Desenvolvimento de uma turbina de pelton de bancada para experimentos laboratoriais / Development of a benchtop pelton turbine for laboratory experiments

Desenvolvimento de uma turbina de pelton de bancada para experimentos

laboratoriais

Development of a benchtop pelton turbine for laboratory experiments

Recebimento dos originais: 25/11/2019 Aceitação para publicação: 02/12/2019

Gabriel Gonçalves Pessoa De Castro Doutor em Engenharia Metalúrgica

Instituição: Universidade Federal Fluminense (UFF).

Endereço: R. Doze - Vila Santa Cecília, Volta Redonda - RJ, 27255-125. E-mail: [email protected]

Daniela da Silva Barbosa de Sousa

Graduando em Engenharia Mecânica pela Associação Educacional Dom Bosco – Escola de Engenharia de Resende (AEDB-FER).

Endereço: Av. Cel. Prof. Antônio Esteves, 1 - Campo de Aviação, Resende - RJ, 27523-000. E-mail: [email protected]

Reinaldo Alves Pereira

Graduando em Engenharia Mecânica pela Associação Educacional Dom Bosco – Escola de Engenharia de Resende (AEDB-FER).

Endereço: Av. Cel. Prof. Antônio Esteves, 1 - Campo de Aviação, Resende - RJ, 27523-000. E-mail: [email protected]

Arilson Rocha Nogueira

Graduando em Engenharia Mecânica pela Associação Educacional Dom Bosco – Escola de Engenharia de Resende (AEDB-FER).

Endereço: Av. Cel. Prof. Antônio Esteves, 1 - Campo de Aviação, Resende - RJ, 27523-000. E-mail: [email protected]

RESUMO

Visando a sustentabilidade e energia renovável, o intuito do projeto tem por finalidade o desenvolvimento, fabricação e montagem de uma bancada didática com turbina de Pelton para facilitar o aprendizado aliando a teoria com a prática, para que os estudantes sejam capazes de dimensionar, entender as máquinas de fluxo e projeta-las. Esta bancada poderá ser utilizada nas aulas de laboratório e apresentações em feiras, pois será de fácil manuseio e transporte, podendo assim, demonstrar o funcionamento e a importância das centrais hidrelétricas. A bancada didática com turbina de Pelton desenvolvida, captará a energia mecânica disponível nos rios e usará esse potencial hidráulico para girar a turbina que estará interligada por polias que irá fazer a parte de transmissão da turbina para o alternador gerando energia sustentável podendo ser armazenada em uma bateria de 12v e convertida para 127V e 220V, sendo de fácil entendimento e mobilidade de um local ao outro. O projeto constitui-se de componentes de baixo custo e de fácil acesso.

ABSTRACT

Aiming at sustainability and renewable energy, the purpose of the project is to develop, manufacture and assemble a didactic bench with Pelton turbine to facilitate learning by combining theory and practice, so that students are Able to scale, understand flow machines and design them. This bench can be used in laboratory classes, presentations at fairs, as it will be easy to handle, and transport, thus demonstrating the functioning and importance of hydroelectric power plants. The developed Pelton turbine-based didactic bench will capture the available mechanical energy in rivers and use this hydraulic potential to rotate the turbine that will be interconnected by pulping to make the transmission part of the turbine to the alternator generating Sustainable energy can be stored in a 12v battery and converted to 127V and 220V, being easy to understand and mobility from one location to another. The project consists of low cost components and easy access. Key-words: Didactic Workbench. Pelton Turbine. Energy.

1 INTRODUÇÃO

Economias regionais e nacionais dependem da disponibilidade adequada de água para geração de energia, abastecimento público, irrigação e produção de alimentos (agricultura, aqüicultura e pesca, por exemplo) [1]. A produção de energia, especialmente no Brasil depende da disponibilidade de recursos hídricos, dada a matriz energética brasileira que depende em 50% da energia hidroelétrica [2].

De acordo com Aneel (2008) [3]_{, esse recurso natural é aproveitado desde a antiguidade através}

da energia hidráulica, é o aproveitamento da energia potencial gravitacional da água, e era usada para gerar energia mecânica nas instalações de moagem de grãos, por exemplo. Já no século XX, passou a ser aplicada como matéria-prima da eletricidade em usinas hidroelétricas.

