8. Turbinas Hidráulicas

8.1 Introdução

Turbinas são máquinas para converter energia hidráulica em energia elétrica. O custototal de uma usina hidrelétrica (reservatório, tubulações, turbinas, etc.) é mais alto do que o deuma central termelétrica mas ela tem muitas vantagens, algumas das quais são:1. Alta eficiência2. Flexibilidade de operação3. Fácil manutenção4. Baixo desgaste5. Suprimento de energia potencialmente inesgotável6. Nenhuma poluição

8.2 Classificação

Os principais tipos de turbina são aquelas de impulso e de reação. O tipo predominantede máquina de impulso é a roda Pelton (inventada por Lester Allen Pelton) que é apropriadapara um range de alturas de 150-2000 m. As turbinas de reação são de dois tipos principais:1. de escoamento radial ou misto2. de escoamento axial

Dos tipos de escoamentos radiais predomina a turbina Francis (patenteada por SamuelDowd e aperfeiçoada por James Bicheno Francis). As turbinas Dériaz são similares àsturbinas Francis rápidas mas com um mecanismo que permite variar a inclinação das pás dorotor. Os tipos principais de máquinas axiais são turbinas de hélice (Propeller) cujas pás dorotor são fixas e as turbinas Kaplan com as pás do rotor ajustáveis. Outros tipos de máquinasaxiais são as turbinas Tubulares, Bulbo e Straflo.

8.3 Tipos de Turbinas Hidráulicas

8.3.1. Turbinas Francis

Em 1847 o inglês James Bicheno Francis (1815-1892) trabalhando nos EUA melhorouuma máquina de escoamento centrípeta desenvolvida em 1838 por Samuel Dowd (1804-1879), de modo que a partir disso, elas receberam o nome de turbinas Francis.

A Figura 8.1 (8.1) mostra um corte longitudinal de uma turbina Francis, indicando osórgãos principais. Essencialmente constam das seguintes partes:1) uma caixa, geralmente com forma de caracol do tipo fechado, Figura 8.2 (3.41), a qual é

substituída por uma câmara ou poço de adução no tipo aberto, Figura 8.3 (3.35 e 3.36);2) um distribuidor dotado de pás orientáveis, para proporcionar a descarga correspondente à

potência demandada, com o ângulo mais adequado para a entrada da água no rotor, Figura8.4 (3.7);

3) um rotor dotado de pás com formato especial, Figura 8.5 (3.5);4) um tubo de sucção que conduz a água que sai do rotor a um poço ou canal de fuga, Figura

8.6 (8.65).As turbinas Francis são máquinas de reação do tipo ação total (a água ao passar pelo rotor

preenche simultaneamente todos os canais das pás). Quanto ao posicionamento do eixopodem ser:- de eixo vertical- de eixo horizontal.

Quanto às velocidades do rotor, as turbinas Francis podem ser:- lentas (55<ns<120 rpm);- normais (120<ns<200 rpm);- rápidas (ou Deriaz) (200<ns<300);- extra rápidas ou ultra-rápidas (300<ns<450).

Com a velocidade específica definida pela fórmula: 4 HH

Pnn e

s = ; [n] em rpm, [Pe] em CV e

[H] em m.Quanto ao modo de instalação que caracteriza como recebem a água motriz, as turbinas

Francis podem ser: de instalação aberta ou fechada.

Instalação aberta. Quando a turbina é colocada num poço, ao qual vem ter a água conduzidaem um canal de adução, havendo geralmente uma comporta ou adufa para que se possaesvaziá-la na manutenção. Este tipo de instalação é conveniente apenas para pequenas quedas(até 10 m) e potências pequenas (algumas centenas de CV). Vale ressaltar que quando adescarga é grande e o desnível é pequeno, há vantagem de se utilizar um tubo de sucçãocurvo.Instalação fechada. Quando a queda é superior a 10 m é preferível colocar a turbina numacaixa à qual vem ter a água conduzida em uma tubulação forçada (pentstock). Estas caixastem a forma de caracol, voluta ou espiral e são envolvidas pelo concreto armado.

As Figuras 8.3, 8.7 (3.40) mostram os tipos de instalações e o posicionamento do eixodas turbinas Francis. As vantagens das turbinas de eixo horizontal sobre as de eixo vertical éque nas primeiras a turbina e o gerador podem ser independentes; há uma melhor disposiçãoda sala das máquinas já que a turbina e o gerador estão no mesmo nível; fácil montagem eentendimento; facilidade de manutenção e custo reduzido em cerca de 20% para as mesmascondições.

