Máquinas Térmicas

Breve Introdução

Considerada uma Turbina Hidráulica, as turbinas Kaplan foram criadas pelo Engenheiro austríaco Victor Kaplan (1876-1934) que, através de estudos teóricos e experimentais produziu um novo tipo de turbina a partir das turbinas hélice, com a possibilidade de variar o passo das pás, surgindo então a turbina hélice de pás reguláveis.

Com o tempo, foi provado o sucesso das turbinas Kaplan para aplicações de baixas e médias quedas e grandes volumes de água, consagrando-se como uma turbina altamente eficiente nestas condições, com rendimentos que podem passar de 93%.

As turbinas de rotor Kaplan têm duas opções de carcaça disposta em formato tubular ou em caixa espiral. Seu acionamento e ajuste das pás do rotor é feito de maneira automatizada, feitas sob medida são aplicadas principalmente em quedas inferiores a 60 m e com vazões elevadas.

É uma turbina de reação, na qual o fluxo de água tem direção radial no distribuidor, aproximadamente axial na entrada do rotor, analogamente às turbinas hélice, porém na qual as pás têm passo regulável em funcionamento. Ainda tem duas variantes adicionais: hélice e bulbo. Também é uma alternativa onde há restrição quanto a área inundada ou proximidade com cidades.

O número de pás varia de 4 a 8, quanto maior o número de pás maior a redução das tensões de flexão no eixo que suporta o conjunto, em balanço.

Parâmetro Hidráulico Potência

Maior Altura de Queda: Usina Três Marias (Brasil) H=60 m 67 MW

Maior Potência: Usina Portas de Ferro (Sérvia) 178 MW

Menor Altura de Queda: Usina Sthroele (Alemanha) H=2,0 m 0,12 MW

FUNCIONAMENTO

A água atua simultaneamente em todas as pás, com um eixo vertical que tem variação de 90o no escoamento entre entrada do distribuidor e entrada do rotor. O Bulbo apresenta escoamento quase que axial.

A Turbina Hidráulica é projetada para com rendimento máximo em determinadas Vazão(Q) , Queda(H) e velocidade de rotação(N) nominais.

Este rendimento é dado por:

Onde:

Pm é a potência mecânica no eixo da turbina[kW];

ηt é o rendimento mecânico da turbina;

Qt é a vazão na entrada da turbina[m3/s];

Ht é a queda na entrada da turbina[m];

As curvas características das turbinas hidráulicas, incluindo seu rendimento, não podem ser determinadas teoricamente. A vazão nas turbinas é controlada pela abertura das válvulas de controle e a figura abaixo apresenta a variação do rendimento em função da abertura de da velocidade.

Observa-se que o ponto de máximo rendimento varia com a vazão e com a velocidade de rotação.

Portanto, cada curva deve ser determinada experimentalmente e, para reduzir o custo de desenvolvimento, modelos reduzidos são utilizados nessas medições.

Por isso, é fundamental conhecer do rendimento em função desses parâmetros.

As variáveis de interesse nas turbo máquinas são apresentadas na Tabela abaixo.

GRANDEZA SÍMBOLO UNIDADE

Fluxo Q m3/s

Energia Específica E M2/s2

Potência P Kg.m2/s3

Velocidade Rotação N 1/s

Dimensão D m

Densidade Ρ Kg/m3

Viscosidade µ Kg/(m.s)

Essas variáveis podem ser agrupadas nas seguintes variáveis adimensionais:

Onde:

Φ é o coeficiente de fluxo;

Ψ é o coeficiente de queda ou energia;

Π é o coeficiente de potência;

Υ é o coeficiente de Reynolds.

Combinando os coeficientes de queda e potência de modo a eliminar D, obtemos a seguinte grandeza adimensional chamada de velocidade específica.

A tabela abaixo apresenta as velocidades específicas e quedas normalmente utilizados para os diversos tipos de turbina.

TIPO DE TURBINA Ns (rpm) H (m)

Kaplan, Bulbo, Propeller, Tubulares e Straflo. 8 Pás 250-320

7 Pás 321-430

6 Pás 431-530

5 Pás 534-620

4 Pás 624-…

Do ponto de vista de mecânica dos fluidos, mais importante do que a velocidade de rotação é a velocidade periférica da turbina.

Por isso, alguns autores utilizam a velocidade específica em função da velocidade periférica.

A velocidade periférica é dada pela seguinte expressão:

Onde:

D é o diâmetro do rotor da turbina[m];

n é a velocidade de rotação da turbina[rpm]

Definindo o coeficiente de velocidade periférica da turbina como sendo a velocidade periférica dividida pela velocidade do teorema de Torricelli,

e o fator de engolimento da turbina como sendo:

A velocidade específica será dada por:

Como o coeficiente de velocidade periférica é um dado conhecido de projeto das turbinas, utiliza-se esta expressão para determinar o diâmetro da turbina.