Turbinas Hidraulicas - Caracteristicas de Funcionamento e Aplicacoes

Centro de Ciências Exatas e Tecnologia Engenharia Mecânica 8º Período Máquinas de Fluxo II Prof Dener Almeida Características de Funcionamento de Turbinas Hidráulicas 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 2 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS A geração de energia elétrica por meio de centrais hidrelétricas é de grande importância para o crescimento do Brasil Tratase de uma forma de energia de baixo impacto ambiental quando comparada a outras formas de obtenção energia nuclear e combustíveis fósseis Devese considerar em um projeto mesmo de uma fonte de energia renovável além dos aspectos técnicos e econômicos as consequências ambientais e sociais do projeto O potencial disponível para a construção de grandes centrais está praticamente esgotado Michels 1991 Introdução 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 3 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Introdução 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo II 4 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Introdução 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo II 5 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Introdução 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo II 6 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Introdução 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo II 7 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Introdução 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo II 8 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Introdução 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo II 9 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Introdução 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 10 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Introdução Podese utilizar os aproveitamentos da região Amazônica Porém nesta região apresenta o quilowatt instalado possui um alto custo Desta forma a viabilização de pequenos aproveitamentos hidroenergéticos de baixo custo e impacto ambiental apresentase como uma alternativa com grandes vantagens meio rural 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 11 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Objetivos Tratar os componentes das centrais hidrelétricas sobretudo das máquinas de fluxo motoras Estudar curvas características de funcionamento das máquinas motoras 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 12 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Centrais Hidrelétricas Uma central hidrelétrica transforma em trabalho útil a energia hidráulica cinética ou potencial disponível em recintos de água A Eletrobrás classifica as centrais hidrelétricas de acordo com a potência microcentrais 𝑃𝑃 100 𝑘𝑘𝑘𝑘 minicentrais 𝑃𝑃 100 𝑎𝑎 1000 𝑘𝑘𝑘𝑘 pequenas centrais 𝑃𝑃 1000 𝑎𝑎 30000 𝑘𝑘𝑘𝑘 médias centrais 𝑃𝑃 30000 𝑎𝑎 100000 𝑘𝑘𝑘𝑘 grandes centrais 𝑃𝑃 100000 𝑘𝑘𝑘𝑘 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 13 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Centrais Hidrelétricas Figura 1 Minicentral hidrelétrica 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 14 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Centrais Hidrelétricas Figura 2 Central Hidrelétrica 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 15 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Centrais Hidrelétricas Figura 3 Central Hidrelétrica com Turbina Francis 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 16 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Centrais Hidrelétricas Figura 4 Central Hidrelétrica com Turbina Pelton 