8.3.2 Turbinas Pelton

Como toda turbina hidráulica, a Pelton possui um distribuidor e um receptor. As partesprincipais das turbinas Pelton são descrita a seguir.1) Distribuidor. O distribuidor é um bocal de forma apropriada a guiar a água, proporcionadoum jato cilíndrico sobre a pá do receptor, o que é conseguido por meio de uma agulha comomostra a Figura 8.8 (3.22).

Figura 8.8 Corte transversal de turbina Pelton de dois jatos e eixo horizontal.2) Rotor. O rotor consta de um certo número de pás com forma de concha especial, dispostasna periferia de um disco que gira preso a um eixo.

A figura 8.9 a e b mostram fotos de um rotor da turbina Pelton.

Fig.8.9.a.b.: Rotor de uma turbina Pelton com as pás desmontadas.

A pá possui um gume médio, que fica sobre o plano médio da roda, e que dividesimetricamente o jato e o desvia lateralmente.

As figuras 8.10 e 8.11 mostram respectivamente uma foto e um desenho esquemático dapá.

Figura 8.10 Pás de uma turbina Pelton.

Figura 8.11 Fixação das pás no rotor de uma turbina Pelton.

As figuras 8.12 e 8.13 mostram respectivamente uma foto e um desenho esquemático daincidência do jato sobre as pás.

Figura 8.12 Incidência dos jatos sobre as pás.

Figura 8.13 Distribuição dos jatos em pás sucessivas.

3) Defletor de jato. O defletor intercepta o jato, desviando-o das pás, quando ocorre umadiminuição violenta na potência demandada pela rede de energia. Nessa hipótese, umaatuação rápida da agulha para reduzir a descarga poderia vir a provocar uma sobrepressão nobocal, nas válvulas e ao longo do encanamento adutor. O defletor volta à sua posição inicialliberando a passagem do jato, logo que a agulha assume a posição que convém, para adescarga correspondente à potência absorvida.

A figura 8.14 mostra detalhes do defletor de jato.

Figura 8.14 Detalhes do bocal injetor e do defletor de jato.

4) Bocal de frenagem. O bocal de frenagem faz incidir um jato nas costas das pás,contrariando o sentido de rotação, quando se desejar frear a turbina rapidamente.(ver figura8.8).

As turbinas Pelton são do tipo tangenciais e de ação parcial como visto no item anterior.Quanto ao número de jatos as turbinas Pelton podem ser de um jato, dois, quatro ou seis

jatos e, excepcionalmente, de 3 jatos. Quanto maior o número de jatos maior a potência parauma mesma queda, maior o desgaste por abrasão se a água tiver areia em suspensão e menor otamanho do rotor (o que representa uma redução no custo por unidade de potência instalada).

A incidência de jatos sobre o rotor em cada volta depende do número de jatos, de modoque, quanto maior a queda, menor deverá ser o número de impactos sobre a pá por minuto(verfigura 8.15)

Quanto ao posicionamento do eixo as turbinas Pelton podem ser de:Eixo horizontal: geralmente utilizada para um ou dois jatos, a instalação é mais

econômica, de fácil manutenção, além de ser possível montar, numa mesma árvore, doisrotores.

Eixo vertical: geralmente utilizado para quatro ou seis jatos sobre as pás do rotor.A figura 8.16 mostra as características da turbina Pelton em função da queda e da

potência. A figura 8.17 mostra o número de jatos em função da rotação e da queda. A figura8.18 mostra um gráfico para determinação da potência, da rotação e do diâmetro do rotor daturbina Pelton em função da queda e da vazão.

Figura 8.15 Número de impactos do jato sobre uma pá, por minuto.

Figura 8.16 Gráfico da Hitachi para escolha da turbina Pelton.

Figura 8.17 Número de jatos de turbina Pelton em função de H e ns.

Figura 8.18 Gráfico da Escher Wyss para determinação de N (MW), n (rpm) e Droda (m).

As turbinas Pelton são recomendadas para quedas elevadas, para as quais a descarga(vazão) aproveitável normalmente é reduzida, uma vez que a captação se realiza em altitudesonde o curso d'água ainda é de pequeno deflúvio.

