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Dimensionamento de turbinas.
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INSTITUTO FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE IFRN
CAMPUS JOO CMARA
TECNOLOGIA EM ENERGIAS RENOVVEIS
DISCIPLINA: SISTEMAS DE ENERGIA HIDRULICA
DOCENTE: GNNISSON CARNEIRO
JACKELINE CLEMENTINO
WALTER JEFFERSON
DIMENSIONAMENTO DE TURBINAS HIDRULICAS
MARO, 2015
1. INTRODUO
As turbinas hidrulicas so mquinas utilizadas para converter a energia mecnica
em energia eltrica por meio da presso e energia cintica da gua o que corresponde a
energia hidrulica.
De acordo com suas funcionalidades, existem as turbinas de ao utilizadas para
maiores alturas e baixas vazes e as turbinas de reao que so usadas em menores alturas
e altas vazes.
As turbinas hidrulicas so classificadas em:
Pelton;
Francis;
Kaplan;
Bulbo;
Straflo;
Propeller;
De acordo com o princpio de funcionamento de uma turbina hidrulica, tem-se
que, segundo o autor, em toda turbina a gua vem de um reservatrio ou canal de nvel
mais elevado e com maior energia e escapa para um canal de nvel mais baixo. A gua de
entrada levada atravs de um duto fechado at um conjunto de lminas
curvas (palhetas), bocais ou injetores que transferem a energia da gua para um rotor. Em
consequncia a presso e/ou a velocidade da gua na sada so menores do que na entrada.
A gua que sai da turbina conduzida por um duto, ou tubo de suco, at o reservatrio
ou canal inferior. Algumas palhetas so estticas, outras so fixas no rotor; ambas podem
ser ajustveis para controlar o fluxo e a potncia gerada ou a velocidade de rotao. O tubo
de suco geralmente tem dimetro final maior que o inicial para reduzir a velocidade da
gua antes de despej-la no canal inferior. As principais causas da baixa eficincia nas
turbinas so as perdas hidrulicas (a energia cintica da gua na sada da turbina) e as
perdas mecnicas (atrito nos mancais, que converte parte da energia extrada da gua
em calor). A eficincia tpica de uma turbina moderna varia entre 85% e 95%, dependendo
da vazo de gua e da queda. Para maximizar a eficincia, grandes turbinas hidrulicas so
em geral projetadas especificamente para as condies de queda e vazo onde sero
instaladas.
Para selecionar o tipo de turbina a ser utilizada no projeto de uma Central
Hidreltrica ou PCH (Pequena Central Hidreltrica) calculado o valor da rotao
especfica ( ) e compara-se esse valor com a altura de queda (H) e seleciona a turbina
mais vivel para o projeto em questo conforme a tabela 1. A partir dessa escolha feito os
clculos de dimensionamento para o tipo de turbina.
Figura 1: Tabela para seleo do tipo de turbina
2. CARACTERSTICAS DE PROJETO E DIMENSIONAMENTO:
A seguir sero dimensionados trs projetos de turbinas hidrulicas.
2.1 PROJETO 1:
Altura de queda:
Vazo:
Rotao real:
Potncia efetiva:
Calculando a rotao especfica:
Com os valores da rotao especfica ( ), da altura de queda (H) e analisando a
tabela 1, o tipo de turbina para este caso uma turbina FRANCIS.
2.1.1 Caractersticas e funcionamento
As turbinas do tipo Francis so adequadas para trabalhar com mdias vazes e
mdias alturas. E so turbinas de reao, ou seja, produz o trabalho mecnico por meio
da transformao da energia cintica e de presso da gua de escoamento atravs do
rotor. As turbinas Francis possuem subtipos que so Francis caixa espiral, Francis
caixa aberta e Francis dupla.
