Introdução
Este artigo aborda os tipos de turbinas hidrelétricas, seus projetos, classificações e aplicações típicas. As turbinas de impulso e reação são analisadas, assim como as características de cada uma. As Francis, Kaplan e Pelton turbinas hidráulicas são discutidas em detalhe, juntamente com seus princípios de funcionamento.
Breve Aula de História
As rodas d'água são precursoras das modernas turbinas hidrelétricas. O equivalente moderno de uma roda d'água é chamado de ‘rotor de turbina’. Os projetos dos rotores de turbina evoluíram significativamente ao longo dos séculos, mas seu propósito permanece o mesmo: converter energia potencial em energia mecânica. Esta energia mecânica pode ser utilizada para realizar trabalho útil, como acionar impulsores de bombas ou rotores em geradores elétricos. Neste vídeo, vamos focar nos projetos comuns de rotor de turbina hidrelétrica utilizados na indústria de engenharia de energia.
Roda d'Água
Rotores de Turbina Comuns
Os três rotores de turbina mais comuns são os rotores de turbina Francis, Kaplan e Pelton. As turbinas Francis e Pelton foram inventadas no século XIX por James Francis e Lester Pelton, respectivamente. O tipo de rotor de hélice de passo variável foi inventado por Victor Kaplan no início do século XX. Existem rotores do tipo hélice fixa, mas apenas o tipo de hélice de passo variável é referido como rotor de turbina Kaplan. Existem outros projetos de rotores, como os designs Deriaz e de fluxo cruzado, mas estes são menos comuns. Cada rotor possui diferentes características operacionais e é adequado apenas para determinadas alturas e taxas de fluxo; no entanto, é possível que vários projetos de rotores sejam adequados para uma aplicação compartilhada.
Classificação de Rotores de Turbina Hidrelétrica
Os rotores de turbina hidrelétrica podem ser categorizados de várias maneiras:
-
Os três projetos comuns de turbinas hidrelétricas são os designs Kaplan, Pelton e Francis.
-
Existem turbinas de reação (Kaplan e Francis) e de impulso (Pelton), que são respectivamente de pressão e sem pressão.
-
Pelo tipo de fluxo através ou sobre as lâminas ou caçambas do rotor (axial, misto, tangencial e radial).
-
Pela taxa de fluxo volumétrico alimentada ao rotor.
-
Pela velocidade específica do rotor.
-
Pela carga de pressão operacional.
Gostando deste artigo? Então, não deixe de conferir nosso Curso em Vídeo sobre Usinas Hidrelétricas! O curso tem um quiz, manual e você receberá um certificado ao concluir o curso. Aproveite!
Classificação por Energia
As turbinas de reação são turbinas do tipo pressão e dependem de um corpo contínuo de água da água de cabeceira para a água de cauda. As turbinas de reação usam a forma das lâminas do rotor para criar um diferencial de pressão entre os lados de sucção e descarga das lâminas. A mudança de pressão através das lâminas representa a quantidade de energia que é convertida em energia mecânica, embora a energia cinética também seja convertida em energia mecânica por este tipo de turbina. Os rotores Francis e Kaplan são do tipo reação.
Princípio de Funcionamento da Turbina de Reação
As turbinas de impulso são turbinas do tipo sem pressão. As turbinas de impulso dependem de jatos de água que são direcionados tangencialmente para caçambas. À medida que a água impacta cada caçamba, as caçambas se afastam de cada jato e o torque é aplicado ao eixo do rotor, fazendo-o girar. Os rotores de turbina Pelton podem ser acionados por um ou vários jatos de água. O rotor Pelton é o tipo mais comum de rotor de impulso.
Princípio de Funcionamento da Turbina de Impulso
Classificação por Fluxo
Os rotores podem ser classificados como de fluxo axial, misto, radial, cruzado ou tangencial. Onde a água flui paralelamente ao longo do rotor, é um rotor de fluxo axial. Onde a água flui radialmente através do rotor, seja para dentro ou para fora, é um rotor de fluxo radial. Rotores que utilizam tanto fluxo axial quanto radial são chamados de rotores de fluxo misto. Na prática, os rotores do tipo reação são geralmente de fluxo axial ou misto. Os rotores Kaplan são classificados como rotores de fluxo axial, enquanto os rotores Francis são classificados como rotores de fluxo misto. Os rotores Pelton são de fluxo tangencial, porque a água atinge as caçambas tangencialmente. Os rotores de turbina de fluxo cruzado são categorizados como usando fluxo transversal, porque a água flui de um lado do rotor e sai pelo outro.
Classificação por Velocidade
A velocidade específica é dada em rotações por minuto (rpm), e está relacionada à velocidade do rotor caso ele seja reduzido a um tamanho onde gere uma unidade de potência. Reduzir o rotor a um tamanho onde gere apenas uma unidade de potência nos permite comparar a velocidade específica de rotores de turbina de diferentes designs.
-
Turbinas de baixa velocidade específica são aquelas com uma velocidade específica de menos de 50.
-
Turbinas de média velocidade específica têm uma velocidade específica de entre 50 a 250.
