Maquinas de Fluxo - Elementos Hidromecanicos e Cinematicos

Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Capítulo 3 ELEMENTOS HIDROMECÂNICOS E ELEMENTOS CINEMÁTICOS Prof Dr Gustavo A Ronceros Rivas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L 31 Elementos Hidromecânicos Por convenção todos os elementos da MF hidráulica em contato direto com o fluido de trabalho são denominados de elementos hidromecânicos A ênfase será dada às finalidades principal e secundária desses elementos Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L 31 Elementos Hidromecânicos ELEMENTOS HIDROMECÂNICOS E ELEMENTOS CINEMÁTICOS Capítulo 3 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas 312 Elementos Hidromecânicos de Bombas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Em geral uma turbina hidráulica de Reação tem os seguintes elementos hidromecânicos principais Caixa espiral Prédistribuidor Distribuidor Rotor Tubo de sucção caracol carcaça ou voluta Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L O prédistribuidor e o distribuidor constituem o chamado sistema fixo de palhetas A finalidade principal desse sistema é operar Ep Ec 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L O rotor constitui o chamado sistema móvel de pás A finalidade principal do rotor é operar Ep EcT 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L A turbina Pelton e a turbina Turgo turbina de jato inclinado são as únicas MF onde o rotor não opera Ep ou seja o rotor opera EcT Observação 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Nas turbinas Turgo o rotor é mais barato de fabricar do que uma T Pelton Em segundo termo não precisa de uma carcaça hermética como a T Francis Em terceiro lugar tem uma velocidade específica mais elevada e pode operar a maiores vazões que para o mesmo diâmetro que una turbina Pelton Portanto levando a uma redução no custo do gerador e instalação As turbinas Turgo são mais utilizadas em pequenas instalações hidráulicas importante pelo baixo custo Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Detalhe do jato dágua através da turbina Turgo 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Detalhe de um rotor de turbina Turgo 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Caixa espiral caracol carcaça ou voluta A finalidade principal é distribuir uniformemente a água por toda a periferia externa do rotor através do prédistribuidor e do distribuidor 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Caixa espiral A caixa espiral é projetada de tal forma que garanta vazões parciais iguais em todos os canais formados pelas palhetas diretrizes do distribuidor 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Caixa espiral Para isso a sua seção transversal é gradativamente decrescente no sentido do escoamento 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Caixa espiral Detalhe da montagem de caixa espiral de turbina Francis na UHE 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Caixa espiral Detalhe da montagem de caixa espiral de turbina Francis na UHE 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Caixa espiral O projeto da caixa espiral está intimamente ligado com o pré distribuidor e distribuidor 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Caixa espiral O rendimento do distribuidor de importância decisiva para o rendimento da turbina depende substancialmente da magnitude e da direção da velocidade da água proveniente da caixa espiral 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Caixa espiral A caixa espiral não transfere energia ao fluido água mas simplesmente converte energia ou seja a caixa espiral aumenta a velocidade da água diminuindo sua pressão 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L A finalidade principal do prédistribuidor é contribuir para a integridade estrutural da turbina Prédistribuidor 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L O prédistribuidor composto de um determinado número de palhetas fixas aletas fixas constitui uma estrutura complexa e altamente carregada que transmite à estrutura de concreto de turbinas de médias e grandes potências os esforços e vibrações da turbina e além disso serve de alojamento para as partes internas da turbina de modo que as suas deformações devem ser consideradas no projeto desses componentes Prédistribuidor 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Sobre o prédistribuidor atuam esforços da ligação com a caixa espiral da tampa da turbina e do aro de saída aro da câmara do rotor além dos esforços da pressão da água nas partes internas e deve portanto ser dimensionado para suportar adequadamente todos os esforços mantendo deformações dentro de limites aceitáveis Prédistribuidor 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L A largura do prédistribuidor especificamente das suas palhetas fixas pode ser variável ou constante Prédistribuidor 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Atualmente