Por serem de fabricação, instalação e regulagem relativamente simples, além deempregadas em usinas de grande potência, são também largamente empregadas em micro-usinas, em fazendas, etc., aproveitando quedas e vazões bem pequenas para geração dealgumas dezenas de CV.

8.3.3. Turbinas HéliceA necessidade de obtenção de turbinas com velocidades consideráveis em baixas quedas

e grandes descargas, o que não é viável com as turbinas Francis, deu origem em 1908 àsturbinas Hélice ou Propeller.

O rotor assumiu a forma de uma hélice de propulsão, o que explica o nome dado a estasturbinas, figura 8.19.

O distribuidor mantêm o aspecto que tem nas turbinas Francis, mas a distância entre aspás do distribuidor e as do rotor é bem maior do que a que se verifica para as turbinas Francisde alta velocidade específica.

A figura 8.20 mostra o rotor e o distribuidor da turbina hélice.

Figura 8.19 Rotor de turbina Hélice (pás fixas).

Figura 8.20 Rotor de 8 pás de uma turbina Hélice com as pás direcionadas ao distribuidor.

As turbinas Hélice são do tipo axial, de reação e de ação total como as turbinas Francis.As demais características são as mesmas que as das turbinas Kaplan que serão vistas a seguir.Elas são utilizadas em baixa quedas e com grandes descargas (vazões).

8.3.4. Turbinas KaplanEm 1912, o engenheiro Victor Kaplan (1876-1934), após estudos teóricos e

experimentais, concebeu um novo tipo de turbina a hélice, comportando a possibilidade devariar o passo ou inclinação das pás.

A figura 8.21 mostra um corte longitudinal de uma turbina Kaplan indicando os seusprincipais componentes.

Figura 8.21 Corte longitudinal de uma turbina Kaplan.

A figura 8.22 mostra o mecanismo de controle do ângulo das pás do rotor. Os principaiscomponentes de uma turbina Kaplan são descritos a seguir.1) Distribuidor. Se assemelha ao das turbinas Francis, tendo as mesmas finalidades. As pás dodistribuidor, tem sua inclinação comandada por um sistema análogo ao das turbinas Francis, eficam a uma distância considerável das pás do rotor. Deve haver uma sincronização entre osângulos das pás do rotor e as do distribuidor.2) Rotor: Possui pás que podem ser ajustáveis variando o ângulo de acordo com a demanda depotência.3) Tubo de sucção: Tem as mesmas finalidades e a mesma forma dos tubos de sucção paraturbinas Francis.

Figura 8.22a Detalhe do sistema de movimentação das pás de uma turbina Kaplan.

Figura 8.22b Rotor Kaplan em corte total e parcial (esquemático).

4) Caracol ou caixa espiral: Pode ter seção transversal circular nas turbinas de pequenacapacidade e nas quedas consideradas relativamente grandes para turbinas Kaplan, mas, nasunidades para grandes descargas e pequenas quedas, a seção é aproximadamente retangular ou

trapezoidal com estreitamento na direção do distribuidor e recebe a denominação desemicaracol.

As turbinas Kaplan são do tipo axial, de reação e ação total como visto no item anterior.Quanto ao número de pás as turbinas Kaplan podem ser de:

-4 pás (para 10 < H < 20m);-5 pás (para 12 < H < 23m);-6 pás (para 15 < H < 35m);-8 pás (para H > 35m).

São utilizadas para rotações específicas acima de 350 rpm. Permitem uma amplavariação da descarga e da potência sem apreciável variação do rendimento total.

8.3.5. Turbinas DériazTem o nome de um engenheiro suíço que as inventou. A figura 8.23 (3.17) mostra uma

turbina Dériaz. Elas se assemelham às turbinas Kaplan e Francis rápida, porém as pás do rotorsão articuladas e, pela atuação de um mecanismo apropriado podem variar o ângulo deinclinação. Este tipo de turbina é muito utilizado em instalações onde a água do reservatóriode montante precisa ser resposta quando a máquina não está produzindo potência. Sendo,quando for o caso, denominada de turbina-bomba.

Figura 8.23 Rotor de uma turbina-bomba Deriaz (tipo diagonal de pás móveis)

8.3.6. Turbinas TubularesQuando o desnível hidráulico for muito reduzido, pode não ser viável nem mesmo a

instalação de turbinas tipo Kaplan. Deste modo foram desenvolvidos novos tipos de turbinasmais apropriadas para tais condições. Um destes tipos é a turbina Tubulares.

