estudos procedimentos ensaios campo turbinas hidraulicas pch

7/28/2019 Estudos Procedimentos Ensaios Campo Turbinas Hidraulicas Pch

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUB

Lucimary Aparecida Justino

ESTUDOS DE PROCEDIMENTOS DE ENSAIOSDE CAMPO EM TURBINAS HIDRULICAS

PARA PCH

Dissertao submetida ao Programa de Ps-

Graduao em Engenharia da Energia como requisito

parcial obteno do ttulo de Mestre em Engenhar ia

da Energia

Orientador: Prof. Augusto Nelson Carvalho Viana, Dr.

Itajub, 24 de maro de 2006.


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JUSTINO, Lucimary Aparecida. Estudos de Procedimentos deensaios de Campo em Turbinas Hidrulicas para PCH. Itajub.UNIFEI, 2006. 140 pp. (Dissertao de Mestrado apresentadaao Programa de Ps-Graduao em Engenharia da Energia daUniversidade Federal de Itajub).

Orientador: Augusto Nelson Carvalho Viana

Palavras Chaves: Turbina Hidrulica, Ensaio de Campo, PequenaCentral Hidreltrica-PCH.


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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUB

Lucimary Aparecida Justino

ESTUDOS DE PROCEDIMENTOS DE ENSAIOSDE CAMPO EM TURBINAS HIDRULICAS

PARA PCH

Dissertao aprovada por banca examinadora em 24 de maro de 2006, conferindo aoautor o ttulo de Mestre em Engenhar ia da Energia.

Banca Examinadora:Prof. Dr. Augusto Nelson Carvalho Viana

Profa. Dra. Yvone de Faria Lemos De Lucca

Prof. Dr. Alexandre Augusto Barbosa

Itajub2006


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Dedicatria

Primeiramente, a Deus pelas bnos recebidas

e aos meus pais, pela crena, incentivo e apoio.


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AGRADECIMENTOS

A todos que direta ou indiretamente me auxiliaram, debateram, citaram, elogiaram e

criticaram com o intuito de contribuir na execuo deste trabalho, e em particular gostaria de

citar:

- Primeiramente, o professor Dr. Augusto Nelson Carvalho Viana, pelo exemplo de

profissionalismo e apoio constantes na carreira universitria e tambm, por ser mais que um

orientador, um amigo que me auxiliou, acreditou e cobrou com equilbrio e respeito.

- Todos os professores do Mestrado, que me mostraram um modo diferente de ver as

coisas, de forma crtica; alm de transmitirem, com interesse e eficincia, conhecimentos

aplicados neste trabalho e a serem empregados na carreira profissional. Agradeo ainda a

todos os colegas do curso de Mestrado que deram suas contribuies durante os Seminrios

realizados;

- Banca que qualificou e comentou meu trabalho, dirigindo-o na direo correta,

para que pudesse ter aplicao prtica, como era meu objetivo. So os professores, Alexandre

Augusto Barbosa e Yvone de Faria Lemos De Lucca.

- Aos meus pais, irmo e irm, que acreditaram e me estimularam nos momentos mais

difceis;

- empresa VA TECH Hydro Brasil que colaborou enormemente para o

enriquecimento deste trabalho.

E por fim agradeo a Deus, que me deu a luz necessria para finaliz-lo.


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A mente que se abre s novas idias jamais volta ao seu tamanho inicial

Albert Einstein


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SUMRIO

Dedicatria...............................................................................................................................iii

Agradecimentos........................................................................................................................ivSumrio.....................................................................................................................................vi

Resumo......................................................................................................................................ix

Abstract.......................................................................................................................................x

Lista de Figuras........................................................................................................................xi

Lista de Tabelas......................................................................................................................xiv

Lista de Abreviaturas e Siglas..............................................................................................xvi

1. INTRODUO...................................................................................................................11.1. Consideraes Preliminares......................................................................................1

1.2. Justificativa e relevncia...........................................................................................1

1.3. Definio do problema de pesquisa..........................................................................2

1.4. Objetivos...................................................................................................................3

1.5. Metodologia e Estrutura da Dissertao...................................................................3

2. A CARACTERIZAO DAS PEQUENAS CENTRAIS HIDRELTRICAS NO

BRASIL................................................................................................................................5

2.1. Consideraes Preliminares....................................................... ...............................5

2.2. Definio de Pequena Central Hidreltrica PCH...................................................6

2.3. Principais Vantagens das PCHs................................................ ...............................6

2.4. Classificao das Pequenas Centrais Hidreltricas PCHs............................. .......8

2.4.1 Centrais quanto capacidade de regularizao............................................8

2.4.2.- Centrais quanto ao sistema de aduo.......................... ..............................10

