Turbinas Pelton: Princípios e Classificações

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA Rui Ricardo Keller TURBINAS PELTON Santa Maria RS 2022 2 Rui Ricardo Keller TURBINAS PELTON Trabalho de Máquinas de Fluido apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Maria UFSM RS Campus Santa Maria como forma de avalição do aluno Orientador Prof Dr Cesar Addis Valverde Salvador Santa Maria RS 2022 3 RESUMO TURBINAS PELTON AUTOR Rui Ricardo Keller ORIENTADOR Cesar Addis Valverde Salvador Neste trabalho serão apresentadas as principais classificações inerentes às turbinas hidráulicas O princípio de funcionamento tipos mais usuais e critérios de seleção serão discutidos Será mostrado como calcular a potência de uma turbina Pelton seu rendimento teórico e real além de algumas considerações sobre suas curvas características Será apresentado que as turbinas Pelton giram em velocidades relativamente altas por isso muitas vezes é possível projetálas de modo que a velocidade de operação ideal da turbina e do gerador seja a mesma para que possam ser acopladas diretamente Isso tem a vantagem de reduzir o custo do sistema de acionamento pois é necessário apenas um acoplamento flexível e economiza todas as perdas no acionamento por correia ou caixa de engrenagens que podem ser de 2 a 7 Por fim em comparação com a energia produzida as turbinas Pelton são relativamente compactas e como as taxas de fluxo são relativamente baixas a tubulação associada é relativamente pequena Isso significa que uma turbina Pelton em si é geralmente mais fácil de instalar do que uma turbina Kaplan de potência equivalente mas as turbinas Pelton precisam de um suprimento de água de alta pressão de um tubo de conduto forçado e projetar e instalar o tubo de conduto forçado é normalmente mais desafiador e mais caro do que a turbina Palavraschave turbinas fluidos Máquinas hidráulicas 4 ABSTRACT PELTON TURBINES AUTHOR Rui Ricardo Keller ADVISOR Cesar Addis Valverde Salvador In this paper the main classifications inherent to hydraulic turbines will be presented The principle of operation most common types and selection criteria will be discussed It will be shown how to calculate the power of a Pelton turbine its theoretical and real efficiency and some considerations about its characteristic curves It will be appreciated that Pelton turbines rotate at relatively high speeds so they can usually be designed so that the optimum operating speed of the turbine and generator are the same so that they can be directly coupled The benefit of this is a reduction in the cost of the drive system because only one elastic coupling is required and all the losses in the belt drive or gearbox drive are saved which can be from 2 to 7 Finally Pelton turbines are relatively compact compared to the power produced and the associated piping is relatively small due to the relatively low flow velocity This means that the Pelton turbine itself is generally easier to install than a comparable Kaplan turbine but Pelton turbines require highpressure water supply from pressurized pipelines and the design and installation of pressurized pipelines are generally more challenging and expensive than turbines Keywords turbines fluids hydraulic machines 5 LISTA DE FIGURAS Figura 1 a imagem esquemática de uma turbina ação Pelton b imagem esquemática do jato de fluido colidindo com uma das pás 9 Figura 2 Roda de Pelton mostrando o projeto das pás10 Figura 3 Diagrama de velocidades do escoamento para dentro e para fora de uma pá de rotor Pelton11 Figura 4 Campo de aplicação de turbinas hidráulicas12 Figura 5 Traçado de três curvas típicas de uma turbina Pelton a potência x rotação b rendimento x rotação e c vazão x rotação13 Figura 6 Gráficodiagrama da potência versus rotação de uma turbina Pelton14 6 LISTA DE SÍMBOLOS W potência de eixo na saída da turbina em w 𝜌 massa específica do fluido em kgm³ 𝑟 raio do rotor em m 𝜔 velocidade angular da roda rads 𝑄 vazão emm³s 𝑣𝑗 velocidade do jato em ms 𝛽 ângulo de giro do jato de água em grau µ Viscosidade kgms Φ Ângulo 7 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO8 