projeto de uma turbina pelton

8

1 INTRODUO

Segundo Bansal (2005, p. 851) as turbinas Pelton so mquinas hidrulicas

que funcionam atravs da injeo de gua em alta presso, por meio de um ou mais

bicos injetores direcionados nas conchas ao longo de um rotor, causando um

movimento circular e transformando energia potencial em energia mecnica.

Para que seja possvel estabelecer uma metodologia de projeto de turbina

Pelton e seus componentes, necessrio realizar a pesquisa em seu princpio de

funcionamento, bem como toda parte relacionada a equaes de dimensionamento.

Ser investigada uma metodologia de projeto para o caso de uma turbina

hidrulica Pelton. A gerao de energia ser em pequena escala, sendo considerada

uma microcentral de at 10 kW.

Como a pesquisa est relacionada em aproveitamento de energia potencial,

para gerao de energia eltrica em pequena escala, necessrio conhecer e

estudar, caractersticas especificas como: as dimenses ideais da turbina hidrulica

e nmero de bicos injetores, para se obter o mximo de aproveitamento do recurso

disponvel. Diante de tal problemtica, qual o dimensionamento de uma turbina

Pelton de pequena escala, bem como dos seus componentes, para um determinado

conjunto de dados de utilizao?

Para se obter uma pesquisa bem fundamentada, em um projeto de turbina

Pelton, necessrio que se tenha conhecimento suficiente relacionado ao assunto

com objetivos bem definidos. Sendo assim o objetivo principal desenvolver a

metodologia de projeto de turbina Pelton para aplicao em pequena escala,

projetar, construir um prottipo e realizar simulaes, atravs da pesquisa realizada

em referencial terico.

Para que se concretize o objetivo principal, ser necessrio a realizao dos

seguintes objetivos especficos:

Realizar uma reviso bibliogrfica em mecnica dos slidos e mquinas

de fluxo.

Conhecer o principio de funcionamento da turbina Pelton.

Determinar o uso da turbina para um caso especifico, gerando energia em

pequena escala.

Ter conhecimento suficiente em projetos e no software SolidWorks

(programa de computador utilizado para projeto).

9

A proposta de aplicao em pequena escala, esta relacionada na

necessidade em demonstra de forma didtica, o funcionamento da turbina Pelton e

seu comportamento, aps sofrer alteraes nos parmetros de entrada como vazo

disponvel no sistema.

10

2 DEFINIO DA TURBINA PELTON

Segundo Streeter (1982, p. 417) as turbinas Pelton so consideradas turbinas

de ao, ou seja: so mquinas hidrulicas que utilizam a velocidade do fluxo da

gua, provocando o movimento da turbina. Funcionam atravs da injeo de gua

em alta presso, sendo que esta gua geralmente est armazenada em uma

represa ou reservatrio, com uma altura de elevao suficiente para gerar o trabalho

esperado. Por meio de um ou mais bicos injetores direcionados em conchas

bipartidas ao longo de um rotor, este fluxo de gua causa um movimento circular e

transforma energia cintica em energia mecnica.

2.1 APLICAO DA TURBINA PELTON

Segundo Henn (2001, p. 31) para a escolha do modelo de turbinas hidrulica,

levado em considerao a vazo, potncia e altura de queda ou de elevao. Em

determinadas regies onde as caractersticas do local de instalao da turbina,

evidenciam grandes vazes e pequenas quedas, indicado a instalao de uma

turbina hidrulica do tipo Kaplan. J locais onde a altura de queda maior e com

menos vazo disponvel aplica-se a instalao da turbina hidrulica do tipo Pelton.

Pode-se observar atravs da figura 1, campo de aplicao dos principais tipos de

turbinas hidrulicas. Sendo que conforme a ilustrao a seguir, a escolha realizada

levando-se em considerao a vazo disponvel e a altura de elevao.

11

Figura 1 Campo de aplicao das turbinas hidrulicas

Fonte: www.semi.com.br, 02 de abril de 2013

Henn afirma (2001, p. 32) que outros critrios so empregados para a seleo

de uma turbina hidrulica, como o custo do gerador eltrico, risco de cavitao,

custo de construo, flexibilidade de operao, facilidade em realizar manuteno,

entre outros.

As turbinas Pelton podem ser utilizadas em pequena escala de maneira

isolada, ou seja, para apenas um consumidor como por exemplo em um fazenda.

Mas na maioria dos casos utilizado em grande escala abastecendo at mesmo

uma cidade inteira, sendo assim considerada como centrais hidreltricas. Desde o

final do sculo 19 elas so usadas quase que exclusivamente para acionar

geradores eltricos quer isoladamente, em fazendas e outros locais isolados, quer

agrupados em usinas ou centrais hidreltricas.

12

2.2 CARACTERSTICAS DE FUNCIONAMENTO

Segundo Henn (2001, p. 185) a capacidade de gerao de energia no Brasil

em 1996 era de 60.769 MW. Os recentes levantamentos mostram que a capacidade

instalada de gerao de energia em hidreltricas de 263.000 MW, apresentado

assim que gerao de energia utilizando como recurso a gua, causa menos

impacto no meio ambiente em relao a geradoras como nucleares.

