Máquinas Hidráulicas

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Estudio autodirigido

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  • 61

    6. TURBINASINTRODUO

    Turbinas soequipamentosque tempor finalidade transformaraenergiadeescoamento (hidrulica)emtrabalhomecnico.Peladefinio,inicialmentedada,somquinasmotoras.

    umamquinacomafinalidadedetransformaramaiorpartedaenergiadeescoamentocontnuodaguaqueaatravessaemtrabalhomecnico.Consistebasicamentedeumsistemafixohidrulicoedeumsistemarotativohidromecnicodestinados,respectivamente,orientaodaguaemescoamentoetransformaoemtrabalhomecnicoCAMPOSDEAPLICAO

    AFig.6.1apresentaoscamposdeaplicaodeturbinashidrulicas,que levaemconsideraoaalturadequeda,avazoeapotncia.Podeseverificar,nafigura,queexistemregiesdesobreposio,ondemaisdeumtipodeturbinapossvel.Essefatosedeveamplagamadeturbinasquepodemseraplicadasemumespectromuitogrande de aplicaes, tornando difcil definir exatamente onde esto asmelhores escolhas para cada utilizao.Deveseentolevaremconsideraoocustodogerador,oriscodecavitao,custodeconstruocivil,flexibilidadedeoperao,facilidadedemanuteno,entreoutros.

    Figura6.1Campodeaplicaodeturbinashidrulicas(HENN,2006,pg32)

    AsturbinasMichellBanki,outurbinasOssberger,somuitousadasemmicroeminicentrais(abaixode1000

    kW)devidoasuafacilidadedefabricao,baixocustoebomrendimento.

  • CA

    volufor

    enerenerformdedoddat

    forrece

    TIP

    classconsBlan

    Fran

    RACTER

    Estes equta). Como padaeocana

    O distribrgia; dirigirrgia, formadmadedutodguanadescdesenhodoturbina.Nast

    ExternamadaquetemebeofluidoqPOSDET

    Asturbinsificao levstanteentrenki(Fig.6.2).

    Jnose

    ncis,Kaplane

    STICASCquipamentosparte da insaldefuga.buidor uma gua paradoporumadivergenteecarga;recuptipodedifusturbinasFranmenteturbmporfunoqueentregoTURBINAS

    naspodemsva em contaeaentradae

    Figura6

    egundogrupeHlice(Fig.

    Figur

    CONSTRU

    s so compostalao de

    m elementoa o rotor; esriedepallocalizadoerarpartedsor.EfinalmnciseKaplanbinatemseoencaminhauenergiahidSserclassificada a variaoe sadado r

    6.2TurbinasP

    oocorre red.6.3).

    ra6.3Turbina

    UTIVASostos por umumamqui

    esttico queregular a vahetas (oulapsorotoaenergiacinenteavolutntemaformoreservatrarofluidododrulicapara

    dasemturbio de pressrotor.Exemp

    Pelton(esquerd

    duodapr

    asFrancis(esqu

    m distribuidna destas p

    e tem por fazo.O rotolabes).O tubr.Suafunonticadaveta(oucarcamadeumaesrio,quearmoreservatraaturbina.

    inasdeaoo esttica.plosdoprim

    da),Turgo(cent

    ressoestti

    uerda),Kaplan

    dor, um rotopodese dest

    funes: aceor o elembodesucorecuperaelocidaderesa)oelemespiral.azenaofluidrioparaaen

    (ouimpulsoNo primeiro

    meirogrupo s

    tro)eMichellB

    caaoatrave

    (centro)eHli

    or, um tubotacar ainda

    elerar o fluxento fundamosexistenaraalturaensidualdaguentoqueco

    doquepassantradadatur

    o)eemturbio grupo a psoas turbin

    Blanki(direita)

    essaro rotor

    ice(direita)[Fo

    o de sucoo reservat

    xo de gua tmental de trnas turbinasntreasadaduanasadadntmtodos

    arpelaturbrbina.Eoca

    nasdereapresso estnasPelton,

    )[Fonte:Al,20

    r. Exemplos

    onte:Al,2001

    e a carcaario, a tubul

    transformanransformasa reaoedorotoreodorotor,aposcompone

    bina.Atubulanaldefuga,

    o.Esteformtica permaTurgoeMic

    001]

    ssoas turb

    ]

    62

    a (ouao

    do ao de temnvelpartirentes

    ao,que

    madenecechell

    binas

  • (ex.Fig.