Nas turbinas tubulares, o receptor, de pás fixas ou orientáveis, é colocado num tubopor onde a água escoa e o eixo, horizontal ou inclinado, aciona um alternador colocadoexternamente ao tubo. A Figura 8.24 (3.24) mostra duas instalações de turbinas tubulares.

8.3.7. Turbinas BulboAs turbinas de bulbo podem ser consideradas como uma evolução do tipo anterior. O

rotor possui pás orientáveis como as turbinas Kaplan e existe uma espécie de bulbo colocadodentro do tubo adutor de água. No interior do bulbo que é uma câmara blindada, pode existirsimplesmente um sistema de engrenagens para transmitir o movimento do eixo ao alternador(Figura 8.25) (3.25) e/ou, nos tipos mais aperfeiçoados, no interior do bulbo fica o própriogerador elétrico.

A turbina bulbo dispensa a caixa em caracol e o trecho vertical do tubo de sucção.O espaço ocupado em planta é portanto menor que o das turbinas Kaplan. Para um

mesmo diâmetro do rotor, a turbina bulbo absorve uma descarga maior que as Kaplan,resultando daí maior potência a plena carga.

As turbinas bulbo podem funcionar como turbinas ou como bombas e são empregadasem usinas maré-motrizes.

Um ponto a considerar na instalação deste tipo de turbina é que a limitação do diâmetrodo rotor e do bulbo para redução dos custos, obriga à construção de alternadores de pequenodiâmetro mas muito alongados axialmente, o que, por sua vez, acarreta problemas deresfriamento para o gerador e de custo para o eixo e mancais.

As figuras 8.26, 8.27 e 8.28 mostram uma foto, um desenho esquemático e umamaquete em corte, respectivamente.

Figura 8.26 Turbina bulbo, da Escher Wyss. Vista do rotor , do bulbo e de parte do tubo desaída de água.

Figura 8.27 Turbina bulbo Escher Wyss.

Figura 8.28 Usina de Gersthein (França). Grupo bulbo.

8.3.8. Turbinas StrafloSão turbinas do tipo axial caracterizadas pelo escoamento retilíneo que em inglês

significa "straight flow", cuja contração dos vocábulos originou o nome STRAFLO. Narealidade, as trajetórias das partículas líquidas são hélices cilíndricas, que em projeçãomeridiana são retas paralelas ao eixo.

Neste tipo de turbina o indutor do alternador é colocado na periferia do rotor da turbinaformando um anel articulado nas pontas das pás da hélice, as quais podem ser de passovariável, análogas às da turbina Kaplan. Por esta razão é também denominada turbinageradora de anel ou periférica.

As juntas hidrostáticas montadas entre a carcaça girante, funcionam como um agente depressão e vedação.

Uma vantagem desta turbina é de não haver a necessidade de colocar o gerador nointerior de um bulbo, o que, como vimos, cria problemas de limitação das dimensões dogerador e de resfriamento. A colocação do alternador na própria periferia do rotor da turbinapossibilita uma instalação compacta e a obtenção de fator de potência maior que o conseguidocom outros tipos em igualdade de condições de queda, descarga e custo de obras civis.

As turbinas STRAFLO são adequadas para usinas de baixa queda, de 3 até 40m ediâmetro de rotor de até cerca de 10m.

Do mesmo modo que as turbinas de bulbo e tubulares, as turbinas STRAFLO podem serinstaladas com eixo horizontal ou inclinado.

As figuras 8.29 e 8.30 mostram uma maquete em corte e uma seção transversal de umaturbina STRAFLO, respectivamente.

Figura 8.29 Representação de turbina Straflo de pás fixas.

Figura 8.30 Seção transversal típica de turbina Straflo de pás fixas e mancais convencionais;1- pás diretrizes fixas, 2- pás diretrizes móveis do distribuidor, 3- pás fixas do rotor, 4-

gerador.

8.4. Velocidades das Turbinas Hidráulicas

8.4.1. Número real de rotações.As turbinas acionam diretamente os geradores de energia elétrica, de modo que,

naturalmente, ambos têm o mesmo número de rotações. Mas nos alternadores, pela formacomo são construídos, existe uma dependência entre o número de pares de pólos (p), onúmero de rpm(n) e a freqüência em Hz (f) na forma:

pfn ⋅

=60 .

