Hidraulica Dimensionamento Turbinas (1)

INSTITUTO FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE  –  IFRN  IFRN CAMPUS JOÃO CÂMARA TECNOLOGIA EM ENERGIAS RENOVÁVEIS DISCIPLINA: DISCIPLINA: SISTEMAS DE ENERGIA HIDRÁULICA DOCENTE: GÊNNISSON CARNEIRO

JACKELINE CLEMENTINO WALTER JEFFERSON

DIMENSIONAMENTO DIMENSIONAMENTO DE TURBINAS HIDRÁULICAS

MARÇO, 2015

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1. INTRODUÇÃO As turbinas hidráulicas são máquinas utilizadas para converter a energia mecânica em energia elétrica por meio da pressão e energia cinética da água o que corresponde a energia hidráulica. De acordo com suas funcionalidades, existem as turbinas de ação utilizadas para maiores alturas e baixas vazões e as turbinas de reação que são usadas em menores alturas e altas vazões. As turbinas hidráulicas são classificadas em: 

Pelton;



Francis;



Kaplan;



Bulbo;



Straflo;



Propeller;

De acordo com o princípio de funcionamento de uma turbina hidráulica, tem-se que, segundo o autor, em toda turbina a água vem de um reservatório ou canal de nível mais elevado e com maior energia e escapa para um canal de nível mais baixo. A água de entrada é levada através de um duto fechado até um conjunto de lâminas curvas (palhetas), bocais ou injetores que transferem a energia da água para um rotor. Em consequência consequência a pressão e/ou a velocidade da água na saída são menores do que na entrada. A água que sai da turbina é conduzida por um duto, ou tubo de sucção, até o reservatório ou canal inferior. Algumas palhetas são estáticas, outras são fixas no rotor; ambas podem ser ajustáveis para controlar o fluxo e a potência gerada gerada ou a velocidade de rotação. O tubo de sucção geralmente tem diâmetro final maior que o inicial para reduzir a velocidade da água antes de despejá-la no canal inferior. As principais causas da baixa eficiência nas turbinas são as perdas hidráulicas (a energia cinética da água na saída da turbina) e as  perdas mecânicas (atrito nos mancais, que converte parte da energia extraída da água em calor). A eficiência típica de uma turbina moderna varia entre 85% e 95%, dependendo da vazão de água e da queda. Para maximizar a eficiência, grandes turbinas hidráulicas são em geral projetadas especificamente para as condições de queda e vazão onde serão instaladas.

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mais viável para o projeto em questão conforme a tabela 1. A partir dessa escolha é feito os cálculos de dimensionamento para o tipo de turbina.

Figura 1: Tabela para seleção do tipo de turbina

2. CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS DE PROJETO E DIMENSIONAMENTO: A seguir serão dimensionados três projetos de turbinas hidráulicas.

2.1 PROJETO 1:

                

Altura de queda: Vazão:

Rotação real:

Potência efetiva: 

Calculando a rotação específica:

 √ √    √  √  √            √          √       

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2.1.1 Características e funcionamento As turbinas do tipo Francis são adequadas para trabalhar com médias vazões e médias alturas. E são turbinas de reação, ou seja, produz o trabalho mecânico por meio da transformação da energia cinética e de pressão da água de escoamento através do rotor. As turbinas Francis possuem subtipos que são Francis caixa espiral, Francis caixa aberta e Francis dupla. A turbina Frances possui as seguintes partes: 

Caixa espiral;



Distribuidor;



Rotor;



Tubo de sucção; E funciona da seguinte maneira: A água entra na turbina pela entrada da caixa em espiral e passa pelo

distribuidor que possui pás distribuidoras ajustáveis que proporcionar a descarga correspondente correspondente à potência exigida, com o ângulo mais adequado para a entrada da água no rotor no qual a água anda simultaneamente em todas as pás e há uma variação de 90º no escoamento entre a entrada e a saída. Na saída da água possui um tubo de sucção que, segundo SOARES, permite que a água escoe de forma contínua ao invés de se descarregada livremente na atmosfera. Isso implica em um ganho na energia cinética na saída do rotor e também, num ganho do desnível topográfico entre saída do rotor e o nível da água no poço.