são construídos prédistribuidores com palhetas fixas de largura constante do tipo Piquet veja a Fig 873 página 190 da Referência 2 da Bibliografia Auxiliar Prédistribuidor 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Prédistribuidor Figura 175 Turbinabomba para central de acumulação Palheta fixa de largura variável 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Prédistribuidor Esquema de palheta fixa de largura constante de turbina Francis Palheta fixa de largura constante 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Distribuidor Outras finalidades do distribuidor são 1 distribuir e direcionar o escoamento de água uniformemente para a periferia externa do rotor 2 regular a vazão de água para o rotor e em consequência regular a potência hidráulica portanto o distribuidor regula a potência de eixo da turbina para atender a demanda de energia elétrica para a geração de eletricidade ou mecânica para o bombeamento de água em usinas de acumulação solicitada à turbina 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Distribuidor O distribuidor é composto de um determinado número de palhetas diretrizes aletas reguláveis que têm simultaneamente um movimento de giro em torno do eixo de cada palheta diretriz com o mesmo ângulo possibilitando a passagem da vazão de água requerida ou interrompendoa quando necessário 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Distribuidor Figura 141 Anel de regulagem do sistema diretor anel de Fink de turbina Francis anel de Fink Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Distribuidor Figura 142 Palhetas diretrizes aletas do sistema diretor distribuidor de turbinas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Distribuidor Ao se projetar o distribuidor devese inicialmente observar que o número de palhetas diretrizes não seja igual ou múltiplo inteiro do número de pás do rotor a fim de se evitar uma ressonância hidráulica no sistema na instalação 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Rotor O rotor inegavelmente é o principal componente de qualquer tipo de máquina de fluxo 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Rotor A finalidade principal do rotor é transformar a energia hidráulica da água proveniente do distribuidor em energia mecânica no seu eixo 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Rotor O rotor é constituído por um determinado número de pás de curvatura adequada fixadas ao cubo e à cinta Turbina Francis 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Rotor Rotor de turbina Francis Cubo Cinta Pá 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Rotor Rotor de turbina Francis 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Rotor Figura 134 Corte de rotor de turbina Francis não se refere à projeção meridional 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Tubo de sucção A finalidade principal do tubo de sucção é converter grande parte da energia cinética da água na saída do rotor em energia de pressão e em conseqüência aumentar a diferença de pressões entre a entrada e a saída da turbina resultando em um maior aproveitamento da altura de queda bruta disponível 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Figura 122 Esquema de uma instalação com turbina hidráulica Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Figura 124 Usina hidrelétrica de Marimbondo Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Tubo de sucção Essa recuperação de energia pode representar uma parte significante da energia total da turbina altura de queda líquida em particular para baixas alturas de queda bruta e o projeto hidrodinâmico do tubo de sucção é desse ponto de vista um fator de qualidade importante para a turbina 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Tubo de sucção A parte principal da recuperação de energia é obtida logo após a saída do rotor ou seja na parte cônica superior do tubo de sucção 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas 1 caso 2 caso 3 caso Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Tubo de sucção A conversão de energia cinética em energia de pressão no tubo de sucção está relacionada ao aumento da sua seção transversal na direção do escoamento de água 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Tubo de sucção O ângulo do cone é limitado pela presença de separação da camada limite Essa separação diminui a seção do escoamento e faz aumentar a velocidade do escoamento produzindo um decréscimo da recuperação de pressão 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Tubo de sucção Prémontagem de uma parte de tubos de sucção 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Tubo de sucção Esquema de um tubo de sucção 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Simulação computacional CFD modificando o formato do tubo de sucção Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L B Definições dos tipos de turbinas b4 Turbina hélice turbina de reação na qual