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 17 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Centrais Hidrelétricas Figura 5 Central Hidrelétrica com Turbina Kaplan 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 18 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Centrais Hidrelétricas A central hidrelétrica é constituída por a barragem aumenta o desnível de um rio para produzir a queda regulariza as vazões mediante a criação de um grande reservatório eleva o nível da água para possibilitar a entrada da mesma em um conduto forçado ou em uma tubulação adutora 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 19 b Tomada dágua capta e permite o acesso da água à tubulação que a conduzirá à turbina apresenta grades para impedir a entrada de corpos estranhos transportados pelo curso dágua que possam danificar as turbinas comportas de serviço para impedir momentaneamente o fornecimento de água revisões e concertos comportas de emergência para fechamento da tomada dágua no caso de manutenção da comporta de serviço CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Centrais Hidrelétricas 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 20 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Centrais Hidrelétricas c conduto forçado tubulação submetida à pressão interna pela qual a água é conduzida a casa de força d casa de força local onde estão instalados o gerador e a turbina e chaminé de equilíbrio encontrase em instalações de grande altura de queda e grandes distâncias entre a tomada dágua e a casa de força separa o trecho de baixa e de alta pressão da tubulação 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 21 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Centrais Hidrelétricas e chaminé de equilíbrio impede que a onda de sobrepressão provocada pelo golpe de aríete se propague pela região de baixa pressão da tubulação fornece um rápido suprimento de água à turbina no caso de um brusco aumento da carga dos geradores f câmara de carga substitui a chaminé de equilíbrio em micro e minicentrais hidrelétricas onde a alimentação do conduto forçado se realiza por meio de canais de superfície livre é uma expansão da extremidade do canal de modo a formar um pequeno reservatório conectado à extremidade superior do conduto forçado 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo II 22 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Centrais Hidrelétricas Figura 6 Central Hidrelétrica com câmara de carga 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 23 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Centrais Hidrelétricas Após acionar a turbina a água é restituída a um canal de fuga ou à calha natural do rio Isto é realizado de maneira direta em turbinas de ação No caso das turbinas de reação a restituição é realizada por meio de um tubo de sucção Quando um tubo de sucção é empregado a altura de queda bruta da central ou altura de queda geométrica é dada por 𝐻𝐻𝑔𝑔 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑎𝑎 𝑚𝑚𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑚𝑚 𝑎𝑎 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑒𝑒𝑎𝑎𝑐𝑐 𝑚𝑚𝑐𝑐 𝑒𝑒𝑛𝑛𝑛𝑚𝑚𝑛𝑛 𝑚𝑚𝑐𝑐𝑒𝑒𝑒𝑒𝑎𝑎𝑒𝑒𝑒𝑒𝑚𝑚 𝑚𝑚 𝑗𝑗𝑗𝑗𝑐𝑐𝑎𝑎𝑒𝑒𝑒𝑒𝑚𝑚 Turbinas de Reação 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 24 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Centrais Hidrelétricas Para turbinas de ação 𝐻𝐻𝑔𝑔 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑑𝑑𝑚𝑚𝑒𝑒𝑚𝑚𝑒𝑒𝑑𝑎𝑎 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑒𝑒𝑎𝑎 𝑚𝑚𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑚𝑚 𝑐𝑐 𝑒𝑒𝑛𝑛𝑛𝑚𝑚𝑛𝑛 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑚𝑚𝑐𝑐𝑒𝑒𝑒𝑒𝑎𝑎𝑒𝑒𝑒𝑒𝑚𝑚 𝑚𝑚 𝑐𝑐 