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ROTORES DE TURBINAS HIDRÁULICASVelocidade específica – Eq. turbomáquinasQueda motriz
Prof. Jair Nascimento Filho
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Turbinas hidráulicas Princípio de “ação” ou de “reação”
Altas quedas (acima de 300 m)
Médias quedas (entre 50 e 300 m)
Baixas quedas (menor que 50 m)
A escolha do tipo de turbina depende da vazão “Q”, da altura“H”, da potencia da unidade “P” e da velocidade de rotação”n”.
Introdução
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Turbina Pelton
* turbina Pelton⇒ 100 m ≤ H ≤ 500 m
500 ≤ P ≤ 12.500 kW.turbina de ação
* ótimas características de desempenho sob cargas parciais ⇒ sem
cavitação até 20% da carga nominal,* arranjo com eixo horizontal, com um ou dois jatos.
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Tipos de turbinas hidráulicasTurbina de grande queda
Instalação típica de turbina Pelton. Máquina com dois bicos injetores.
)H(QP ↑=
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Turbinas Kaplan
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Tipos de turbinas hidráulicasUsina de baixa queda
Hidrelétrica de Volta Grande. H= 27,5m, Q=430m3/s, N=140000cv e n=85,7rpm.
)H)(Q(P ↓↑=
Existem outros tipos de turbinas, adequadas para casos intermediários,
definidos em função da proporção entre Q e H.
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Campo de aplicaçãoTipo de tipo de turbinaturbina
1 jato -18 800
1 jato 18 - 25 800 - 4001 jato 26 - 35 400 - 100
Pelton 2 jatos 26 - 35 800 - 4002 jatos 36 - 50 400 - 100
4 jatos 40 - 50 400 - 100
4 jatos 51 - 71 500 - 200
6 jatos 72-90 400 - 100
muito lenta 55 - 70 600 - 200
lenta 71 - 120 200 - 100
Francis normal 121 - 200 100 - 70rápida (Deriaz) 201 - 300 75 - 25
extra rápida 301 -450 25 - 15
8 pás 250 - 320 70 - 50
7 pás 321 - 430 50 - 40
Kaplan 6 pás 431 - 530 40 - 305 pás 530 - 620 30 - 20
4 pás 620 - -30
ns (RPM) H (m)
Campo de aplicação de turbinas hidráulicas
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Tipos de turbinas hidráulicas –velocidade específica
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
1000
100
10
1
45
2
1
*
H
N nns =
N – Potencia em cv;
H – altura de queda (m);
n – velocidade de rotação
ns – velocidade específica (RPM).
7
Q N
η =
Q- vazão m3/sη-rendimento %γ-peso específico kgf/m3
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Queda disponível
Queda disponível ou queda líquida H:
Q
P H
γ =
P potencia hídrica, kgf.m/sQ vazão, m3/sγ peso específico, kgf/m3H queda disponível, m
g 2
V J H H
2
a g −−=Hg queda topográfia ou queda bruta, m
J perda de carga, mVa velocidade da água no canal de fuga, m/s
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Pares de polos 4 8 12 16 20 28 36 40 44 60
rotação por minutos (n) 900,00 450,00 300,00 225,00 180,00 128,57 100,00 90,00 81,82 60,00
Rotações por minuto do alternador emfunção do número de pares de pólos
P
f n
*60=
Onde:
P – número de pares de polos;
n - numero de rotações por minutos (RPM);
f – freqüência em Hz
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Tipos de turbinas hidráulicas –velocidade específica
Hidrelétrica de Volta Grande
rpm51045,27
1400007,85
H
Nnn
4 / 54 / 5s ≈==
p
f 60n =
p
60x607,85 = p=42 pares de polos
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Tipos de turbinas hidráulicas-P & DPesquisa e Desenvolvimento
Uma instalação com turbina Francis geometricamente semelhante à
turbina da central hidrelétrica de Nova Ponte foi construída dentro de um
projeto de P & D com a CEMIG (Centrais Energéticas de Minas Gerais).
Central hidrelétrica de Nova Ponte
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Tipos de turbinas hidráulicas-P & DPesquisa e Desenvolvimento
A potencia instalada da hidrelétrica de Nova Ponte: 510MW
3 turbinas 170MW (cerca de 231000cv)
H=100mQ=199m3/s
N=163,63rpm.rpm248
100
2310003,163
H
Nnn
4 / 54 / 5s ≈==
Modelo da turbina
N=5cv
H=13m
Q=0,033m3/s
N=2741rpm
rpm63,1632260x60
pf 60n ===
rpm24813
52741H
Nnn4 / 54 / 5s ≈==
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Tipos de turbinas hidráulicas-P & DPesquisa e Desenvolvimento
Modelo geometricamente semelhante ao da turbina de Nova Ponte. Observa-se
a voluta e o sistema de comando das pás diretrizes do distribuidor Fink.
