Aula 3: Máquinas de Fluxo - Exercícios e Componentes de Turbinas Hidráulicas

AULA 3 Máquinas de Fluxo Disciplina de Processos de Conversão Termoelétricas CH 45 h CRE 03 Prérequisitos s Termodinâmica II e Transferência de Calor e Massa Universidade Federal da Paraíba Curso de Engenharia Renovável 20222 Profª Taynara Geysa Silva do Lago taynaracearufpbbr 2 Máquinas 01082023 Aula 3 Exercícios 3 Campos de Aplicação 01082023 Aula 3 Exercícios 4 01082023 Aula 3 Exercícios Bombas Perdas Potências 5 01082023 Aula 3 Exercícios Bombas Perdas Potências h t J H H h t H H 6 01082023 Aula 3 Exercícios Bombas Perdas Potências i m ef P P 1 h t h v m t h m ef P P 7 01082023 Aula 3 Exercícios Bombas Perdas Potências hP gQH QH i h pi P P P 8 01082023 Aula 3 Exercícios Bombas Perdas Potências ef i pm h pv ph pm P P P P P P P i Q q i h t t P H J Q H 9 01082023 Aula 3 Exercícios Bombas Perdas Potências 1 Uma bomba hidráulica utiliza uma potência efetiva de 266 kW com uma vazão de 006 m3s e altura de elevação de 34 m Calcule o rendimento total a potência perdida mecânica a vazão de fuga e a potência perdida Considere rendimento volumétrico de 98 rendimento mecânico de 95 e peso especifico 9780 Nm3 p p p p p 10 01082023 Aula 3 Máquinas de Fluxo Turbinas Hidráulicas 11 Turbinas Hidráulicas 01082023 Aula 3 Máquinas de Fluxo Turbinas hidráulicas o líquido gira as pás para produzir rotação Energia Potencial Cinética Potência Mecânica Energia Elétrica Hidroeletricidade Vantagens Limpo e Renovável Desvantagens dano ao ecossistema perda de terra Componentes de uma turbina Corredor parte rotacional eixo pás Difusor na saída aumento do tamanho em forma de canal Distribuidor componente opcional na entrada que controla o ângulo de ataque Partes de uma Usina Hidroelétrica 12 Turbinas Hidráulicas 01082023 Aula 3 Máquinas de Fluxo Componentes relevantes para análise de estabilidade eletromecânica Penstock conduto forçado Turbine turbina hidráulica Generator gerador síncrono Regulador de velocidade controle de abertura do gate abertura do distribuidor de água entre o conduto forçado e a turbina Ação Impulso Reação 13 Turbinas Hidráulicas 01082023 Aula 3 Máquinas de Fluxo As três principais tecnologias de turbina hidráulica utilizadas para geração de energia elétrica diferem entre si sobretudo devido ao seu princípio de funcionamento Pelton 100 ação impulso Kaplan 100 reação Francis parte ação e parte reação Fonte httpwwwdseefeeunicampbrdottait003Aula5pdf Fluxo Tangencial Fluxo Axial 14 Turbinas Hidráulicas 01082023 Aula 3 Máquinas de Fluxo Quanto à posição relativa entre o eixo de rotação da turbina e o fluxo de água proveniente do conduto forçado Pelton 100 tangencial ortogonal Kaplan 100 axial Francis misto entrada tangencial e saída axial Fonte httpwwwdseefeeunicampbrdottait003Aula5pdf Turbina Pelton 15 Turbinas Hidráulicas 01082023 Aula 3 Máquinas de Fluxo Pelton grandes quedas e baixas vazões Turbina de ação impulso Perfil das pás em forma de colher o fluído água é injetado por uma tubeira nozzle que converte a pressão hidráulica da grande queda em um jato de alta velocidade Ao colidir com as pás a direção e a magnitude do jato de água é modificado devido ao perfil curvo das pás Nesse processo a quantidade de movimento do jato é transferida para as pás sob a forma de impulso Esse impulso está associado a uma força que produz torque e trabalho mecânico no eixo da turbina Controle de potência feito