Para f=60hz n=3600/p. Assim, podemos construir uma tabela que relaciona n e p. (tab.1).As velocidades reais das turbinas, podem ser determinadas a partir da tab.2.

As turbinas de grandes potências tem baixa rotação real de modo a reduzir acomplexidade dos problemas de estabilidade mecânica, momentos nos mancais e a melhoraras condições para a regularização do movimento. Também, por razões construtivas,empregam-se, como visto, baixa velocidade real para turbinas de elevado ns e altas rotaçõesreais para pequenos valores de ns.

Tabela 1: Rotações por minuto síncronos do alternador trifásico em função do número depares de pólos.

P 4 6 8 12 16 18 20 24 30 36 40 45 60n 900 600 450 300 225 200 180 150 120 100 90 80 60

Tabela 2: Número real de rpm das turbinas.Propeller, Kaplan,

Bulbo50 a 150 rpm

Francis 80 a 300 rpmPelton 200 a 750 rpm

8.4.2. Aumento de velocidadeO custo do grupo turbina-gerador diminui com o aumento da velocidade angular que

pode ser conseguido com a redução do diâmetro (das dimensões do rotor). Essas vantagens,aliadas à necessidade muitas vezes de utilizar pequenas quedas, tem feito com que o progressono projeto das turbinas evoluísse para obtenção de velocidades que podem, até certo ponto,ser consideradas altas. Dois recursos são utilizados:a-Dar formas adequadas a seus órgãos essenciais, especialmente o rotor.b-Agrupar numa árvore, vários rotores iguais, alimentados separadamente, constituindo, assimas chamadas turbinas múltiplas. Trata-se de uma instalação em paralelo em que cada unidadese apresenta com um rotor de pequeno diâmetro, permitindo, assim, obter uma maiorvelocidade angular para um mesmo valor de velocidade periférica.

8.5. Rendimento das Turbinas HidráulicasA figura 8.31 mostra o rendimento das principais turbinas hidráulicas em função da

descarga. A figura 8.32 mostra o comportamento do rendimento em função da potência útilpara as principais turbinas hidráulicas.

Figura 8.31 Variação do rendimento com a descarga para os diversos tipos de turbina.

Figura 8.32 Variação do rendimento com a potência útil.

8.6. Campo de Aplicação das Turbinas HidráulicasTeoricamente não é impossível construir turbinas de um tipo qualquer para todas as velocidades específicas, porém a

prática do projeto e os resultados obtidos com as turbinas instaladas tem mostrado que cada um dos tipos só pode serempregado com bom rendimento para valores de ns compreendido entre determinados limites, o que significa dizer que, de

um certo modo, essa grandeza específica (determina) o tipo de turbina a ser usada numa instalação caracterizada pelosvalores de Q, H e n.

A prática mostrou ainda que, para valores dados de queda e potência, os custos das turbinas e da instalação como umtodo diminuem quando a velocidade específica aumenta.

A tabela 3 mostra o campo de aplicação das principais turbinas, em função de n e H, baseada em turbinas instaladasapresentam não só bons rendimentos, mas também os menores custos.

Tabela 3: Campo de aplicação dos diversos tipos de turbinas.Tipos de turbinas ns (rpm) nq=ns/3,36 (rpm) H (m)Pelton 1 jato1 jato1 jato2 jatos2 jatos4 jatos

6 jatos

1818-2526-3526-3536-5040-5051-7172-90

5,35,3-7,47,7-10,47,7-10,410,7-14,911,9-14,915,1-21,021,4-26,8

800800-400400-100800-400400-100400-100500-200400-100

Francis muito lentalentanormalrápida (ou Dériaz)extra-rápida

55-7071-120121-200201-300301-450

16,4-20,821,1-35,736,0-59,559,8-89,289,6-133,9

600-200200-100100-7070-2525-15

PropellerKaplanBulboTubularesStraflo

8 pás7 pás6 pás5 pás4 pás

250-320321-430431-530534-620624 em diante

74,4-95,295,5-128,0128,3-157,7159,0-184,5185 em diante

70-5050-4040-3030-2030

A figura 8.33 mostra a representação gráfica desta tabela.

