Introdução: Turbinas Kaplan para Usinas Hidrelétricas & Energia Renovável
Turbinas Kaplan foram desenvolvidas pela primeira vez em 1913 pelo professor austríaco Viktor Kaplan. A turbina Kaplan se diferencia das turbinas de hélice de pás fixas porque suas pás podem ser ajustadas em seus suportes; a turbina Kaplan é, portanto, uma turbina de passo variável. Este tipo de turbina tem sido amplamente utilizado nos últimos 100 anos devido à sua alta eficiência operacional mesmo em baixas quedas de pressão.
As turbinas Kaplan convertem energia potencial em energia mecânica. Este tipo de turbina é classificado como uma turbina de reação, pois opera dentro de um sistema de pressão e depende de um fluxo contínuo de água do lado de sucção para o lado de pressão da turbina.
Devido à capacidade da turbina Kaplan de operar eficientemente em baixas quedas de pressão, elas são particularmente adequadas para usinas de fio d'água e usinas de geração de marés; esses tipos de usinas pertencem ao setor de energia renovável (‘verde’).
A turbina Kaplan é muito semelhante em design à hélice de um navio. Comparadas a outros motores primários, como turbinas a vapor ou motores de combustão, as turbinas hidráulicas têm baixas velocidades de operação, tipicamente menos de 400 rpm.
Hélice de Navio
As turbinas Kaplan podem ser grandes. As maiores turbinas Kaplan do mundo têm 8,6m de diâmetro e operam com uma queda nominal de 34m. Apesar dessa pequena queda de pressão, cada turbina gera 230 MW.
Quais são as principais partes de uma turbina Kaplan?
Uma turbina de hélice consiste em um cubo, pás e eixo. Um rotor típico geralmente tem três a seis pás com o diâmetro total do rotor variando de dois a 11 metros. Com as turbinas Kaplan, as pás se conectam a um cubo central que abriga os mecanismos necessários para girar as pás, mas não há outras diferenças entre uma turbina de hélice de pás fixas e uma turbina Kaplan.
Um caracol - também conhecido como espiral - é usado para fornecer um fluxo uniforme de água para todo o rotor. O fluxo uniforme é alcançado devido à área de seção transversal gradualmente decrescente do caracol. À medida que a área de seção transversal diminui, a velocidade da água permanece constante e um fluxo uniforme de água é entregue ao rotor.
Caracol
A comporta de regulação direciona a água em direção ao rotor Kaplan. A comporta de regulação é usada para iniciar, parar e regular o fluxo de água para o rotor.
Um tubo de sucção converte parte da energia cinética da água descarregada de volta em energia de pressão. Essa conversão aumenta a eficiência operacional geral da turbina.
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Como funcionam as turbinas Kaplan?
A água entra através de um condutor de água pressurizado, conhecido como conduto. Em seguida, flui ao longo do caracol e através da comporta de regulação. A comporta de regulação direciona o fluxo de água tangencialmente através das pás do rotor e uma força resultante é aplicada ao rotor. Essa força se aplica como torque no eixo do rotor, o que faz com que o rotor gire.
Componentes da Turbina Kaplan
A água então sai do rotor e entra no tubo de sucção, onde parte de sua energia cinética restante é recuperada como energia de pressão. Finalmente, a água é descarregada para o canal de fuga.
Observe que são apenas as pás do rotor que convertem a energia potencial e cinética da água em energia mecânica. Isso é alcançado devido à forma das pás e à diferença de pressão criada à medida que a água flui ao longo da superfície da pá.
Geração de Energia
Um eixo comum conecta o rotor a um gerador, à medida que o rotor gira, o mesmo acontece com o rotor do gerador. O rotor do gerador gira dentro de um campo eletromagnético, à medida que o rotor se move através do campo magnético, uma corrente é induzida nos enrolamentos do estator do gerador, neste ponto a energia mecânica fornecida pela turbina Kaplan foi convertida em energia elétrica. A energia elétrica agora pode ser transferida através de uma rede nacional para os consumidores finais.
Todo o processo de geração de energia é contínuo, o que leva a uma forma constante, renovável e confiável de geração de energia.
Características Interessantes
Comparadas a outros tipos de turbinas hidráulicas, como as turbinas Pelton e Francis , as turbinas Kaplan são capazes de operar em baixas quedas de pressão e altas taxas de fluxo. Eficiências operacionais superiores a 90% não são incomuns.
Faixas de Fluxo e Queda de Turbinas Hidráulicas
As turbinas Kaplan são turbinas de reação, operam com um corpo completo de água em ambos os lados de sucção e pressão da turbina. Turbinas de reação são turbinas de pressão, enquanto turbinas de impulso são sem pressão.
A água passa sobre o rotor da hélice em uma direção paralela ao eixo do rotor. Este tipo de fluxo é conhecido como fluxo axial, razão pela qual as turbinas de hélice são classificadas como turbinas de fluxo axial.
Impulsor de Fluxo Axial (Rotor)
Girar as pás do rotor Kaplan altera o ângulo de ataque (o ângulo em que a pá corta a água), o que aumenta a eficiência das turbinas ao operar em taxas de fluxo variáveis. O ângulo de ataque é referido como o passo, é aqui que a hélice de passo variável (VPP) Kaplan recebe seu nome.
Variar o passo também varia a velocidade da turbina e, consequentemente, a quantidade de energia potencial que pode ser convertida em energia mecânica. Combinado com uma comporta de regulação variável, as condições de operação de uma turbina Kaplan podem ser controladas de forma precisa para maximizar a eficiência.
Seção Transversal da Turbina Kaplan
Recursos Adicionais
https://theconstructor.org/practical-guide/kaplan-turbine-component-working/2904/
https://en.wikipedia.org/wiki/Kaplan_turbine