Segundo Abreu [4]_{, as turbinas hidráulicas nas usinas hidroelétricas são maquinas capazes de}

transformar energia hidráulica em trabalho mecânico, que posteriormente se transformará em energia elétrica através de um gerador. As turbinas podem ser de vários tipos e podem possuir classificações como: turbina de reação e turbina de impulso.

A demonstração do funcionamento de uma usina hidrelétrica acontecerá por meio da bancada didática com a turbina de Pelton. Por meio desta demonstração, será possível conhecer o comportamento de uma turbina e a importância dos demais componentes durante o processo de geração de energia. Após finalizada a bancada, a mesma servirá para ensaios experimentais realizando medições, testes para a fixação da teoria, aliando assim, a teoria com a prática.

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Este capitulo possui em seu conteúdo as teorias bases nas quais as análises desenvolvidas nesse artigo estão fundamentadas e descreve as equações chave que permitiram a obtenção dos resultados que serão mostrados adiante.

2.1 USINAS HIDRELÉTRICAS

A utilização da energia hidráulica foi uma das primeiras formas de substituição do trabalho animal pelo mecânico, principalmente para o bombeamento de água e moagem de grãos. Dentre as características energéticas mais importantes destacam-se a disponibilidade de recursos, facilidade de aproveitamento e, principalmente, seu caráter renovável. A vantagem do uso de turbinas hidráulicas está na não emissão de gases poluentes no meio ambiente.

Segundo o Centro da memória da eletricidade no Brasil, a primeira usina hidrelétrica do país entrou em operação no Ribeirão do Inferno, afluente do rio Jequitinhonha em Diamantina (MG) e utilizou uma queda de 5 metros de altura com 2 dínamos acionados pela roda d’água de madeira que movimentava duas bombas de desmonte hidráulico que, com jatos d’água, revolviam o terreno rico em diamantes. A energia produzida era usada a dois quilômetros de distância através de uma linha de transmissão.

A usina hidrelétrica é uma instalação capaz de converter a energia mecânica da água em energia elétrica, podendo ser definida segundo a Eletrobrás, como um conjunto de obras e equipamentos cuja finalidade é a geração de energia elétrica, através da utilização do potencial hidráulico existente em um rio, sendo este, proporcionado pela vazão hidráulica e pela concentração dos desníveis existentes ao longo do curso de um rio.

2.2 USINAS HIDRELÉTRICAS

A turbina Pelton foi desenvolvida por Allan Lester Pelton pondo o primeiro rotor em funcionamento em 1880, ganhando sua primeira patente no mesmo ano.

Este tipo de turbina é classificado como turbina de ação operando para quedas d’água acima de 250 metros para qual a vazão é reduzida.

A pá possui um gume médio, que fica sobre o plano médio da roda, e que divide simetricamente o jato e o desvia lateralmente. Chamando de 𝑉𝑗 − 𝑟𝑤 é a velocidade relativa de saída (igual velocidade

relativa de entrada), 𝑉_1,𝑡 a velocidade absoluta na saída, 𝑟𝑤 é a velocidade tangencial. Para um melhor entendimento, a Figura 1 ilustra o diagrama de velocidade do escoamento para dentro e para fora da pá.

Figura 1: Diagrama de Velocidade do Escoamento na Pá da Turbina de Pelton [5]

Onde:

𝑉_𝑗− 𝑟𝑤 = velocidade relativa de saída = velocidade relativa de entrada 𝑉_1,𝑡 = Componente da velocidade absoluta na saída

𝑟𝑤 = Velocidade tangencial β = Ângulo

Para passar a velocidade do escoamento de saída do sistema de referência móvel para o sistema de referência absoluto soma-se a velocidade da pá (𝑟𝑤) para a direita.

2.2.1 Condução

A incidência de jatos sobre o rotor, em cada volta, depende do número destes, de modo que, quanto maior o número de jatos, maior a potência para uma mesma queda e também maior será o desgaste por abrasão, caso a água contiver areia em suspensão [6]_.

Para calcular a quantidade do número adequado de jatos, utiliza-se a seguinte Equação 1 sugerido por Macintyre[6]_. 𝑎 = (𝑛√𝑁 25𝐻) (Eq.1) Onde: 𝑛 = Rotação em (rpm); 𝑁 = Potência (cv); 𝐻 = Altura de queda (m).