-
Turbinas de alta velocidade específica operam a velocidades específicas acima de 250.
Classificação por Carga de Pressão
A carga de pressão é medida pela diferença de elevação entre a água de cabeceira e a água de cauda. Uma turbina de baixa carga tem uma carga operacional de 30m ou menos, uma turbina de média carga tem uma carga operacional entre 30 a 300m, e uma planta de alta carga tem uma carga operacional acima de 300m.
Fatores que Afetam a Eficiência
Independentemente do design do rotor da turbina, a quantidade de energia potencial que pode ser convertida em energia mecânica depende de três variáveis principais:
-
Carga disponível
-
Taxa de fluxo
-
Eficiência do rotor da turbina
A carga é a diferença de elevação entre a água de cabeceira e a água de cauda. A taxa de fluxo é determinada pela área da seção transversal dos condutores de água e pela velocidade do fluxo. A eficiência da turbina depende do design e da aplicação do rotor da turbina; se o rotor correto for usado para a aplicação correta, eficiências acima de 90% podem frequentemente ser alcançadas para todos os designs comuns de rotores.
Rotores de Turbina Hidráulica
Turbinas de impulso, turbinas de reação e os três designs mais comuns de rotores de turbina hidráulica foram brevemente discutidos. Este artigo agora examinará cada design de rotor em mais detalhe.
Turbinas Francis
Os rotores Francis consistem em uma série de lâminas fixas conectadas a uma coroa do rotor na parte superior e a uma faixa do rotor na parte inferior. Este tipo de rotor converte tanto energia de pressão quanto energia cinética em energia mecânica.
Princípio de Funcionamento da Turbina Francis
A aparência dos rotores Francis pode variar consideravelmente, isso se deve às condições e à velocidade em que o rotor deve operar. Os rotores Francis têm uma ampla faixa operacional e podem ser usados para muitas aplicações de carga e fluxo, o que os torna um tipo muito comum de rotor.
Ao contrário de outros designs de rotores de turbina, a turbina Francis não reduz marcadamente em eficiência até que a carga se reduza para cerca de 40%, e possui a característica única de poder atuar tanto como bomba quanto como turbina.
Rotor de Turbina Francis
Os rotores Francis podem ser usados em uma ampla gama de pressões e taxas de fluxo; eles têm sido usados para aplicações que excedem 800 MW.
Turbinas Kaplan
Os rotores Kaplan consistem em uma série de lâminas montadas em um cubo central. Cada lâmina pode girar dentro de sua montagem, o que significa que o passo é ajustável; este é o fator diferenciador entre turbinas Kaplan e turbinas do tipo hélice fixa. Tipicamente, as turbinas Kaplan utilizam entre três a seis lâminas, embora até dez lâminas sejam possíveis. As lâminas de passo ajustável podem ser usadas para regular a velocidade de rotação do rotor e, assim, também regular a quantidade de energia potencial que pode ser extraída da água em fluxo.
Princípio de Funcionamento da Turbina Kaplan
As turbinas Kaplan são usadas para aplicações de baixa carga onde há uma taxa de fluxo média a alta; isso as torna uma escolha ideal para usinas hidrelétricas de passagem e de maré. Os rotores Kaplan têm sido usados para aplicações que excedem 200 MW.
Rotor de Turbina Kaplan
Turbinas Pelton
Os rotores Pelton têm a aparência mais distintiva de todas as turbinas hidrelétricas. A periferia externa do rotor contém uma série de caçambas conectadas a um disco circular. Um jato de água é pulverizado nessas caçambas a partir de um bico de pulverização, e a força impulsiva resultante aplicada ao rotor faz com que ele gire. O número de jatos depende do tamanho do rotor Pelton, embora tipicamente entre um a seis jatos sejam usados.
Princípio de Funcionamento da Turbina Pelton
Uma ‘agulha’ é usada para iniciar, parar e regular o fluxo de água através do bico. A agulha é um item em forma de cone que pode ser inserido ou retraído no bico para regular o fluxo; geralmente é acionada manualmente ou eletricamente. É o bico que converte a energia de pressão da água em energia cinética, que é então convertida em energia mecânica pelo rotor. Note que o rotor Pelton não converte energia de pressão em energia mecânica, pois opera sob condições atmosféricas. Em vez disso, a água é descarregada das caçambas do rotor Pelton diretamente para um poço de descarga, depois para a canal de fuga.
As turbinas Pelton podem ser instaladas com uma orientação horizontal ou vertical. Unidades menores tendem a ser instaladas com uma orientação horizontal, enquanto unidades maiores são instaladas com uma orientação vertical.
As turbinas Pelton são usadas apenas para aplicações de alta carga e baixo fluxo. Os rotores Pelton têm sido usados para aplicações que excedem 400 MW.
Resumo
Neste artigo, aprendemos como funcionam as turbinas de impulso e reação. Aprendemos como funcionam as turbinas Francis, Kaplan e Pelton, e para qual aplicação cada turbina é adequada.
O conteúdo deste artigo é retirado do nosso Curso de Introdução à Engenharia de Usinas Hidrelétricas.
Recursos Adicionais
https://en.wikipedia.org/wiki/Water_turbine