2.4.3 Centrais quanto potncia instalada e quanto queda de projeto.............10

2.5. Arranjos Convencionais de Aproveitamentos Hidreltricos...................................11

2.5.1 Central Hidreltrica de Derivao..............................................................11

2.5.2 Central Hidreltrica de Desvio..................................... ..............................12

2.5.3 Central Hidreltrica de Represamento.......................................................14

2.6. Componentes Bsicos das Pequenas Centrais Hidreltricas...................................15

2.7. Turbinas Hidrulicas Aplicveis.............................................................................16

2.8. Parmetros Utilizados na Avaliao de Centrais Hidreltricas...............................28

2.9. Consideraes Finais...............................................................................................33


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3. NORMAS APLICVEIS A ENSAIOS DE TURBINAS HIDRULICAS.................35

3.1. Consideraes Preliminares....35

3.2. CEI / IEC 60041 (1991) Field acceptance tests to determine the hydraulic

performance of hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines da

International Electrotechnical Commission (I. E. C.)....37

3.3. NBR 11.374 / NB 228 (1990) Turbinas Hidrulicas Ensaios de Campo..39

3.4. ASME PTC 18 (1992) Hydraulic Turbines Performance Test Codes..40

3.5. Consideraes Finais................................................................. ..............................41

4. METODOLOGIA PARA ANLISE DE DESEMPENHO DE TURBINA

HDRULICA....................................................................................................................42

4.1. Consideraes Preliminares...................................................... ..............................42

4.2. Procedimento geral para a realizao dos ensaios de campo em turbinas

hidrulicas................................................................................ ..............................42

4.2.1 Preparao dos Ensaios..................................................... .........................43

4.2.2 Detalhes de medio..................................................... ..............................43

4.2.3 Instrumentos................................................................................................44

4.2.4 Determinao das Grandezas e das Incertezas das Medidas.......................44

4.2.4.1 Roteiro para Determinao das Grandezas....................................45

4.2.4.2 Equacionamento da Incerteza das Medies Realizadas..............53

4.2.5 Registros manuais e aquisio de dados.....................................................57

4.2.6 Resultados...................................................................................................61

4.2.7 Relatrio Final........................................................................... ..................62

4.2.8 Contestao ou repetio de ensaios............................. ..............................62

4.3 Mtodos normalizados para medio das grandezas.............................................634.3.1 Mtodos de medida da vazo......................................................................63

4.3.1.1 Mtodo da Cortina Salina................................. ..............................64

4.3.1.2 Mtodo de Gibson............................................ ..............................67

4.3.1.3 Mtodo dos Molinetes...................................... ..............................70

4.3.1.4 Mtodo da Diluio........................................................................73

4.3.1.5 Mtodo do Vertedor.......................................................................74

4.3.1.6 Mtodo Ultrassnico........................................ ..............................774.3.1.7 Mtodo de Winter-Kennedy............................. ..............................80


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4.3.1.8 Anlise Comparativa dos Mtodos de Medida da Vazo..............81

4.3.2 Mtodos para Medio da Altura de Queda Lquida.................................85

4.3.3 Medidas de Presso...................................................... ..............................86

4.3.4 Potncia Mecnica....................................................... ..............................89

4.3.4.1 Mtodos indiretos de medio da potncia..................................89

4.3.4.2 Perdas Mecnicas........................................... ..............................92

4.4 Index Test Teste de ndice.................................................... ..............................93

4.4.1 Condies gerais do Index Test.................................... ..............................94

4.4.2 Medio da vazo relativa............................................. ..............................94

4.5 Consideraes Finais..............................................................................................96

5. ENSAIOS DE CAMPO EM PCHs.................................................................................98

5.1 Consideraes Preliminares...................................... .............................................98

5.2 Estudo de Caso 1...................................................................................................98

5.2.1 Caractersticas Gerais da PCH .........................................98

5.2.2 Procedimento de Teste.................................... ...........................100

5.2.3 Parmetros Registrados e Calculados...................................... ..............102

5.2.4 Comparao com os Valores Garantidos...............................................104

5.3 Estudo de Caso 2................................................................................................106

5.3.1 Caractersticas Gerais da PCH................................................................106

5.3.2 Procedimento de Ensaio............................................ .............................108

5.3.3 Parmetros registrados e calculados.......................... .............................108

5.3.4 Comparao com os valores garantidos.................................................110

5.4 Consideraes Finais............................................................................ ..............112

6. CONCLUSES E RECOMENDAES PARA FUTUROS TRABALHOS...........1136.1 Concluses...........................................................................................................113

6.2 Recomendaes para Futuros Trabalhos................................. .............................125

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 116

ANEXO I 119

ANEXO II 127ANEXO III 130


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RESUMO

Um contrato de fornecimento de equipamentos para Pequenas Centrais Hidreltricas

PCH contm as garantias de potncia e de rendimento da turbina hidrulica, podendo conter

tambm garantias adicionais referentes variao de rotao e de presso, rotao de disparo

e ensaio por cavitao.

