Introdução
Uma turbina Pelton é um tipo de turbina hidrelétrica utilizada na indústria de geração de energia. Diferentemente da turbina Francis e da turbina Kaplan, as turbinas Pelton são do tipo impulso.
Embora as turbinas Pelton sejam altamente eficientes, elas não são tão comuns quanto as turbinas Kaplan e Francis porque a turbina Pelton requer uma queda de pressão muito alta (diferença de elevação entre o reservatório superior e inferior) para operar; isso limita seu uso a certas áreas geográficas.
Usinas hidrelétricas fazem parte do setor de energia renovável e são classificadas como uma forma de geração de energia 'verde'.
História
A turbina Pelton foi inventada por Lester Allan Pelton na década de 1870. Lester Pelton não foi o primeiro a tentar usar energia de impulso para acionar uma turbina de água, mas foi o primeiro a criar uma turbina de água de impulso eficiente.
Design Original de Lester Pelton
Turbinas de Impulso
Turbinas de impulso convertem energia cinética em energia mecânica. A parte da turbina que converte energia cinética em energia mecânica é conhecida como rotor. A parte da turbina que converte energia mecânica em energia elétrica é conhecida como gerador.
O rotor Pelton consiste em uma série de caçambas curvas montadas na periferia externa de uma roda de formato redondo. Por essa razão, um rotor Pelton às vezes é chamado de roda Pelton.
Gostando deste artigo? Então não deixe de conferir nosso Curso em Vídeo sobre Usinas Hidrelétricas! O curso inclui um quiz, manual, e você receberá um certificado ao concluir o curso. Aproveite!
Componentes da Turbina Pelton
Caçambas
As caçambas, ou lâminas de impulso, são moldadas em duas formas de copo adjacentes. Essas caçambas 'capturam' o jato de água e direcionam o fluxo gradualmente para trás. Devido ao design das caçambas, quase toda a energia cinética da água é aproveitada como torque antes da descarga.
Roda
A roda Pelton é muito pesada e atua como um volante. Um volante armazena energia rotacional e resiste a mudanças na velocidade de rotação. A quantidade de energia armazenada no volante é proporcional ao quadrado de sua velocidade de rotação.
Eixo de Transmissão
O eixo de transmissão conecta o rotor da turbina ao gerador, permitindo converter a energia mecânica do rotor em rotação em energia elétrica. As turbinas Pelton podem ser usadas como motores primários para outros equipamentos rotativos também, como uma bomba mecânica.
Lança/Agulha
A lança/agulha controla o fluxo de água através do bico e, assim, a quantidade de força exercida sobre a roda. Nem todas as rodas Pelton possuem uma lança ou agulha.
Ajustador de Lança
O ajustador de lança pode ser operado manualmente, eletricamente ou hidraulicamente. Grandes turbinas Pelton acionam o ajustador de lança apenas hidraulicamente.
Como Funcionam as Turbinas Pelton
A água é entregue através de um condutor de água pressurizado conhecido como adutora. A adutora forma o lado de sucção da turbina e conecta o reservatório superior à turbina. No final da adutora há um bico de pulverização.
O bico de pulverização converte a energia potencial da água em energia cinética, essa energia cinética se manifesta como um jato de água de alta velocidade que é pulverizado para fora do bico em direção às caçambas do rotor Pelton. O jato de água impacta na superfície interna de cada caçamba tangencialmente.
Cada caçamba consiste em duas metades separadas por uma alta crista, conhecida como divisor. O divisor divide o jato de água para que o fluxo para ambos os lados da caçamba seja uniforme. Uma entalhe em cada caçamba permite que o jato de água flua para cada caçamba em um ângulo ideal. A forma de colher da caçamba faz com que a energia cinética do jato de água seja convertida em energia mecânica gradualmente, à medida que a água completa uma curva de 180 graus na caçamba. A energia mecânica se manifesta como torque no eixo do rotor, o que faz o rotor girar. Após sair da caçamba, a água é descarregada através de um poço de descarga.
Como o rotor Pelton está conectado em um eixo comum a um gerador, o gerador começa a gerar eletricidade assim que o rotor gira. O gerador converte a energia mecânica fornecida pelo rotor em energia elétrica, que pode então ser transferida através de uma rede elétrica para os consumidores finais.
Rede Elétrica
Controle de Fluxo
Uma agulha (ou lança) regula o jato de água do bico. A agulha pode ser retraída para permitir fluxo total, ou pressionada contra o bico para interromper completamente o fluxo. Em caso de emergência, a água pode ser pulverizada na parte traseira das caçambas do rotor para pará-lo.
Impulso Explicado
Força aplicada ao longo de um período de tempo é conhecida como impulso. O impulso é aplicado às caçambas do rotor durante todo o tempo em que o jato de água impacta na caçamba. O impulso faz com que o rotor Pelton gire ao mudar seu momento. Devido à natureza do impulso, uma grande força aplicada por um curto período de tempo causará a mesma mudança de momento que uma pequena força aplicada por um longo período de tempo. Como o impulso é usado para mudar o momento das turbinas Pelton, elas são classificadas como turbinas de impulso e as caçambas também são chamadas de lâminas de impulso.
Caçambas da Turbina Pelton
Características Interessantes
As turbinas Pelton são adequadas para aplicações de alta queda e baixo fluxo. Normalmente, são instaladas em áreas onde quedas súbitas de elevação são uma característica natural do terreno local.
Faixas de Fluxo e Queda de Turbinas Hidráulicas
O rotor Pelton gira no ar, sob condições atmosféricas, portanto, as turbinas Pelton são turbinas sem pressão.
A maioria das turbinas Pelton usa entre um a cinco bicos.
É possível montar um ou múltiplos rotores Pelton em um único eixo.
A eficiência das turbinas Pelton frequentemente excede 90% quando as condições de operação adequadas são atendidas.
Ao contrário das turbinas de água de reação, as turbinas Pelton não requerem tubo de sucção porque operam em um ambiente sem pressão.
As turbinas Pelton podem ser orientadas horizontalmente ou verticalmente. Unidades menores tendem a ser orientadas horizontalmente, enquanto unidades maiores tendem a ser orientadas verticalmente.
As turbinas Pelton podem ser grandes. Os maiores rotores Pelton do mundo têm um diâmetro de 4,6 metros e operam com uma queda de mais de 1.800 metros. Cada rotor é alimentado por uma adutora carregada a 200 bar de pressão. Cinco bicos de pulverização por rotor criam jatos de água que saem de cada bico a 192 metros/segundo. Cada rotor é classificado em mais de 400 MW.
Componentes do Modelo 3D
Este modelo 3D mostra todos os principais componentes associados a uma típica turbina hidrelétrica Pelton, incluindo:
- Entrada de Sucção
- Descarga
- Rotor Pelton (Caçambas e Roda)
- Rolamentos
- Carcaça
- Eixo de Transmissão
- Manivela de Ajuste de Velocidade
- Agulha/Lança
Recursos Adicionais
https://energyeducation.ca/encyclopedia/Pelton_turbine
https://themechanicalengineering.com/pelton-wheel-turbine
https://en.wikipedia.org/wiki/Pelton_wheel