Porm praticamente todos os mtodos utilizados para gerao de energia, de

alguma forma esto contribuindo de forma negativa com o meio ambiente. At as

geradoras que aproveitam fontes renovveis como centrais elicas, esto afetando a

paisagem do local de instalao. Sendo assim aspectos relacionados a parte

tcnica, ecolgica, sociais e econmica devem ser levado em conta durante o

desenvolvimento e projeto de uma geradora de energia.

Henn afirma (2001, p. 186) que no Brasil praticamente j se esgotou os

recursos naturais de grande escala para a gerao de energia. Locais como a regio

Amaznica poderia ser utilizado, porm o custo do quilowatt instalado alto demais

inviabilizando assim o projeto, o impacto ambiental de grande proporo outro

fator importante a se levar em considerao, pois neste caso seria necessrio

inundar grandes reas agrcolas e florestais.

Uma forma de contribuir para aumentar a capacidade instalada, a

viabilizao em aproveitamento de recursos naturais de pequena escala, com baixo

custo e impacto ambiental reduzido.

2.2.1 Centrais hidreltricas

Segundo Streeter ( 1982, p. 423 ) possvel encontrar na natureza energia

hidrulica sob a forma de energia potencial ou cintica em rios, represas e mares,

que por sua vez pode ser transformada atravs de centrais hidreltricas em trabalho

til para a gerao de energia.

De acordo com sua potncia, as centrais hidreltricas so classificadas da

seguinte forma:

- Microcentrais: potncia menor ou igual a 100 kW;

- Minicentrais: potncia entre 100 e 1000 kW;

- Pequenas centrais: potncia entre 1000 e 10000 kW;

13

- Mdias centrais: potncia entre 10000 e 100000 kW;

- Grandes centrais: potncia maior que 100000 kW.

As usinas hidreltricas geralmente possuem um grande reservatrio de gua,

isso necessrio para normalizar a vazo e possibilitar com que o fluxo de gua

seja direcionado em um canal ou tubulao at um conduto forado.

Segundo Henn ( 2001, p. 188 ) a tomada de gua tem o objetivo de captar e

conduzir a gua, por meio de tubulaes de baixa presso e aps ter passado pelo

conduto forado chega at a casa de fora, local onde est montado a turbina e o

gerador eltrico. Aps o fluido ter realizado o trabalho, ou seja, ter acionado a

turbina a gua liberada no rio por meio de uma tubulao de descarga como

caso de uma turbina Pelton.

As partes principais de uma usina hidreltrica podem ser verificadas conforme

figura 2:

Barragem: esta necessria para que seja possvel a estruturao de

uma grande represa de gua, aumentando assim o desnvel do rio para

produzir uma queda.

Comporta de emergncia: quando for necessrio realizar manuteno na

comporta de servio, realizado o fechamento da comporta de

emergncia.

Tubulao de baixa presso: trata-se de uma parte da usina, onde esta

responsvel em deslocar a gua da barragem at o conduto forado.

Chamin de equilbrio: esta parte necessria pois, caso ocorra um

aumento repentino na carga dos geradores, esta disponvel um

suprimento extra de gua para atender a necessidade. Esta localizado

entre a tubulao de baixa presso e o conduto forado, sendo

construdo em usinas onde a distncia entre a tomada de gua e a casa

de fora grande.

Conduto forado: tubulao responsvel por levar o fludo at a turbina,

sendo que esta tubulao construda em ao por ter altas presses

internas.

14

Figura 2 Central hidreltrica

Fonte: Henn (2001, p 187)

2.2.2 Golpe de arete

Conforme Henn ( 2001, p. 189 ) golpe de arete em turbinas hidrulicas

quando ocorre uma elevao ou reduo de maneira brusca na presso, provocado

pela interrupo no escoamento do lquido por meio da compressibilidade do liquido

e quando ocorre uma deformao nas paredes das tubulaes responsvel pelo

transporte do fluido at a turbina.

O escoamento varivel ocorre em uma turbina hidrulicas, porque durante o

seu funcionamento existe uma variao de vazo absorvida pelo equipamento. Este

fenmeno ocorre no decorrer de sua operao normal, por uma questo de

necessidade de aumento na demanda e tambm quando realizado uma parada no

sistema ou aps a partida da turbina.

2.2.3 Curva caracterstica da turbina Pelton

Segundo Henn ( 2001, p. 192 ) quando projetamos uma turbina para uma

determinada situao onde temos informaes de entrada como: vazo disponvel,

altura de elevao e velocidade de rotao, possvel conhecer o rendimento e a

15

potncia adquirida apenas para esta situao em particular. Porm se variarmos

qualquer uma das trs variveis, automaticamente teremos alterao na potncia.

Sendo assim para que possamos ter um conhecimento em outras situaes,

precisamos ter ao nosso dispor, as curvas caractersticas de turbinas hidrulicas.

Nos tempos atuais est disponvel aos projetista, modernas tcnicas de

simulao em programas de computador, onde possvel realizar avaliaes e

prever o comportamento de uma turbina hidrulica que ainda no foi construda.

Tcnicas como esta so de grande importncia, pois ganha-se tempo e reduo de

custo em ensaios de laboratrio.

Porm Henn afirma (2001, p. 193) que as medies em mquinas j

instaladas e em determinados modelos, so ainda imprescindveis, pois as

informaes coletadas serviro para a formao de banco de dados, que estar

disponvel para futuras simulaes numricas. Tambm dados como este so de

grande importncia para que se tenha conhecimento do desempenho da mquina

hidrulica para qualquer condio de trabalho.

possvel observar o comportamento das turbinas hidrulicas atravs de seu

grau de abertura ( a ), sendo que este em turbinas Pelton esta relacionado com o

curso da agulha do bico injetor, conforme figura 3.