Figura 8.33 Campo de ampliação das turbinas Pelton, Francis e Kaplan de acordo com aqueda e a velocidade específica.

8.7. Características de algumas Turbinas Hidráulicas instaladas no BrasilA tabela 4 mostra H, Q, n e N bem como o fabricante e o tipo das Turbinas Hidráulicas

instaladas nas principais usinas brasileiras.

Tabela 4: Características de algumas turbinas hidráulicas instaladas no BrasilUsina Tipo H (m) Q (m3.s-1) N (rpm) N (CV)

Itaipú - Rio ParanáPaulo Afonso IV - Rio Sã FranciscoItumbiara - Rio ParanaíbaÁgua Vermelha - Rio GrandeSão Simão - Rio ParanaíbaFoz de Areia - Rio IguaçuTucuruí - Rio TocantinsEstreito - Rio GrandeFurnas (Alpinópolis) - Rio GrandeIlha Solteira - Rio ParanáMarinbondo - Rio GrandeSalto Osório - Quedas IguaçuPasso Fundo - Rio Passo FundoPorto Colômbia - Rio GrandeXavantes - Rio ParanapanemaCapivara - Rio ParanapanemaPromissão - Rio TiêteJupiá - Rio ParanáPorto Primavera - Rio ParanáSobradinho - Rio São FranciscoMoxotó - Rio São FranciscoBernardo Mascarenhas (Três Marias) -Volta Grande - Rio GrandeJupiá - rio ParanáBarra Bonita - Rio TiêteParigot de Souza - Rio CapivariCubatão 1- Henry BordenCubatão 2 - Fonte, (primitiva)Fontes antigas - Rio Piraí

FrancisFrancisFrancisFrancisFrancisFrancisFrancisFrancisFrancisFrancisFrancisFrancisFrancisFrancisFrancisFrancisKaplanKaplanKaplanKaplanKaplanKaplanKaplan(5pás)KaplanKaplanPeltonPeltonPeltonPelton

12013580139,971,329,860,860,888,94660,37225319,373,748,425,025,419,227,221,057,226,22324714,3719,5684310

660385522500420302576306,519038931924048464141,5375380400751715550150430462148101212,71,53

94,212094,79594,7128,685113,51508610012030086129100909867758016485,778,41295143601501094

971.500577.600481.000312.712370.000457.000429.880231.000210.000225.000242.000214.500150.000111.000144.000225.000120.000140.000177.000242.000150.05790.000140.038107.06047.40087.20092.27489.23219.264

Voith. Mec. Pesada Neyrpic, Creusot, BS1Voith, BardellaBVVS, Bardella, VoithNeyrpicNeyrpic & Mec. Pesada--------VoithNohab e BardellaHitachi, Voith. Neyrpic, Asgen, Creusot Escher Wyss, Franco, Tosi, Riva CalzoniVoith, Creusot, Mec. PesadaMitsubishi e HitachiMitsubishiBardellaEscher WyssLening METSKODAEscher Wyss, Calzoni, Mec. Pesada, AsgenMecânica PesadaLMZDominion

Voith GMBHDominionEscher WyssEscher WyssCharmillesCharmilles, Voith, Allis Chalmers

Charmilles, DominionEscher Wyss

8.8. Pré-Dimensionamento das Turbinas HidráulicasNesta seção apresentaremos um roteiro juntamente com alguns gráficos que nos

possibilitará fazer um pré-dimensionamento das turbinas hidráulicas dentro, é claro, daslimitações do texto desenvolvido.

8.8.1. Dados para o Dimensionamento das Turbinas HidráulicasPara o dimensionamento de qualquer Turbinas Hidráulicas é indispensável,

subsidiariamente, conhecer:

- As características físicas e químicas do fluido de trabalho;- As características locais, no que se refere ao ambiente e ao local de instalação;- As características operacionais.

Desse modo, mais especificamente, deve-se conhecer:

- Quedas (H);- Vazões (Q);- Altura do nível d'água de jusante;- Características do sistema que será acionado.

8.8.2. Pré-Dimensionamento de Turbinas Francisa) DADOS BÁSICOS

Q (m3/s): vazão para o ponto de projeto (nominal).H (m): queda disponível para o ponto de projeto.n (rps): rotação da turbina para ponto de projeto.

b) CÁLCULOS PRELIMINARES

-Trabalho específico (y).-Rotação específica (ηqa).-Rendimento (ηn, ηm, ηt).-Potências (hidráulica e do eixo).

c) ESCOLHA DO TIPOBaseado na rotação específica (ηqa) e também na altura máxima (hsmáx) que poderá ser instalada a turbina livre do

perigo de cavitação. Determina-se o coeficiente de cavitação (δmin) no gráfico 1.

