WORK Bomba de bomba centrífuga e AS TURBINE

RESUMO

Este trabalho apresenta o comportamento da bomba centrífuga operando como bomba e como turbina e mostra as vantagens da operação desse tipo de bomba em reverso como turbina hidráulicas. Coeficientes experimentais são apresentados para a correção da altura e vazão da bomba como turbina em função das condições da bomba funcionando como bomba. Propõe-se uma metodologia de seleção da bomba para operar como turbina e utiliza-se um exemplo de escolha da bomba, baseado em dados de um aproveitamento hidráulico no meio rural menor que 50kw de potência.

INTRODUÇÃO

Países como EUA, Alemanha e França vem utilizando as bombas hidráulicas de fluxo desde as centrífugas de vários estágios, de um estágio, mistas, até as axiais, em reverso como turbinas, substituindo as turbinas Pelton, Hélice e Francis, para gerar energia em pequenos recursos hidroenergéticos. A razão disso é devido ao bom funcionamento das bombas como turbinas e seus baixos custos se comparadas com as turbinas convencionais para mesma potência.

Com a inversão do fluxo e conseqüente inversão do sentido de rotação, a bomba funcionando como turbina (BFT), para manter praticamente o mesmo rendimento, opera com uma altura e vazão maiores do que as da bomba original. Esses aumentos variam de máquina para máquina, o que dificulta a seleção da bomba para funcionar como turbina, partindo-se da altura e vazão disponíveis em uma propriedade rural.

O Laboratório Hidromecânico para Pequenas Centrais Hidrelétricas da Escola Federal de Engenharia de Itajubá (LHPCH - EFEI) desenvolveu pesquisas sobre as bombas funcionando como turbinas de 1987 a 1990. Os trabalhos de Viana (1987) e Viana e Nogueira (1990) testaram duas bombas centrífugas operando como turbinas e obtiveram coeficientes de altura e vazão. Com os coeficientes, a seleção da bomba para operar com turbina fica facilitada.

Este artigo apresenta as vantagens da operação de bombas centrífugas operarem como turbinas e dá uma idéia de como selecioná-la a partir da vazão e altura de queda líquida disponíveis em uma propriedade rural, limitando-se à potência em 50 [kW].

A OPERAÇÃO DA BOMBA CENTRÍFUGA COMO BOMBA E COMO TURBINA

Para que a bomba centrífuga funcione como turbina, o sentido do fluxo de escoamento de água se inverterá e, conseqüentemente, haverá a inversão no sentido de rotação. A figura 1 ilustra uma bomba centrífuga funcionando como bomba e como turbina, bem como suas partes principais.

No caso do funcionamento como bomba (figura 1a), o líquido entra na sucção à baixa pressão, transforma energia de velocidade em pressão através do rotor e sai pela descarga. No funcionamento como turbina (figura 1b), o líquido entra com energia de pressão, aciona o rotor em reverso e sai com baixa pressão.

COMPARAÇÃO DA BOMBA E DA BFT

Através de resultados experimentais a figura 2 fornece as curvas de altura, potência de eixo e rendimento total versus vazão de uma bomba típica e sua aplicação como BFT, na mesma rotação.

Note que a vazão e a altura da BFT são maiores do que os valores correspondentes da bomba no máximo rendimento, resultando uma potência de eixo maior para BFT.

Com o aumento de vazão e de altura para as BFTs pode-se definir os seguintes coeficientes:

Coeficiente de vazão:

Coeficiente de altura:

Essas relações variam de bomba para bomba e são funções da rotação específica (Viana,1987).

A rotação específica no sistema internacional é dada por:

COEFICIENTES EXPERIMENTAIS

Para selecionar uma bomba correta para funcionar como turbina, o ideal é o fabricante ter os resultados experimentais como bomba e como turbina, da linha padrão de fabricação. Os fabricantes possuem em seus catálogos resultados como bombas de fabricação seriada. Como no Brasil isto não ocorre, Viana e Nogueira (1990), baseados em resultados experimentais obtidos em duas bombas da fabricação nacional e retirados dos trabalhos de Kittredge (1961) e Buse (1981), levantaram os coeficientes de vazão kq e altura ka em função da rotação específica nqA da BFT na faixa de 40 a 200, como mostra a figura 3.

- Dados: Ht [m] e Q [m3/s] ⇒ Altura de queda e vazão obtidas no aproveitamento.

- Rotação específica:

Calcula-se nqA com nt = 3600 [rpm] = 60 [rps] e nt = 1800 [rpm] = 30 [rps]. Caso resulte pelo menos um dos nqA dentro do intervalo de 40 < nqA < 200, escolhem-se nqA e nt correspondentes a rotação de turbina.

- Determinação da altura e vazão da bomba Hb e Qb:

Na figura 3, com nqA, determinam-se ka e kq, obtendo-se Hb = ka.Ht e Qb = kq.Qt.

- Seleção da bomba: nos catálogos de fabricantes de bombas, com Hb, Qb e nb = nt, escolhe-se a bomba que irá operar como turbina, retirando-se o seu rendimento, que será o mesmo como turbina, ηb = ηt .

- Determinação da potência do gerador Pel: Pel = 9,81 . Qt . Ht . ηt . ηg . ηac [kW].

Onde ηg é o rendimento do gerador e ηac é o rendimento da transmissão ou do acoplamento, que poderá ser 100% se for direto.

- Determinação da altura geométrica de sucção Hs:

A equação para turbinas Francis (Souza - 1983) fornece uma boa estimativa no sentido da prevenção da cavitação para BFT. Assim determina-se Hs, que é a distância vertical entre o centro do eixo da BFT e o nível mínimo da água no canal de fuga.

Hb - altura barométrica

A - altitude local em metros

σ - coeficiente de cavitação

VERIFICAÇÕES A SEREM REALIZADAS

- Como no caso da BFT, a altura é aumentada, deve-se verificar se a carcaça suporta a nova pressão. A máxima pressão na BFT não deve exceder a uma e meia vezes com o registro fechado