Figura 3 Grau de abertura do bico injetor

Fonte: Henn (2001, p 193)

A curva caracterstica da turbina Pelton relacionada ao grau de abertura, pode

ser verificada conforme figura 4. Onde para um mesmo grau de abertura a curva Q=

f(n) aproximadamente uma reta paralela ao eixo (n), isto porque independente de

sua rotao, a velocidade da gua e a seo de passagem do fluxo na sada do

injetor se mantm constante. J para turbinas de reao rpidas ou lentas por

16

exemplo, observa-se que a medida que aumenta-se ou diminui-se (Q) tambm

modificar o resultado do eixo (n).

Figura 4 Curva caracterstica da turbina Pelton

Fonte: Henn (2001, p. 194)

2.3 COMPONENTES PRINCIPAIS DA TURBINA PELTON

Segundo Bansal (2005. P. 851 a 853 ) pode-se relacionar os principais

componentes da turbina Pelton conforme figura 5.

Carcaa: componente construdo em ferro fundido ou em chapas de ao,

no tem nenhuma funo hidrulica, porm serve para proteger contra

acidentes relacionada a roda da turbina e evitar respingos de gua.

Injetor regulador do fluxo da gua: sua funo direcionar o jato de gua

nas conchas da roda da turbina, provocando o movimento da mesma.

Roda da turbina: componente responsvel por acomodar as conchas que

aps receber o jato de gua realiza o movimento de rotao.

Comando do injetor: sistema de regulagem do injetor de gua, sua

funo controlar a vazo de gua que ser injetado nas conchas.

17

Figura 5 Componentes principais da turbina Pelton

Fonte: www.eduvisilva.com.sapo.pt/minihidrica.htm

2.4 DIAGRAMA DE VELOCIDADE NA CONCHA

Segundo Singal (2009, p. 50) a aplicao do diagrama de velocidade na

concha, utilizado para estimar a produo de trabalho e a eficincia na roda da

turbina Pelton. Tais equaes ajudam os projetistas a dimensionar estas mquinas

de fluxo, conhecendo assim o comportamento da turbina antes mesmo dela ser

construda.

Henn refora (2001, p. 51) que os chamados tringulo de velocidade so

formas geomtricas de expressar a equao vetorial, que relaciona o movimento

relativo com o movimento absoluto das partculas de fludo que percorre o rotor de

uma mquina de fluxo. Tais equaes podem ser verificada conforme figura 6.

Figura 6 Diagrama de velocidades

Fonte: Bansal (2005)

NGULO DE DEFLEXO

18

Conforme diagrama pode-se apresentar as consideraes abaixo e obter as

equaes 01 e 02:

(01)

(02)

: velocidade do jato

: velocidade absoluta da gua

: velocidade de fluxo

: velocidade da roda

: velocidade relativa

: velocidade de giro

: ngulo das ps da turbina

Segundo Streeter (1982, p. 420) o ngulo das ps da turbina esta

compreendido usualmente entre 173 e 176.

Atravs da equao 03 pode-se determinar potncia a ser desenvolvida em

uma turbina hidrulica:

: Vazo volumtrica (

: Peso especfico da gua (

: potncia a ser desenvolvida (W)

2.5 PERDAS E EFICINCIA NA TURBINA

Segundo Henn (2001, p. 72) durante o funcionamento da mquinas de fluxo

como o caso da turbina Pelton ocorrem perdas, sendo estas uma forma de energia

inferior e irreversvel em que a somatria destas perdas ocasionam a reduo no

rendimento da turbina. As perdas podem ser classificadas em dois grupos, as

perdas externas e internas.

Entre as perdas internas esto as hidrulicas, que se originam devido o atrito

da gua com a parede do sistema injetor da turbina, tambm pelo choque do jato de

19

gua no ponto de ataque das conchas estarem fora do ponto projetado para o bom

funcionamento. A rugosidade das ps um ponto importante a ser considerado

entre as perdas hidrulicas, pois exercem grande influencia durante o funcionamento

da turbina, pois aps o fluido tocar nas conchas e a mesma realizar o movimento de

rotao a gua deve deslizar rapidamente, sem haver resistncia alguma ou a

menor possvel.

Conforme Singal (2009, p. 56) como perdas internas esto ainda as

volumtricas, ou seja, todo o volume de fluido que sai do bico injetor deve ser

aproveitado para realizar o trabalho esperado, sendo necessrio considerar este

item durante o projeto da turbina.

Henn (2001, p. 77) explica a importncia de ser considerado no projeto da

turbina as perdas mecnicas, em que so consideradas externas, pois so

inevitveis em consequncia aos meios de vedao utilizado no mecanismo, perdas

decorrente de dispositivos de transmisso e ao fato da ocorrncia de atrito entre os

mancais e o sistema rotativo. A ocorrncia das perdas entre a mancalizao e o

sistema rotativo, depende principalmente de quanto peso estes mancais suportam e

do coeficiente de atrito entre as superfcies de contato.

Segundo Singal (2009, p. 56 e 57) os valores de rendimento a serem

considerado durante o projeto de uma turbina Pelton devem ser conforme abaixo:

O rendimento volumtrico esta entre 97% e 99%.