2 TURBINAS PELTON9 3 ANALISE DE ARTIGO 15 31 DESCRIÇÃO DO MODELO EXPERIMENTAL16 4 CONCLUSÃO18 8 1 INTRODUÇÃO As turbinas hidráulicas ou hidroturbinas nomes caso o fluido de trabalho seja a água são dispositivos que consistem em uma carcaça um rotor um distribuidor e um tubo Estes equipamentos convertem a energia hidráulica do fluido em energia mecânica para que o gerador acoplado a transforme em energia elétrica A voluta ou carcaça é o elemento que abriga os componentes de uma turbina o rotor é o componente responsável pelas transformações de energia o distribuidor ajuda a direcionar o fluxo e contribui com os processos de transformação de energia As turbinas hidráulicas podem ser classificadas como de deslocamento positivo ou turbinas dinâmicas CENGEL CIMBALA 2015 Turbinas de deslocamento positivo geralmente são utilizadas para medir vazão ou volume de fluido Turbinas dinâmicas podem ser utilizadas tanto para medir vazão quanto em processos de geração de energia sendo classificadas em dois subtipos turbinas de ação impulso ou de reação Turbinas de ação a pressão estática permanecerá constante dentro do rotor Alguns exemplos são as turbinas Pelton Turgo e Michell Banki Turbinas de reação verificase uma redução na pressão estática do fluido ao passar pelo rotor Três bons exemplos são as turbinas Kaplan Francis e Hélice As turbinas também se classificam de acordo com a direção do escoamento através do rotor assim podem ser radiais Francis lenta axiais Bulbo tangenciais Pelton e diagonais Francis rápida As usinas hidrelétricas são exemplos de locais que fazem uso das turbinas hidráulicas para extrair energia do fluido Os três tipos de turbinas mais utilizados são as turbinas Pelton para altas quedas e baixas vazões as turbinas Kaplan quando se trata de baixas quedas com grandes volumes de água e por último as turbinas Francis para aplicações quem conciliam alturas de quedas e vazões médias As turbinas Pelton são usadas em usinas hidrelétricas de média a alta queda com quedas de 20 metros até centenas de metros As saídas de energia podem variar de alguns kW até dezenas de MW nos sistemas Pelton de maior escala de utilidade Como a altura manométrica de operação é alta a vazão tende a ser relativamente baixa 9 2 TURBINAS PELTON O projeto mais eficiente de uma turbina de impulso foi desenvolvido pelo engenheiro Pelton em 1878 e de maneira geral consistiu em um bocal que convergia fluido em alta velocidade ou seja alta energia cinética sobre as pás acopladas em uma roda como ilustra a Figura 1a Já a figura 1b mostra que as pás foram projetadas para dividir o fluxo em duas metades de tal modo que a máxima quantidade de movimento fosse transferida CENGEL E CIMBALA 2015 Figura 1 a imagem esquemática de uma turbina ação Pelton b imagem esquemática do jato de fluido colidindo com uma das pás Fonte Cengel e Cimbala 2015 p 689 A Figura 2 apresenta uma foto de uma roda de Pelton mostrando o projeto das pás O gerador elétrico está à direita Esta roda de Pelton está exposta no Waddamana Power Station Museum próximo a Bothwell na Tasmânia 10 Figura 2 Roda de Pelton mostrando o projeto das pás Fonte Cengel e Cimbala 2015 p 690 A expressão matemática para se calcular a potência de eixo na saída da turbina é mostrada na equação 1 𝑊 𝜌 𝑟 𝜔 𝑄 𝑣𝑗 𝑟 𝜔 1 𝑐𝑜𝑠𝛽 equação 1 Onde W potência de eixo na saída da turbina em w 𝜌 massa específica do fluido em kgm³ 𝑟 raio do rotor em m 𝜔 velocidade angular da roda rads 𝑄 vazão emm³s 𝑣𝑗 velocidade do jato em ms 𝛽 ângulo de giro do jato de água em grau 11 Todas estas variáveis estão ilustradas na Figura 3 a seguir que mostra o diagrama de velocidade do escoamento para dentro e para fora de uma pá de rotor Pelton Figura 3 Diagrama de velocidades do escoamento para dentro e para fora de uma pá de rotor Pelton Fonte Cengel e Cimbala 2015 p 691 Analisando a equação 1 notase que para um ângulo de giro do jato de água igual a 180º o valor da potência será máximo Porém em aplicações reais observase que a potência máxima é atingida quando este ângulo se encontra na faixa entre 160º165º CENGEL CIMBALA 2015 O cálculo da eficiência η de uma turbina