Introdução a Geração de
Energia Elétrica
TURBINAS
-Prof. Dr. Eng. Paulo Cícero Fritzen
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Geração de Energia
GERAÇÃO DE ENERGIA
HIDRELÉTRICA
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GERAÇÃO HIDRELÉTRICA
Processo de Transformação Hidrelétrico
Utiliza o movimento e queda d’água de rios para geração de energia elétrica
A energia elétrica em uma usina hidroelétrica é gerada pela passagem da água através de uma turbina, acoplada a um gerador síncrono de pólos salientes, formando o conjunto turbina gerador. Esse conjunto gira a velocidades relativamente baixas, de 50 a 300 rpm, quando comparadas às turbinas a vapor. O eixo da turbina está diretamente ligado ao eixo do rotor do gerador.
Processo de Transformação Hidrelétrico
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Processo de Transformação Hidrelétrico
As principais causas de perda de energia nas turbinas são:
•Perdas hidráulicas: a água tem que deixar a turbina com alguma velocidade, e esta quantidade de energia cinética não pode ser aproveitada totalmente pela turbina.
•Perdas mecânicas: são originadas por atrito nas partes móveis da turbina e calor perdido pelo aquecimento dos mancais.
•Tipicamente turbinas modernas têm uma eficiência entre 85% e 95%, que varia conforme a vazão de água e a queda líquida.
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•Tipos de Turbinas:
A energia elétrica é em geral produzida por geradores síncronos movidos por uma máquina primária denominada de turbina hidráulica do tipo Pelton, Francis, Kaplan ou Bulbo. Cada uma é adaptada para funcionar com uma determinada faixa de altura de queda, as vazões podem ser igualmente grandes em qualquer uma delas, mas, a potência será proporcional ao produto da queda (H) e da vazão volumétrica (Q).
Caixa espiral, pré-istribuidor, distribuidor, rotor, eixo, tubo de sucção.
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Caixa espiral: Tubulação com formato toroidal que envolve a região do rotor. Fica
integrada à estrutura civil não sendo possível ser removida ou modificada. Distribui água igualmente na entrada da turbina. Fabricada com chapas de aço carbono soldadas em segmentos. Conecta-se ao conduto forçado na secção de entrada, e ao pré-distribuidor na secção de saída.
Pré-distribuidor: Direciona a água para a entrada do distribuidor. É composto de
dois anéis superiores, entre os quais são montados um conjunto de 18 a 24 palhetas fixas, com perfil hidrodinâmico de baixo arrasto, para não gerar perda de carga e não provocar turbulência no escoamento. É uma parte sem movimento, soldada à caixa espiral e fabricada com chapas ou placas de aço carbono.
palhetas fixas
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Distribuidor: Formado por uma uma série de 18 a 24 palhetas acionadas por um
mecanismo hidráulico montado na tampa da turbina (este sem contato com a água). O acionamento é feito por um ou dois pistões hidráulicos. O distribuidor controla a potência da turbina, pois regula vazão da água.
COMPONENTES DE UMA TURBINA HIDRÁULICA:
•Rotor e eixo: O rotor da turbina é onde ocorre a conversão de energia hídrica em potência de eixo.
•Tubo de sucção: Duto de saída da água, geralmente com diâmetro final maior que o inicial, desacelera o fluxo da água após esta ter passado pela turbina, devolvendo-a ao rio na parte jusante da casa de força.
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•Turbinas de Ação: A energia hidráulica é transformada em energia cinética para, depois de incidir nas pás do rotor e transformar-se em energia mecânica, tudo isto ocorre à pressão atmosférica. Ex. TURBINA PELTON
•Turbina de Reação: O rotor é completamente submergido na água, com o escoamento da água ocorre uma diminuição de pressão e de velocidade entre a entrada e a saída do rotor. Ex. TURBINA FRANCIS
Turbina de Reação Turbinas de Ação:
•TURBINAS PELTON: Idealizada em 1880 pelo americano “Pelton”, também é chamada de turbina de jato livre. Sua principal característica é a velocidade do jato na saída do bocal que pode chegar (dependendo da altura da queda) de 150 a 180 m/s.
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•TURBINAS PELTON: São utilizadas em alturas superiores a 150 m, podendo chegar a 2.000m. Para grandes vazões e pequenas quedas, a roda da turbina poderá tornar-se demasiadamente grande e relação a potencia, neste caso pode-se: Aumentar o numero de jatos, Utilizar rotores gêmeos, Bifurcar a tubulação e instalar duas turbinas com geradores independentes.
CLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS HIDRAÚLICAS
TURBINAS PELTON: Utilizam o princípio da impulsão, onde, a pressão é primeiro
transformada em energia cinética em um bocal, neste bocal o fluxo de água é acelerado a alta velocidade e choca-se com as pás da turbina imprimindo-lhe rotação e torque. Nesse tipo de turbina não há um sistema de palhetas móveis, e sim um bocal com uma agulha móvel. Após passar pelo rotor, um duto chamado tubo de sucção, conduz a água até a parte de jusante da casa de força em nível mais baixo.
válvulas de agulha dos injetores
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TURBINAS FRANCIS: Tem o nome do seu inventor e foi idealizada em 1849. A
primeira turbina deste tipos foi construída pela empresa “J.M. Voith” em 1873. Aplicadas largamente por cobrirem um grande campo de rotação. São construidas para grandes aproveitamentos ultrapassando a potência de 750 MW. Seu rendimento atual é superior a 92%.
Componentes turbinas Francis
TURBINAS FRANCIS: A água entra pela tomada de água a montante da usina
(localizada em nível mais elevado) e é levada através de um conduto forçado até a entrada da turbina. Lá a água passa por um sistema de palhetas guias móveis, que controlam a vazão volumétrica fornecida à turbina. Para se aumentar a potência as palhetas se abrem, para diminuir a potência elas se fecham. Após passar por este mecanismo a água chega ao rotor da turbina.
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•TURBINAS FRANCIS: As pás do rotor são perfiladas em uma caixa espiral que distribuí a água ao redor do rotor. Em operação, a água entra no rotor pela periferia, após passar através das pás diretrizes as quais guiam o líquido em um ângulo adequado para a entrada nas pás do rotor, deixando o mesmo axialmente em relação ao eixo.
Controle de injeção por palhetas moveis
TURBINAS FRANCIS: As turbinas Francis em relação às Pelton apresentam
rendimento mais elevado. São utilizadas para quedas superiores a 20 metros e até 400 m. As usinas de Itaipu, Tucuruí e grande maioria de usinas do sistema Chesf (exceto Sobradinho e Apolônio Sales que usam Kaplan) utilizam turbinas Francis de cerca de 100 m de queda d' água.
Usina de Tucuruí 8,37 GW (4,245 + 1,125)GW 12 unidades 350 MW cada+ 2 un. Aux. 22,5MW +11 unidades 375MW
Itaipu com 14 GW,
20 unidades 700 MW cada, Queda de 118 m.
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USINAS TOTALMENTE EM TERRITÓRIO NACIONAL:
UHE TUCURUÍ X UHE BELO MONTE
Usina Hidrelétrica de Tucuruí 8,37 GW 8,37 GW (4,245 + 1,125)GW
12 unid. 350 MW + 2 un. Aux. 22,5MW +11 unidades 375MW
Rio Tocantins Estado do Pará
Usina Hidrelétrica de Belo Monte Terá quando finalizada 11.233,1 MW 11 mil MW na Casa de Força Principal e 233,1 MW na Complementar
18 unidades Rio Xingu Estado Pará .
TURBINAS KAPLAN: Turbinas de reação adaptadas às baixas quedas. São
constituídas por câmara de entrada que pode ser aberta ou fechada, por um distribuidor e por uma roda com pás em forma de hélice. Quando estas pás são fixas diz-se que a turbina é do tipo Hélice. Se as pás são móveis, o que permite variar o ângulo de ataque por meio de um mecanismo de orientação que é controlado pelo regulador da turbina, diz-se que a turbina é do tipo Kaplan.
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TURBINAS KAPLAN: São reguladas através da ação do distribuidor e com auxílio
da variação do ângulo de ataque das pás do rotor o que lhes confere uma grande capacidade de regulação. Um sistema de embolo e manivelas montado dentro do cubo do rotor, é responsável pela variação do ângulo de inclinação das pás. O acionamento das pás é acoplado ao das palhetas do distribuidor, de modo que para uma determinada abertura do distribuidor, corresponde um determinado valor de inclinação das pás do rotor.
TURBINAS KAPLAN: Apresentam uma curva de rendimento "plana“, garantindo
bom rendimento em uma ampla faixa de operação. 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..
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TURBINAS BULBO: Para quedas < 20 m, inventadas na década de 30 e aplicadas na década de 60 na França (usina maremotriz de La Rance). Sua turbina é similar a turbina Kaplan horizontal, porém, devido à baixa queda, o gerador hidráulico encontra-se em um bulbo por onde a água flui ao seu redor antes de chegar às pás da Turbina.
TURBINAS BULBO: No Brasil as Usinas de Santo Antônio e Jirau, a fio d’água,
em construção no rio Madeira (Rondônia) prevêem a instalação de 44 turbinas do tipo Bulbo com potência unitária igual a 73 MW e 75 MW, respectivamente. As turbinas a serem instaladas nestas usinas serão as maiores turbinas bulbo do mundo.