O jato tem sua velocidade (𝐶1) determinada a partir da saída do bocal do injetor em 𝑚/𝑠, sendo calculada pela Equação 2 [7]:

𝐶1 = 𝜑√2𝑔𝐻 (Eq.2)

Onde:

𝜑 = coeficiente de velocidade (0,99) 𝑔 = gravidade em (𝑚/𝑠^2 )

𝐻 = altura (𝑚)

Segundo Pfleiderer [7], o dimensionamento da pá é unicamente calculado através de dados práticos e em função do máximo diâmetro do jato em milímetro, Equação 3, para que o mesmo atenda corretamente aos parâmetros de trabalho executado pela pá.

𝑑𝑚á𝑥 = 151√ 𝑁

(𝑎 𝑛) (Eq.3)

Onde:

𝑁 = Potência unitária (cv) 𝑎 = Número de jato.

𝑛 = Rendimento total da turbina

O dimensionamento da pá é feito exclusivamente mediante dados práticos e em função do máximo diâmetro 𝑑𝑚á𝑥. do jato, tirado da Equação 4:

𝜋𝑑22 𝑑𝑚á𝑥 4 = 𝑄𝑖 𝑎.𝑉0= 75.𝑁𝑖 1.000.𝜂.𝑎.𝑉0 (Eq.4) Onde:

𝑄𝑖 e 𝑁𝑖: a descarga e apotência unitárias para a sobrecarga máxima, em 𝑚³/𝑠 e 𝑐𝑣; 𝑎 é o número de jatos;

𝑉𝑜 a velocidade do jato em 𝑚/𝑠

𝜂 o rendimento total da turbina admitindo 𝑉0 = 4,29𝑚/𝑠, obtém-se na Equação 5;

𝑑𝑚á𝑥 =151√𝑁𝐼

𝑎 . 𝜂 (𝑚𝑚) (Eq.5)

Tabela 1: Rendimento

𝜂𝑠 5 10 15 20 25 30

𝜂 0,82 0,84 0,85 0,84 0,83 0,81

Fonte: NOGUEIRA et al, 2019

Segundo Macintyre [6], para as dimensões principais a prática aconselha que se adote valores como:

B = 2 a 3. 𝑑𝑚á𝑥 (Largura);

L = 2, 25 a 2, 8. 𝑑𝑚á𝑥 (Comprimento); m = 0, 5 a 0, 7. 𝑑𝑚á𝑥 (Excesso); T = 0, 8 a 1. 𝑑𝑚á𝑥 (Profundidade);

b′ _{= 1, 2 a 1, 25. 𝑑𝑚á𝑥 (Largura do rasgo)}

ângulo 𝛽1 do gume central = 10°.

A turbina de Pelton pode variar de peso conforme necessidade. O peso expresso em quilogramas – força por cavalo – vapor produzido, é menor quanto maior a potência e a queda. Em alturas entre 1000 e 400 m em grandes unidades, obtém-se 2,5 a 5, 0 kgf/cv. Já em pequenas unidades de 100 a 300 cv, obtém-se 20 a 30 kgf/cv.

A roda da turbina onde são fixadas as pás recebem o jato proveniente do injetor e para dimensionar o rotor, necessita-se conhecer a velocidade periférica da roda (𝜇2). Para isto, usa a Equação 6 a seguir:

𝜇2 = 𝜋.𝐷.𝑛

6000 (Eq.6)

Onde:

𝐷 = Diâmetro do rotor em centímetro; n = Rpm do motor a ser utilizado;

6000 = constate atingida pelo impulsor estando entre 4000 a 6000 podendo atingir uma média de velocidade equivalente ao valor de 18 a 25 m/s.

3 DIMENSIONAMENTO

A representação da bancada foi desenvolvida no Software CATIA VR5 e demonstra os componentes que auxiliaram a atingir a finalidade do projeto. A base onde ficará a turbine será de fabricação metálica, utilizando folha galvanizada, arrebite, metalon, acrílico e o subconjunto de rosca

sem fim e porcas de fixação, acrílico para a parede externa da caixa isolante da turbina; Tubulações em PVC; Bico injetor; Redução, cotovelo, mangote flexível de adaptação; Eixo longitudinal e rolamentos para os conjuntos mecânicos e flexíveis, a Figura 2 apresenta o projeto da bancada.

Figura 2: Representação da bancada

Para a construção da bancada é necessário dimensionar o jato para identificar o seu diâmetro máximo, e velocidade. A realização do dimensionamento do jato é através da fórmula do tópico 2.2.1, calculando assim, o diâmetro máximo do jato.