    PodesePelton),flux6.4.

    1Fonte:h

    classificaraxoradialsem

    http://rivers.b

    sturbinascomiaxial(ex.

    Fi

    bee.oregonsta

    onformeadiFrancis)efl

    Figura6.4

    igura6.51Turate.edu/book/

    ireodofluuxoaxial(ex

    Classificaod

    rbinasPelton(A

    /export/html/

    uxoatravsdx.Kaplan).O

    dasturbinashid

    A),Francis(B)e

    /35

    dorotor,podOuento,de

    drulicas

    eKaplan(C)

    dendoserdeemodogera

    efluxotangel,comosuge

    63

    encialerea

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    TurbinasFrancisEssa turbina recebeonomedoengenheiro ingls JamesBichenoFrancis (18151892)queaconcebeuem

    1848.Foi resultadodoaperfeioamentoda turbinaDowd,patenteadaem1838porSamuelDowd (18041879).umaturbinadereao,comeficinciana faixade90%.Utilizadaparaalturasde20a700m,essaampla faixadeaplicaoafazotipodeturbinamaisusadanomundo.

    NasturbinasFrancisorotorfica internamenteaodistribuidor,demodoqueagua,aoatravessarorotor,aproximasedoeixo.Sovriososformatospossveispararotoresdessetipodeturbina,edependemdavelocidadeespecficadaturbina,podendoserclassificadasem:lenta,normal,rpidaouextrarpida.

    Odistribuidortemumconjuntodepsdispostasemvoltadorotor,equepodemserorientadasduranteaoperao,assumindongulosadequadossdescargas,demodoareduziraperdahidrulica.Aspsdodistribuidortemumeixoderotaoparaleloaoeixodaturbina,podendo,aogirar,maximizaraseodeescoamentooufechlatotalmente.

    TurbinasKaplanEssaturbinarecebeonomedoengenheiroaustracoVictorKaplan (18761934)queaconcebeuem1912.

    FoiresultadodoaperfeioamentodaturbinaHlice.AocontrriodasturbinasHlice,cujaspssofixas,nosistemadeKaplanelaspodemserorientadas,variandoainclinaodasps,combasenadescarga.

    TurbinasPeltonTambmchamadaderodaPelton,recebeuonomedoengenheiroestadunidenseLesterAllenPelton(1829

    1908)queapatenteouem1880.Temsua formamuitosimilarsantigas rodasdguautilizadasemmoinhos.Possuicomodistribuidorum

    bocal,quetemformaapropriadaaguiaraguaataspsdorotor.Asturbinaspodemterum,dois,quatroeseisjatos.Internamenteaobocalpossuiumaagulhaparaajustedavazo.Orotortemumasriedepsemformatodeconchasdispostasnaperiferia,quefazemgirarorotor.

    Tem ainda um defletor de jato, que intercepta o jato, desviandoo das ps, quando ocorre diminuioviolentadapotnciademandadapelarededeenergia.Nessescasosaatuaododefletordeveserconsideradaaoinvsdareduodavazopelousodaagulha,poisaaorpidadaagulhapodecausarumasobrepressonobocal,nasvlvulaseao longodatubulaoforada.Almdodefletor,algumasturbinasPeltondeelevadapotnciatmumbocaldirecionadoparaodorsodaspsdeformaaatuarnafrenagem.

    TurbinasTubulares,BulboeStrafloOaproveitamentodecertosdesnveishidrulicos,muitoreduzidos,podenoserpossvelnemcomturbinas

    Kaplan (de eixo vertical), o que levou ao desenvolvimento de turbinas de hlice com eixo horizontal, ou compequenainclinao.Essetipodeturbinaaplicadoemusinasafiodguaeemusinasmarmotrizes.