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TURBINAS BULBO: No Brasil as Usinas de Santo Antônio e Jirau, a fio d’água,
em construção no rio Madeira (Rondônia) prevêem a instalação de 44 turbinas do tipo Bulbo com potência unitária igual a 73 MW e 75 MW, respectivamente. As turbinas a serem instaladas nestas usinas serão as maiores turbinas bulbo do mundo.
BOMBA FUNCIONANDO COMO TURBINA: Nos projetos de mini e microcentrais
hidrelétricas pode ser interessante o estudo de utilização de uma bomba funcionando como turbina. Esta opção consiste em utilizar uma bomba d’água de forma inversa, ou seja, fazendo com que a água entre pelo lado de recalque e saia pelo lado de sucção. Desta forma a bomba passa a se comportar como uma turbina, convertendo a energia hidráulica em energia mecânica. Tem como vantagem o baixo custo, a robustez, a facilidade com que é encontrada e o curto prazo de entrega. A desvantagem é o fato de ela não possuir distribuidor, o que dificulta a regulação de velocidade, que só poderá ser feita via válvula de entrada, opção menos eficiente que a do distribuidor. Outra opção para regulagem de velocidade é o uso de “reguladores d e carga”.
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TURBINAS HIDROCINÉTICA: É uma turbina que funciona através da energia
cinética que se origina da passagem de água pelo rotor. Este tipo de turbina pode ser ancorado no fundo do rio ou colocado balsa. À medida que a água passa pelo rotor da máquina, produz-se uma força, fazendo-a girar. Dessa forma, através de um sistema de polias e correias, o gerador é acionado, produzindo-se energia. Neste tipo de turbina não há necessidade de que o empreendimento tenha quedas d'água e de construção de casa de máquinas, dutos e barragem, pois não exige queda d'água. Por isso, esse empreendimento reduz o impacto ambiental à níveis aceitáveis.
CLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS HIDRAÚLICAS
TURBINAS HIDROCINÉTICA: Além da turbina hidrocinética axial, encontra-se em
fase de desenvolvimento uma turbina hidrocinética helicoidal. Esta permite que haja um eixo vertical, com um melhor arranjo físico, minimizando os esforços mecânicos nos mancais. A turbina hidrocinética helicoidal também permite um maior engolimento da água e, conseqüentemente, a geração de uma potência maior.
CLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS HIDRAÚLICAS
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TURBINAS MICHELL-BANKI: É uma turbina de uso bastante difundido no mundo,
sendo altamente indicada para uso em áreas rurais, particularmente em centrais de pequeno porte. De tecnologia bastante simples requer poucos equipamentos para a sua fabricação e manutenção, permitindo sua construção em oficinas pouco sofisticadas. O seu campo de aplicação atende quedas de 3 a 100 metros, vazões de 0,02 a 2,0 m³/s e potências de 1 a 100KW. Devido à sua facilidade de padronização pode apresentar rotações especificas entre 40 e 200 rpm.
TURBINAS WHIRLPOOL: É uma turbina que, segundo os fabricantes, pode ser
instalada rapidamente (uma semana) e pode abastecer de energia elétrica de 60 residências. Altamente indicada para uso em áreas rurais, particularmente em centrais de pequeno porte.
•Pode ser instalado na maioria dos rios e canais.
•O gerador poderia ser a solução para fornecer energia de baixo custo para áreas rurais em todo o mundo.
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CLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS HIDRAÚLICAS
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Capacidade das Turbinas
•Represamento das águas do rio Capivari situado no 1º planalto •Localização do reservatorio a 830 metros acima do nível do mar •Desvio para o rio Cachoeira no litoral
•A queda d’ água, é de aproximadamente 750 metros •Volume do reservatório 150.000.000 de m3.
•O canal de água com 14.100 metros •4 Turbinas Pelton
•Vazão de engolimento máximo das turbinas: 38 m3/s. •Rotação 514 rpm
•Quatro alternadores totalizando 252.000 kW , 63.00 kW cada
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Usina Hidrelétrica Itaipu
•Barragem Altura: 196 m
•Comprimento total: 7.919 m
•Bacia Hidrográfica Área: 820.000 km² •Vazão média afluente: 11.663 m³/s
•Unidades geradoras: 20, Potência: 700 MW •Queda: 118,4 m
•Vazão Nominal: 690 m³/s
•Condutos forçados quantidade: 20 •Comprimento: 142 m
•Diâmetro interno: 10,5 m •Descarga nominal: 690 m³/s
CLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS HIDRAÚLICAS
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