CAPA

Resumo

As turbinas são máquinas de fluxo hidráulicas, do tipo motriz, e dividem-se em diversos tipos, sendo quatro os tipos principais: Pelton, Francis, Kaplan, Bulbo; sendo aquis analisadas turbina Kaplan e turbina Francis. As turbinas Francis são turbinas de reação - usadas para converter a energia da corrente circulante em energia mecânica de um eixo rotacional. No Brasil as usinas de Três Irmãos , Ilha solteira , Usina Hidrelétrica de Itaipu são locais onde elas estão instaladas. As turbinas Kaplan são um tipo de turbinas desenvolvidas em torno de 1915 pelo engenheiro austríaco Viktor Kaplan (1.876-1.934), que têm dois ou mais lâminas cuja inclinação é ajustável, parece uma hélice marinha. No Brasil elas estão instaladas nas usinas de Bariri, Barra Bonita, Ibitinga, Jupiá, Nova Avanhandava, Porto Primavera, Promissão

1 - Introdução

Turbinas são máquinas de fluxo hidráulicas, do tipo motriz, destinadas a transformar em trabalho mecânico a energia hidráulica, isto é, a energia gerada por um gradiente hidráulico (queda de água), assim como os motores hidráulicos, moinhos de vento. Normalmente, devido ao seu alto custo e necessidade de ser instaladas em locais específicos, as turbinas hidráulicas são usadas apenas para gerar eletricidade, funcionando em usinas com uma determinada faixa de altura de queda e vazão.

A potência de uma turbina pode ser calculada pela seguinte expressão:

P =ρ Q H g η

O índice η é a eficiência total da turbina. A eficiência é a fração da energia total da fonte de energia primária (no caso a água) que é convertida em energia útil (no caso potência de eixo). As principais causas da "perda" de energia nas turbinas são:

Perdas hidráulicas - a água tem que deixar a turbina com alguma velocidade, e esta quantidade de energia cinética não pode ser aproveitada pela turbina.Perdas mecânicas - são originadas por atrito nas partes móveis da turbina e calor perdido pelo aquecimento dos mancais.

Tipicamente turbinas modernas têm uma eficiência entre 85% e 95%, que varia conforme a vazão de água e a queda líquida.

Turbinas dividem-se em diversos tipos, sendo quatro os tipos principais: Pelton, Francis, Kaplan, Bulbo; sendo aqui analisadas turbina Kaplan e turbina Francis.

2 - Turbina Francis

As turbinas Francis são turbinas de reação - usadas para converter a energia da corrente circulante em energia mecânica de um eixo rotacional -, são adequadas para operar entre quedas de 10 m até 400 m, sendo consideradas as mais versáteis. A Usina

hidrelétrica de Itaipu assim como a de Três Irmãos e outras no Brasil funcionam com turbinas tipo Francis com cerca de 100 m de queda d' água.

Figura 01: Turbina Francis

Existem duas espécies de turbinas Francis: Francis caixa aberta e Francis caixa espiral.

Francis caixa aberta: Recomendáveis para aproveitamentos hidreléctricos com queda até 10m. O rotor, o distribuidor, o tubo de aspiração e parte do eixo ficam situados dentro de uma câmara em comunicação direta com a câmara de carga e abaixo do nível mínimo de montante. O eixo pode ser horizontal ou vertical.

Fransis caixa espiral: Para quedas acima de 10m. Para o caos de minicentrais o eixo fica disposto horizontalmente, devido às facilidades de instalação e manutenção.

As turbinas Francis classificam-se, segundo a velocidade específica em :

Lentas - diâmetro de saída sensivelmente menor que o de entrada.Normais - diâmetro de entrada e saída são iguais.Rápidas - diâmetro de saída maior que o da entrada.Muito rápidas - o bordo de entrada das pás fica muito inclinado até ao eixo o que lhe dá características de hélice.

3 - Turbina Kaplan

As turbinas Kaplan são um tipo de turbinas desenvolvidas em torno de 1915, pelo engenheiro austríaco Viktor Kaplan (1.876-1.934), que têm dois ou mais lâminas cuja inclinação é ajustável, parece uma hélice marinha. Este tipo de turbina pode ter portões para controlar o fluxo para as lâminas.

O rotor é a única diferença para as turbinas Francis.

Figura 02: Turbina Kaplan.

Kaplan turbinas são adequadas em situações onde há uma grande quantidade de descarga e uma cabeça baixa. Suas lâminas ajustáveis permitem alta eficiência, mesmo em uma queda parcial de cargas. São as mais indicadas para baixas quedas (até 60 metros) e grandes vazões. - Turbina Kaplan "Vertical", com caixa espiral em aço ou semi-espiral em concreto- Turbina Kaplan tubular "S" de montante, de jusante ou ainda inclinadas- Turbina Kaplan em configuração "Bulbo Tubular"

Podem ser produzidas com potências individuais até 15 MW com simples regulação (pás do rotor fixa, em "hélice"), ou de dupla regulação (pás do distribuidor e do rotor reguláveis), o que lhes garante uma excelente curva de rendimento.