Pelton em função do ângulo 𝛽 é mostrado na equação 2 η 𝑊𝑒𝑖𝑥𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑊𝑒𝑖𝑥𝑜 𝐼𝑑𝑒𝑎𝑙 1𝑐𝑜𝑠𝛽 1cos 180º equação 2 Ao derivar a equação 1 em relação à velocidade linear da pá ou seja 𝜔 𝑟 encontrase que a potência teórica máxima será atingida quando a velocidade linear da pá for igual à metade da velocidade do jato como mostra a equação 3 𝑟 𝜔 𝑣𝑗 2 equação 3 É importante citar que a equação 2 não inclui perdas devido ao atrito a falta de alinhamento entre as pás e o fluxo de fluido dentre outras que afetam a eficiência de uma turbina real entretanto um projeto bem executado seguindo as boas práticas de engenharia é capaz de alcançar eficiência altíssima e no caso de uma turbina Pelton 𝛈 próximo dos 90 12 A Figura 4 mostra um gráfico que relaciona altura de queda com a vazão volumétrica de fluido levandose em consideração as linhas obliquas de potência desenvolvida para cada modelo de turbina hidráulica Figura 4 Campo de aplicação de turbinas hidráulicas Fonte Henn 2006 P32 É possível notar na Figura 4 algumas regiões com mais de um modelo de turbina hidráulica Isso mostra a variedade de turbinas existentes e a ampla faixa de operação destas Então em um processo de seleção de uma turbina devese considerar também parâmetros técnicos como preço qualidade construtiva processo de manutenção e instalação tendência ou não à cavitação dentre outros HENN 2006 Observando novamente a figura 4 podese confirmar que nas turbinas Pelton como a altura manométrica de operação é alta a vazão tende a ser relativamente baixa As saídas de energia podem variar de alguns kW até dezenas de MW nos sistemas Pelton de maior escala de utilidade Em comparação com a energia produzida as turbinas Pelton são relativamente compactas e como as taxas de fluxo são relativamente baixas a tubulação associada é 13 relativamente pequena Isso significa que uma turbina Pelton em si é geralmente mais fácil de instalar do que uma turbina Kaplan de potência equivalente mas as turbinas Pelton precisam de um suprimento de água de alta pressão de um tubo de conduto forçado e projetar e instalar o tubo de conduto forçado é normalmente mais desafiador e mais caro do que a turbina Os parâmetros vazão queda útil e rotação é possível ter boa orientação quanto à seleção da turbina hidráulica Entretanto para se compreender de forma mais ampla a faixa de operação de uma turbina é importante ter em vista suas curvas características que são obtidas experimentalmente CENGEL E CIMBALA 2015 A Figura 5 mostra o traçado de três curvas características típicas de uma turbina Pelton a potência x rotação b rendimento x rotação e c vazão x rotação Figura 5 Traçado de três curvas típicas de uma turbina Pelton a potência x rotação b rendimento x rotação e c vazão x rotação Fonte Elaborado pelo autor Alguns dos motivos que justificam o valor da eficiência real mais baixo que o teórico são 1 Perdas por atrito no movimento das paletas 2 O fato de o fluido não colidir contra a paleta mantendo a uniformidade de velocidade É comum que todas as curvas características de uma turbina hidráulica sejam geradas experimentalmente por meio de modelos de menor porte A Figura 6 apresentada a seguir mostra o traçado de um gráficodiagrama que relaciona a potência de uma turbina Pelton com sua rotação evidenciando as linhas de isoeficiência MACINTYRE 1997 14 Figura 6 Gráficodiagrama da potência versus rotação de uma turbina Pelton Fonte Elaborado pelo autor Lembrando que as curvas ilustradas na Figura 6 foram obtidas mantendose constante o parâmetro da altura de queda líquida e variando a vazão na curva de potência versus rotação As linhas 1 2 3 e 4 são as linhas de isoeficiência em outras palavras todos os pontos de operação situados sobre uma mesma linha apresentam mesmo rendimento As turbinas Turgo foram desenvolvidas por Gilkes em 1919 e são uma variação da turbina Pelton Podem lidar com uma taxa de fluxo mais alta do que uma turbina Pelton de tamanho fisicamente semelhante e o rotor é um pouco mais barato de fabricar Na maioria dos outros aspectos são muito semelhantes Em particular as turbinas