O rendimento hidrulico est relacionado ao diagrama de velocidades na

concha conforme equao 04.

O rendimento mecnico esta entre 97% e 99%.

2.6 EQUAES PARA PROJETO DE TURBINA PELTON

Conforme Singal (2009, p. 58) a concepo de projeto de uma turbina

hidrulica Pelton, esta baseada principalmente em muitos experimentos realizados

20

por engenheiros ao longo dos tempos, e tambm relacionada a boa prtica da

engenharia.

Para determinao da potncia da turbina utilizamos a equao 05:

: Potncia da turbina (W)

: Potncia disponvel

: Eficincia global da turbina

Para se determinar a potncia disponvel utilizado a equao 06:

: Vazo volumtrica (

: Altura de elevao (

: Peso especfico da gua (

g: Gravidade ( )

Para se determinar o ngulo do bico injetor utilizar as consideraes abaixo:

- ngulo total do bocal:

- ngulo total da lana do injetor:

- Sendo : de 57 a 84

- Sendo : de 45 a 50

Para se determinar da velocidade no inicio do bico utilizar a equao 07:

: Velocidade no incio (

: Coeficiente de velocidade pode ser de 0,81 a 0,83

Para se determinar o dimetro do bico injetor utilizar a equao 08:

: Dimetro do bico injetor

21

Utilizar a equao 09 para determinao da velocidade do jato:

: Velocidade no jato (

: Coeficiente de velocidade pode ser de 0,98 a 0,99

Para determinar a vazo no bico injetor utilizado a equao 10:

: Vazo volumtrica (

Dimetro do jato de gua

Segundo Singal (2009, p. 60) uma turbina Pelton geralmente tem apenas um

bico injetor, porm dependendo da necessidade pode-se utilizar um nmero maior

de pontos de injeo de gua. Para iniciar o dimensionamento necessrio primeiro

calcular a velocidade especfica, conforme equao 11. Sendo que, quando

calculado a velocidade especfica e o resultado for um nmero superior a 35,

significa que a turbina precisa ter mais de um bico injetor.

: Potncia da turbina (W)

: Rotao no rotor (rpm

: Altura de elevao (

: Velocidade especfica

Utilizar a equao 12 para determinar o coeficiente , tambm utilizado para

se obter o nmero de bicos injetores:

: Vazo volumtrica (

: Velocidade no jato (

22

Conforme Singal (2009, p. 61) para se determinar o nmero de jatos deve-se

respeitar a relao abaixo:

Para turbinas com apenas 1 jato:

Para turbinas com 2 jatos: entre 1 e 2



As turbinas com mais de um jato tornam-se mais complexas para construo,

pois possuiem um nmero maior de componentes em sua instalao. necessrio

tambm considerar que para turbinas horizontais o nmero mximo de jatos so 2, e

para verticais so 6.

2.6.1 Relao entre dimetro da roda e o dimetro do jato

Segundo Streeter (1982. p. 419 e 420) como nas turbinas Pelton existe uma

disposio de ps ao longo da periferia de uma roda, necessrio que o fludo

tenha uma velocidade suficiente para realizar o trabalho desejado e sair rapidamente

evitando assim o choque com a p seguinte. O fato da p ser bipartida facilita o

melhor escoamento do fludo, descarregando de maneira simtrica evitando assim

qualquer empuxo axial sobre o eixo da turbina.

Durante o funcionamento da turbina h ocorrncia de perdas devido ao fato

da diviso do jato e o atrito entre o jato e a superfcie das ps. Isto faz com que a

velocidade de operao econmica (conforme figura 7) seja menor que . Sendo

assim necessrio se levar em conta estas perdas e aplicar um fator de velocidade,

conforme equao 13.

: Velocidade perifrica

: Altura de elevao (m)

: Fator de velocidade

: Velocidade perifrica (m/s)

: Gravidade ( )

23

Figura 7 Imagem com a velocidade de operao

Fonte: Streeter (1982)

Para que seja possvel atingir o ponto mximo de rendimento na operao

de um turbina Pelton, verificou-se que o fator de velocidade depende da velocidade

especifica conforme tabela 1. Constato-se tambm que a relao deve ser

prxima de (ft, HP, rpm) ou (m, KW, rpm) para se obter o rendimento

mximo.

Tabela 1 Dependncia de com a velocidade especifica

Velocidade especifica

(m, KW, rpm) (ft, Hp, rpm)

7,62 2 0,47

11,42 3 0,46

15,24 4 0,45

19,05 5 0,44

22,86 6 0,433

26,65 7 0,425 Fonte: Streeter (1982)

Para exemplificar Streeter (1982 , p. 421 e 422) apresenta um exemplo

mostrando a obteno do rendimento mximo com a relao . Sendo que neste

exemplo a potncia disponvel de 31,38 Kw com uma altura de elevao de 100m

e uma vazo de 40 l/s.

Em uma primeira tentativa adotado com o valor de 15 para

determinarmos a rotao da turbina, conforme abaixo:

24

Em sistema de energia a 60 Hz a rotao deve ser igual a 3600 dividido pelo

nmero de polos do gerador, sendo assim deve-se seguir conforme tabela 2.

