Turbinas Hidráulicas
As turbinas hidráulicas são projetadas para transformar a energia mecânica (a energia de pressão e a energia cinética) de um fluxo de água, em potência de eixo. Atualmente são mais encontradas em usinas hidrelétricas, onde são acopladas a um gerador elétrico, o qual é conectado à rede de energia. Contudo também podem ser usadas para geração de energia em pequena escala, para as comunidades isoladas.
As turbinas hidráulicas dividem-se entre quatro tipos principais: Pelton, Francis, Kaplan, Bulbo. Cada um destes tipos é adaptado para funcionar em usinas, como 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).
Em todos os tipos 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 dela, é transferida 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.
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 PCH (Pequena Central Hidrelétrica)turbinas são fabricadas com eixo na horizontal.
Normalmente, devido ao seu alto custo e necessidade de ser instalada em locais específicos, as turbinas hidráulicas são usadas apenas para gerar eletricidade. Por esta razão a velocidade de rotação é fixada num valor constante.
A potência de uma turbina pode ser calculada pela seguinte expressão: P = ρQHgη
O índice η é a eficiência total da turbina. A eficiência é a fração da energia total da fonte de energia primária (no caso a água) que é convertida em energia útil (no caso potência de eixo). As principais causas da "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.
Tipicamente turbinas modernas têm uma eficiência entre 85% e 99%, que varia conforme a vazão de água e a potência gerada.
As turbinas hidráulicas dividem-se entre quatro tipos principais: Pelton, Francis, Kaplan, Bulbo. Cada um destes tipos é adaptado para funcionar em usinas, como 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).
Em todos os tipos 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 dela, é transferida 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.
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 PCH (Pequena Central Hidrelétrica)turbinas são fabricadas com eixo na horizontal.
Normalmente, devido ao seu alto custo e necessidade de ser instalada em locais específicos, as turbinas hidráulicas são usadas apenas para gerar eletricidade. Por esta razão a velocidade de rotação é fixada num valor constante.
A potência de uma turbina pode ser calculada pela seguinte expressão: P = ρQHgη
O índice η é a eficiência total da turbina. A eficiência é a fração da energia total da fonte de energia primária (no caso a água) que é convertida em energia útil (no caso potência de eixo). As principais causas da "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.
Tipicamente turbinas modernas têm uma eficiência entre 85% e 99%, que varia conforme a vazão de água e a potência gerada.
Turbinas Kaplan
O engenheiro austríaco Victor Kaplan (1876-1934) professor da Universidade Técnica de Brno, após estudos teóricos e experimentos, desenvolve em 1912 um tipo novo de turbina axial com rotor em forma de hélice. Este rotor possuía um sistema de orientação em suas pás, possibilitando sua regulagem independente. Atualmente este rotor é aplicado principalmente nas turbinas Tubulares "S".
O mecanismo que permite variar o ângulo de inclinação das pás conforme a descarga, sem variação notável do rendimento, fica alojado no próprio corpo do rotor com o formato de uma ogiva, e controlado pelo regulador de velocidade. Este atributo permite que possa se manter constante o rendimento da turbina, mesmo com a variação do volume da água.
O sistema apresentado por Victor Kaplan causou sensação em 1912, mesmo que inicialmente estivesse coberto de desconfiança pelos fabricantes, que a julgavam impossível de ser feita. Entretanto as vantagens do alto rendimento em quedas médias e baixas com alto volume de água, e o crescente numero de unidades instaladas com sucesso, fizeram com que as turbinas Kaplan se tornassem uma ótima opção para as Pequenas Centrais Hidrelétricas, e fundamentais para o desenvolvimento do mercado energético mundial.
Turbinas Kaplan Vertical
O conceito de máquinas Kaplan verticais é possível dentro de uma faixa de queda entre 20 m e 70 m e rotores de 3 a 8 pás cobrem toda esta faixa operacional.
Hoje são comuns rotores com diâmetros de até 10 m. As máquinas Kaplan Bulbo podem operar até quedas de 30 m com até 7,7 m de diâmetro.