Turgo usam jatos de lança idênticos para regular a vazão através da turbina Existem também várias turbinas Turgo modulares disponíveis que são muito apreciadas pelo mercado hidrelétrico 15 3 ANÁLISE DE ARTIGO Título Performance analysis of Pelton turbine under different operating conditions An experimental study Análise do desempenho da turbina Pelton sob diferentes condições de operação um estudo experimental httpsdoiorg101016jasej2021101684 Autores Omar Rafae Alomar Hareth Maher Abd Mothana M Mohamed Salih e Firas Aziz Ali Artigo Recente Recebido em 25 de julho de 2021 revisado em 24 de setembro de 2021 aceito em 23 de dezembro de 2021 disponível online em 10 de janeiro de 2022 versão do registro em 10 de janeiro de 2022 Universidade Técnica do Norte Escola Técnica de Engenharia de Mosul Cultural Group Street Mosul Iraque Neste artigo um trabalho experimental foi realizado para examinar o efeito de diferentes condições de operação no desempenho da turbina Pelton Os experimentos foram realizados para vários diâmetros de jato de bocal d vazão volumétrica Q e altura manométrica H Os resultados experimentais mostram que o aumento de d leva à redução da potência de entrada devido à diminuição de H Para um determinado diâmetro de bocal os resultados indicaram que a potência máxima de frenagem aumenta com o aumento de Q devido ao aumento do torque e consequentemente a condição operacional ótima pode ser alcançada quando se utiliza menor d e maior Q O melhor desempenho da turbina foi encontrado quando se utiliza d 95 mm e Q 85 Lmin devido a produzir maior eficiência e cobrir grande faixa de rotação da roda A eficiência máxima dos bicos com diâmetros de 95 mm 105 mm 115 mm e 125 mm foram encontrados iguais a 355 33 292 e 216 respectivamente Portanto d tem efeito inverso no desempenho da turbina Os dados também indicam claramente que d e Q têm influências substancialmente na potência gerada pela turbina Ao reconhecer os efeitos dos parâmetros relacionados agora é possível gerar maior potência elétrica em usinas hidrelétricas que operam com turbina Pelton 16 31 DESCRIÇÃO DO MODELO EXPERIMENTAL Neste estudo os experimentos foram realizados em um modelo de bancada de teste para investigar o desempenho da turbina Pelton para diferentes diâmetros de bocal d cabeça de água H e descarga de água Q Um rotâmetro calibrado foi usado para medir a descarga de água através do bocal A vazão volumétrica de água foi ajustada para variar de 40Lmin para 120Lmin Todos os tubos utilizados foram feitos de material de PVC com 1 polegada de diâmetro interno para reduzir ao mínimo o atrito nos tubos A descarga de água foi controlada usando uma válvula de gaveta reguladora A água é circulada de um tanque de origem em um circuito fechado contínuo usando uma bomba de água centrífuga elétrica multiestágios com 24 estágios para fornecer uma alta variável de H e Q cabeça máxima de 110 m e vazão máxima de 150 Lmin para cada d Um único bocal de jato circular feito de material de alumínio foi instalado para girar a roda Pelton Quatro bicos de diferentes diâmetros de saída 95 105 115 e 125 milímetros foram empregados para estudar o efeito do diâmetro do bocal no desempenho da turbina Pelton O rotor da turbina Pelton é composto por 12 caçambas instaladas em sua periferia A roda Pelton foi projetada e fabricada com material de ferro fundido com ponta de roda e diâmetros de cubo iguais a 275 cm e 135cm respectivamente O medidor de pressão foi ajustado antes do bocal para medir a pressão estática diferencial no bocal Um tacômetro óptico LNIT UT372 foi usado para medir a velocidade de rotação da roda em rpm A roda da turbina é acoplada a um sistema de freio que consiste em um freio mecânico simples e um medidor de força analógico acoplado ao eixo da roda Pelton aplica uma carga mecânica variável torque O torque T foi calculado multiplicando o raio do sistema de freio pela força medida Este trabalho envolve o estudo experimental a fim de demonstrar os efeitos das condições de operação no desempenho da turbina Pelton A roda Pelton foi fabricada em ferro fundido e possui 12 caçambas de copos distribuídas