Tabela 2 Relao entre o nmero de polos com a rotao da turbina

Nmero de polos rpm

5 720

4 900

3 1200

2 1800 Fonte: Streeter (1982)

Para este caso adotou-se a rotao mais prxima da calculada, sendo 900

rpm. Em seguida com a nova rotao determina-se a velocidade especifica corrigida,

conforme abaixo:

Com a velocidade especifica calculada possvel determinar o fator de

velocidade conforme tabela 01, para este caso atravs de interpolao chegar em

um fator de 0,448. Sendo possvel determinar a velocidade perifrica do rotor

conforme abaixo:

Prxima etapa calcular a velocidade angular do rotor ( ) conforme abaixo:

Com a velocidade perifrica e angular determinadas, pode-se calcular o dimetro do rotor, conforme abaixo:

25

Determina-se conforme abaixo a velocidade do jato do bico injetor, sendo que

coeficiente de velocidade ( ) pode ser de 0,98 a 0,99.

Calcula-se o dimetro do jato do bico injetor conforme abaixo:

Pode-se verificar conforme abaixo que a relao em que o resultado,

deve-se aproximar de para se obter o rendimento mximo foi atendida.

Segundo Singal (2009, p. 61) o dimetro da turbina onde injetado o fludo

para realizar o movimento de rotao, chama-se dimetro primitivo conforme pode

ser verificado na figura 8.

Figura 8 Imagem do dimetro primitivo

Fonte: Singal (2009)

26

Para determinarmos o dimetro primitivo utilizaremos a equao14 onde:

: Dimetro primitivo (m)

: Rotao no rotor (rpm)

: Altura de elevao (m)

: Gravidade ( )

: Relao de velocidade. Sendo que este pode ser entre 0,44 a 0,46

2.6.2 Determinao das dimenses e nmero de conchas

Segundo Singal (2009, p. 63) o dimensionamento das conchas est

relacionado diretamente com dimetro de sada do jato de gua, podendo-se

verificar conforme figura 9 as dimenses principais das conchas a serem calculadas.

Figura 9 Principais dimenses das conchas

Fonte: Singal (2009)

Onde:

27

A determinao do nmero de conchas para a turbina Pelton esta

relacionado com a relao como j foi demonstrado. Para Singal (2009, p. 64)

a turbina deve ter um nmero de ps suficiente para garantir a plena utilizao do

jato de gua, sendo calculado conforme equao 15:

: Dimetro primitivo (m)

: Nmero de ps

Dimetro do jato do bico

3 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO

Segundo Bruzzi (2008, p. 15) existe muitas formas de definirmos o que um

projeto, porm em seu entendimento um empreendimento no repetitivo, que esta

sob a responsabilidade de profissionais que recebem parmetros pr-definidos

como: tempo, custo e recursos relacionados a qualidade. Sendo uma atividade em

que executada apenas uma vez, e que caracterizado por uma sequncia clara e

lgica de eventos, com incio, meio e fim.

Pode-se descrever que gerenciamento de projetos, trata-se de planejamento,

programao e controle das atividades do referido projeto para atingir os seus

objetivos. Os fatores bsicos qualidade, tempo e custos esto diretamente

relacionados ao controle e gerenciamento de um projeto.

3.1 METODOLOGIA UTILIZADA

Conforme Rozenfeld (2006, p. 150) as atividades do planejamento do projeto,

devem empreender esforos para identificar todos os recursos, atividades e a forma

melhor de conseguir integr-los de maneira a minimizar a chance a erros. Durante o

planejamento de projeto, necessrio uma integrao das informaes e decises

com todas as reas envolvidas, melhorando assim a coordenao e a comunicao

no projeto.

Primeiramente realizar a pesquisa relacionada metodologia de projeto da

turbina Pelton, conhecendo assim particularidades da pesquisa em questo. Ser

28

necessrio tambm a elaborao de uma planilha para dimensionamento da turbina,

sendo possvel assim realizar testes e simulaes, utilizando variveis como vazo e

presso.

Aps ter determinado uma aplicao para a turbina Pelton em um caso

especifico, ser possvel projetar e modelar os componentes da turbina, utilizando o

programa de modelao SolidWorks. Com o detalhamento dos componentes poder

ser construdo o prottipo, para em seguida realizar as simulaes variando a

presso e vazo, com isso observar o comportamento da potncia gerada.

3.2 PROPOSTA INICIAL DE APLICAO DA TURBINA PELTON

Como proposta inicial de aplicar a utilizao da turbina Pelton em pequena

escala, foi a de verificar a viabilidade na instalao de uma micro turbina em uma

caixa dgua, com o objetivo de aproveitar a energia potencial disponvel da rede de

abastecimento. A inteno encher a caixa apenas durante a noite, sendo assim vai

gerar energia eltrica apenas neste perodo e aproveita-la para iluminao noturna.

Para o dimensionamento desta turbina foi considerado os seguintes dados de

entrada.

- Rendimento volumtrico: 98%

- Rendimento hidrulico: 97%

- Rendimento mecnico: 98%

- Vazo medida na rede dgua:

A medio foi realizada com auxilio de um cronometro e um recipiente

graduado, em que no tempo de 32 segundos obteve-se um volume de 30,250 litros.

- Altura de elevao: presso medida foi de 4.5 bar ( 45,9 m )

A medio foi realizada com auxilio de um manmetro acoplado na rede

dgua, onde ao abrir todo o registro obteve-se a leitura de 4,5 bar ( 1 bar equivale a

10,2 mca ).