As turbinas tipo Kaplan e Bulbo têm rotores e palhetas ajustáveis, mantendo alto rendimento mesmo com grandes variações de vazão e queda. Caso não exista a necessidade operacional em largas faixas de queda e vazão, rotores tipo propeller podem ser utilizados, barateando o fornecimento.
Turbinas Kaplan "S"
São adequadas para operar entre quedas de 20 m até 50 m. A única diferença entre as turbinas Kaplan e a Francis é o rotor. Este assemelha-se a um propulsor de navio (similar a uma hélice) com duas a seis as pás móveis. Um sistema de embolo e manivelas montado dentro do cubo do rotor, é responsável pela variação do àngulo de inclinação das pás. O óleo é injetado por um sistema de bombeamento localizado fora da turbina, e conduzido até o rotor por um conjunto de tubulações rotativas que passam por dentro do eixo.
O acionamento das pás é acoplado ao das palhetas do distribuidor, de modo que para uma determinada abertura do distribuidor, corresponde um determinado valor de inclinação das pás do rotor.
As Kaplans também apresentam uma curva de rendimento "plana" garantindo bom rendimento em uma ampla faixa de operação.
O acionamento das pás é acoplado ao das palhetas do distribuidor, de modo que para uma determinada abertura do distribuidor, corresponde um determinado valor de inclinação das pás do rotor.
As Kaplans também apresentam uma curva de rendimento "plana" garantindo bom rendimento em uma ampla faixa de operação.
Turbina Bulbo (Open Pit)
Preocupada com a preservação do meio ambiente, a engenharia moderna tem buscado novas alternativas para a produção de hidreletridade. Uma delas é a utilização de turbinas do tipo bulbo, que podem ser instaladas em baixíssimas quedas, a fio d’água, não sendo necessária a formação de grandes reservatórios, reduzindo assim os impactos ambientais.
Um grupo bulbo é caracterizado por possuir o conjunto turbina-gerador de eixo horizontal instalado no interior de uma cápsula denominada bulbo que, geralmente, opera submersa.
O Rotor Kaplan é o elemento rotativo da turbina onde se transforma a energia do escoamento da água em trabalho mecânico.
Com relação às pás do rotor, a maioria das turbinas bulbo possui pás móveis, como as Kaplan. Entretanto, há também construções com pás fixas, do tipo hélice. Este tipo de construção, com rotor do tipo hélice, é rara porque exige uma mínima variação do fluxo hidráulico e consequentemente, da altura da lâmina d’água. O rotor pode ser subdividido em três partes: cubo, ogiva ou cone e pás.
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).
As turbinas bulbo, devido às suas características intrínsecas, apresentam um comportamento dinâmico distinto das turbinas hidráulicas típicas. Esse comportamento decorre principalmente dos valores da constante de tempo de inércia e da constante de tempo da água.
Comparada com uma turbina hidráulica e térmica típicas, a constante de tempo de inércia de um grupo bulbo é bastante reduzida, ocasionando oscilações de curto período e amplitudes elevadas.
Observa-se também que, em função do valor reduzido da constante de tempo de inércia, diante de perturbações, o conjunto bulbo atinge rotações maiores, se comparado com os modelos típicos. A influência do valor da constante de tempo da água pode ser verificada no comportamento da potência mecânica da turbina.
Com relação ao modelo apresentado, observa-se a inserção de uma malha de controle não existente em turbinas hidráulicas convencionais, o controle das pás do rotor. Este apresenta um comportamento lento, se comparado com o controle do distribuidor, uma vez que o controle das pás do rotor tem o objetivo de dar ao conjunto o melhor desempenho para cada condição operativa.
Algumas modificações podem ser propostas ao modelo apresentado a fim de representar melhor a dinâmica de certos componentes, como uma melhor representação da relação entre a abertura do distribuidor, ângulo do rotor e a potência fornecida pela turbina, bem como na relação entre a posição das pás do rotor em função da posição do distribuidor. Testes em campo podem ser realizados para obtenção de parâmetros e verificar a fidelidade do modelo.
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