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
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
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
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
de reacção roda
atravessada pelo
escoamento sob
pressão
Hélico –centrípedas
(ou radiais-axiais)Turbinas Francis
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
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
de reacção roda
atravessada pelo
escoamento sob
pressão
Hélico –centrípedas
(ou radiais-axiais)Turbinas Francis
mistas (ou diagonais)Turbinas mistas (ou diagonais) e
turbinas Dériaz2
axiais
Turbinas hélice (pás fixas),
turbinas Kaplan2, turbinas de
grupos bolbo e Straflo
Bombas
1 Tipo reservado a pequenas unidades2 Com rodas de pás orientáveis
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TURBOMÁQUINAS
Turbinas
Axial
Kaplan
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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
de reacção roda
atravessada pelo
escoamento sob
pressão
Hélico –centrípedas
(ou radiais-axiais)Turbinas Francis
mistas (ou diagonais)Turbinas mistas (ou diagonais) e
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)
1 Tipo reservado a pequenas unidades2 Com rodas de pás orientáveis
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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
3 - Descrição geral e condições de instalação de turbinas
Turbinas Pelton
injector
agulha
Canal de restituição
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TURBOMÁQUINAS
Turbinas Pelton
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TURBOMÁQUINAS
3 - Descrição geral e condições de instalação de turbinas
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
3 - Descrição geral e condições de instalação de turbinas
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
3 - Descrição geral e condições de instalação de turbinas
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
3 - Descrição geral e condições de instalação de turbinas
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
3 - Descrição geral e condições de instalação de turbinas
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
3 - Descrição geral e condições de instalação de turbinas
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
3 - Descrição geral e condições de instalação de turbinas
Domínios de aplicação de turbinas
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
3 - Descrição geral e condições de instalação de turbinas
Domínios de aplicação de turbinas
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
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