turbomaquinas (aula 1)

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TURBOMÁQUINAS

1 - Introdução

Objectivo

Estudo da constituição geral de turbinas e de bombas

Estudo das respectivas condições de aplicação e funcionamento

Projecto e exploração de centrais hidroeléctricas

e de estações de bombagem

Nota: Engenheiros civis

- são interface com os fabricantes

- Especificam o equipamento

- Não projectam as máquinas a instalar

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TURBOMÁQUINAS

1 - Introdução

Generalidades

a) As máquinas hidráulicas promovem a troca de energia mecânica entre a

água (ou outro líquido) e um dos seus órgãos

b) As turbomáquinas têm como órgão fundamental (onde se processa a troca

de energia) a roda ou rotor (no caso das bombas também denominado

impulsor)

c) As turbomáquinas podem dividir-se nos seguintes tipos:

Turbinas: aproveitam (retiram) energia do escoamento

Bombas: fornecem energia ao escoamento

- motoras (turbinas): recebem energia mecânica do líquido,disponibilizando-a no veio

- receptoras (bombas): transferem para o líquido a energiamecânica recebida do exterior

- transmissoras (transmissões hidráulicas): transmitem energiamecânica de um veio para outro

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TURBOMÁQUINAS

1 - Introdução

Generalidades

d) Nas turbinas, considera-se apenas o caso de estarem acopladas a

geradores eléctricos (síncronos, i.e., alternadores), ou seja, de se

destinarem a transformar energia mecânica da água em energia eléctrica

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TURBOMÁQUINAS

2 - Tipos de turbinas e de bombas

TurbomáquinasClassificação quanto ao escoamento

na rodaDesignação corrente

Turbinas

de acção (ou de impulsão) roda actuada

pela água à pressão atmosférica

Turbinas Pelton e Michell-Banki-

Ossberger1

Bombas

1 Tipo reservado a pequenas unidades

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TURBOMÁQUINAS

Turbinas

Pelton

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TURBOMÁQUINAS




Turbinas




Ossberger1

de reacção roda

atravessada pelo

escoamento sob

pressão

Hélico –centrípedas

(ou radiais-axiais)Turbinas Francis

Bombas

1 Tipo reservado a pequenas unidades

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TURBOMÁQUINAS

Turbinas

Francis

radial-axial

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TURBOMÁQUINAS




Turbinas




Ossberger1

de reacção roda

atravessada pelo

escoamento sob

pressão



mistas (ou diagonais)Turbinas mistas (ou diagonais) e

turbinas Dériaz2

Bombas

1 Tipo reservado a pequenas unidades2 Com rodas de pás orientáveis

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TURBOMÁQUINAS

Turbinas

Mista (Dériaz)

ou diagonal

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TURBOMÁQUINAS




Turbinas




Ossberger1

de reacção roda

atravessada pelo

escoamento sob

pressão




turbinas Dériaz2

axiais

Turbinas hélice (pás fixas),

turbinas Kaplan2, turbinas de

grupos bolbo e Straflo

Bombas


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TURBOMÁQUINAS

Turbinas

Axial

Kaplan

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TURBOMÁQUINAS




Turbinas




Ossberger1

de reacção roda

atravessada pelo

escoamento sob

pressão




turbinas Dériaz2

axiais

Turbinas hélice (pás fixas),

turbinas Kaplan2, turbinas de

grupos bolbo e Sraflo

Bombascentrífugas (ou radiais) mistas (ou

diagonais) axiais

Bombas centrífugas

Bombas mistas (ou diagonais)

Bombas axiais (hélice ou Kaplan)


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TURBOMÁQUINAS

Bombas

Centrífuga

radial

Mista Axial

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TURBOMÁQUINAS

3 - Descrição geral e condições de instalação de turbinas

Turbinas Pelton

Constituídas por uma roda associada a um ou mais injectores;

Os injectores: -transformam energia de pressão em energia cinética

-orientam convenientemente os jactos

a) Cada injector tem no seu interior uma agulha, cuja deslocação faz variar a

área de saída do injector e, portanto, o caudal do jacto (e a potência debitada

pela turbina)

b) O jacto proveniente do injector incide quase tangencialmente sobre a roda,

abandonando-a com velocidade relativamente baixa e caindo para o canal de

restituição, situado inferiormente

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TURBOMÁQUINAS


Turbinas Pelton

injector

agulha

Canal de restituição

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TURBOMÁQUINAS

Turbinas Pelton

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TURBOMÁQUINAS


Turbinas Pelton

c) As turbinas Pelton podem ser de eixo horizontal ou de eixo vertical e ter um

ou mais injectores. O número máximo de injectores é de dois ou de seis,

consoante o eixo é horizontal ou vertical.

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TURBOMÁQUINAS


Turbinas Pelton

d) A queda útil (Hu) nas turbinas Pelton é igual à carga a montante do injector,

tomada em relação à cota do ponto em que o eixo do jacto é tangente a uma

circunferência com centro no eixo da roda. Se a turbina tem mais de que um

injector, a queda útil determina-se ponderando a queda útil correspondente a

cada injector pelo caudal respectivo.