Como resultado dos desenvolvimentos recentes, a gama de aplicações de turbinas Kaplan tem aumentado consideravelmente. Tenham sido aplicadas, por exemplo, para explorar muitas fontes de energia hidráulica anteriormente governado por razões econômicas e ambientais, também têm sido usadas como turbinas eólicas ou turbinas para energia eólica arnês. 

Suas lâminas ajustáveis adicionaram complexidade na construção da turbina Kaplan. O mecanismo de lâminas consiste de uma cabeça de óleo de comprimido, uma válvula de borboleta e um eixo de operar as lâminas.

Figura 03: Construção de 10 turbinas Kaplan em Mendoza

Turbina Kaplan também é uma forma aperfeiçoada de turbina de hélice, apresentando os rotores com pás de passo variável. Torna-se evidente que, consoante as variações de caudal e de queda, podem ser modificadas as pás, aumentando o rendimento. Assim, para cada posição das pás há uma correspondência uma turbina hélice.

Modernamente apareceram as turbinas Bolbo, que são turbina Kaplan instaladas em invólucros fechadas e submersos, próprios para gerar energia utilizando pequenas quedas em rios muito caudalosos. São muito conhecidas as turbinas STRAFLO (do inglês straight flow - escoamento direto).

As maiores turbinas Kaplan estão instaladas nos E.U.A. e na Rússia. 

4 - Comparação de turbinas Kaplan, Francis e Pelton.

Figura 04: Adequação turbina para relação Queda x Potência

5- Dados Técnicos das usinas

5.1 - Exemplos de Kaplan

Bariri A Usina Hidrelétrica Álvaro de Souza Lima, também chamada de Usina de

Bariri, teve o início da operação em 05/10/1965. Com 3 turbinas Kaplan com potência instalada de 144 MW. Sua barragem tem 856,25 m de comprimento e seu reservatório tem 63 km² de extensão. *Eclusa: Comprimento útil de 137 m, largura útil de 11 m, calado máximo de 2,50 m, desnível máximo de 24 m.

Barra Bonita A Usina Hidrelétrica Barra Bonita teve início de operação em 20/01/1963 Com 4

turbinas Kaplan com potência instalada de 140 MW. Sua barragem tem 480 metros de comprimento e seu reservatório tem 310 km2 de extensão. Com um volume médio de água acumulado de 2.566 x m³, essa usina tem 5 comportas e a altura da queda dágua é de 23,50 m * Eclusa: Comprimento útil de 142,20 m, largura útil de 11 m, calado máximo de 2,50 m, desnível máximo de 25 m.

Ibitinga Rodovia Cezario José de Castilho, km 407, Ibitinga/SP. A Usina Hidrelétrica

Ibitinga começou a operarar em 24/04/1969. Possui 3 unidades geradoras com 3 turbinas Kaplan com potência instalada de 132 MW. A barragem tem 1.519,75 m de comprimento e seu reservatório tem 114 km2 de extensão. Essa barragem possui 10 comportas sendo 7 de superfície e 3 de fundo, a altura da queda dágua é de 21 m.*Eclusa:Comprimento útil de 137,55 m, largura útil de 11 m, calado máximo de 2,50 m, desnível máximo de 23 m

Jupiá Rodovia Marechal Rondon, km 667CEP: 16920-000 - Castilho - SP. A Usina Hidrelétrica Engenheiro Souza Dias (Jupiá) foi construída com tecnologia inteiramente brasileira e concluída em 1974. Está localizada no Rio Paraná, entre as cidades de Andradina e Castilho (SP) e Três Lagoas (MS). Essa usina possui 14 unidades geradoras com turbinas Kaplan com potência instalada de 1.551,2 MW e dois grupos turbina-gerador, para serviço auxiliar, com potência instalada de 4.750 kW em cada grupo. Sua barragem tem 5.495 m de comprimento e seu reservatório tem 330 km2. *Eclusa: Possibilita a navegação no Rio Paraná e a integração hidroviária com o Rio Tietê. Em abril de 2002, seu processo de geração de energia elétrica foi certificado pelo Bureau Veritas Quality International, baseado na norma NBR ISO 9002:1994.

Nova Avanhandava Rodovia SP 461, km 44CEP: 15290-000 - Buritama/ SP

A Usina de Hidrelétrica Nova Avanhandava teve seu início da operação em 17/12/1982. Sua barragem possui 2.038 m de comprimento e seu reservatório tem 210 km² de extensão. Ela possui 3 unidades geradoras com turbinas Kaplan com potência instalada de 345 MW. Tem 4 comportas e a altura da queda dágua é de 33 m.

Porto Primavera Rodovia SP- 613, km 7819274-000 - Rosana - SP

A Usina Hidrelétrica Engenheiro Sérgio Motta, também chamada de Usina Porto Primavera, será a segunda maior hidrelétrica do Estado de São Paulo. Está localizada no Rio Paraná, 28 km a montante da confluência com o Rio Paranapanema.Sua barragem, a mais extensa do Brasil, tem 10.186,20 m de comprimento e seu reservatório, 2.250 km². A primeira etapa do enchimento do reservatório, na cota 253 m, foi concluída em dezembro de 1998 e a segunda etapa, na cota 257 m, em março de 2001. Em Outubro de 2002, entrou em operação a unidade geradora 13, totalizando assim, 1.430 MW de potência instalada.