𝑝𝑝𝑐𝑐𝑒𝑒𝑒𝑒𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑒𝑒𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑐𝑐 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑒𝑒𝑐𝑐 𝑚𝑚𝑐𝑐 𝑗𝑗𝑎𝑎𝑒𝑒𝑐𝑐 𝑞𝑞𝑗𝑗𝑚𝑚 𝑐𝑐𝑎𝑎𝑚𝑚 𝑚𝑚𝑐𝑐 𝑚𝑚𝑒𝑒𝑗𝑗𝑚𝑚𝑒𝑒𝑐𝑐𝑒𝑒 é 𝑒𝑒𝑎𝑎𝑒𝑒𝑡𝑡𝑚𝑚𝑒𝑒𝑒𝑒𝑚𝑚 𝑎𝑎 𝑗𝑗𝑚𝑚𝑎𝑎 𝑐𝑐𝑚𝑚𝑒𝑒𝑐𝑐𝑗𝑗𝑒𝑒𝑑𝑑𝑚𝑚𝑒𝑒𝑐𝑒𝑒𝑐𝑐𝑚𝑚𝑎𝑎 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑚𝑚 𝑐𝑐𝑚𝑚𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑐𝑐 𝑒𝑒𝑐𝑐 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑒𝑒𝑐𝑐 𝑚𝑚𝑐𝑐 𝑚𝑚𝑐𝑐𝑒𝑒𝑐𝑐𝑒𝑒 Turbinas de Ação 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 25 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Centrais Hidrelétricas A altura de queda disponível altura efetiva queda efetiva ou altura de queda útil ou salto energético específico expressa em altura de coluna dágua H é dada por 𝐻𝐻 𝐻𝐻𝐺𝐺 𝐻𝐻𝑃𝑃 onde 𝐻𝐻 altura disponível em 𝑚𝑚 𝐻𝐻𝐺𝐺 altura de queda geométrica altura de queda bruta queda topográfica ou geodésica em 𝑚𝑚 𝐻𝐻𝑃𝑃 perda de carga na tubulação ou perda de energia por atrito da água com as paredes da tubulação em 𝑚𝑚 1 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 26 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Golpe de Aríete e regulagem de turbinas hidráulicas Golpe de aríete é uma variação brusca de pressão em um escoamento variável devido à interrupção brusca do escoamento líquido Há uma conversão da energia de velocidade da corrente líquida estancada em energia de pressão Atua em ondas alternadas de pressão ao longo do conduto forçado da central hidrelétrica Decresce com o tempo devido à dissipação de energia por atrito 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo II 27 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Centrais Hidrelétricas Figura 7 Golpe de Aríete 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 28 Instalações de bombeamento fechamento rápido da válvula desligamento súbito do motor de acionamento avaria do sistema de alimentação de energia CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Golpe de Aríete e regulagem de turbinas hidráulicas O escoamento variável é devido à 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 29 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Golpe de aríete e regulagem de turbinas hidráulicas Turbinas hidráulicas alteração da vazão absorvida pela turbina adaptação da potência gerada à demanda do sistema elétrico A variação de vazão é comandada pelo regulador de velocidade que atua sobre o sistema diretor da turbina 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 30 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Golpe de aríete e regulagem de turbinas hidráulicas A determinação das pressões extremas atingidas durante o fenômeno do golpe de aríete tornase extremamente importante para o correto dimensionamento de tubulações Δ𝐻𝐻 2𝐿𝐿𝑐𝑐𝑜𝑜 𝑡𝑡𝑒𝑒𝑓𝑓 𝑑𝑑𝑓𝑒𝑒𝑚𝑚𝑗𝑗𝑛𝑛𝑎𝑎 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑀𝑀𝑚𝑚𝑐𝑐𝑀𝑎𝑎𝑗𝑗𝑚𝑚 Δ𝐻𝐻 sobrepressão provocada pelo golpe de aríete 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝐿𝐿 comprimento do conduto forçado 𝑚𝑚 𝑐𝑐0 velocidade de escoamento da água antes do fechamento 𝑚𝑚𝑐𝑐 𝑒𝑒𝑓𝑓 tempo de fechamento do sistema diretor da turbina 𝑐𝑐 2 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 31 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Golpe de aríete e regulagem de turbinas hidráulicas O sistema de regulagem da turbina deve atuar sobre o sistema diretor da máquina de maneira a impedir sobrevelocidades de rotação e sobrepressões excessivas provenientes do golpe de aríete Turbinas Pelton defletor de jato sobre o rotor Turbinas Francis válvulas de alívio ou de descarga automática Turbinas Kaplan alteração da inclinação das pás pela atuação de mecanismos no interior do cubo