Turbinas Hidráulicas: Introdução, Funcionamento e Potencial Energético

Turbinas hidráulicas Introdução A queda de água tem sido considerada como uma fonte de energia grátis renovável Na realidade a potência produzida por turbinas hidráulicas não é gratuita os custos operacionais são baixos mas um investimento de capital considerável é necessário para preparar o local e instalar o equipamento No mínimo serviços de captação de água tubo de adução turbinas casa de máquinas e controles devem ser providenciados Uma análise econômica é necessária para determinar a viabilidade de possíveis locais de instalação Adicionalmente aos fatores econômicos as plantas hidrelétricas de potência devem também ser avaliadas pelo seu impacto no meio ambiente nos últimos anos temse descoberto que essas plantas não são completamente benignas e podem ser danosas 2 Introdução Nos idos da revolução industrial as rodas de água eram usadas para acionar moinhos de grãos e máquinas têxteis Essas usinas tinham que ser instaladas nas proximidades da queda de água o que limitava o uso da potência da água a empresas locais e relativamente pequenas A introdução da corrente alternada na década de 1880 tornou possível a transmissão de energia elétrica por longas distâncias 3 Introdução No mundo inteiro somente cerca de 30 dos recursos hidrelétricos têm sido desenvolvidos comercialmente Uma quantidade bem maior de potência hidrelétrica será provavelmente desenvolvida nas décadas vindouras à medida que os países tornaremse mais industrializados Muitos países em desenvolvimento não têm reservas próprias de combustível fóssil A potência hidrelétrica pode ajudar muito esses países a encontrar caminhos próprios para o progresso industrial Consequentemente o projeto e a instalação de usinas hidrelétricas devem ser atividades futuras importantes em países em desenvolvimento 4 Introdução Para avaliar um local propício para geração de potência hidrelétrica devese conhecer a vazão média do curso de água e a altura de carga bruta disponível para fazer uma estimativa preliminar do tipo de turbina números de turbinas e potencial de produção de potência 5 Introdução Turbinas hidráulicas convertem a energia potencial da água armazenada em trabalho mecânico A fim de maximizar a eficiência da máquina é sempre um objetivo de projeto descarregar a água de uma turbina à pressão ambiente tão próximo da elevação da corrente de água a jusante quanto possível e com o mínimo possível de energia cinética residual 6 Introdução Conduzir o fluxo de água para dentro da turbina com perda mínima de energia também é importante Inúmeros detalhes de projeto devem ser considerados tais como geometria de entrada peneiras para detritos etc O número de grandes fabricantes tem se limitado a uns poucos mas as unidades de pequeno porte têm se tornado numerosas O enorme custo de uma instalação hidrelétrica de escala comercial justifica o uso intensivo de testes com modelos em escala reduzida para o detalhamento final do projeto 7 Classificação das turbinas Turbinas de Impulsão e Reação Turbinas de impulsão são acionadas por um ou mais jatos livres de alta velocidade cada jato é acelerado em um bocal externo à roda da turbina A aceleração do fluido e a queda de pressão decorrente ocorrem em bocais externos às pás e o rotor não trabalha cheio de fluido o trabalho é extraído como um resultado da grande variação na quantidade de movimento Ex turbina Pelton 8 Turbina Pelton Turbina de impulso para altas potências hidráulicas e baixas vazões alta eficiência mesmo com variações anuais de vazão consideráveis graças à regulação da válvula de bico 9 Turbina Pelton httpswwwalterimacombrsolucoes5rodapelton 10 Classificação das turbinas Turbinas de reação parte da variação de pressão do fluido ocorre externamente e a outra parte dentro das pás móveis Ocorre aceleração externa e o escoamento é defletido para entrar no rotor na direção apropriada à medida que passa por bocais ou pás estacionárias chamadas de pás guias ou de pás diretrizes Uma aceleração adicional ao fluido relativa ao rotor ocorre dentro das pás móveis de modo que tanto a velocidade relativa quanto a pressão da corrente mudam através do rotor Turbinas de reação trabalham cheias de fluido elas podem em geral produzir mais potência para um dado tamanho total do que as turbinas de impulsão Ex turbina Francis Itaipu 11 Turbina Francis A Energia de Dois Povos 2018 httpswwwyoutubecomwatchv5Kejx8uZ9pg 13 Turbina Kaplan A entrada de água é similar à da turbina