1 Passo: determinar da potncia disponvel.

415,4 W ou 0,415 kW

29

2 Passo: determinar a velocidade do jato.

3 Passo: determinao da velocidade no inicio do bico.

4 Passo: Determinar o dimetro do bico injetor.

5 Passo: determinar a rotao da turbina.

6 Passo: conforme tabela 2 a rotao de 1800 rpm, sendo assim recalcula-se a

velocidade especifica.

30

7 Passo: consultando-se a tabela 1 que se encontra na pgina 23, e realizando

interpolao, chega-se em um fator de velocidade de 0,464.

8 Passo: determinar a velocidade perifrica.

9 Passo: determinar a velocidade angular.

10 Passo: determinar o dimetro primitivo do rotor.

11 Passo: determinar o dimetro do jato do bico.

31

12 Passo: realizar a verificao se o rendimento ser o mximo.

13 Passo: determinar o nmero de jatos.

para este caso precisa apenas de um bico

14 Passo: determinar o numero de conchas.

32

Conforme planilha abaixo possvel verificar e comparar os resultados

obtidos com os clculos j apresentados, para o dimensionamento de uma turbina

Pelton para uso residencial.

33

3.2.1 Resultados da proposta inicial

Considerando que a vazo volumtrica de 0,23 l/s, com a utilizao de um

bico injetor de dimetro 6,5mm, o tempo para encher uma caixa de 1000l de

1,207h e o valor do kW/h de R$ 0,398. Calcula-se a economia mensal com a

utilizao da turbina atravs da equao 16:

E : economia mensal

T: tempo para encher a caixa (h)

P: potncia gerada (w)

N: nmero de dias no ms

C: custo do Kw/h

Com base neste resultado, chega-se a concluso que no vivel o

investimento na instalao de uma turbina Pelton na caixa dgua em uma

residncia. Pois a economia mensal baixa se compararmos com o alto

investimento inicial na instalao da turbina e componentes auxiliares.

3.3 PROPOSTA FINAL DE DESENVOLVIMENTO DO PROTTIPO

A proposta final para a aplicao da turbina Pelton em pequena escala,

dimensionar uma turbina didtica, utilizando como fonte de energia potencial uma

bomba centrifuga comercial. A bomba escolhida foi o modelo BCR 2000 do

fabricante Schneider, sendo que para este dimensionamento foram realizadas

medies de vazo e presso, considerado os seguintes dados de entrada.

- Rendimento volumtrico: 98%

- Rendimento hidrulico: 97%

- Rendimento mecnico: 98%

34

- Vazo medida na bomba:

- Altura de elevao: presso medida foi de 1,6 bar ( 16,32 m )

1 Passo: determinar da potncia disponvel.

179,7 W ou 0,179 Kw

2 Passo: determinar a velocidade do jato.

3 Passo: determinao da velocidade no inicio do bico.

4 Passo: Determinar o dimetro do bico injetor.

5 Passo: determinar a rotao da turbina.

6 Passo: conforme tabela 2 a rotao de 1200 rpm, sendo assim recalcula-se a

velocidade especifica.

35

7 Passo: consultando-se a tabela 1 e realizando interpolao, chega-se em um

fator de velocidade de 0,449.

8 Passo: determinar a velocidade perifrica.

9 Passo: determinar a velocidade angular.

10 Passo: determinar o dimetro primitivo do rotor.

11 Passo: determinar o dimetro do jato do bico.

36

12 Passo: realizar a verificao se o rendimento ser o mximo.

13 Passo: determinar o nmero de jatos.

para este caso precisa apenas de um bico

14 Passo: determinar o numero de conchas.

Segundo Singal (2009, p. 69) para se manter uma melhor estabilidade

mecnica o nmero de conchas deve ser impar, sendo que para este caso poderia

ser 21 ou 23 conchas. Para este projeto ser adotado 21 conchas.

15 Passo: determinar as dimenses das conchas.

37

Dimenses principais da turbina obtidas atravs dos clculos:

- Dimetro primitivo da roda: 127,8mm

- Dimetro do bico injetor : 10mm

- Nmero de conchas : 21 conchas

- Dimenses principais das conchas: comprimento 27,7mm, largura 27,3mm e

profundidade 6,8mm.

A proposta para a construo do prottipo em manter as dimenses

encontradas, pois so tecnicamente possveis de serem respeitadas durante a

fabricao dos componentes.

38

Segue abaixo a planilha com o dimensionamento da turbina didtica Pelton.

39

3.4 CONSTRUO DO PROTTIPO

O prottipo conforme figura 10 foi construdo com materiais resistentes a

corroso, e para apresentar o funcionamento da turbina foi utilizado material

transparente, sendo possvel assim observar o comportamento da turbina e do

fludo. Foi projetado de maneira compacta, para que se tenha a condio de

apresentar seu funcionamento em sala de aula. As dimenses principais so: altura

660mm, comprimento 480mm e largura 400mm.

Figura 10 Prottipo Turbina Pelton

40

Para a construo do prottipo no teve o custo de fabricao, pois todos os

componentes foram fabricados pelo prprio aluno em oficina particular. Porm

observa-se atravs da tabela 3 a relao dos materiais utilizados bem como o custo

para aquisio.