𝑑𝑚𝑎𝑥 = 151√ 𝑁 𝑎. 𝑛

𝑑𝑚𝑎𝑥 = 151√ 20

1.1750 𝑑𝑚𝑎𝑥 = 16 𝑚𝑚

Após a determinação do diâmetro máximo, pode-se calcular a velocidade do jato:

𝐶1 = 𝜑√2𝑔𝐻 𝐶1 = 0,99√2(9,81)(21)

𝐶1 = 20 𝑚/𝑠

A velocidade periférica é encontrada através da equação do tópico 2.2.1. 𝜇2 =𝜋. 𝐷. 𝑛

6000

𝜇2 = 𝜋. 24.1750 6000

𝜇2 = 21, 99 ≅ 22 𝑚/𝑠

Tendo como base a teoria adquirida em pesquisa para a realização dos cálculos, utilizou-se como referências as seguintes medidas: adota-se 12 m/s como referência de rotação de velocidade especifica; Altura da queda de água de 21 m; um jato. Sendo assim, determinado que a velocidade de saída do jato no bico injetor é de 20 m/s, a rotação da máquina de 540 rpm, o diâmetro da 480 mm. Dessa forma, a turbina será funcional.

Considerando o diâmetro de 480 mm e diâmetro máximo do jato de 16 mm, foi necessário utilizar 18 pás, sendo elas, fabricadas de polímero através de impressão 3D, como pode ser analisado na Figura 3. Para teste utilizou-se um motor de 20 CV, de baixa rotação de 1750 rpm.

Figura 3: Pá fabricada na impressora 3D.

Por se tratar de uma turbina didática, a energia gerada pela turbina de Pelton será mínima, porém o intuito é incentivar os estudantes a desenvolver estudos para melhorar o potencial energético, a eficiência de uma turbina de Pelton e conhecer a curva característica da turbine para identificar qual a melhor eficiência.

A turbina de Pelton para ser utilizada na bancada didática pode ser construída com materiais reutilizáveis, tendo como premissa o incentivo aos estudantes em desenvolver pesquisas relacionadas ao estudo de máquinas de fluxo bem como no desenvolvimento de materiais e técnicas para aumentar a eficiência das mesmas.

3.1 COMPONENTES ELÉTRICOS E MECÂNICOS

A finalidade da parte elétrica de uma turbina é transformar o trabalho mecânico gerado em energia elétrica. Esta transformação é exemplificada na Figura 4

Figura 4: diagrama elétrico.

O alternador precisa da rotação e de uma alimentação de entrada (será produzida pela bateria) para gerar energia elétrica. Assim produzirá um campo elétrico e fará com que o alternador atue como gerador. Após o início do funcionamento e o sinal de tensão de saída for maior que a de entrada, o gerador passa a se auto alimentar e recarregar a bateria. As chaves servirão para selecionar o tipo de saída, monofásico (127 V) ou bifásico (220 V).

Após passer pelo regulador de tensão, a saída do alternador será um sinal contínuo e será inserida no conversor de corrente e internamente chaveada e elevada para um nível de tensão alternada útil, sendo ele em sua maioria, 110 ou 220 volts.

A finalidade da parte mecânica de uma turbina é receber energia hidráulica vinda da água (quedas d’água) e gerar o trabalho para ser convertida em energia elétrica. Esta parte mecânica é composta pelo alternador, rotor, polia e distribuidor. Sendo o distribuidor responsável por direcionar a água, modificar a vazão transformando total ou parcial a energia de pressão em energia cinética.

A tensão gerada pelo alternador pode variar amplamente devido as varrições do equipamento. O acionamento do alternador possui perdas devido as inércias dos componentes e por isso qualquer redução de massa diminui a potência consumida [8].

Segundo Viana [9], o rotor é cconstituído por pás em forma de conchas. Estas por sua vez possuem um gume médio, que fica sobre um plano médio do rotor e que divide simetricamente o jato e o desvia lateralmente.

Para que a parte mecânica atinja a sua finalidade, necessita-se de polias que serão acionadas por uma correia. A polia gira junto com um eixo, transferindo movimento e energia a outro eixo. As correias de transmissão são utilizadas para movimentar os acionamentos que exigem desde força e velocidade até sincronismo de movimento e/ou ambas [10]_.