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TURBOMÁQUINAS


Turbinas de reacção

a) Constituição:

b) Distribuidor

Evoluta + distribuidor + roda + difusor

energia de pressão energia cinética;

orienta e distribui a água para a roda;

regula o caudal absorvido pela turbina.

distribuidor

evoluta

difusor

evoluta

c) A evoluta (alimentação de água ao

distribuidor) é provida, do lado interior, de

lâminas fixas

d) O difusor (secção progressivamente

crescente) promove a recuperação parcial

da energia cinética à saída da roda

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TURBOMÁQUINAS


Turbinas Francis

a) As turbinas Francis são usadas no domínio de quedas que se situam,

geralmente, entre cerca de 500 m e 20 m.

b) O eixo das turbinas Francis pode ser horizontal (fácil visita; maiores

exigências de área pequenas quedas) ou vertical.

c) As turbinas Francis de roda dupla têm a vantagem de absorver o dobro do

caudal de uma turbina de roda simples, do mesmo diâmetro e a funcionar

sob igual queda.

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TURBOMÁQUINAS


Turbinas Kaplan

a) As turbinas axiais (hélice e Kaplan), aplicáveis

a quedas baixas, têm rodas com a forma de

hélice, dotadas de pás curtas e em pequeno

número.

b) As turbinas Kaplan têm as rodas com pás

orientáveis mantêm bons rendimentos para

regimes de funcionamento muito diferentes.

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TURBOMÁQUINAS

Turbinas Kaplan

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TURBOMÁQUINAS


Domínios de aplicação de turbinas

a) Os domínios de

aplicação das

turbinas Pelton,

Francis e axiais

(Kaplan) estão

representados na

figura; assinalam-se

também as

velocidades de

rotação das turbinas

Francis

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TURBOMÁQUINAS



b) Dentro das faixas de

sobreposição, a

opção por um dos

tipos é orientada pelo

custo do grupo

turbina/alternador e

da construção civil e

por condições de

funcionamento e

exploração

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TURBOMÁQUINAS



c) A queda útil de uma

turbina de reacção é

igual à diferença das

cargas em secções a

montante e a jusante

da roda, estando a

localização das

mesmas

dependentes do tipo

de turbina e

condições de

instalação

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TURBOMÁQUINAS

15.6 – Número específico de rotações de turbinas

A semelhança dinâmica é tal que1 52 4'

' 'n P H

Pn H

Seja uma turbina que para uma queda H’=1 fornece uma potência P’=1.

Qual é o número de rotações ns que deve apresentar para se manter

semelhante à que produz a potência P para a carga H se a velocidade de

rotação for n?1

1 22

5 54 4

1s

Pn n P nH H

12

54

sPn nH

- número específico de rotações

O valor de ns depende do sistema de unidades

vn,C 1,17 m,KW 4,45 ft,HPs s sn n n

1 52 41

1s

n Hn P

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TURBOMÁQUINAS

15.6 – Número específico de rotações de turbinas

Na definição de ns ,

H – queda dos melhores rendimentos

P – potência máxima para essa queda (abertura

máxima do distribuidor)

s s sn n nPelton Francis Kaplan

sn f H

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TURBOMÁQUINAS

15.7.1 – Pontos de funcionamento

Na figura apresentam-se curvas de variação do rendimento de turbinas de vários tipos

em função do caudal, expresso em percentagem do caudal máximo, supondo

constantes a queda útil (igual à do ponto óptimo) e a velocidade de rotação. Verifica-se

que as turbinas Francis rápidas e as turbinas hélice são inadequadas para funcionar

com potências variáveis. Uma Turbina de Kaplan, por ter as pás orientáveis, comporta-

se como uma infinidade de turbinas hélice (de pás fixas) e, assim, a respectiva curva de

variação do rendimento com o caudal constitui a envolvente das curvas respeitantes às

várias turbinas hélice, pelo que apresenta um patamar análogo ao da curva de uma

turbina Pelton.

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TURBOMÁQUINAS

15.7.5 – Diagramas em colina de turbinas. Funcionamento em vazio

e em embalamento

Funcionamento em vazio

– Uma turbina funciona em vazio quando

-roda à velocidade de regime, n

0 0P- e

– Isso acontece para caudais turbinados muito pequenos

Pelton e Kaplan

Francis muito rápidas

00,07Q Q

00,3Q Q

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TURBOMÁQUINAS

15.7.5 – Diagramas em colina de turbinas. Funcionamento em vazio

e em embalamento

Funcionamento em embalamento

– Plena abertura

– alternador desligado

(binário resistente ≈ 0)

A turbina atinge a velocidade de regime

permanente

H n0P

0Q Q

0

distribuidor aberto

– Velocidade de embalamento, ne

1,9en n Pelton

1,85 2,25en n n Francis<

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TURBOMÁQUINAS

15.8 – Altura de aspiração de turbinas de reacção

Define-se altura de aspiração de uma turbina (de reacção) como a diferença

entre a cota de uma secção característica da roda (variável casa a caso) e o

nível da água a jusante.

O valor máximo da altura de aspiração é obtido por

vs

p th Hat

max

O coeficiente σ, designado por coeficiente de depressão dinâmica ou

coeficiente de Thoma (introduzido pelo engenheiro alemão Thoma – 1881-

1943) pode considerar-se como uma medida da susceptibilidade de uma

turbina em relação à cativação.

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TURBOMÁQUINAS

15.8 – Altura de aspiração de turbinas de reacção

Segundo o Bureau of Reclamation 1976, para turbinas de reacção de eixo

vertical, é

Sendo ns, definido para a queda útil de 1 m e a potência de 1 CV.

1,64

50000sn

turbomaquinas (aula 1)

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