Francis contudo ela é defletida para escoar quase axialmente antes de encontrar o rotor da turbina O escoamento saindo do rotor pode passar através de um tubo de extração 14 Turbinas Máquinas para extrair trabalho de um fluido A potência hidráulica ሶ𝑊ℎ 𝜌𝑄𝑔𝐻𝑡 Onde 𝐻𝑡 𝑝 𝜌𝑔 ത𝑉2 2𝑔 𝑧 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑝 𝜌𝑔 ത𝑉2 2𝑔 𝑧 𝑠𝑎í𝑑𝑎 Eficiência da turbina 𝜂𝑡 ሶ𝑊𝑚 ሶ𝑊ℎ 𝜔𝑇 𝜌𝑄𝑔𝐻𝑡 15 Exemplo 1012 Análise ideal de uma turbina de reação Fox Em uma turbina Francis de eixo vertical a altura disponível na entrada do flange da turbina é 150 m e a distância vertical entre o rotor e o tailrace canal que transporta a água vinda da turbina é 195 m A velocidade periférica do rotor é 345 ms a velocidade da água entrando no rotor é 39 ms e a velocidade da água saindo do rotor é constante e igual a 105 ms A velocidade de escoamento na saída do tubo de sucção é 345 ms As perdas de energia hidráulica estimadas da turbina são iguais a 6 m na voluta 105 m no tubo de sucção e 99 m no rotor Determine a altura de carga em relação ao tailrace na entrada e na saída do rotor o ângulo do escoamento na entrada do rotor e a eficiência da turbina 16 Análise ideal de uma turbina de reação 17 Características de funcionamento de turbinas hidráulicas Capacidade instalada para geração de energia elétrica por meio de centrais hidrelétricas no Brasil 2010 80 518 MW Produção anual Brasil 411 100 GWh 1GWh 36 x 1012 J 749 da energia total gerada no país Potencial elétrico brasileiro 263 000 MW Energia de baixo impacto ambiental comparada com combustíveis fósseis e as centrais nucleares Aspectos técnicos econômicos ambientais e sociais para a implantação de qualquer método de obtenção de energia 18 Centrais hidrelétricas Energia hidráulica mares rios e arroios potencial ou cinética trabalho útil Desníveis naturais ou criados artificialmente energia contida em cursos dágua perdida por atrito com a rugosidade do leito do rio em redemoinhos meandros ou mesmo no arraste de pedra e areia Centrais com turbinas hidráulicas são classificadas pela Eletrobrás 2000 de acordo com sua potência em Microcentrais P 100 kW Minicentrais P 100 a 1 000 kW Pequenas centrais P 1 000 a 30 000 kW Médias centrais P 30 000 a 100 000 kW Grandes centrais P 100 000 kW 19 Partes de uma central hidrelétrica 20 Minicentral hidrelétrica do Parque das Cachoeiras São Francisco de Paula RS Partes de uma central hidrelétrica Barragem dam tem por finalidade o aumento do desnível de um rio para produzir uma queda a criação de um grande reservatório capaz de regularizar as vazões ou simplesmente o levantamento do nível dágua para possibilitar a entrada da água em um canal em um túnel em uma tubulação adutora ou em um conduto forçado Tomada dágua intake tem por finalidade captar e permitir o acesso da água à tubulação que a conduzirá à turbina inclui normalmente grades para impedir a entrada de troncos de madeiras galhos de árvores ou quaisquer outros corpos estranhos transportados pelo curso dágua e que possam danificar as turbinas comportas de serviço para impedir a entrada da água em caso de revisão ou consertos Comportas de emergência stoplogs para o fechamento da tomada dágua no caso de manutenção de comporta de serviço 21 Partes de uma central hidrelétrica Casa de força power house onde se encontram instalados a turbina e o gerador Conduto forçado penstok conduz a água até a casa de força por uma tubulação submetida à pressão interna Chaminé de equilíbrio standpipe impede que a onda de sobrepressão da tubulação provocada pelo golpe de aríete se propague pelo trecho de baixa pressão da tubulação construído com material menos resistente e de menor custo e fornecer um rápido suprimento de água à turbina no caso de um brusco aumento da carga dos geradores Câmara de carga constituída por uma expansão da extremidade do canal de maneira a formar um pequeno reservatório conectado à extremidade superior do conduto forçado 22 Partes de uma central hidrelétrica Tubo de sucção draft tube tubulação de descarga em forma de difusor onde a água é restituída em turbinas de reação no caso de turbina Pelton a água é restituída a um canal de fuga ou à calha natural do rio A altura de queda disponível ou salto energético específico fornecido à turbina expressa em altura de coluna dágua H é calculada por 𝐻 𝐻𝐺 𝐻𝑃 Onde H altura de queda disponível m 𝐻𝐺 altura de queda geométrica m 𝐻𝑃 perda de carga na tubulação ou perda de energia por atrito da água com as paredes da tubulação m 23 Golpe de aríete water