através da abertura da agulha injetora na tubeira Turbina Pelton 16 Turbinas Hidráulicas 01082023 Aula 3 Máquinas de Fluxo Turbinas Francis 17 Turbinas Hidráulicas 01082023 Aula 3 Máquinas de Fluxo Francis vazões e quedas intermediárias sobrepõese à Kaplan e à Pelton Turbina de açãoreação Perfil aerodinâmico das pás o fluído água ao atravessar o perfil aerodinâmico das pás com um ângulo de ataque ideal cria uma região de alta pressão e uma região de baixa pressão A diferença de pressão cria uma força de sustentação no sentido tangencial produzindo torque no rotor da turbina Além do perfil aerodinâmico da pá que extrai energia por diferença de pressão há uma curvatura que força a mudança de direção da água e extrai energia também por impulso Eficiente em uma grande faixa de condições de operação Controle de potência feito com abertura do distribuidor Instalação vertical 60 da capacidade hidroelétrica global instalada é aproveitada na forma de turbinas Francis Turbinas Francis 18 Turbinas Hidráulicas 01082023 Aula 3 Máquinas de Fluxo Grand Coulee Dam Third Powerplant Rio Colúmbia Estado de Washington USA Turbinas Kaplan 19 Turbinas Hidráulicas 01082023 Aula 3 Máquinas de Fluxo Kaplan grandes vazões e baixas quedas Turbina de reação Podem ter controle de passo das pás para operar sempre no ângulo de ataque ideal máxima extração de energia que varia com a vazão de água no rio É semelhante ao funcionamento de uma hélice porém com o fluxo de energia invertido São conhecidas também como turbinas hélice o termo hélice é específico para as turbinas sem controle de passo Controle de potência feito através da abertura do distribuidor e do passo das pás Bulbo arranjo em que a turbina Kaplan é instalada na horizontal e o conjunto gerador turbina é encapsulado em um bulbo imerso no fluxo de água As turbinas instaladas no complexo do Madeira utilizam essa tecnologia e são as maiores turbinas Bulbo já feitas 7375 MW Turbinas Kaplan 20 Turbinas Hidráulicas 01082023 Aula 3 Máquinas de Fluxo Turbinas Kaplan Bulbo 21 Turbinas Hidráulicas 01082023 Aula 3 Máquinas de Fluxo Rotores de Turbinas 22 Turbinas Hidráulicas 01082023 Aula 3 Máquinas de Fluxo Comparação da velocidade específica com turbinas amplamente construídas 23 Turbinas Hidráulicas 01082023 Aula 3 Máquinas de Fluxo Dependentes da Hidreletricidade em 2006 24 Turbinas Hidráulicas 01082023 Aula 3 Máquinas de Fluxo Noruega 99 Canada 60 Brazil 70 Fonte httpswwwredplanetgreentop6largestproducershydroelectricpower As 5 maiores usinas hidrelétricas do mundo 25 Turbinas Hidráulicas 01082023 Aula 3 Máquinas de Fluxo 1 Três Gargantas China 22500 MW 2 Itaipú Brasil Paraguai 14000MW As 5 maiores usinas hidrelétricas do mundo 26 Turbinas Hidráulicas 01082023 Aula 3 Máquinas de Fluxo 3 Guri Venezuela 10000 MW 4 Tucuruí I e II Brasil 8370 MW 5 Grand Coulee EUA 6494 MW Fonte httpswwwredplanetgreentop6largestproducershydroelectricpower Queda Liquida Nominal m 27 Turbinas Hidráulicas 01082023 Aula 3 Máquinas de Fluxo Fonte httpwwwdseefeeunicampbrdottait003Aula5pdf 28 01082023 Aula 3 Turbinas Hidráulicas Esquema de turbina de reação Transformação da Energia 1 4 Hgeo z z Altura de Queda H Altura de queda bruta Hgeo geo pc H H h Para calculála são possíveis dois métodos no primeiro considerase que é a energia de queda bruta menos as perdas de carga da tubulação forçada A outra forma é o chamado processo manométrico que leva em conta as análises de