Turbinas Hidráulicas
Foram publicados vários estudos sobre os engenhos precursores das turbinas hidráulicas. A evidencia mais antiga é a
roda hidráulica romana, que tinha sido previamente
implementada na Índia e na China, e depois chegou à Europa através do Egito.
Mais tarde, durante a Idade Média e o Renascimento, generaliza-se o uso dos moinhos hidráulicos, além dos eólicos. Exemplos disso são as rodas d’água de Aleppo (Síria) e de Córdoba (Espanha). Outro caso interessante é o dos moinhos de regolfo na Península Ibérica e na América, muito próximos em sua forma e fundamentos às turbinas hidráulicas.
Logo, os estudos de Euler, Burdin e Forneyron prepararam o campo para o avanço definitivo de Pelton, Kaplan, Francis e outros.
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- Localização da turbina dentre os componentes da usina
Como visto anteriormente, um aproveitamento típico poderia ser o que está representado na Figura 14, no qual se indicam as partes principais de uma mini hidráulica, que dispõe de: uma captação em forma de represa, uma condução forçada
como sistema de alimentação da água da turbina, o edifício da usina no qual se localiza a turbina, com todos seus elementos acessórios, e o gerador elétrico.
Destaca-se que um dos menores componentes da usina
é precisamente a turbina, ainda que seja nela onde se realiza a
captura da energia hidráulica da corrente, para logo convertê-la em energia elétrica no gerador.
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- Percurso da água na turbina
Quando seguimos a trajetória teórica da água no interior da turbina (Figura 15 e 16), encontramos seus elementos principais. Na extremidade final da condução de alimentação da água à usina (conduto forçado, canal de derivação, etc.), situa-se a câmara espiral da turbina. A mesma converte a direção do fluxo de unidirecional e tangencial à turbina, em radial, e com admissão completa de todo o perímetro até o interior da turbina.
A seção uniforme de vazão até o seguinte componente, o distribuidor, faz com que a vazão na câmara espiral seja reduzida conforme avança na periferia do distribuidor, de modo que a câmara tem uma seção decrescente, como um espiral em forma de caracol.
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Logo, o fluxo alcança o componente giratório da turbina, o rotor, que está dividido em uma série de canais através de divisórias direcionais que conduzem a água ao mesmo tempo em que transferem parte do seu potencial energético ao próprio eixo do rotor, que o transmite, por sua vez, ao gerador elétrico.
O último trecho deste percurso pelo interior da turbina está constituído pelo tubo de aspiração. Este componente é, essencialmente, um conduto de seção crescente no sentido do fluxo, que evacua a água até o canal de desague, devolvendo-a ao curso do rio. Este elemento reduz a pressão na saída do rotor
e, assim, contribui com o aumento da queda disponível na turbina. No entanto, sua altura está limitada pela possibilidade de alcançar a pressão de saturação, com efeitos destrutivos na área de saída da água do rotor.
Turbinas Hidráulicas
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- Tipos de turbinas hidráulicas
Segundo a forma de realizar a conversão de energia hidráulica em mecânica, existem dois tipos de turbinas:
- Turbinas de ação ou de impulso (Pelton, Turgo, Ossberger ou
Michell-Banki). Trabalham sob pressão atmosférica. Toda a
energia foi convertida em cinética no conduto.
- Turbinas de reação (Francis e Hélice, ou Kaplan). Trabalham sob pressão superior à atmosférica, na entrada; como possuem um conduto de aspiração, estão em depressão na saída do rotor.
Turbinas Hidráulicas
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Uma vez determinados a vazão e a queda disponíveis, é preciso escolher a máquina que melhor se adapte às características da queda. Existem vários critérios que ajudam nesta escolha. A Tabela 1 traz um resumo desses critérios.
a) Velocidade especifica (NS)
Aplicável a todos os tipos de turbina, tem o mesmo valor para turbinas semelhantes. As variedades de utilização são:
Turbinas de ação, Pelton 3 < NS < 30
Turbinas Michell-Banki 51 < NS < 150
Turbinas Francis 50 < NS < 500
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b) Queda líquida (Hn)
As turbinas Pelton podem ser instaladas em grandes quedas, superiores a 150 m, com seu teto atual de 1.300 m. As
Francis em quedas médias, de 25 a 350 m, e as tipo hélice ou
Kaplan, em pequenas quedas, inferiores a 40 m.
Deve-se indicar que no caso das micro-turbinas, estas variações são diferentes, de modo que, por exemplo, uma micro turbina Pelton pode trabalhar com quedas menores que 50 m.
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c) Vazão de equipamento (Qe)
As vazões de até 20 m3/s são melhor utilizadas pelas
turbinas Pelton, as vazões médias, de 10 a 50 m3/s, são o campo
de trabalho das Francis e para vazões maiores costuma-se utilizar turbinas Kaplan. Esta gama varia no caso das mini- turbinas e micro-turbinas.
Turbinas Hidráulicas
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- Considerações para a escolha
A potência por unidade de peso é maior nas turbinas Pelton do que nas Francis e nas Kaplan, nesta ordem.
Observando as curvas de rendimento em função da vazão, as
turbinas Pelton têm excelente rendimento para valores de potência entre 0,3 e 1,0 da potência máxima.
As turbinas Francis obtém seu melhor rendimento entre 0,6 e 1,0 da potência máxima, reduzindo-se esta margem na medida em que aumenta a velocidade específica.
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Observa-se também o campo limitado das turbinas de hélice com pás fixas, sobretudo em comparação com as turbinas
Kaplan com pás móveis, graças à possibilidade de otimizar o ângulo de ataque da corrente de água sobre as pás.
A turbina Kaplan é mais cara (com a mesma potência) do que a turbina Francis.
Nas quedas de pequena altura, a experiência demonstrou que é mais conveniente instalar o menor número possível de unidades, quando se instalam dois ou mais grupos é possível utilizar uma turbina de hélice para o grupo de trabalho com vazão constante e uma Kaplan para as demais vazões.
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Com relação ao número de grupos de uma usina, deve-se considerar que a solução mais econômica é a de apenas um
grupo, mas pode ocorrer que o rendimento seja
notavelmente reduzido quando trabalha-se com cargas parciais. Neste caso, é melhor dividir o gasto em dois ou mais grupos.
Como orientação, o custo de instalação referente a apenas um grupo : 1 grupo - 1,00, 2 grupos - 1,40 e 3 grupos - 1,60.
Bibliografia
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5. IDAE .Manuales de energías renovables. Minicentrales
hidroeléctricas.1996
6. ESHA, European Small Hydropower Association. Guide on How to