do rotor e comandos pelo regulador de velocidade 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 32 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Golpe de aríete e regulagem de turbinas hidráulicas Figura 8 Defletor de jato de uma turbina Pelton O defletor desvia o jato dágua incidente sobre o rotor permitindo um fechamento lento do sistema diretor 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 33 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Golpe de aríete e regulagem de turbinas hidráulicas Figura 10 Turbina Pelton com defletor de jato Figura 9 Turbina Pelton sem defletor de jato 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 34 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Golpe de aríete e regulagem de turbinas hidráulicas Nas turbinas Francis uma válvula de alívio desvia parte da vazão para o canal de descarga da turbina enquanto o sistema diretor fecha lentamente Figura 11 Sistema diretor de turbina Francis 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 35 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Golpe de aríete e regulagem de turbinas hidráulicas Turbinas kaplan não apresentem dispositivos para controle de sobrepressão No entanto possuem sistemas de dupla regulagem os quais possibilitam a mudança de inclinação das pás do rotor de modo a se adaptar à variação da inclinação das pás do sistema diretor Tal procedimento proporciona a manutenção de um alto rendimento para uma faixa bastante ampla de valores de vazão 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 36 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Golpe de aríete e regulagem de turbinas hidráulicas Figura 12 Mecanismo alojado no cubo de um rotor Kaplan 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 37 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Curvas características de turbinas hidráulicas Alterandose valores de projeto tais como 𝑄𝑄 𝑌𝑌 𝑒𝑒 𝜂𝜂𝑡𝑡 as demais grandezas também serão afetadas As curvas características podem ser obtidas de maneira analítica ou semiempírica Para o traçado de tais curvas convém utilizar o Sistema Técnico de Unidades 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 38 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Curvas características de turbinas hidráulicas Considerase 𝑒𝑒 𝑛𝑛𝑚𝑚𝑛𝑛𝑐𝑐𝑐𝑐𝑚𝑚𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑒𝑒𝑐𝑐𝑒𝑒𝑎𝑎𝑑𝑟𝑐𝑐 𝐻𝐻 𝑎𝑎𝑛𝑛𝑒𝑒𝑗𝑗𝑒𝑒𝑎𝑎 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑞𝑞𝑗𝑗𝑚𝑚𝑚𝑚𝑎𝑎 𝑎𝑎 𝑡𝑡𝑒𝑒𝑎𝑎𝑗𝑗 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑚𝑚𝑒𝑒𝑒𝑒𝑗𝑗𝑒𝑒𝑎𝑎 variáveis independentes 𝑄𝑄 𝑛𝑛𝑎𝑎𝑣𝑣𝑟𝑐𝑐 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑐𝑐𝑐𝑐𝑎𝑎𝑒𝑒𝑡𝑡𝑎𝑎 𝑃𝑃𝑒𝑒 𝑝𝑝𝑐𝑐𝑒𝑒𝑐𝑒𝑒𝑐𝑐𝑚𝑚𝑎𝑎 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑚𝑚ixo 𝜂𝜂𝑡𝑡 𝑒𝑒𝑚𝑚𝑒𝑒𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑒𝑒𝑒𝑒𝑐𝑐 𝑒𝑒𝑐𝑐𝑒𝑒𝑎𝑎𝑛𝑛 variáveis dependentes 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 39 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Curvas características de turbinas hidráulicas O grau de abertura 𝑎𝑎 para turbinas Francis Dériaz e Kaplan é definido como a menor distância entre a cauda de uma pá do sistema diretor e a seguinte Para turbinas Pelton o grau de abertura está relacionado com o curso da agulha do injetor Figura 11 Sistema diretor de turbina Francis Kaplan e Pelton 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 40 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Curvas características de turbinas hidráulicas Nas turbinas MichellBanki o grau de abertura é definido pela inclinação de uma única pá diretriz Figura 12 Turbina MichellBanki 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 41 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Curvas