energia na entrada e saída da máquina 2 3 H H H 2 2 2 3 3 2 2 2 3 2 2 pm p V V H a z z g g 29 01082023 Aula 3 Máquinas de Fluxo Esquema de turbina de reação Transformação da Energia Pela dificuldade de obtenção de informações do ponto 3 podese aplicar o trinômio de Bernoulli entre 3 e 4 sendo razoável supor que não existe perda neste trecho logo 3 4 0 H H 3 4 H H E usando os dados do ponto 4 para calcular a altura de queda e lembrando que p4patm0 pressão manométrica e a fazendo o nível a jusante como o plano horizontal de referência sendo a cota z40 logo 2 2 2 2 4 2 4 2 1 V V z 2 p H H H g 2 2 2 2 4 2 2 4 2 1 V V z 2 pm H H H a g 30 01082023 Aula 3 Máquinas de Fluxo Transformação da Energia Esquema de turbina de ação Para turbinas de ação aplica se a equação de energia entre os pontos 2 e 3 considerando que o ponto 3 está localizado na linha de 2 logo após transferir a energia para a pá do rotor 2 2 2 3 2 3 2 3 2 3 1 V V z 2 p p H H H z g Sabendo que p3patm0 manométrica que V30 que z2z3 resulta 2 2 V2 2 p H g 2 2 2 2 V 2 pm H a g 31 01082023 Aula 3 Exercícios Transformação da Energia 1 Calcule a altura de queda e a potência efetiva mecânica do aproveitamento hidroelétrico esquematizado abaixo sendo o rendimento total igual a 89 conhecendose os seguintes dados i Q 04 m3s ii diâmetro na tubulação de entrada 300 mm iii largura do tubo na saída 500 mm iv altura do tubo na saída 200 mm 32 01082023 Aula 3 Exercícios Transformação da Energia 2 2 2 2 2 4 2 1 V V z 2 pm H a g 2 2 2 4 D A 2 2 4 4 Q V A Q V A A4 L H 2 2 2 03 0071 4 A m 2 4 05 02 01 A m 2 4 04 563 m s 0071 04 4 m s 01 V V Solução 3 2 4 4 04 03 05 02m 089 Dados Q m s D m L m H 33 01082023 Aula 3 Exercícios Transformação da Energia 2 2 2 2 2 4 2 1 V V z 2 pm H a g 2 2 563 4 40 0 15 2 981 H 40 08 15 393 H mCA ef t h P P ef t h ef t P P P gQH 089 998 981 04 393 ef P 1369752 137 ef P W kW 34 01082023 Aula 3 Exercícios Transformação da Energia 2 Determinar a altura de queda e a potência hidráulica da turbina Francis conhecendose i vazão 156 ls ii pressão no manômetro de entrada da máquina 32 mCA iii diâmetro da tubulação na entrada 280 mm Despreze a velocidade do escoamento na saída da turbina 35 01082023 Aula 3 Exercícios Transformação da Energia 2 2 2 2 2 4 2 1 V V z 2 pm H a g 2 2 2 4 D A 2 2 2 028 00616 4 A m 2 0156 253 00616 V m s 2532 32 1 08 2 981 H 42 0326 08 H 533 H m hP gQH hP 998 981 0156 533 81405 hP W 3 2 2 0156 32 280 Dados Q m s P mCA D mm 36 01082023 Aula 3 Exercícios Transformação da Energia 3 Determinar a potência hidráulica de uma turbina de ação T Pelton sendo i vazão 150 ls ii pressão no manômetro da entrada 455 mCA iii diâmetro externo do injetor na seção de medida de pressão 30 cm iv diâmetro interno do injetor na seção de medida de pressão 15 cm e v correção de instalação do manômetro desprezível 2 2 2 2 V 2 pm H a g 2 2 2 2 int 2 2 03 015 0053 4 4 Dext D A m 2 015 283 0053 V m s 2832 455 2 981 H 455 041 45541m H hP gQH hP 998 981 015 45541 6687955 hP W 37 01082023 Aula 3 Exercícios Perdas Potências 38 01082023 Aula 3 Exercícios Perdas Potências t i Q Q q t h H H J Vazão Altura de Queda Ht é a altura de quedaelevação teórica desenvolvida pelo rotor H é a altura de quedaelevação Jh é a altura de perda de pressão Qt é a vazão teórica Q é a vazão considerada no cálculo das alturas de queda e elevação qi é a vazão perdida As perdas que ocorrem nas turbinas podem ser classificadas como internas e