Máquinas motrizes com a finalidade de transformar a maior parte da energia de escoamento contínuo da água que atravessa em trabalho mecânico.

Máquinas motrizes com a finalidade de transformar a maior parte da energia de escoamento contínuo da água que atravessa em trabalho mecânico.

Primeira máquina motriz hidráulica: Rodas d´água (Virtruvio, 100 A.C.)

Classificação

Segundo a variação de pressão estática

• Nestas a pressão estática permanece constante entre a entrada e saída do rotor. • Ex: Turbinas Pelton Turbinas Turgo Turbinas Michell-Banki

Turbina de Reação ou sobrepressão:

• A pressão estática diminui entre a entrada e saída do rotor.

Segundo a direção do fluxo através do rotor:

• Turbinas de fluxo tangencial, radial (centrigufa e centrípeta), semi-axial e de fluxo axial.

Segundo a admissão do rotor:

Atendendo a disposição do eixo de rotação, podem ser classificadas em:

Componentes de uma turbina

Rotor - roda móvel, elemento principal, consiste numa série de pás ou conchas unidas a um eixo.

Distribuidor - parte fixa que serve de união entre o rotor e a tubagem forçada. Tubagem forçada - conduz a água, sob pressão, até ao distribuidor.

Turbina Zuppinger

Forom as primeiras turbinas que se utilizaram, introduzidas pela primeira chamada roda tangencial Zuppinger desenvolvida pelo pelo engenheiro suíço de igual nome, em 1846.

Turbina Schwamkrug, (1850) Radial y centrífuga

Turbina Girard, (1863)

Axial com o rotor para fora da água; enquanto o canal não subir de nível, funciona como uma turbina de ação normal, enquanto que se o nível subir eo rotor ficar imerso, trabalha como uma turbina de reação, mas não nas melhores condições; atualmente não é usada.

Turbina Michel, o Banki

O fluxo de água atravessa o rotor cilíndrico transversalmente com duas passagens pelas pás. Se utiliza para pequenas e grandes quedas.

A faixa em que a turbina BANKI pode trabalhar é muito vasta, com quedas em torno de 200m e caudais reduzidos (20 l/s). A turbina BANKI aplica-se aos aproveitamentos hidroeléctricos de pequenas potências até 2.000 kW, daí o seu “reaparecimento” após anos de esquecimento, devido ao entusiasmo que se está a criar em torno das minihídricas.

considerada uma turbina de acção, na qual o fluxo de água atravessa o rotor cilíndrico transversalmente com duas passagens pelas pás.

Turbinas Pelton (1829-1908)

A principal característica é a velocidade do jato na de saída do bocal, que pode chegar, dependendo da queda entre 150 a 180 m/s.

Sendo que W₂=kW₁ Com k=0.8

O ângulo θ é denominado ângulo de deflexão do jato. O ângulo da pá que utilizamos em

β₂ tem um limite mínimo , em torno de 40

– 50_{, para permitir uma boa saída da água.}

d teórica

g

H

V

= 2

⋅

⋅

m

g

H

V

=

2

⋅

⋅

H

V

=

4

.

29

Velocidade absoluta de entrada (V₁)

Velocidade tangencial ou periférica de entrada (U₁)

2

V

U

=

V

U

=

⋅

η

2

V

U

=

0

.

45

⋅

H

U

=

1

.

942

r

U

=

ω

⋅

60

n

D

U

=

Π

⋅

⋅

Velocidade relativa de entrada (W₁)

1 1

1

V

U

W

=

−

Diâmetro do jato (do)

1 0

4

V

Q

d

⋅

Π

=

)

7

.

0

12

(

15

.

1

d

R

Z

=

+

⋅

No caso ideal, sem atrito k=1 e θ=1800

(β₂=0). Neste caso a eficiência máxima é 100%.

• Na prática quando considera-se o atrito

k=0,8 a 0,85.

A maior queda, em turbina PELTON, situa-se na Suíça, (Dixence) com 1750m e potência de 65 MW.

A maior potência é gerada no aproveitamento de Cubatão (Brasil) com 719m de queda e 110 MW

No século XVIII, Leonard Euler (1707-1783) desenvolveu uma roda de reação com distribuidor fixo, verdadeira precursora da turbina.