características de turbinas hidráulicas Figura 13 Curvas 𝑄𝑄 𝑑𝑑 𝑒𝑒 para o mesmo grau de abertura de turbinas hidráulicas 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 42 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Curvas características de turbinas hidráulicas Estas curvas podem ser traçadas mediante experimentos com o auxílio de modelos reduzidos Utilizandose as leis de semelhança os resultados obtidos permitem a representação das curvas características 𝑄𝑄 𝑑𝑑 𝑒𝑒 e 𝜂𝜂𝑡𝑡 𝑑𝑑 𝑒𝑒 para diferentes valores de grau de abertura de uma determinada turbina 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 43 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Curvas características de turbinas hidráulicas Figura 14 Curvas 𝑄𝑄 𝑑𝑑 𝑒𝑒 para o mesmo grau de abertura de turbinas hidráulicas 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 44 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Curvas características de turbinas hidráulicas Figura 15 Diagrama topográfico de uma turbina hidráulica As duas curvas podem ser representadas em um único gráfico 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 45 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Curvas características de turbinas hidráulicas Levase para cada ponto da curva 𝑄𝑄 𝑑𝑑 𝑒𝑒 o valor correspondente do rendimento retirado da curva 𝜂𝜂𝑡𝑡 𝑑𝑑 𝑒𝑒 O ponto de máximo rendimento da turbina 𝜂𝜂 93 corresponde ao cume da colina de rendimentos Para 𝜂𝜂𝑡𝑡 0 a velocidade de rotação da turbina corresponde a velocidade de disparo para cada grau de abertura 𝑃𝑃𝑒𝑒 0 e 𝑄𝑄 0 O máximo valor da velocidade de disparo 𝑒𝑒𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 corresponde à condição em as partes girantes da turbina e do gerador estão sujeita às maiores tensões Desta forma o conhecimento de tal parâmetro é fundamental para o dimensionamento do conjunto turbinagerador 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 46 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Curvas características de turbinas hidráulicas Para 𝑎𝑎 8 a 15 depende do tipo de turbina a velocidade de disparo coincide com a rotação nominal da máquina Para 𝑎𝑎 100 a velocidade de disparo corresponde de maneira aproximada ao dobro da rotação nominal da máquina 𝑒𝑒𝑛𝑛 A velocidade de disparo para turbinas Pelton é de 18 a 19 𝑒𝑒𝑛𝑛 Para turbinas MichellBanki 18 𝑒𝑒𝑛𝑛 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 47 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Curvas características de turbinas hidráulicas Para turbinas do tipo Francis e Kaplan 𝑒𝑒𝑛𝑛 geralmente é relacionada com 𝑒𝑒𝑞𝑞𝑞𝑞 Uma destas relações é dada por Sedille 1967 𝑒𝑒𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑒𝑒𝑛𝑛 3 2 𝑒𝑒𝑞𝑞𝑞𝑞 513 3 𝑒𝑒𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑚𝑚𝑚𝑒𝑒𝑚𝑚𝑚𝑚𝑎𝑎 𝑛𝑛𝑚𝑚𝑛𝑛𝑐𝑐𝑐𝑐𝑚𝑚𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑐𝑐𝑝𝑝𝑎𝑎𝑒𝑒𝑐𝑐 𝑚𝑚𝑎𝑎 𝑒𝑒𝑗𝑗𝑒𝑒𝑎𝑎𝑚𝑚𝑒𝑒𝑎𝑎 𝑒𝑒𝑛𝑛 𝑛𝑛𝑚𝑚𝑛𝑛𝑐𝑐𝑐𝑐𝑚𝑚𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑒𝑒𝑐𝑐𝑒𝑒𝑎𝑎𝑑𝑟𝑐𝑐 𝑒𝑒𝑐𝑐𝑚𝑚𝑚𝑚𝑒𝑒𝑎𝑎𝑛𝑛 𝑚𝑚𝑎𝑎 𝑒𝑒𝑗𝑗𝑒𝑒𝑎𝑎𝑚𝑚𝑒𝑒𝑎𝑎 𝑒𝑒𝑞𝑞𝑞𝑞 𝑛𝑛𝑚𝑚𝑛𝑛𝑐𝑐𝑐𝑐𝑚𝑚𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑒𝑒𝑐𝑐𝑒𝑒𝑎𝑎𝑑𝑟𝑐𝑐 𝑚𝑚𝑐𝑐𝑝𝑝𝑚𝑚𝑐𝑐𝑛𝑑𝑑𝑚𝑚𝑐𝑐𝑎𝑎 𝑚𝑚𝑎𝑎 𝑒𝑒𝑗𝑗𝑒𝑒𝑎𝑎𝑚𝑚𝑒𝑒𝑎𝑎 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 48 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Curvas características de turbinas hidráulicas As curvas características para turbinas hidráulicas podem ser representadas utilizandose grandezas unitárias e biunitárias Figura 14 Diagrama topográfico em grandezas unitárias O uso das grandezas unitárias permite a correção de variações que surgem em ensaios experimentais Além disso possibilita a obtenção do comportamento de uma mesma máquina para diferentes condições de