Tabela 3 Relao do custo dos materiais

utilizados na construo da turbina

Material Utilizado em Valor

Bomba - R$ 370,00

Resina e endurecedor Conchas R$ 365,00

material eltrico - R$ 98,00

Rolamento - R$ 72,00

Acrlico Carcaa da turbina R$ 68,00

Alumnio Suporte da carcaa da

turbina e mancal principal R$ 60,00

Ao Inox Bico injetor R$ 47,00

manmetro - R$ 39,00

Parafuso - R$ 32,00

Ao carbono Dispositivo de medio

fora R$ 26,00

Vlvula reteno - R$ 24,40

Tintas - R$ 20,70

caixa plstica - R$ 20,50

Nylon Roda Pelton e acoplamentos R$ 20,00

Vedao - R$ 15,82

PVC + conexes - R$ 13,34

molas Dinammetros R$ 11,00

Registros - R$ 9,85

Anel elstico - R$ 2,00

Total R$ 1.314,61

3.4.1 Construo dos componentes principais

Uma das partes principais da turbina Pelton a concha que foi fabricada com

resina, material utilizado na indstria de modelao de prottipos. Para se conseguir

atingir as dimenses deste componente conforme projetado, sem a necessidade de

usinagem posterior, foi necessrio construir um molde de madeira conforme figura

11, obtendo-se assim peas com o mesmo nvel de detalhes e preciso.

41

Figura 11 Molde de madeira com a concha modelada

O conjunto do bico injetor conforme figura 12 constitudo pelo corpo em

PVC, onde foi realizado usinagem no processo de torneamento e furao, para

acoplagem de componentes em ao inox, sendo que estes tambm passaram pelo

processo de torneamento.

Figura 12 Conjunto bico injetor fabricado

42

A roda da turbina conforme figura 13 foi construda em nylon, sendo que foi

escolhido este material por ser de fcil usinabilidade, leve e no oxidar durante o

funcionamento da turbina. Este passou pelo processo de torneamento, fresamento e

furao.

Figura 13 Roda da turbina com as conchas

O dinammetro foi construdo e dimensionado atravs de leituras realizadas

com pesos conhecidos de 250g, ou seja, a escala foi traada aps a mola sofrer

deslocamento com a aplicao de foras conhecidas. Conforme figura 14, pode-se

observar o dinammetro juntamente com o dispositivo para medir fora.

Figura 14 Dinammetro acoplado ao dispositivo de medir fora

43

O prottipo composto de um gerador eltrico com sistema de aclopamento

conforme figura 15 e 16, estes componentes foram instalados meramente para

visualizao da gerao de energia na prtica, no houve qualquer clculo para

dimensionamento destes componentes, pois o gerador no o foco do trabalho.

Figura 15 Gerador eltrico Figura 16 Sistema de acoplamento

3.5 ANLISE DOS RESULTADOS OBTIDOS

Para que seja possvel analisar o comportamento da turbina, primeiramente

foi realizado a medio de vazo que a bomba fornece em alguns estgios de

abertura da vlvula, para que em seguida fosse possvel criar uma graduao de

referncia conforme figura 17. Conforme tabela 4 pode-se observar os valores de

vazo disponvel, que foram coletados atravs de medio.

Figura 17 Vlvula graduada

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Tabela 4 Vazo disponvel conforme escala graduada

Atravs de regulagem da vazo conforme vlvula graduada foi possvel

realizar a medio da rotao com tacmetro conforme figura 18, tambm foi medido

a fora necessria para parar a rotao da turbina com o auxlio do dinammetro,

em paralelo atravs de um manmetro acoplado ao bico injetor foi realizado a

medio da presso, onde pode ser observado na figura 19. Os valores coletados

conforme medies realizadas, pode ser constatado na tabela 5.

Figura 18 Medio da rotao com tacmetro

Tabela 5 Valores coletados atravs de medies

Posio Vazo (l/s) RPM Fora (Kg) Fora (N) Presso (bar)

1 0,45 950 1,00 9,81 1

2 0,67 1538 2,25 22,06 1,6

3 0,90 1635 2,50 24,52 1,6

4 1,15 1679 2,75 26,97 1,8

Posio Vazo (l/s)

1 0,45

2 0,67

3 0,90

4 1,15

45

Figura 19 Medio da presso com manmetro

Com os dados coletados foi possvel calcular a potencia gerada, em cada

uma das posies da vlvula graduada, empregando a equao 16 ( SHIGLEY

1981, p 583). Os valores de potencia calculados esto na tabela 6.

P: potencia (w)

F1: fora encontrada no 1 dinammetro (N)

F2: fora encontrada no 2 dinammetro (N)

N: rotao

r: raio onde esta sendo aplicada a fora (m) neste caso 0.0295m

Tabela 6 Valores de potencia calculado

Posio Potencia (w)

1 28,8

2 104,8

3 123,8

4 139,1

46

3.5.1 Resultados dos testes realizados

O valor da potencia calculada na proposta final foi de 179,7W, porm na

pratica a potencia encontrada de 139,1W. Esta diferena se deve a alguns fatores

que se deve levar em conta, conforme abaixo:

1 - Para se obter uma perfeita vedao entre o eixo principal e a carcaa da

turbina, foi necessrio a utilizao de um retentor. Sendo que com a utilizao deste

componente acaba dificultando a rotao da turbina, perdendo assim potncia.