Hammer Elevação ou redução brusca de pressão que ocorre no escoamento variável produzido pela interrupção brusca do escoamento de um líquido e na qual é importante considerar não só a compressibilidade do líquido considerado como um fluido incompressível na quase totalidade das aplicações em hidráulica como também pela deformabilidade das paredes da canalização que o conduz Há uma conversão de energia de velocidade da corrente líquida estancada em energia de pressão que por sua vez se transforma em trabalho de deformação da canalização e do líquido em escoamento No caso das turbinas hidráulicas o escoamento variável é causado pela alteração da vazão absorvida pela turbina na partida e na parada ou durante a operação pela necessidade de adaptar a potência gerada pela turbina à demanda do sistema elétrico que o seu gerador está alimentando 24 Sistema de Regulagem da Turbina Aagulha varia ograu de abertura para regulagemda vazão e o defletor impede um aumento excessivo da velocidadederotaçãodaturbinaedasobrepressãopor causadogolpedearíete 25 Características de desempenho para turbinas hidráulicas Procedimento de teste para turbinas é similar ao de bombas exceto que um dinamômetro é usado para absorver a potência produzida pela turbina enquanto a velocidade e o torque são medidos Turbinas são construídas geralmente para operar a uma velocidade constante que é uma fração ou um múltiplo da frequência da potência elétrica a ser produzida Os testes de turbinas são conduzidos à velocidade constante sob carga variável enquanto simultaneamente o consumo de água é medido e a eficiência é calculada 26 Turbina de impulsão A turbina de impulsão é uma turbomáquina relativamente simples As turbinas de impulsão são escolhidas quando a altura de carga disponível excede cerca de 300 m Uma turbina de impulsão é suprida com água com altura de carga elevada por meio de um longo duto chamado tubo de adução ou adutor A água é acelerada através de um bocal e descarregada como um jato livre de alta velocidade à pressão atmosférica 27 Turbina de impulsão O jato chocase contra pás em forma de concha montadas na periferia de uma roda giratória A energia cinética do jato é transferida enquanto ele é defletido pelas pás A potência gerada pela turbina é controlada para velocidade do jato essencialmente constante pela variação da vazão da água atingindo as pás A água descarregada da roda a uma velocidade relativamente baixa cai dentro do coletor 28 Turbina de impulsão A figura ilustra a instalação de uma turbina de impulsão e as definições das alturas de cargas bruta e líquida A altura de carga bruta disponível é a diferença entre os níveis do reservatório de alimentação e do coletor A altura de carga efetiva ou líquida H usada para calcular eficiência é a altura de carga total na entrada do bocal medida na elevação da linha de centro do bocal Portanto nem toda a carga líquida é convertida em trabalho na turbina uma parte é perdida por ineficiência da turbina outra parte é perdida no bocal e ainda outra é perdida como energia cinética residual na saída do escoamento Na prática o tubo de adução é geralmente dimensionado de modo que a altura de carga líquida na potência nominal seja 85 a 95 da altura de carga bruta 29 Turbina de impulsão Além de perdas no bocal atritos na roda e nos mancais e atrito superficial entre o jato e a pá reduzem o desempenho em comparação com o caso ideal sem atrito 30 Desempenhos ideal e real para uma turbina de impulsão de velocidade variável 31 Turbina de impulsão Na prática as turbinas hidráulicas são em geral operadas à velocidade constante e a potência produzida é variada alterando a área de abertura da válvula de agulha do bocal de jato A perda no bocal aumenta ligeiramente e as perdas mecânicas tornamse uma fração maior da potência produzida à medida que a válvula é fechada de modo que a eficiência cai abruptamente em carga baixa Para esta roda Pelton entre 40 e 113 da carga total a eficiência permanece acima de 85 32 Relação entre eficiência e potência produzida para uma turbina de água Pelton típica 33 Turbinas de reação Para alturas de carga menores as turbinas de reação apresentam melhor eficiência do que as turbinas de impulsão Em contraste com o escoamento em uma bomba centrífuga o escoamento em uma turbina de reação entra no rotor na seção radial maior mais externa e descarrega na seção radial menor mais interna após transferir a maior parte da sua energia ao rotor As turbinas de reação tendem a ser máquinas de alta