    Turbinatubular:orotor,depsfixasouorientveis,colocadonumtuboporondeaguaescoa.Oeixo,horizontalouinclinado,acionaumalternadorexternoaotubo;

    Turbinadebulbo:umaevoluodatubular,ondeorotortempsorientveiseexisteumbulbo(cmara blindada) colocado no interior do tubo adutor de gua, que contm um sistema detransmissodeengrenagens,quetransmitemovimentodoeixodahliceaoalternador;e

    Turbina Straflo: uma turbina de escoamento retilneo (straight flow) de volume reduzido.Adequadasparaquedasdeat40merotordeat10mdedimetro.Reduzbastanteocustodasobrasdeconstruocivil.

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    TRANSFORMAODAENERGIAAtratativadadasturbinassimilardestinadasbombas.Umavezquetratamosdetransformaode

    energiamecnicaemhidrulicaeviceversa,asnicasdiferenasseroosconceitos(designaes)envolvidos,masosprincpiosfundamentaissoosmesmos.

    A seo de sada "3" (Fig.6.6) nas turbinas chamase tubo de suco. Vale lembrar que paramquinasgeradoras(bombas)estetermoaparecenaseodeentrada.Aoconsiderarasada(3)apsotubodesuco,estaregiotornaseparteintegrantedamquina,participandodatransformaodeenergia.

    razovelconsiderarquedoponto3aoponto4nohperdadeenergia,logo,aoutilizarBernoulli,asenergiasnosdoispontospodemserconsideradasiguais.

    Figura6.6Esquemadeturbinadereao

    Alturaestticadesuco(Hgeos)

    adiferenadenvelentreocentrodo rotoreonvelde jusante.AFig.6.7mostraalgumasposiesdeturbinaserespectivasalturasestticasdesuco.

    Figura6.7Alturaestticadesucoparaturbinas(adaptadode:Souzaetal.,1983)

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    Alturadequedabruta(Hgeo)aquedatopogrfica,oudiferenadecotasentreosnveisdecaptaodaguaeopoo,oucanaldefuga,

    quandoaturbinaestforadeoperao(Q=0).41 zzH geo (6.1)

    AlturadeQueda(H)Aalturadequeda2aporodaalturadequedabrutaaproveitadapelaturbina,ouseja,adiferenaentrea

    energianaentradaenasadadaturbina.Aporodaquedabrutanoaproveitadapelaturbinaaquelaconsumidaporatritohidrodinmicoaolongodatubulaoforada.

    Paracalcullasopossveisdoismtodos,noprimeiro,considerasequeaenergiadequedabrutamenosasperdasdecargadatubulaoforada(Hpctf).Combasenestemtodo,

    pctfgeo HHH

    (6.2)

    Aoutraformaochamadoprocessomanomtrico,que levaemcontaasanlisesdeenergianaentradaesadadamquina.Nesteenfoque,verificasequantoofluidoentregoudeenergiaturbina.Porm,spossveloclculodestaformaparainstalaesemfuncionamento.

    Destaforma,aconceituaodaalturadequedadeumaproveitamentohidroeltrico(Fig6.7),compostodeuma turbinade reaoedemaisequipamentos complementares, feita atravsdobalanodeenergiaentre asseesdeentradaesadadamquina,oudeoutraforma.

    2 3H H H AplicandootrinmiodeBernoullientre3e4,razovelsuporquenoexisteperdanestetrecho,logo:

    3 4 3 40H H H H Podese usar o ponto 4 para calcular a altura de queda, e lembrando que p4=patm=0 (presso

    manomtrica),eacotaz4=0,logo,

    2 222 4 2 4 212pH H H V V zg (6.3)Usandoarelaodadapelaeq.(2.5),

    2242222 21 zVVgapH m (6.4)Paraturbinasdeao(Fig.6.8),aplicaseaequaodeenergiaentreospontos2e3,considerandoqueo

    ponto3estlocalizadonalinhade2,logoapstransferiraenergiaparaapdorotor.

    2 22 32 3 2 3 2 312p pH H H V V z zg Sabendoquep3=patm=0(manomtrica),queV3=0,quez2=z3,resulta:

    gVpH2

    222

    2Outrasnomenclaturas:quedadisponvel,alturaefetiva,quedaefetiva,alturadequedatil(nethead).

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    Figura6.8Esquemadeturbinadeao

    Considerandoaeq.(2.5),resulta,

    gVapH m2

    22

    22 (6.5)

    PERDASERENDIMENTOSNatransformaodaenergiahidrulicaemtrabalhomecniconemtodaenergi