2 - Impreciso na leitura no dinammetro, sendo necessrio uma escala mais

precisa e um dinammetro mais sensvel, obtendo assim uma preciso na leitura.

47

4 CONCLUSO

O projeto da turbina Pelton foi de grande importncia acadmica, pois atravs

da pesquisa bibliogrfica sobre o assunto, e do estudo relacionado ao

equacionamento utilizado para dimensionar a turbina, foi possvel aumentar o

conhecimento em mquinas de fluxo e compreender melhor o funcionamento destes

equipamentos.

A proposta inicial de aplicao, em que uma turbina Pelton seria instalada na

caixa dgua, aproveitando a energia potencial disponvel da rede de abastecimento,

no se apresentou vivel economicamente. Porm se for aproveitado este conceito

de aplicao em uma escala um pouco maior, como por exemplo, a instalao de

uma turbina Pelton em um prdio com vrias residncias utilizando a mesma caixa

dgua, o custo beneficio talvez torna-se interessante.

Um ponto de grande importncia na metodologia utilizada, foi a de realizar um

bom planejamento e a pesquisa em referencial terico rico em contedo sobre o

funcionamento da turbina Pelton.

Do ponto de vista acadmico a construo de uma turbina Pelton didtica tem

um valor bem significativo, pois possvel estudar e analisar em uma sala de aula

detalhes construtivos e o comportamento deste equipamento. Sendo que para

analisar em uma usina tais estudos teriam um grau de dificuldade maior, pelo fato do

aceso e a distancia at o local da instalao.

O resultado final obtido foi um equipamento compacto e funcional, com

dispositivos instalados responsveis em realizar medio de presso e fora

aplicada no sistema, onde estes foram confeccionados com materiais resistentes a

corroso e processos de fabricao capaz de respeitar o nvel de detalhamento

necessrio para o perfeito funcionamento do prottipo.

Fica como sugesto de melhoria para trabalhos futuros, encontrar uma forma

eficiente de vedao entre a carcaa da turbina e o eixo principal, perdendo assim o

mnimo de potncia possvel. Como a leitura no dinammetro tem baixa preciso,

necessita tambm de melhorias na construo deste meio de medio, obtendo-se

assim um resultado final mais preciso.

48

5 REFERNCIAS

BANSAL, Dr. R. Fluid Mechanics and hydraulic machines: Laxmi publications

2005.

BRUZZI, Demerval Guilarducci. Gerencia de Projetos: Editora SENAC, 2008

HENN, rico Antnio Lopes. Mquinas de Fluido: Rio Grande do Sul: Editora

UFSM, 2001.

FIGURA COM O CAMPO DE APLICAO DAS TURBINAS. Disponvel em

Acesso

em 28 de janeiro de 2013.

FIGURA COM OS COMPONENTES PRINCIPAIS DA TURBINA PELTON.

Disponvel em http://www.eduvisilva.com.sapo.pt/minihidrica.htm > Acesso em 12 de

maro de 2013.

ROZENFELD, Henrique Rozenfeld. Gesto de Desenvolvimento de Produtos:

So Paulo: Editora Saraiva, 2006.

SINGAL, R. K. Muridul; Rishi Singal. Hydraulic Machines: India: I. K. International

Publishing Hause 2009

SHIGLEY, Joseph Edward Shigley. Elementos de Mquinas: Livros tcnicos e

cientficos editora S.A., 1981

STREETER, Victor L.; E. Benjamin Wylie. Mecnica dos Fludos: mquinas de

fluxo. So Paulo: Editora McGraw-Hill do Brasil, 1982.

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6 ANEXOS

Anexo 01 Montagem da turbina didtica

Anexo 02 Eixo central

Anexo 03 Roda

Anexo 04 Concha

Anexo 05 Chaveta da roda

Anexo 06 Mancal central

Anexo 07 Porca para aperto rolamento

Anexo 08 Contraporca para aperto do rolamento

Anexo 09 Roda freio

Anexo 10 Luva de metal

Anexo 11 Mancal do bico injetor

Anexo 12 Bico injetor

Anexo 13 Corpo do bico injetor

Anexo 14 Tampa do bico

Anexo 15 Ponteira do bico injetor

Anexo 16 Parafuso central do bico

Anexo 17 Guia do parafuso central

Anexo 18 Regulador do bico

Anexo 19 Anel graduado do regulador do bico

Anexo 20 Lateral esquerda

Anexo 21 Base da carcaa

Anexo 22 Pino de arraste

Anexo 23 Chaveta do acoplamento

Anexo 24 Base do medidor de fora

Anexo 25 Suporte do dinammetro

Anexo 26 Suporte superior do medidor de fora

Anexo 27 Haste guia do medidor de fora

Anexo 28 Fuso do manipulo

Anexo 29 Tampa lateral direita

Anexo 30 Tampa traseira da carcaa

Anexo 31 Carcaa

Anexo 32 Tampa dianteira

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Anexo 33 Tampa do tanque

Anexo 34 Bucha guia

Anexo 35 Haste de fixao da cinta de couro

Anexo 36 Haste de fixao do dinammetro

Anexo 37 Tampa inferior do dinammetro

Anexo 38 Tampa superior do dinammetro

Anexo 39 Tubo externo do dinammetro

Anexo 40 Tubo interno do dinammetro

Documents

projeto de uma turbina pelton