandada pela rede de energia. Agulha de fluxo (flow needle) –  serve para regulação de vazão de forma rápida, quando não há uma grande variação de fluxo. Pás –  representam a parte mais importante da turbina, pois elas são projetadas de modo a dividirem o jato em duas partes iguais. Rotor  –  como o nome já diz, é a parte girante da máquina, responsável pelo deslocamento do fluido, que possui fluxo tangencial. Bocal –  serve para direcionar o fluxo na entrada da turbina.

Potência em Turbinas Pelton 

Potência eficaz (total) –  Como há perdas nas máquinas hidráulicas, a

potência eficaz representa a potência efetiva entregue ou recebida pelo fluido, abatidas as perdas. , onde  representa a potência interna da turbina e  representa a potência mecânica perdida no processo.

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 =   − 

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A potência interna é dada por:    = γ  −   ∗  − ℎ =  ∗  ∗ 

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Potência hidráulica: produto do peso do fluido que passa na máquina por  unidade de tempo, pela altura de queda ou elevação, dada por  ℎ = .

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Potência bruta: potência contida no desnível topográfico da instalação, sendo uma função da queda bruta.   =  ∗  ∗  ∗ 

Potência no gerador elétrico:   =  ∗  ∗  ∗  ∗ η , onde η rendimento global da operação.

é o

Alturas em Turbinas Altura de queda bruta (): diferença de cotas

entre os níveis de captação da água e o poção, ou canal de fuga, quando a turbina está fora de operação (Q=0).   = 1 − 4 Altura de queda (H): é a porção da altura de queda

bruta aproveitada pela turbina, ou seja, a diferença entre a energia na entrada e na saída da turbina.   = ± 2  + .  2

Princípios de ação 

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Água entra vinda de um reservatório ou canal de nível mais elevado (e portanto com maior energia) e escapa para um canal de nível mais baixo (e portanto com menor energia). Água é levada através de um duto até um conjunto de palhetas, bocais ou injetores que transferem a energia da água para um rotor.

Em consequência a pressão e/ou a velocidade da água na saída são menores do que na entrada.

Princípios de ação 

As turbinas Pelton, têm um princípio de funcionamento diferente das demais turbinas. 

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Impulsão

Nas turbinas Pelton, não há um sistema de palhetas móveis, e sim um bocal com uma agulha móvel, semelhante a uma válvula. 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. Após passar pelo rotor, um duto chamado tubo de sucção, conduz a água até a parte de  jusante do rio, no nível mais baixo.

Princípios de ação 

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Vazão controlada pela agulha.

Controle da potência gerada e da velocidade de rotação.

Princípios de ação 

Potência gerada pela turbina:

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ρ = Densidade da água [kg/m³]

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Q = Vazão volumétrica [m³/s]

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H = Altura da queda d’água [m]

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g = Aceleração da gravidade [m²/s]

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η = Rendimento da turbina

Vantagens 

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Pode operar com água com grandes níveis de impureza (silted water). As turbinas Pelton, devido à possibilidade de acionamento independente nos diferentes bocais, têm uma curva geral de eficiência plana, que lhe garante bom desempenho em diversas condições de operação, tendo uma alta eficiência geral. São de construção e manutenção simples (pode ser feita a partir de metal, plástico, ou materiais de cerâmica) São adequadas para operar entre quedas de 350 m até 1100 m, sendo por isto, muito mais comuns em países montanhosos. Este modelo de turbina opera com velocidades de rotação maiores que os outros, então é possível conectar o gerador de forma direta, sem perdas de transmissão mecânica

Desvantagens 

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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. Há um decrescimento na eficiência com o tempo maior que nos outros tipos de turbina. Os componentes são muito grandes, gerando inconvenientes para logística e infraestrutura. Altura mínima para o funcionamento é de 20 metros. Custo de instalação inicial alto. O impacto ambiental é grande em casos de grandes centrais hidrelétricas. Quando o fluxo do rio é baixo acontece muita perda de carga.

''It is not very accurate to state a specific type of turbine’s got better efficiency over others. The optimum type of turbine depends on the operating condition imposed by your  hydraulic resource. Usually you can apply the following guidelines: If you have high head low flow choose a pelton, if you have low head

and high flow choose a Kaplan, everything else choose a Francis.'' Carlos Andres, Engenheiro Mecânico

Aplicações das Turbinas Pelton 

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Como sabemos, a Turbina Pelton é uma Turbina de ação e a sua principal característica é a velocidade do jato de água que sai do bocal. Dependendo da altura da queda e a admissão parcial dessa turbina, a velocidade do jato   d’água se encontra entre 150m/s e 180m/s. O torque então é gerado devido a ação do  jato   d’água livre atuando sobre a dupla concha do rotor. Por isso também se chama a Turbina Pelton de Turbina de jato livre.

Aplicações das Turbinas Pelton

Aplicações das Turbinas Pelton - Exemplos figurativos https://www.youtube.com/watch?v=3PoeMQeHePo

Aplicações das Turbinas Pelton 

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Normalmente as turbinas Pelton são usadas para alturas superiores a 150m e pode chegar até 2000m (mais adequadamente usadas para alturas entre 350m e 1100m), porém ela compartilha a faixa de altura até 250m com a Turbina Francis. Caso se queira utilizar a Turbina Pelton para mini e micro geração (baixas quedas, alturas menores de 20m inclusive) também é possível (É utilizada normalmente para pequenas quedas, que podem variar de 6 a 20 m).

Aplicações das Turbinas Pelton Gráfico com Aplicações de diversas Turbinas incluindo a Turbina Pelton.

Aplicações das Turbinas Pelton 

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No caso de baixa queda e grande vazão, deve-se tomar algumas previdências já que a turbina pode ser muito grande em relação a potência que vai gerar. As principais soluções são: 

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Usar mais jatos   d’água pois com o uso de mais jatos podemos admitir um menor  diâmetro do rotor para a mesma razão. Ainda, 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. Podendo ainda, duplicar uma única tubulação principal, o quão próximo da turbina possível e instalar duas turbinas independentes (Estas com geração independente).

https://www.youtube.com/watch?v=9ltp5wFipW4 https://www.youtube.com/watch?v=spAxoOrC4PA

Aplicações das Turbinas Pelton 

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É bastante comum encontrar este tipo de Turbina em várias centrais hidrelétricas espalhadas pelo Brasil. Mais comumente no ramo das pequenas centrais hidrelétricas (PCH). Mesmo assim quando comparado ao número de Turbinas tipo Kaplan e Francis, este valor ainda é bastante reduzido. A firma N.H. GERADORES Ind. e Com. Ltda (1999), localizada em Manhuaçu - MG, fabrica e instala o conjunto completo e os preços podem variar de R$ 700,00 a R$ 6.800,00 o kVA, dependendo da altura e potência das Turbinas Pelton solicitadas.

Aplicações das Turbinas Pelton 

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A maior queda em turbina PELTON situa-se na Suíça (Dixence) com 1750 m e potência de 65 MW. A maior potência é gerada no Brasil (Cubatão) com 719 m de queda e potência de 110 MW. A UHE São Bernardo em Piranguçu/MG é outro exemplo de utilização das turbinas Pelton, gerando 6,7 MW de potência.