vazão e baixa altura de carga 34 Esquema de instalação típica de turbina de reação mostrando definições de terminologia de altura de carga 35 Turbinas de reação As turbinas de reação trabalham cheias de água Consequentemente é possível usar um difusor ou um tubo de extração para recuperar uma fração da energia cinética que permanece na água que sai do rotor O tubo de extração é parte integrante do projeto de instalação A altura de carga bruta disponível é a diferença entre a altura de carga do reservatório de alimentação e a altura de carga do coletor A altura de carga efetiva ou líquida H usada para calcular eficiência é a diferença entre a elevação da linha de energia imediatamente a montante da turbina e aquela do tubo de extração de descarga seção C 36 Turbinas de reação O benefício do tubo de extração é claro a carga líquida disponível para a turbina é igual à carga bruta menos as perdas na tubulação de alimentação e a perda de energia cinética na saída da turbina sem o tubo de extração a velocidade na saída e a energia cinética seriam relativamente grandes Porém com o tubo de extração elas são pequenas resultando em um aumento na eficiência da turbina Visto de outro modo o difusor do tubo de extração através do efeito de Bernoulli reduz a pressão na descarga da turbina resultando em uma maior queda de pressão através da turbina e portanto aumentando a produção de potência 37 Desempenho de turbina de reação típica como previsto por testes de modelos eficiências esperadas e confirmado por teste de campo A eficiência é mostrada para diversos valores de potência produzida para uma série de cargas constantes A turbina de reação tem eficiência máxima superior àquela da turbina de impulsão mas a eficiência da turbina de reação varia mais bruscamente com a carga 38 Turbinas de reação Um eficiente rotor de turbina de fluxo misto foi desenvolvido por James B Francis usando uma série de cuidadosos experimentos em Lowell Massachusetts na década de 1840 Uma eficiente turbina de hélice de fluxo axial com pás ajustáveis foi desenvolvida pelo Professor Alemão Victor Kaplan entre 1910 e 1924 A turbina Francis é usualmente escolhida quando 15 m H 300 m e a turbina Kaplan é geralmente escolhida para cargas de 15 m ou menos O desempenho de turbinas de reação pode ser medido da mesma maneira que o desempenho de turbinas de impulsão Contudo como as cargas brutas são menores qualquer variação no nível da água durante a operação é mais significativa Por isso as medições devem ser feitas para uma série de alturas de carga a fim de definir completamente o desempenho de uma turbina de reação 39 Dimensionamento de turbinas hidráulicas para sistemas fluidos As perdas hidráulicas em longos tubos de suprimento conhecidos como tubos de adução ou adutores devem ser consideradas quando do projeto de instalação de máquinas de elevada altura de carga como as turbinas de impulsão um diâmetro ótimo para o tubo de admissão que maximize a potência produzida pela turbina pode ser determinado para essas unidades 40 Dimensionamento de turbinas hidráulicas para sistemas fluidos A potência produzida pela turbina é proporcional à vazão em volume multiplicada pela diferença de pressão através do bocal Para vazão nula a carga hidrostática total está disponível mas a potência produzida é zero À medida que a vazão aumenta a carga líquida na entrada do bocal da turbina diminui Primeiro a potência aumenta atinge um máximo e em seguida decresce novamente com o aumento subsequente da vazão Para um dado diâmetro do tubo de adução a potência teórica máxima é obtida quando um terço da altura de carga bruta é dissipada por perdas de atrito nesse tubo Na prática o diâmetro do tubo de adução é escolhido maior do que o mínimo teórico e apenas 10 a 15 da altura de carga bruta é dissipada por atrito 41 Potência máxima produzida por uma turbina de impulsão versus diâmetro do tubo de adução Certo diâmetro mínimo do tubo de adução é exigido para produzir uma dada potência O diâmetro mínimo depende da produção de potência desejada da altura de carga disponível e do material e comprimento do adutor 42 Curvas Características de Turbinas Hidráulicas Permitem conhecer o comportamento de máquinas de fluido em uma situação diferente daquela para a qual foi projetada porque sendo a máquina calculada para um certo valor de Q Y e n com um determinado ηt variando qualquer dos três primeiros valores as demais grandezas serão afetadas inclusive a potência Pe Q vazão do fluido Y salto energético