externas As internas estão localizadas no interior da carcaça da máquina resultado da movimentação do fluido nesta região As externas são as encontradas fora da carcaça como o atrito do eixo com mancais anéis de vedação e outras que não estão relacionadas com o movimento do fluido em seu interior Dentre as possíveis perdas que ocorrem as mais significativas são Hidráulicas perda interna Volumétricas perda interna Mecânicas perda externa 39 01082023 Aula 3 Exercícios Perdas Potências t i v Q Q q Q Q t h H H ef m i P P Rendimento Volumétrico Rendimento hidráulico Rendimento Mecânico Rendimento Total v 1 ef t h v m t h m h P P 40 01082023 Aula 3 Exercícios Perdas Potências A Tabela mostra os rendimentos orientativos para turbinas 41 01082023 Aula 3 Exercícios Perdas Potências Tem a relação mostrada a seguir e fica na faixa de 90 a 97 ge ge e P P Rendimento de transmissão ηTR Rendimento do gerador ηge O rendimento da transmissão diz respeito às perdas provocadas pela potência entregue pelo eixo da turbina e a potência recebida pelo gerador Neste processo podese ter perdas caso a transmissão seja feita por polias e correias ou outro elemento de transmissão que possa ser usado 42 01082023 Aula 3 Exercícios Perdas Potências G t TR ge Rendimento global ηG O rendimento de geração global está relacionado com as perdas no gerador que fazem com que a potência elétrica entregue pelo gerador seja diferente da potência recebida por este 43 01082023 Aula 3 Exercícios Perdas Potências Potência eficaz total ef i pm P P P Pef é a potência eficaz no eixo da máquina Pi é a potência interna Ppm é a potência perdida mecânica Unidades 1 HP10138 CV 7457 W 1 CV 09863 HP 7355 W Potência interna Pi i i h t t P Q q H J Q H hP QH gQH Potência hidráulica 44 01082023 Aula 3 Exercícios Perdas Potências Potência bruta b geo P gQH Potência no gerador elétrico Conceito utilizado para turbinas é a potência elétrica nos terminais do gerador É a potência hidráulica multiplicada pelo rendimento da turbina ηt rendimento de transmissão ηTR e rendimento do gerador ηge O produto dos três rendimentos é o rendimento global ηG ge t TR ge G P gQH gQH Conceito utilizado para turbinas é a potência contida no desnível topográfico da instalação sendo uma função da queda bruta 45 01082023 Aula 3 Exercícios 1Para uma turbina tipo Francis de Itaipu que produz uma potência máxima de 740 MW com uma vazão máxima de 710 m3s e altura de queda nominal de 1184 m calcule o rendimento total a potência de perda mecânica e a vazão de fuga Considere rendimento volumétrico de 99 e rendimento mecânico de 98 hP gQH 8 998 981 710 1184 823 10 W hP 823 hP MW ef t h P P 740 899 823 t t v h m i v h 0899 917 098 t i m i i h P P i i h P P 0917 823 755 iP MW 755 740 15 pm i ef P P P MW f v Q Q Q 1 1 f v Q Q 3 710 001 71 f m Q s Perdas Potências 46 01082023 Aula 3 Exercícios 2 Na usina de Três Marias Rio S Francisco cada turbina Kaplan produz 91156 CV com uma vazão de 150 m3 s e altura de queda de 50 m Calcule o rendimento total ef t h P P 6 91156 735 734 10 t hP gQH hP 998 981 150 50 998 981 150 50 734 hP MW 09128 913 t Perdas Potências 47 01082023 Aula 3 Exercícios 3 Para o exercício anterior considerando um rendimento hidráulico de 94 e rendimento volumétrico de 99 calcule a perda mecânica e a vazão de fuga i v h 099 094 0931 i i i h P P 0931 734 683 iP MW 683 67 13 pm i ef P P P MW f v Q Q Q 1 1 f v Q Q 3 150 001 15 f m Q s Perdas Potências