O nome turbina deve-se a Claude Burdin (1790-1873). Seu seguidor Benoit Fourneyron (1802-1867) construiu mais de 100 turbinas antes de falecer.

As turbinas radiais de Forneyron tornaram-se um grande sucesso desde o início e foram utilizadas em toda Europa continental e nos Estados Unidos, principalmente para acionar máquinas da industria têxtil. Foram também instaladas em Niaraga Falls para gerar energia elétrica.

Na seqüência, em 1843, surge a turbina Jonval, projetada pelo também engenheiro francês Feu Jonval. A turbina Jonval é axial e aceita uma vazão de água muito superior à da turbina Fourneyron, além de operar eficientemente com quedas d’água muito inferiores.

As turbinas FRANCIS classificam-se, segundo a velocidade específica em : Lentas - diâmetro de saída sensivelmente menor que o de entrada.

Normais - diâmetro de entrada e saída são iguais. Rápidas - diâmetro de saída maior que o da entrada.

Muito rápidas - o bordo de entrada das pás fica muito inclinado até ao eixo o que lhe dá características de hélice.

Estas turbinas são rigorosamente centrípetas A distribuição da água sobre as pás do rotor, é feita por uma série de pás distribuidoras ou pás diretrizes - externamente reguladas - as quais distribuem a água de forma simétrica e simultânea em todas as pás do rotor.

a primeira turbina foi construída pela firma J.M. Voith em 1873 A água entra no rotor de forma radial e sai de forma axial.

Em operação, a água entra no rotor pela periferia, após passar através da pás diretrizes as quais guiam o líquido em um ângulo adequado para a entrada das pás do rotor, deixando o mesmo axialmente em relação ao eixo.

Água atua simultaneamente em todas as pás

Variação de 90º no escoamento entre entrada e saída Altura de queda entre 45 e 750m

A turbina Francis pode ser executada tanto com eixo na horizontal quanto na vertical. A construção com eixo na horizontal, ou seja, a roda trabalhando verticalmente é utilizada para pequenas unidades.

• Caixa espiral: NBR 6445 conduzir o fluxo de água recebido da adutora até o distribuidor. Obs.: seções transversais reduzem-se.

• distribuidor: pás fixas entre os anéis 4 e 5 –rigidez estrutural da caixa e pré-orientação do escoamento para o distribuidor.

Distribuidor

pás móveis entre os anéis - orientação do escoamento e controlar a vazão para o rotor

Tubo difusor (tubo de sucção) de turbina Francis

o ângulo das paredes do tubo de aspiração com o eixo longitudinal não ultrapassa os 6º.

Para Turbinas Francis o torque pode ser definido por uma análise do triângulo de velocidades:

Turbina Kaplan (1876-1934)

A tendência e também a necessidade de se obter rotores mais velozes levou a construção, por Victor Kaplan, das turbinas hélices. construiu-se uma turbina dotada de um dispositivo de regulagem que possibilitasse as hélices acompanharem a variação das aletas.

Assim as turbinas deste tipo, com pás móveis no rotor, passaram a ser chamadas de turbinas Kaplan, enquanto as pás fixas receberam o nome de turbinas Hélice. Recomendada para quedas menores e altas vazões (altas velocidades). Consiste basicamente de um rotor, similar a hélice de navio, ajustada internamente na continuação de um conduto, com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a tubulação muda de direção.

As turbinas de rotor Kaplan podem ter sua carcaça disposta em formato tubular ou em caixa espiral. O acionamento e ajuste das pás do rotor e diretrizes é feito de maneira automatizada e, em conjugação sincronizada.

Outra solução semelhante a Kaplan é a turbina tipo S

As turbinas axiais tipo "S" tem sua aplicação, principalmente para aproveitamento de baixas quedas, entre 5 e 20 m, podendo em alguns casos chegar a 25 m de queda

A Alstom, em Taubaté, fornece este tipo de turbinas para alturas entre 3 e 22m, vazões entre 9 e 50 m3_{/s e faixa de potência de 500 à 5000 kW, com diâmetros de}

As turbinas Kaplan e Hélice têm normalmente o eixo vertical, mas podem existir turbinas deste tipo com eixo horizontal, as quais se designam por turbinas Bulbo ou de poço