Figura 2: Esquema de uma turbina Francis

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2.1.2 Dimensionamento 

Valores dos coeficientes

   e

Gráfico 1: Gráfico

    x

.

encontrar o valor de

O valor de



 é encontrado cruzando os valores até a curva do gráfico, logo:

  Gráfico 2: Gráfico

   

encontrar o valor de

Do mesmo modo que encontra



para



, então:

         

Diâmetros principais internos,

 e

:

x

.

para

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          √                               √            Projeção vertical da entrada do rotor, :



Gráfico 3: Gráfico

 x    . 

para

encontrar a relação

 

Para encontrar a relação , cruzam-se os valores até a curva do gráfico, portanto:



 

Logo, o valor de  é:



 Número de pás  (para este caso que se trata de turbina Francis normal ou lenta):



          

 deve estar em cm , então:

           

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                                                                      





Rendimento total

:

 Número característico característico de Bovet

                        

Raio de entrada superior

Velocidade angular:

 

:

:

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

                                                                                        Altura do filete externo :

o



:

Altura do filete interno :

o



Altura real do filete externo

Altura real do filete interno

:

Raio do ponto onde começa a curvatura da linha externa

:

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                                                                               √                     



Ordenada

:

2.2 PROJETO 2:

               

Altura de queda: Vazão:

Rotação real:

Potência efetiva:

Calculando a rotação específica:

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2.2.1 Características e funcionamento As turbinas Pelton trabalham com velocidades de rotação mais alta que os outros tipos. Elas são adequadas para operar entre quedas de 350 m até 1100 m. As partes de uma turbina Pelton são: 

Distribuidor;



Rotor;



Defletor de jato;



Bocal de frenagem;



Agulha;



Injetor de agulha;



Mancal de escora;

 Nesse tipo de turbina não há palhetas estáticas e sim um conjunto de bocais ou injectores, cada qual com uma agulha móvel (semelhante a uma válvula) para controlar a vazão. Nessas turbinas, a pressão da água é primeiramente transformada em energia cinética pelo bocal, que acelera a água até uma alta velocidade. O jato d'água é dirigido  para uma série de conchas curvas curvas montadas montadas em torno do rotor.

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2.2.2 Dimensionamento 

Velocidade do jato



:

                                             √      √      √          √                                                                

 Número de jatos :

 deve estar em pés. Sabendo que



Diâmetro do jato

Sendo que

, então:

:

 é a vazão do projeto dividida pelo número de jatos:

Diâmetro máximo do jato

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                                                ou





Diâmetro da roda :

 Número de pás pás : o  Número mínimo de pás pás

:

 é o raio da roda:

Por segurança, recomenda-se adotar que o número de pás Z seja 1,15 a 1,5 vezes



:



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                                                       

o

Excesso de gume

:

o

Profundidade :

o

Largura do rasgo :

o

Ângulo do gume central :

o

Ângulo de inclinação da aresta da concha :

Varia entre 15° a 25º, então o

Ângulo :

.

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



Com os valores da rotação específica ( ), da altura de queda (H) e analisando a figura 1, o tipo de turbina para este caso é uma turbina tur bina KAPLAN.

2.3.1 Características e funcionamento Turbinas Kaplan são adequadas para operar em quedas até 60 m. Elas apresentam eficiência constante em ampla faixa de operação. O que difere as turbinas Kaplan e Francis é o rotor, que se assemelha a um propulsor de navio. O ângulo de inclinação das pás é controlado por pistões hidráulicos, normalmente em conjunto com as palhetas de distribuição. Há duas variantes da turbina Kaplan: a turbina Bulbo e a turbina Hélice. Tem outras duas que também se assemelham à Kaplan que são a turbina Straflo e a turbina Propeller. As partes de uma turbina Kaplan são: 

Distribuidor;



Pás também chamadas de diretrizes;



Rotor



Cubo do rotor;



Ogiva;



Tubo de sucção;



Caixa espiral.

As turbinas Kaplan são do tipo axial, de reação e ação total. No quesito axial,

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2.3.2 Dimensionamento 

 

Diâmetros  e : o Diâmetro externo do rotor

o

                                            

Diâmetro do cubo

:

:

Figura 5: Diâmetros do Rotor.

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O número de pás é dado a partir do valor da altura de queda do projeto. Veja tabela abaixo:

H (m) 10 < H < 21 12 < H < 23 15 < H < 35 H > 35

Z (número de pás) 4 5 6 8

Tabela 1: Número de pás para determinados valores de altura de queda.

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Sabendo que a altura de queda do projeto é





, então:

Passo entre as pás, medida no raio médio :

Comprimento das pás (corda) : o Fator de relação entre a rotação específica e o comprimento:

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



Rendimento hidráulico : o

Rendimento total

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:

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O rendimento hidráulico  é 3% a 5% maior que o rendimento total, portanto: Para





,

Velocidade periférica absoluta

:

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Cálculo do coeficiente de sustentação



:

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Coeficiente de sustentação da grade

:

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