Com base nessas informações, nos dados adquiridos e aquisição dos materiais, realiza-se a montagem da bancada. A primeira parte a ser construída foi a mesa de estrutura metálica, tendo as pernas de sustentação com metalon 15x15 mm e sua parte superior soldada numa folha galvanizada, formando assim, a parte superior com um furo oblongo na parte inferior do rotor e tendo a caixa de vedação do rotor montada em folha galvanizada e arrebites para sua fixação. A parte frontal foi construída em acrílico para uma melhor visualização da turbina.

A fixação dos dois componentes que formam o rotor (pás construídas em polímero e roda fabricada em alumínio) ocorreu através de rosca sem fim e porcas de 8 mm. Já o acoplamento entre caixa de vedação e rotor foi realizado através de um eixo longitudinal fixando um ao outro de forma a nivelar a rotação do rotor. A polia de transmissão do rotor foi posta no lado externo oposto ao acrílico ligado por uma correia a uma segunda polia acoplada no alternador, onde o mesmo gera energia e armazena em uma bateria, convertendo de 12v para 110 v e ambos fixados na parte superior da bancada em série.

Com a bancada de teste finalizada, será possível simular todo o funcionamento de uma turbina real bem com desenvolver técnicas para melhorar o desempenho e aumentar a geração de energia. Conforme o processo dos testesrepetidamente, foram detectadas as devidas falhas e corrigidas.

Sequencialmente, testes defuncionalidades da redução e escoamentos de água foram realizados e observando o dimensionamento do jato utilizando a formula de velocidade do jato, velocidade periférica conforme os tópicos já apresentados, corrente elétrica gerada e diferença de potencial, entre outrasfuncionalidades e ganhos.

4 CONCLUSÃO

Os principais objetivos deste projeto que consistiam em desenvolver uma bancada didática com turbina de Pelton para facilitar o aprendizado aliando a teoria com a prática, para que os estudantes sejam capazes de dimensionar, entender as máquinas de fluxo e projeta-las foram atendidos. O protótipo simulou o funcionamento de uma usina hidrelétrica equipada com a turbina Pelton e demonstrou a transformação de energia cinética em energia elétrica pelo alternador.

Dimensionar uma turbina Pelton é uma atividade que exige um estudo dos parâmetros geométricos da turbina, tornando assim, o projeto complexo. Apesar dessa complexidade, o projeto mostrou-se viável por ter materiais e conjuntos disponíveis para a fabricação do mesmo.

AGRADECIMENTOS

Agradecimento a Universidade Dom Bosco – Faculdade de Engenharia de Resende (AEDB-FER), pelo incentivo a pesquisa e apoio financeiro.

REFERÊNCIAS

[1] BHATIA, R.; BATHIA, M. Water crisis: myth or reality?. Cap. 12: Water and poverty alleviation: the role of investments and policy interventions. In: ROGERS, P. P. et al. London: Fundación Marcelino Botín, Taylor & Francis, 2006. p.197-220.

[2] TUNDISI, J. G. Recursos hídricos no futuro:problemas e soluções. Estudos avançado, 2008, p. 13

[3] ANEEL. Atlas de Energia Elétrica do Brasil. 2008.Cap. 3. p. 52

[4] ABREU K.M.M.; ROSA H.M.P. Algoritmo para determinação de grandezas geométricas de uma turbina Pelton. The Journal of Engineering and Exact Sciences – JCEC, v. l, 04 n. 02, 2018. [4] BIANCHINI D. Conhecimentos Técnicos - Piloto Privado. Editora Bianch. Secção 22, 2015 [5] ÇENGEL Y. A.; CIMBALA J. M. Mecânica dos fluidos – 3.ed.. Cap. 14 :Turbomáquinas. AMGH Editora. 2015. p. 836-837.

[6] MACINTYRE A. J. Máquinas motrizes hidráulicas. Editora guanabara dois s.a. Rio de janeiro, 1983.

[7] PFLEIDERER C; PETERMANN H. Máquinas de fluxo. Editora s.a. Rio de janeiro, 1979. [8] RIGOLETTO K. R. et al. Otimização da polia do alternador para motores automotivos de veículos de passeio. Congresso Brasileiro de Engenharia de fabricação. 2013.

[9] VIANA, A. N. C. Bombas funcionando como turbinas. Synergia, 2012. 180p.

[10] SILVA A. M. et al. Otimização da polia do alternador para motores automotivos de veículos de passeio. Congresso Brasileiro de Engenharia de fabricação, 2013.