4 ASPECTOS TÉCNICOS E ARRANJOS DE PCH
4.4 Componentes e sistemas
4.4.7 Turbina e geradores
De acordo com a norma ABNT – NBR 6445 (1987), turbinas hidráulicas são elementos responsáveis pela transformação de energia hidráulica em energia cinética de movimento no rotor e posteriormente em energia mecânica pela rotação do eixo.
Existem hoje no mercado diversos tipos de turbinas em vários modelos e diferentes especificações, sendo cada uma delas apropriada para uma condição hidráulica e topográfica especificada, em que sua eficiência é maximizada de acordo com o tipo escolhido conforme mostra a Figura 20.
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A especificação de um tipo ou outro de turbina para um determinado aproveitamento é feita a partir de sua rotação especifica, conforme mostrado na Figura 21.Figura 20 – Especificação de uma turbina em função das condições hidráulicas e topográficas. Fonte: HACKER INDUSTRIAL (2009).
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A função do gerador é transformar a energia mecânica produzida pela turbina em energia elétrica.A composição física do gerador é junção da parte fixa, gerador e de uma parte rotativa, chamada de rotor. A carcaça do estator apóia em seu interior o ferro ativo que é composto por lâminas que levam que levam as ranhuras para as bobinas.
O rotor é composto do cubo e do eixo, sendo este acoplado ao eixo da turbina e sustentado verticalmente pelo mancal de escora.
Os geradores de centrais hidrelétricas podem ser divididos em dois tipos: geradores síncronos e geradores assíncronos. O gerador síncrono obteve durante os anos uma grande aceitação, o que o levou a ser o tipo mais usual nas usinas hidrelétricas brasileiras. Este tipo de gerador trata-se de máquinas elétricas que trabalham com uma velocidade constante e igual à velocidade síncrona, que é uma função da frequência da tensão gerada e do número de pares de pólos do rotor.
Geradores síncronos produzem tanto energia ativa como energia reativa e devido a uma operação versátil somada a elevados rendimentos na conversão de energia, podendo estes chegar a 97% foram as principais vantagens que levaram este tipo de gerador a maioria das usinas no Brasil.
Os geradores assíncronos ou geradores de indução possuem a característica básica de trabalharem com rotações levemente diferentes da rotação síncrona. Sendo esta uma das condições básicas para que a conversão de energia útil possa ser efetuada.
Estes geradores de indução podem possuir um rotor bobinado, provido de anéis e escovas ou um rotor do tipo gaiola de esquilo. Os geradores com rotor gaiola têm como característica uma melhor manutenção e pode-se ressaltar a vantagem de ter um entreferro mais regular e melhor resistência a esforços decorrentes de velocidades de disparo.
Para uma operação em paralelo com o sistema elétrico, geradores assíncronos se estabelecem como uma opção mais simples e economicamente mais atrativa para uso em menores potências.
São mostrados a seguir os principais tipos de turbinas bem como suas características.
• Turbinas Pelton
Turbinas Pelton, Figura 22 e Figura 23, são máquinas de ação ou de impulso, em que a energia mecânica é obtida pela transformação da energia cinética onde o fluxo d’água incide
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sob a forma de jato sobre o rotor, possuindo pás em forma de duas conchas. A direção dos jatos é paralelamente em relação ao plano do rotor. E trata-se de máquinas com escoamento tangencial, que são aquelas as quais o fluxo passa pelo rotor da máquina de forma tangente ao raio do mesmo.No Brasil existem poucos locais que oferecem a possibilidade de se implantar turbinas deste tipo devido à falta de quedas suficientemente altas maiores que 300 m.
Neste tipo de turbinas um ou mais jatos d’água com a velocidade correspondente a queda liquida são dirigidos contra as conchas do rotor. Assim, o número de rotações do rotor depende somente da altura da queda e do diâmetro do rotor e a potência da turbina do diâmetro do jato. O número de injetores das turbinas é fator dependente do tamanho das conchas e consequentemente ao diâmetro dos jatos.