As três primeiras unidades completaram a entrada em operação em março de 1999. Quando concluída, terá 14 unidades geradoras com turbinas Kaplan, totalizando 1.540 MW, que corresponde a, aproximadamente, 21% de toda a potência instalada da CESP. Dispõe de eclusa para navegação no Rio Paraná.

Promissão Rodovia BR 153, km 139 CEP: 16370-000 - Promissão/SP

A Usina Hidrelétrica Mário Lopes Leão, em Promissão teve início da operação em 23/07/1975. Ela possui 3 unidades geradoras com turbinas Kaplan com potência instalada de 264 MW. Sua barragem tem 3.630 m de comprimento e seu reservatório tem 530 km² de extensão. *Eclusa:

A eclusa para navegação foi concluída em 1986, com largura útil de 12 m, comprimento de 142 m e calado de 3,50 m.

5.2 - Exemplo de Francis

Três Irmãos Rodovia de interligação SP- 563 / SP- 310, km 1515370-000 - Pereira Barreto - SP

A Usina Três Irmãos é a maior usina construída no Rio Tietê e está localizada entre os municípios de Andradina e Pereira Barreto (SP), a 28 km da confluência com o Rio Paraná. Possui cinco unidades geradoras com turbinas Francis e potência instalada de 807,50 MW. A primeira unidade geradora entrou em operação em novembro de 1993 e a quinta, em janeiro de 1999. Sua barragem tem 3.640 m de comprimento e seu reservatório mede 785 km2. Possui duas eclusas para navegação.

O Canal Pereira Barreto, com 9.600 m de comprimento, interliga os reservatórios de Ilha Solteira e Três Irmãos, propiciando a operação energética integrada dos dois aproveitamentos hidrelétricos, além de permitir a navegação entre os tramos norte e sul da Hidrovia Tietê-Paraná.

Ilha solteira Rodovia Ilha Solteira/Guadalupe do Alto Paraná, km 7 CEP: 15385-000 - Ilha Solteira/SP

A Usina Hidrelétrica Ilha Solteira é a maior usina da CESP e do Estado de São Paulo e a terceira maior usina hidrelétrica do Brasil. Está localizada no Rio Paraná, entre os municípios de Ilha Solteira (SP) e Selvíria (MS). Em conjunto com a UHE Engenheiro Souza Dias (Jupiá), compõe o sexto maior complexo hidrelétrico do mundo. Sua potência instalada é de 3.444,0 MW e tem 20 unidades geradoras com turbinas tipo Francis. A usina foi concluída em 1978. É uma usina com alto desempenho operacional que, além da produção de energia elétrica, é de fundamental importância para o controle da tensão e freqüência do Sistema Interligado Nacional. Sua barragem tem 5.605 m de comprimento e seu reservatório tem 1.195 km2 de extensão.

O Canal Pereira Barreto, com 9.600 m de comprimento, interliga os reservatórios da Usina Hidrelétrica Ilha Solteira e da Usina Hidrelétrica Três Irmãos, propiciando a operação energética integrada dos dois aproveitamentos hidrelétricos.Em março de 2000, seu processo de geração de energia elétrica foi certificado pelo Bureau Veritas Quality Internacional, baseado na NBR ISO 9002:1994.  

Usina Hidrelétrica de ItaipuAv. Tancredo Neves, 6.731CEP.: 85856-970  Foz do Iguaçu, Paraná, Brasil

A Usina de Itaipu é resultado de intensas negociações entre os dois países durante a década de 1960. Em 22 de julho de 1966, os ministros das Relações Exteriores do Brasil, Juracy Magalhães, e do Paraguai, Sapena Pastor, assinaram a "Ata do Iguaçu", uma declaração conjunta de interesse mútuo para estudar o aproveitamento dos recursos hídricos dos dois países, no trecho do Rio Paraná "desde e inclusive o Salto de Sete Quedas até a foz do Rio Iguaçu". [3] O Tratado que deu origem à usina foi assinado em 1973. As turbinas são do tipo francis, com potência nominal de 715 MW e vazão nominal de 645 metros cúbicos por segundo.

No total, a usina de Itaipu produziu em 2010 85.970 GWh

6- Referências bibliográficas

-http://www.hidroenergia.com.br-TURBO MÁQUINAS HIDRÁULICAS, CAPÍTULO V, ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA UNIVERSIDADE DO ALGARVE, ÁREA DEPARTAMENTAL DE ENGENHARIA CIVIL, NÚCLEO DE HIDRÁULICA E AMBIENTE - Eng. Teixeira da Costa Eng. Davide Santos Eng. Rui Lança- http://www.dforcesolar.com/pt/turbinas-kaplan/- http://www.portalpch.com.br/index.php?option=com_content&view=article&id=218:menu- http://www.estanciabarrabonita.com.br/index.php?page=hidreletricas - http://www.itaipu.gov.br/- http://www.hidroenergia.com.br/br/index.php?i=adequacao