energia por unidade de massa que o fluido entrega à turbina n velocidade de rotação Pe potência no eixo 43 Curvas Características de Turbinas Hidráulicas Grau de Abertura a Expresso como um percentual da máxima abertura para turbinas Francis e Kaplan Definido como a menor distância entre a cauda de uma pá do sistema diretor e a seguinte Nas turbinas Pelton a está relacionado com o curso da agulha do injetor 44 Curvas Características de Turbinas Hidráulicas Grau de Abertura a 45 Curvas Características de Turbinas Hidráulicas Curvas Q fn para um mesmo Grau de Abertura a de Turbinas Hidráulicas 46 Curvas Características de Turbinas Hidráulicas Por meio da utilização das leis de semelhança e levandose em conta os efeitos de escala os resultados dos ensaios em modelos permitem a representação das curvas características Q fn e ηt fn para diferentes graus de abertura 47 Curvas Características de Turbinas Hidráulicas 48 Curvas Características de Turbinas Hidráulicas Diagrama Topográfico de uma Turbina Hidráulica Fig 88 49 Curvas Características de Turbinas Hidráulicas Grandezas Unitárias Corresponde a uma altura de queda unitária H 1m Permite a partir de um único gráfico obter o comportamento de uma mesma máquina para diferentes situações de operação por exemplo quando submetida a diferentes alturas de queda 50 Curvas Características de Turbinas Hidráulicas Diagrama Topográfico em Grandezas Unitárias Fig 89 51 Curvas Características de Turbinas Hidráulicas Grandezas Biunitárias Relacionadas a valores unitários da altura de queda e do diâmetro do rotor H 1m e D 1m Um gráfico que utiliza variáveis biunitárias tem como vantagem o fato de ser aplicado dentro dos limites impostos pela teoria da semelhança a todas as turbinas semelhantes mesmo nqA independente de suas dimensões 52 Curvas Características de Turbinas Hidráulicas Diagrama Topográfico em Grandezas Biunitárias Fig 810 53 Curvas Características de Turbinas Hidráulicas Diagrama Topográfico para Turbina Hidráulica Pelton Fig 812 54 Curvas Características de Turbinas Hidráulicas Fig 813 Diagrama Topográfico para diferentes valores de inclinação das pás do rotor de uma Turbina Kaplan 55 Exercícios 1 Supondo que o gráfico da figura 89 represente as curvas características em grandezas unitárias no Sistema Técnico de Unidades de uma das turbinas instaladas na Central Hidrelétrica de Tucuruí no rio Tocantins e sabendo que a mesma opera com a velocidade de rotação de 8182 rpm gerador de 60 Hz constante para todas as condições de trabalho determinar para água de massa específica ρ 1000 kgm³ a a altura de queda nominal da turbina b a sua vazão nominal c a potência nominal da turbina d a vazão quando a turbina trabalha com a altura de queda mínima da instalação Hmin 514 m e com o máximo grau de abertura a 100 e a potência gerada quando a turbina opera com a altura de queda máxima da central Hmáx 676 m e um grau de abertura a 80 f a máxima velocidade de disparo da turbina para a altura de queda de projeto nominal 2 Considere que o diagrama da figura 813 construído no Sistema Técnico de Unidades represente as curvas características das turbinas Kaplan da Central Hidrelétrica de Volta Grande no rio Grande que foram projetadas para uma altura de queda de 262 m e velocidade de rotação de 857 rpm Quando a altura de queda da central baixa para 2256 m supõese que o sistema de regulagem atue aumentando o grau de abertura para 85 e alterando a inclinação das pás do rotor para 10º Considerando a massa específica da água igual a 1000 kgm³ calcular a a potência no eixo das turbinas para esta situação a 85 e β 10º b a potência no eixo para as condições de projeto 3 Supondose que o diagrama topográfico da figura 812 Sistema Técnico de Unidades represente as curvas da turbina hidráulica instalada na Usina de Canastra em Canela e conhecidas as características nominais da instalação H 330 m Q 785 m³s gerador elétrico síncrono com 20 polos e 60 Hz de frequência água de massa específica ρ 1000 kgm³ determinar a o tipo de turbina instalada justificando b o diâmetro do rotor da turbina c a potência gerada no eixo da turbina d o diâmetro de uma turbina modelo a ser ensaiada com uma altura de queda de 15 m gerando uma potência de 22 kW e a vazão com que deve ser ensaiada a turbina modelo Exercícios Quadro 51 Valores de nqA para diferentes tipos de máquinas de fluxo 59 nqA coeficiente de forma ou velocidade de rotação específica nosistemainternacionaldeunidades Campo de Aplicação de Turbinas Hidráulicas Fig 16 60