Gráfico 1 - Elementos para Pré-Dimensionamento de Rotores Francis

Determina-se o número de pólos do alternador.Determinação do tipo de rotor (lento, normal, rápido).

d) ELEMENTOS DE ORIENTAÇÃO PARA O ROTOR.- O gráfico 1 trás algumas relações importantes em função de ηqa:

C52máx /2y ; D4m/D5e ; b0/D5e ; ηtmáx ; ymáx; Qn/Qmáx

onde:

C5máx=velocidade máxima na entrada do tubo de sucção.Qn = vazão nominal.D5e=diâmetro externo da aresta de saída.D4m=diâmetro médio da aresta de entrada.b0 = largura do distribuidor.

-Dado y, determinação C5máx.-Dado Q e calculado C5máx , determina-se (D5e)min através da equação da continuidade.-Determinação de (D4m)min e (b0)min.-Determinação do número e da espessura das pás do rotor.-Verificar se a equação fundamental é satisfeita.-Determinação de D4m , D5e, C5 e b0.-Determina-se os triângulos de velocidade para as arestas de entrada e saída do rotor.

e) DETERMINAÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS DO INJETOR

f) DETERMINAÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS DA CAIXA ESPIRAL

g) DETERMINAÇÃO DA CARACTERÍSTICAS DO DISTRIBUIDOR-dimensões;-número de pás, espessura e passo;-outros.

h) DETERMINAÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS DO TUBO DE SUCÇÃO

-forma;-comprimento;-diâmetro de entrada e saída.

i) DETERMINAÇÃO DO DIÂMETRO DO EIXO DA TURBINA

8.8.3. Pré-Dimensionamento de Turbinas Peltona) DADOS BÁSICOS

-Q-H

b) CÁLCULOS PRELIMINARES

-y-ηt ,ηm , ηh-Ph, Pef

c) ESCOLHA DO TIPO

-limitada a rotação específica;-Determinação do número de injetores (jatos);-Determinação da posição do eixo.

d) CÁLCULO DO DIÂMETRO DO JATO (d0)

e) CÁLCULO DAS PÁS

-dimensões principais (gráfico 2);-passo;-número;-inclinação da Aresta.

Gráfico 2 - Elementos para Pré-Dimensionamento de Rotores Pelton

f) CÁLCULO DAS DIMENSÕES PRINCIPAIS DO ROTOR

-Diâmetro do circulo tangente ao eixo do jato (Dm);-Diâmetro exterior do divisor (Dr);-Diâmetro externo;-Diâmetro interno.

g) CÁLCULO DA AGULHA E DO INJETOR

-Adoção dos ângulos;-Determinação do diâmetro do injetor;-Determinação do diâmetro máximo da agulha;-Determinação do diâmetro do cano.

8.8.4.Pré-Dimensionamento de Turbinas Kaplana) DADOS BÁSICOS

-Q;-H.

b) CÁLCULOS PRELIMINARES

-Y;-η qa;-ηt , ηm , ηh;-Ph, Pef.

c) ESCOLHA DO TIPO

-Baseado em ηqa e hsmáx (δmin 'gráfico 3').-Determinação do número de pólos do alternador.

Gráfico 3 - Elementos para Pré-Dimensionamento de Rotores Kaplan e Hélice

d) CÁLCULO DO ROTOR

-Elementos de orientações (gráfico 3).

C52máx / 2y ; Di/De; b0/De

-Dimensões principais : (diâmetro externo do rotor, diâmetro do cubo, seção livre para passagem de água).-Características das pás (passo, número, comprimento);-Traçado do diagrama de velocidades.

e) CÁCULO DO DISTRIBUIDOR

-Determinação do diâmetro;-Determinação do número de pás;-Determinação das velocidades e ângulos de incidência.

f) DETERMINAÇÃO DA ESPIRAL

-Determinação da velocidade de entrada;-Determinação das dimensões

g) DETERMINAÇÃO DO TUBO DE SUCÇÃO

-Determinação da velocidade de entrada e saída