o fluxo dágua tem direção radial no distribuidor aproximadamente axial na entrada do rotor no qual as pás têm passo fixo ou ajustável fora de funcionamento 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L B Definições dos tipos de turbinas b5 Turbina Kaplan Figura 4 turbina de reação na qual o fluxo dágua tem direção radial no distribuidor aproximadamente axial na entrada do rotor analogamente à turbina hélice porém no qual as pás têm passo regulável em funcionamento 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Figura 4 Turbina de reação turbina Kaplan Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L B Definições dos tipos de turbinas b6 Turbina diagonal turbina de reação na qual o fluxo dágua penetra radialmente ou diagonalmente no distribuidor e diagonalmente no rotor no qual as pás são fixas 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L B Definições dos tipos de turbinas b7 Turbina Deriaz Figura 5 turbina de reação na qual o fluxo dágua penetra radialmente ou diagonalmente no distribuidor e diagonalmente no rotor analogamente à turbina diagonal porém no qual as pás têm passo regulável em funcionamento 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Figura 5 Turbina de reação turbina Deriaz Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L B Definições dos tipos de turbinas b8 Turbina bulbo Figura 6 turbina de reação na qual o fluxo dágua penetra axialmente no distribuidor e no rotor estando o gerador contido em bulbo diretamente imerso no fluxo 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Figura 6 Turbina de reação turbina bulbo Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L B Definições dos tipos de turbinas b9 Turbina tubular Figura 7 turbina de reação na qual o fluxo dágua penetra axialmente no distribuidor e no rotor onde o gerador está localizado externamente ao fluxo dágua 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Figura 7 Turbina de reação turbina tubular Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L B Definições dos tipos de turbinas b10 Turbina tubular com gerador periférico Straight Flow Figura 8 turbina de reação na qual o fluxo dágua penetra axialmente no distribuidor e no rotor estando o rotor do gerador diretamente ligado à periferia do rotor da turbina 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Figura 8 Turbina de reação turbina tubular com gerador periférico Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L B Definições dos tipos de turbinas b11 Turbina Pelton Figura 9 turbina de ação na qual o fluxo dágua incide sob a forma de jato sobre o rotor possuindo pás em forma de duas conchas A direção dos jatos é paralela em relação ao plano do rotor 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Figura 9 Turbina de ação turbina Pelton Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L B Definições dos tipos de turbinas b13 Turbina de fluxo transversal MichellBanki Figura 11 turbina de ação na qual o fluxo dágua atravessa o rotor cilíndrico transversalmente com duas passagens pelas pás 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Figura 11 Turbina de ação turbina de fluxo transversal MichellBanki Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L c1 Bomba centrifuga Figura 12 bomba em que o formato do rotor impõe um escoamento preponderantemente no sentido radial centrífugo na saída do rotor C Definições dos tipos de bombas de acumulação 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L c2 Bomba axial hélice Figura 13 bomba que o formato do rotor impõe um escoamento no sentido axial na saída do rotor C Definições dos tipos de bombas de acumulação 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Figura 13 Bomba de acumulação bomba axial hélice Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L c3 Bomba mista Figura 14 bomba em que o formato do rotor impõe um escoamento simultaneamente nos sentidos axial e radial centrífugo na saída do rotor C Definições dos tipos de bombas de acumulação 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Figura 14 Bomba de acumulação bomba mista Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L 311 Elementos Hidromecânicos de Turbinas Hidráulicas E Definições de elementos constituintes de turbinas hidráulicas de ação Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Figura 34 Turbina de ação injetor Pelton Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Figura 35 Turbina de ação rotor Pelton Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L 312 Elementos Hidromecânicos de bombas Em geral uma bomba centrífuga de um estágio tem os seguintes elementos hidromecânicos principais veja por exemplo as Figuras 159 160 e 1106 da Coletânea de Desenhos sobre Máquinas de Fluxo Voluta Rotor Vedação Anéis de desgaste corpo espiral impelidor Máquinas de Fluxo Capítulo 3 Elementos HM e Cinemáticos Engenharia de Energia Universidade Federal de Integração L Figura 159 Bomba centrífuga ETA KSK com rotor fechado