Para a determinao do desempenho das turbinas hidrulicas para comprovao das

garantias contratuais so realizados os ensaios em campo, que so mtodos bastante utilizados

pelas empresas como ferramenta para comprovao das garantias contratuais em substituio

ao ensaio do modelo reduzido, que apresenta um custo extremamente elevado.

Nas usinas hidreltricas, o rendimento da turbina representa o percentual de energia

hidrulica que passvel de ser transformada em energia eltrica. Na compra da turbina, o

fabricante deve garantir o rendimento especificado. Se os valores de rendimento ficarem

abaixo do esperado, os prejuzos sero enormes, da a importncia de existirem mtodos

precisos e confiveis para a sua medio.

Uma grandeza que influencia fortemente no valor do rendimento obtido a vazo.

Este trabalho apresenta as diferentes metodologias de medio de vazo em turbinashidrulicas, aplicveis em ensaios de campo de PCH e apresenta tambm os procedimentos

utilizados, para que, em casos especficos de PCHs, sem prejuzo da qualidade, os ensaios de

campo possam ser executados de modo que as garantias sejam comprovadas com custos

compatveis com o investimento feito.

Exemplificando o acima exposto, sero apresentados tambm, dois estudos de casos

em PCHs, onde foram realizados ensaios de campo para comprovao das garantias

contratuais.


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ABSTRACT

A supply contract of equipments for Small Hydro Power, contain the power and

turbine efficiency guarantees and can contain adds guarantees referring to a rotation and

pressure variation, runaway speed and cavitations test.

To the determination about the hydraulics turbines performance for contractual

guarantees are realized the field acceptance test, that are methods quite a lot used for

enterprises like tools to prove the contractual guarantees in substitution to Model Test, that

showed a cost extremely high.

In the field acceptance test are measures of some values that added to the others,

possibility obtain the turbine efficiency.

In the Small Hydro Power, the turbine efficiency represents the hydraulic power

percentage that is subject to be transformed in electrical power. In the turbine purchase, the

manufacturer has to guarantee the efficiency specified if it is become down to expected, the

damages are enormous, then the importance to exist precise methods and reliable for your

measurement.

The method accuracy of the discharge measurement that has, between another

problems, the calibration and installation, that influence hard the value of the efficiency

obtained. This work shows the different methodologies about discharge measurement in

hydraulic turbines, that can be apply in Small Hydro Power field tests and shows too the

procedures used that in specifics cases of Smal Hydro, without quality damage, the site tests

could be executed the form that the guarantees will be approve with compatible cots with the

investment done.

As an example for said above, are show two Cases in Small Hydro where did realized

field acceptance tests to assure the contractual guarantees.


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LISTA DE FIGURAS

CAPTULO 2

2.1 Corte esquemtico de uma Central Hidreltrica de Derivao, mostrando seusprincipais componentes............................................................................... ..............................12

2.2 Esquema de uma Central Hidreltrica de Desvio.........................................................13

2.3 Corte esquemtico de uma Central de Represamento, mostrando seus principais

componentes..............................................................................................................................14

2.4 Corte esquemtico de uma Central de Desvio, mostrando o sistema de baixa presso

com cmara de carga................................................................................... ..............................15

2.5 Escolha da turbina em funo das condies hidrulicas e topogrficas Catlogo VA

TECH Hydro Brasil Ltda............................................................................ ..............................17

2.6 Turbinas Hidrulicas Rotao Especfica............................................ ......................17

2.7(a) Grupo Gerador da PCH Alto Jauru, consrcio Toshiba VA TECH Hydro...............18

2.7(b) Desenho esquemtico de um grupo gerador com volante de inrcia............................18

2.8 Turbina Francis Caixa Aberta Grupo Gerador da MCH Boa Vista Catlogo BEE

Indstria e Comrcio de Equipamentos Ltda.............................................. ..............................19

2.9 Turbina Francis Gmea.................................................................................................20

2.10 Rotor de dupla suco de uma turbina do tipo..............................................................20

2.11(a)Grupo gerador da PCH Alto Fmeas Catlogo VA Tech Hydro...............................21