operação 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 49 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Curvas características de turbinas hidráulicas As variáveis biunitárias podem ser aplicadas a toda as turbinas semelhantes desde que estejam dentro dos limites impostos pela teoria da semelhança Figura 15 Diagrama topográfico em grandezas biunitárias para turbina Francis teste com modelo reduzido ITAIPU rio Paraná 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 50 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Curvas características de turbinas hidráulicas Por meio do diagrama topográfico em grandezas biunitárias juntamente com as equações representativas de tais grandezas e com a potência de eixo é possível obter as curvas características 𝑃𝑃𝑒𝑒 𝑑𝑑 𝑄𝑄 e 𝜂𝜂𝑡𝑡 𝑑𝑑 𝑄𝑄 em tamanho real Calculase inicialmente a velocidade de rotação biunitária 𝑒𝑒𝐼𝐼𝐼𝐼 através da equação 𝑒𝑒𝐼𝐼𝐼𝐼 𝑒𝑒𝑛𝑛 𝐻𝐻 1 2 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 51 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Curvas características de turbinas hidráulicas Com este valor retirase o rendimento total e o correspondente valor da vazão biunitária 𝑄𝑄𝐼𝐼𝐼𝐼 do diagrama A vazão e a potência correspondentes a cada ponto de interseção são obtidas a partir da equações 5 e 6 𝑄𝑄𝐼𝐼𝐼𝐼 𝑄𝑄 𝑛𝑛2𝐻𝐻 1 2 6 𝑃𝑃𝑒𝑒 𝛾𝛾𝑄𝑄𝐻𝐻𝜂𝜂𝑡𝑡 75 5 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 52 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Curvas características de turbinas hidráulicas Figura 16 Curvas 𝜂𝜂𝑡𝑡 𝑑𝑑 𝑄𝑄 𝑚𝑚𝑃𝑃𝑒𝑒 𝑑𝑑 𝑄𝑄 obtidas a partir do diagrama topográfico O valor máximo da potência corresponde à máxima vazão não ocorrendo o mesmo para o rendimento máximo Desta forma é possível trabalhar com uma ampla faixa de vazões e elevados rendimentos No ponto de funcionamento em vazio a turbina não fornece potência útil no eixo 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 53 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Curvas características de turbinas hidráulicas Figura 17 Diagrama topográfico para turbinas hidráulicas do tipo Pelton A utilidade dos diagramas topográficos com grandezas biunitárias pode ser constatada pela análise das figuras 15 17 e 18 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 54 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Curvas características de turbinas hidráulicas Figura 18 Diagrama topográfico para turbinas Kaplan O diagrama mostra que a aplicação das turbinas Kaplan para instalações de baixa altura de queda é mais adequada Para tal situação não é apropriada a utilização da turbina Francis Figura 15 A turbina Pelton é mais adequada para o trabalho em uma situação de variação de vazão do que as demais turbinas Francis e Kaplan 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 55 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Curvas características de turbinas hidráulicas Figura 19 Curvas de rendimento em função da vazão para vários tipos de turbinas hidráulicas Turbinas Pelton são mais indicadas para operação com descarga variável sendo as do tipo Hélice menos adequadas A turbina Kaplan adaptase bem à operação com vazão variável sem perder as vantagens de uma turbina de grande 𝑒𝑒𝑞𝑞𝑞𝑞 operação com variação de altura de queda 07042024 1022 AM Máquinas de Fluxo I 56 CARACT DE FUNCIONAMENTO DE TURB HIDRÁULICAS Curvas características de turbinas hidráulicas Figura 20 Comparação das curvas características de uma turbina MichellBanki com a curva característica de uma turbina Francis Quando comparada com a turbina Francis a MichellBanki apresenta superioridade para faixa de baixa vazões No entanto a Francis apresenta rendimento máximo superior para elevadas vazões