A turbina Frances possui as seguintes partes:
Caixa espiral;
Distribuidor;
Rotor;
Tubo de suco;
E funciona da seguinte maneira:
A gua entra na turbina pela entrada da caixa em espiral e passa pelo
distribuidor que possui ps distribuidoras ajustveis que proporcionar a descarga
correspondente potncia exigida, com o ngulo mais adequado para a entrada da gua no
rotor no qual a gua anda simultaneamente em todas as ps e h uma variao de 90 no
escoamento entre a entrada e a sada. Na sada da gua possui um tubo de suco que,
segundo SOARES, permite que a gua escoe de forma contnua ao invs de se
descarregada livremente na atmosfera. Isso implica em um ganho na energia cintica na
sada do rotor e tambm, num ganho do desnvel topogrfico entre sada do rotor e o nvel
da gua no poo.
Figura 2: Esquema de
uma turbina Francis
2.1.2 Dimensionamento
Valores dos coeficientes e
Grfico 1: Grfico x para
encontrar o valor de .
O valor de encontrado cruzando os valores at a curva do grfico, logo:
Grfico 2: Grfico x para
encontrar o valor de .
Do mesmo modo que encontra , ento:
Dimetros principais internos, e :
Projeo vertical da entrada do rotor, :
Grfico 3: Grfico
x para
encontrar a relao
.
Para encontrar a relao
, cruzam-se os valores at a curva do grfico, portanto:
Logo, o valor de :
Nmero de ps (para este caso que se trata de turbina Francis normal
ou lenta):
deve estar em cm , ento:
Potncia disponvel :
Rendimento total :
Nmero caracterstico de Bovet :
Raio de entrada superior :
Velocidade angular:
Raio mximo de sada :
(
)
( )
Altura do filete externo :
o Altura real do filete externo :
Altura do filete interno :
o Altura real do filete interno :
Raio do ponto onde comea a curvatura da linha externa :
o Raio real do ponto onde comea a curvatura da linha externa
Abcissa :
Ordenada :
(
)
(
)
(
)
(
)
2.2 PROJETO 2:
Altura de queda:
Vazo:
Rotao real:
Potncia efetiva:
Calculando a rotao especfica:
Com os valores da rotao especfica ( ), da altura de queda (H) e analisando a
figura 1, o tipo de turbina para este caso uma turbina PELTON.
2.2.1 Caractersticas e funcionamento
As turbinas Pelton trabalham com velocidades de rotao mais alta que os outros
tipos. Elas so adequadas para operar entre quedas de 350 m at 1100 m. As partes de uma
turbina Pelton so:
Distribuidor;
Rotor;
Defletor de jato;
Bocal de frenagem;
Agulha;
Injetor de agulha;
Mancal de escora;
Nesse tipo de turbina no h palhetas estticas e sim um conjunto de bocais ou
injectores, cada qual com uma agulha mvel (semelhante a uma vlvula) para controlar a
vazo. Nessas turbinas, a presso da gua primeiramente transformada em energia
cintica pelo bocal, que acelera a gua at uma alta velocidade. O jato d'gua dirigido
para uma srie de conchas curvas montadas em torno do rotor.
Figura 3: Esquema de uma turbina Pelton.
2.2.2 Dimensionamento
Velocidade do jato :
Nmero de jatos :
deve estar em ps. Sabendo que , ento:
Dimetro do jato :
Sendo que a vazo do projeto dividida pelo nmero de jatos:
o Dimetro mximo do jato
calculado com acrscimo de 20% na vazo de projeto:
Velocidade perifrica da roda :
ou
Dimetro da roda :
Nmero de ps :
o Nmero mnimo de ps :
o raio da roda:
(
)
(
)
Por segurana, recomenda-se adotar que o nmero de ps Z seja 1,15 a 1,5 vezes
:
Dimenses das ps:
o Largura :
o Comprimento :
o Excesso :
o Excesso de gume :
o Profundidade :
o Largura do rasgo :
o ngulo do gume central :
o ngulo de inclinao da aresta da concha :
Varia entre 15 a 25, ento .
o ngulo :
(
)
(
)
PROJETO 3:
Altura de queda:
Vazo:
Rotao real:
Potncia efetiva:
Calculando a rotao especfica:
Com os valores da rotao especfica ( ), da altura de queda (H) e analisando a
figura 1, o tipo de turbina para este caso uma turbina KAPLAN.
