AS TURBINAS HIDRÁULICAS

TURBINAS HIDRÁULICAS

Definição: são equipamentos projetados para transformar energia hidráulica em energia mecânica (trabalho mecânico), ou seja, transformam força e pressão do fluido em energia elétrica. Pela definição, inicialmente dada, são máquinas motoras. Consiste basicamente de um sistema fixo hidráulico e de um sistema rotativo hidromecânico destinados, respectivamente, à orientação da água em escoamento e à transformação em trabalho mecânico. A tratativa dada às turbinas é similar à destinada às bombas. Uma vez que tratamos de transformação de energia mecânica em hidráulica e vice-versa, as únicas diferenças serão os conceitos (designações) envolvidos, mas os princípios fundamentais são os mesmos.

Princípios de operação: As turbinas hidráulicas possuem um princípio comum de funcionamento. A água entra na turbina vinda de um reservatório ou de um nível mais alto e escapa para um canal de nível mais baixo. A água que entra é conduzida por um duto fechado até um conjunto de palhetas ou injetores que transferem a energia mecânica (energia de pressão e energia cinética) do fluxo de água em potência de eixo. A pressão e a velocidade da água na saída são menores que na entrada. As principais causas de uma diminuição na eficiência das turbinas são as perdas hidráulicas e mecânicas.

Classificação das Turbinas Hidráulicas: pode-se classificar as turbinas conforme a direção do fluxo através do rotor (fluxo tangencial, axial e radial) e segundo a variação da pressão estática.  Dentre as formas de classificação de turbinas as duas mais comuns são: turbina de ação ou impulso e reação ou sobrepressão:
 • Turbina de ação ou impulso: a pressão na tubulação cai até a pressão atmosférica logo que a água sai do distribuidor. A energia cinética aumenta na passagem de saída do distribuidor e perde intensidade ao atingir as pás, de modo que, a velocidade da água ao sair da pá é menor do que quando a atingiu. Exemplo: turbina Pelton.

• Turbina de Reação ou sobrepressão: a energia de pressão cai desde a entrada do distribuidor até a saída do receptor, aumentando no difusor. O difusor é essencial nesses tipos de turbinas. Exemplo: turbinas Francis e Kaplan. 

Características gerais ou Órgãos essenciais: de uma forma generalizada boa parte destes equipamentos são compostos por um distribuidor, um rotor, um tubo de sucção e a carcaça (ou voluta). Como parte da instalação de uma máquina destas pode-se destacar ainda o reservatório, a tubulação forçada e o canal de fuga.

O distribuidor: é um elemento estático que tem por funções acelerar o fluxo de água transformando a energia; dirigir a água para o rotor; e regular a vazão.

 O rotor: é o elemento fundamental de transformação de energia, formado por uma série de palhetas (ou alabes).

O tubo de sucção: só existe nas turbinas a reação e tem forma de duto divergente e é localizado após o rotor. Sua função é recuperar a altura entre a saída do rotor e o nível de água na descarga; recuperar parte da energia cinética da velocidade residual da água na saída do rotor, a partir do desenho do tipo de difusor

 A voluta (ou carcaça): é o elemento que contêm todos os componentes da turbina. Nas turbinas Francis e Kaplan tem a forma de uma espiral.

Principais modelos de turbinas hidráulicas são: Turbinas Pelton, Turbina Francis e Turbina Kaplan.

Modo de funcionamento da Turbina Pelton: seu funcionamento acontece por meio de injetores. A água nessa turbina é lançada contra as pás (com formato de concha) fazendo mover a turbina. O controle de sua potência é feito através de uma válvula ou agulha móveis. Nessas turbinas, a pressão da água é transformada em energia cinética pelo injetor, que acelera a água até uma alta velocidade.

• Exemplo dessas Turbinas no Brasil:  a Usina Hidrelétrica Parigot de Souza, no Paraná, tem 4 turbinas tipo Pelton de 65 MW, com queda bruta normal de 754 m.

Fatores influenciadores:

• Operação: operam em altas quedas que variam entre 350m a 1100m;
• Vazão: são utilizadas em situações onde existem pequenas vazões;  
• Velocidade: trabalham com velocidades de rotação mais alta que as demais turbinas;
• Rotor: possui rotores com características distintas;
• Número de injetores: variam entre 2 e 6 injetores;
• Faixa de aplicação: aplicada em uma variada gama de condições de operação.
• Componentes: distribuidor, injetor, agulha, rotor e pás

Modo de funcionamento da Turbina Francis: a água é dirigida por um tubo em espiral e um sistema de palhetas estáticas que a forçam a atravessar radialmente a parede do rotor, empurrando as palhetas deste. A água sai pela base do rotor praticamente com pressão e velocidade muito reduzidas. Para que ocorra o aumento de potência nesse sistema as palhetas se abrem, já para sua diminuição ocorre o inverso.

• Exemplo no Brasil: a Usina hidrelétrica de Itaipu , a Usina hidrelétrica de Tucuruí, Furnas e outras no Brasil funcionam com turbinas tipo Francis com cerca de 100 m de queda d'água.

Fatores influenciadores:

• Operação: entre 40m a 400m;
• Vazão:  variam entre 10 a 700m³/s; 
• Instalação: podem ser instaladas tanto na horizontal como na vertical;
• Rendimento: superior ou igual a 90%;  
• Faixa de aplicação: ampla faixa de aplicação a faz é o tipo de turbina mais usada no mundo;
• Componentes: caixa espiral, eixo da turbina, tubo de sucção, rotor e pás;

Modo de funcionamento da Turbina Kaplan: seu funcionamento é o mesmo da Turbina Francis. A única diferença entre as turbinas Kaplan e Francis é o rotor, que se assemelha a um “propulsor de navio”. Além disso, elas podem ser orientadas, variando a inclinação das pás, com base na descarga.