na circunferência da roda A água foi usada como fluido de trabalho e a descarga de água foi controlada usando uma válvula reguladora Os trabalhos experimentais foram realizados para diferentes diâmetros de bocal d Descarga dágua Q e cabeça de água H As principais conclusões do estudo são 1 Quando Q é aumentado mantendo d fixo P é aumentado gradativamente Um valor mais alto de P foi observado para d95 milímetros devido ao máximo H que foi obtido neste diâmetro 17 Mais importante d tem relação inversamente proporcional a P 2 É também evidente que o máximo η diminui com o aumento de d Em contraste d tem efeitos diretamente proporcionais sobre Pb O máximo Pb foi encontrado ao usar d125 milímetros devido ao maior valor de Q 3 Os resultados demonstraram que o valor de pico de η foi obtido na faixa entre 03 e 05 para todos os valores de d O melhor desempenho da turbina Pelton foi encontrado em d95 milímetros devido a faixa mais alta de velocidade da roda produzir maior η 4 Para constante Pb os resultados mostram que o máximo η foi encontrado ao usar d115milímetros Para o caso de velocidade constante da turbina por outro lado a máxima η foi observado ao usar d95 milímetros devido ao máximo H que foi obtido neste diâmetro de bocal 5 O máximo de T foi observado em d95 milímetros Para todos os valores de d 6 Com o aumento de Q a faixa de operação da velocidade da roda é aumentada 7 A fim de produzir a energia elétrica ideal necessária d deve ser cuidadosamente escolhido de acordo com a disponibilidade H Finalmente distinguindo os parâmetros relacionados agora é possível produzir mais energia elétrica em usinas hidrelétricas que operam com turbina Pelton Como observação final o trabalho prospectivo deve incluir outro estudo experimental sobre o desempenho da turbina Pelton convencional em condições de operação semelhantes às deste trabalho O novo estudo experimental é necessário para validar os dados atuais e demonstrar a melhoria da eficiência hidrodinâmica ao empregar o presente modelo Além disso as simulações numéricas para determinação do desempenho da turbina também são necessárias para comparar os resultados experimentais além de obter soluções mais realistas Assim essas duas questões serão consideradas futuramente como um novo trabalho 18 4 CONCLUSÃO Neste trabalho foram apresentadas as principais classificações inerentes às turbinas hidráulicas Discutiuse sobre princípio de funcionamento tipos mais usuais e critérios de seleção Analisouse como calcular a potência de uma turbina Pelton seu rendimento teórico e real além de algumas considerações sobre suas curvas características Estudouse que as turbinas Pelton giram em velocidades relativamente altas por isso muitas vezes é possível projetálas de modo que a velocidade de operação ideal da turbina e do gerador seja a mesma para que possam ser acopladas diretamente Isso tem a vantagem de reduzir o custo do sistema de acionamento pois é necessário apenas um acoplamento flexível e economiza todas as perdas no acionamento por correia ou caixa de engrenagens que podem ser de 2 a 7 Por fim em comparação com a energia produzida as turbinas Pelton são relativamente compactas e como as taxas de fluxo são relativamente baixas a tubulação associada é relativamente pequena Isso significa que uma turbina Pelton em si é geralmente mais fácil de instalar do que uma turbina Kaplan de potência equivalente mas as turbinas Pelton precisam de um suprimento de água de alta pressão de um tubo de conduto forçado e projetar e instalar o tubo de conduto forçado é normalmente mais desafiador e mais caro do que a turbina 19 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALOMAR Omar Rafae et al Performance analysis of Pelton turbine under different operating conditions An experimental study Ain Shams Engineering Journal v 13 n 4 p 101684 2022 Disponível em httpswwwsciencedirectcomsciencearticlepiiS2090447921004627 CENGEL Yunus A CIMBALA John M Mecânica dos fluidos 3 ed Porto Alegre AMGH 2015 HENN EAL Máquinas de fluido 2ª ed Porto Alegre UFSM 2006 MACINTYRE AJ Equipamentos industriais e de processo São Paulo Ed LTC 1997