2.11(b)Concepo da linha de eixo de um grupo gerador com turbina de dupla suco.........21

2.12 Instalao com turbina do tipo Pelton............................................. ..............................22

2.13 Turbinas Michel Banki....................................... .........................................................22

2.14 Rotor de uma Turbina Hlice.......................................................... ..............................23

2.15(a)Casa de Mquinas da UHE Salto Grande Catlogo VA Tech Hydro........................24

2.15(b)Descida do rotor de uma das turbinas da UHE Candonga Catlogo VA Tech

Hydro........................................................................................................................................24

2.16 Turbina Tubular com o gerador instalado a montante da turbina.................................25

2.17 Turbina Tubular com o gerador instalado a jusante da turbina.....................................25

2.18(a)Descida do cubo da roda. Fase da montagem de uma das turbinas Bulbo da UHE

Igarapava Catlogo VA Tech Hydro Brasil Ltda..................................... ..............................26

2.18(b)Corte esquemtico de um grupo gerador com turbinas Bulbo......................................26

2.19 Instalao com turbina do tipo Bulbo em poo (ou Pit)............................................27


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CAPTULO 4

4.1 Desenho representativo de uma turbina de reao (Francis, Hlice, Kaplan)

- Caixa espiral de seo retangular em concreto: tubo de suco curvo......................47

4.2 Desenho representativo de uma turbina de reao caixa espiral de seo circular.......48

4.3 Desenho representativo de uma turbina de reao, eixo horizontal..............................49

4.4 Instalao de turbina imersa com tubo de suco curvo...............................................49

4.5 Instalao com turbina fechada com tubo de suco reto.............................................50

4.6 Desenho representativo de uma turbina de ao (Pelton).............................................51

4.7 Esquema Genrico de Aquisio de Dados.................................... ..............................59

4.8 Disposio do reservatrio e da tubulao utilizados no mtodo da Cortina Salina....64

4.9 Curva Caracterstica de um ensaio pelo mtodo da mancha salgada............................66

4.10 Caractersticas geomtricas, cinemticas e dinmicas do mtodo de Gibson...............68

4.11(a)Molinete Hidromtrico preso haste.............................................. ..............................71

4.11(b) Diferentes tipos de conta-giros....................................................................... ..........71

4.11(c) Lastro (formato de um peixe)......................................................... ..............................71

4.11(d) Molinete preso a cabo com lastro............................................................................. ....71

4.12 Corte Esquemtico de um Molinete................................................ ..............................71

4.13 Tipos de Molinetes para escoamento axial e oblquo...................................................72

4.14 Vertedores Retangulares...............................................................................................75

4.15 Dimenses de um vertedor: s=altura da crista; h=altura da carga................................75

4.16(a) Medidor de vazo ultrassnico no intrusivo Catlogo Panametrics........................78

4.16(b) Medidor de vazo ultrassnico intrusivo.- Catlogo Ultraflux....................................78

4.17 Caractersticas dos Medidores de Vazo Ultrassnicos por tempo de trnsito.............79

4.18 Localizao das tomadas de presso para o mtodo de Winter-Kennedy

em turbinas com caixa espiral metlica.........................................................................80

4.19 Localizao das tomadas de presso para o mtodo de Winter-Kennedyem turbinas com caixa espiral em concreto..................................... ..............................80

4.20 Viabilidade tcnica e econmica dos mtodos de medio de vazo...........................83

4.21 Transmissor de nvel hidrosttico para leitura de profundidade ou nveis de

Reservatrios Catlogo Hytronic................................................. ..............................86

4.22 Transdutores de Presso Catlogo Hytronic................................ ..............................87

4.23 Tomada de presso........................................................................................................88

4.24(a)Tomadas de presso ligadas a manmetro por meio de tubos separados.....................884.24(b)Tomadas de presso ligadas a manmetro atravs de um coletor anelar......................88


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4.25 Medida da potncia nos terminais do gerador pelo mtodo dos trs wattmetros........90

4.26 Medida de potncia nos terminais do gerador pelo mtodo dos dois wattmetros........91

4.27 Localizao das tomadas de presso em turbinas axiais...............................................9 5

CAPTULO 5

5.1 Desenho de Implantao da Turbina Estudo de Caso 1.............................................99

5.2 Desenho de implantao da turbina Estudo de Caso 2............................................107

ANEXO III

III.1 Diferenciao entre exatido e preciso......................................... .............................132


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LISTA DE TABELAS

CAPTULO 2

2.1 - Classificao das PCHs quanto potncia e quanto queda de projeto........................11