Para uma turbina de um jato, seu custo é reduzido por se tratar de um equipamento mais simples, porém, suas conchas assumem dimensões que reduz o aproveitamento total da vazão o que diminui seu rendimento. Neste caso, o número de injetores deve ser aumentado levando à diminuição das conchas, podendo assim aumentar seu número. Com base neste efeito adotaram-se rotores Pelton de alto rendimento com a relação entre o diâmetro do rotor “D” que é determinado pela distância do centro do jato ao centro do eixo da turbina, e o diâmetro do jato “d” não deve ser menos que 10, conforme mostrado na Equação 19. 10 > = d D m 21
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Figura 22 – Esquema de uma turbina Pelton com dois jatos e eixo horizontal.Fonte: Viana (2000)
Figura 23 – Foto de uma turbina Pelton - Fonte Autogreen (2009)
• Turbinas Francis
Diferentemente da turbina Pelton, em que o rotor gira no ar e o jato d’água transmite sua energia cinética às conchas, transformando-se em trabalho mecânico. As turbinas de reação como a turbina Francis, mostrada na Figura 24, gira dentro da corrente d’água contínua onde o fluxo d’água penetra radialmente no distribuidor e no rotor, que é o elemento rotativo
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da turbina hidráulica, onde se transforma a energia hidráulica em trabalho mecânico, tem-se também turbinas do tipo mista, a qual o fluxo na entrada do rotor é radial e após interagir com ele sofre um desvio e passa a ser axial na saída.A turbina Francis é mais comumente usada em locais que apresentam quedas e vazões médias, sendo que a queda pode variar de 20 a 600 m se caracteriza por ter um alto rendimento, em que este é tão mais alto quanto maior for a potência e o acabamento da turbina. Tais turbinas podem ser instaladas, dependendo da altura de queda, em caixa espiral cilíndrica ou em caixa aberta. O rotor‚ dependendo da rotação específica assumida pode ser classificado como do tipo lento, normal ou rápido, mostrado na Figura 24.
Figura 24 – Turbinas Francis. - Fonte va tech hidro magazine (2009)
• Turbinas Kaplan
O rendimento deficiente das turbinas Francis para empreendimentos de baixa queda impulsionou a construção de turbinas hélices que é definida como turbinas em que o rotor é constituído por um núcleo central, cubo hidrodinâmico, fixado na extremidade da árvore principal, a qual sustenta um pequeno número de pás em forma de hélice. Em turbinas de hélice o fluxo d’água tem direção radial ao rotor.com referencia as pás podem ser de dois tipos, fixas ou moveis, sendo neste ultimo tipo que se enquadra as turbinas Kaplan.
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Turbinas Kaplan, Figura 25, são classificadas como máquinas hidráulicas de reação, como dito anteriormente, foram projetadas para grandes vazões e pequenas quedas e tem a facilidade de aumentar seu rendimento de acordo com o posicionamento de suas pás, podendo este ajuste ser feito em pleno funcionamento.A mobilidade das pás das turbinas Kaplan se deve ao fato que as turbinas hélices de pás fixas são caracterizadas por uma curva de rendimento muito aguda o que faz com que este tipo de turbina trabalhe com bom rendimento apenas com cargas praticamente constantes, sendo que qualquer variação nesta característica faz cair drasticamente seu rendimento.
Figura 25 – Turbina Kaplan Fonte: Mendozainvest (2009)
• Turbinas Tubulares
Turbinas tubulares são máquinas hidráulicas de reação geralmente do tipo Hélice ou Kaplan, mas com características de adução diferentes, em que o fluxo de água é totalmente paralelo ao eixo da turbina.
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Em turbinas tubulares, Figura 26 e Figura 27 o rotor fica alocado num tubo que une à tomada d’água ao tubo de sucção, não havendo caracol nem bulbo. O eixo deste tipo de turbina pode ser horizontal ou inclinado havendo três tipos de instalações possíveis:• O rotor possui pás fixas (Propeller) e o distribuidor pás diretrizes orientáveis; • Rotor com pás orientáveis e o distribuidor com pás fixas;
• Rotor e o distribuidor, ambos com pás orientáveis. São os mais perfeitos e permitem o funcionamento reversível da unidade, isto é, como bomba e como turbina (Macintyre, 1983).
Figura 26 – Planta de instalação com turbinas tubulares Fonte : Macintyre (1983)