Velocidade específica 248rpm, turbina Francis rápida.
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Tipos de turbinas hidráulicas-P & DPesquisa e Desenvolvimento
Bancada de ensaios de turbina Francis.
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Introdução
Rendim ento X P otênc ia - UHE ERVÁLIA -19-09 -20 01
70
72
74
76
78
80
82
84
86
88
90
0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 4 0 0 0 4 5 0 0 5 0 0 0 5 5 0 0 6 0 0 0 6 5 0 0
Po tê n cia e m k W
R e n d i m
e n t
o e m
%
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Tipos de turbinas hidráulicas-P & DPesquisa e Desenvolvimento
Turbina Pelton: N=125W, H=30m, Q=1,32m3/h e n=1800rpm. Condições nominais.
rpm1030
1663,01800
H
Nnn
4 / 54 / 5s ≈==
Velocidade específica baixa, típica de pequena vazão em proporção com a queda.
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Tipos de turbinas hidráulicas-P & DPesquisa e Desenvolvimento
Bancada de ensaios de turbina Pelton. Colaboração com a CFLCL
(Companhia Força e Luz Cataguases Leopoldina).
Modelo de turbina Pelton de dois bicos injetores e bancada projetados e
construídos no CPH.
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Tipos de turbinas hidráulicas-P & DPesquisa e Desenvolvimento
Rendimento x potencia útil obtida em ensaio.
3: indica curva com um bico injetor.
2: indica início de utilização de dois bicos. Maior vazão e potencia.
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Máquina unidade é máquina referência.
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Equação das turbomáquinas
g2
WW
g2
UU
g2
VVH
21
22
22
21
22
21
m−
+−
+−
=
gVUgVUH2u21u1m −=
máxη
gVUH1u1m =
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Forma de rotores de turbinas Francis, de acordo com suas velocidades específicas. FONTE:Macintyre,1983
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1 I
2 I
1e
2e
e
me mi H H =
g U
g U e 1u e 1i 1u i 1 =
U 1VU1
V1
W1 Vm1
b1
U 2
V2W2
b2
β varia de β1 a β2 aolongo do perfil da pá.
n)d( i1 ↓π
β↑V
t i1m
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1 I
2 I
1e
2e
e
memi HH =
g
V U
g
V U eueiui 1111 =
60
n)d()U( i1i1
↓π=↓
60
n)d()U( e1e1
↑π=↑
g
)V(U
g
)V(U e1ue1i1ui1 ↓=↑
↑−=β↓
)VU(
Vtg
e1ue1
e1me1
↓−=β↑
)VU(tg
i1ui1
i1mi1 β varia ao longo do
bordo de ataque.
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1 I
2 I
1e
2e
e
60
)(
)( 2
2
nd
U i
i
↓
=↓
π
↓=β↑
)U(
Vtg
i2
i2mi2
60
n)d()U( e2e2
↑π=↑
↑=β↓
)U(
Vtg
e2
e2me2
β das pás varia ao longodo bordo de saída.
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Filete líquido interno “i” .
Filete líquido exteno “e”.
Considera-se velocidade meridiana
constante
Os pontos 1 e 2 referem-se à entrada e
saída do rotor respectivamente.
Condição de projeto queda motriz
constante.
Verificar a geometria em dupla curvatura da
pá do rotor.
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g
VUH 1u1m =
memi HH =
cteHm = memi VV =Considera-se
máxη
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g
VUH 1u1m =
cteHm =
g
VU
g
VU e1ue1i1ui1 =
e1i1 DD =
60
DnU
π=
e1i1 UU =
e1ui1u VV =
i1i1umi1
UV
Vtg −=γ
e1i1u
me1
UVVtg−
=γ e1i1 γ =
i1ui1
m
i1 VU
V
tg −=β e1ue1m
e1 VU
V
tg −=β e1i1 β=β
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i2
mi2
U
Vtg =β
e2
me2
U
Vtg =β
i2e2 UU >i2e2 β
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cteHm =
g2g2g2Hm ++=
g
VU
g
VUH 2u21u1m −=
máxη
g
VUH 1u1m =
g2
WW
g2
VVH
21
22
22
21
m−
+−
=
Turbinas axiais
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Turbinas axiais
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Turbinas axiais
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Referências:
Schreiber, Gerhard Paul, Usinas Hidrelétricas. São Paulo,Edgar Blucher; Rio de Janeiro, ENGEVIX, 1977.
Macintyre, A. J. , Máquinas Motrizes Hidráulicas, Rio deJaneiro, Guanabara Dois, 1983.