2.3.1 Caractersticas e funcionamento
Turbinas Kaplan so adequadas para operar em quedas at 60 m. Elas apresentam
eficincia constante em ampla faixa de operao. O que difere as turbinas Kaplan e Francis
o rotor, que se assemelha a um propulsor de navio. O ngulo de inclinao das ps
controlado por pistes hidrulicos, normalmente em conjunto com as palhetas de
distribuio. H duas variantes da turbina Kaplan: a turbina Bulbo e a turbina Hlice. Tem
outras duas que tambm se assemelham Kaplan que so a turbina Straflo e a turbina
Propeller. As partes de uma turbina Kaplan so:
Distribuidor;
Ps tambm chamadas de diretrizes;
Rotor
Cubo do rotor;
Ogiva;
Tubo de suco;
Caixa espiral.
As turbinas Kaplan so do tipo axial, de reao e ao total. No quesito axial,
significa dizer que se trata de uma mquina de reao rotativa de fluxo contnuo, em que
a gua escoada paralelamente ao eixo de rotao, fluindo atravs das ps do rotor, ao
contrrio do que se verifica na turbina radial como a Francis.
Figura 4: Esquema de
uma turbina Kaplan.
2.3.2 Dimensionamento
Dimetros e :
o Dimetro externo do rotor :
o Dimetro do cubo :
Figura 5: Dimetros do Rotor.
Seo livre de passagem da gua pela turbina :
(
)
Velocidade mdia de sada :
Nmero de ps :
O nmero de ps dado a partir do valor da altura de queda do projeto. Veja tabela
abaixo:
H (m) Z (nmero de ps)
10 < H < 21 4
12 < H < 23 5
15 < H < 35 6
H > 35 8 Tabela 1: Nmero de ps para determinados valores de altura de queda.
Sabendo que a altura de queda do projeto , ento:
Passo entre as ps, medida no raio mdio :
(
)
(
)
Comprimento das ps (corda) :
o Fator de relao entre a rotao especfica e o comprimento:
Velocidade perifrica mdia u:
Rendimento hidrulico :
o Rendimento total :
O rendimento hidrulico 3% a 5% maior que o rendimento total, portanto:
Para ,
Velocidade perifrica absoluta :
ngulo de incidncia :
Velocidade relativa :
(
)
(
)
Clculo do coeficiente de sustentao :
o Coeficiente de sustentao da grade :
(
)
o Coeficiente de sustentao isolada :
ngulo de perfil :
O ngulo de perfil calculado da seguinte forma:
o ngulo de incidncia.
o ngulo de ataque.
Para encontrar o ngulo de ataque, basta ter o valor do coeficiente de sustentao
isolada . Neste caso, .
A partir do grfico 4, para o eixo 100.Ca, tem-se:
Logo, o ngulo de ataque 14,6.
E pelos clculos anteriores,
Grfico 4: Grfico de perfil para encontrar o ngulo de ataque .
Ento o ngulo de perfil :
3. REFERNCIAS
SOARES, Ricardo Luiz Jnior. Projeto Conceitual de uma Turbina Hidrulica a ser
utilizada na Usina Hidreltrica externa de Henry Borden. 2013. Rio de Janeiro.
WOLSKI, Celso; MATSUI, Hlio Jnior; MORAIS, Rodrigo Rossi de. Desenvolvimento
de um software para o clculo de dimensionamento de turbinas em Pequenas
Centrais Hidreltricas. 2013. Curitiba.
Generalidades de la turbinas Pelton. .
Acesso em 02 Mar. 2015
Groupo Turbine. < http://www.pxlseals.com/br/groupo-turbina#.VPRiUizRZmw>.
Acesso em 02 Mar. 2015.
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