CAPTULO 4

4.1 Modelo de Folha de Registro dos Resultados................................. ..............................60

4.2 Nmero de pontos de medida.................................................................................... ....75

4.3 Limites das Dimenses do Vertedor............................................... ..............................75

4.4 Quadro comparativo dos mtodos de medio de vazo..............................................8 2

CAPTULO 55.1 Garantias para queda lquida nominal de 44,70m.........................................................99

5.2 Dimenses de projeto do Estudo de Caso 1 PCH Alto Jauru..................................100

5.3 Valores registrados para a Mquina 1...................................... ...............102

5.4 Valores registrados para a Mquina 2.............................................102

5.5 Valores calculados para a Mquina 1..........................................................................10 3

5.6 Valores calculados para a Mquina 2............................................. .............................103

5.7 Valores corrigidos para Hn = 44,70 [m] Mquina 1................................................1045.8 Valores corrigidos para Hn = 44,70 [m] Mquina 2................................................104

5.9 Garantias de Potncia e Rendimento para a queda lquida nominal de 87,79 m........106

5.10 Dimenses de projeto da PCH Cote............................................ ................................107

5.11 Mdia dos valores registrados durante o ensaio..........................................................108

5.12 Valores Calculados.............................................................................................. .......109

5.13 Valores Calculados corrigidos....................................................... .............................109

ANEXO I

I.1 Valores registrados para o ponto de 100% da carga do Grupo Gerador 1..................120

ANEXO III

III.1 Valor do Fator de Abrangncia (kp) que produz um intervalo de confiana kp.S(xi)

tendo uma probabilidade de confiana p, assumido uma distribuio normal para as medidas

xi..............................................................................................................................................139


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III.2 Expresso do Resultado de Medio quanto a natureza da grandeza e o nmero de

medidas.............................................................................................................. .....................139

III.3 Fator de Student (tp) a partir da distribuio t de Student para graus de liberdade

que define um intervalo tp ().u que abrange uma probabilidade de confiana p da

distribuio das medidas xi.....................................................................................................140


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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

Caracteres alfabticos

a Posio do instrumento de medida [m]a1 Cota do ponto 1 de entrada da turbina at o centro do manmetro [m]

A rea da seo transversal do conduto forado [m2]

A1 rea de entrada da Caixa Espiral [m2]

A2 rea de Sada do Tubo de Suco [m2]

b Largura da crista do vertedor [m]

C Constante obtida de Winter-Kennedy

C1 Concentrao da substncia qumica na soluo injetada [mg/l]C2 Concentrao da substncia qumica na mistura resultante [mg/l]

Co Concentrao da substncia qumica na gua natural [mg/l]

g Acelerao da gravidade [m/s2]

h Altura da carga do vertedor [m]

hb Altura baromtrica [m]

hp Altura de presso ou altura piezomtrica ou carga piezomtrica [m]

hs Altura geomtrica de suco [m]hv Altura dinmica ou carga devido velocidade [m]

ht Altura total ou carga total [m]

H Altura de queda lquida [m]

Hb Altura de queda bruta [m]

Hd Altura de queda de projeto [m]

Ht Altura efetiva ou altura de queda til [m]

Hn Altura de queda lquida nominal ou de referncia [m]

H1 Carga esttica [m.c.a]

Hr Altura de queda garantida [m]

L Distncia das tomadas de presso no conduto forado mtodo de Gibson [m]

n Rotao nominal da turbina [rpm]

nr Rotao garantida ou especificada da turbina [rpm]

n0 Velocidade de rotao em vazio ou sem carga [rpm]

nR Velocidade de rotao em disparo [rpm]

n1 Velocidade de rotao inicial [rpm]

nmx Sobre-rotao ou sobrevelocidade mxima instantnea [rpm]


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ns Nmero especfico de rotaes relativo a potncia [rpm]

nq Nmero especfico de rotaes relativo a vazo [rpm]

nqA Rotao especfica adimensional

pg Presso manomtrica [Pa]

p1 Presso na entrada da turbina [Pa]

p2 Presso na sada da turbina [Pa]

Ph Potncia absorvida pela turbina ou potncia hidrulica [kW]

Pe Potncia fornecida pela turbina ou potncia efetiva ou potncia de eixo [kW]

Pel Potncia eltrica ativa do gerador [kW]

Pr Potncia garantida nominal [kW]

P0 Presso esttica sem rotao [Pa]

Pmx Presso instantnea mxima [Pa]

Pm Perda no mancal de escora [kW]

P.R. Plano de referncia

q vazo da soluo qumica injetada [m3/s];

Q Vazo da turbina [m3/s];

Qr Vazo garantida [m3/s];

QOL Vazo do leo do mancal [m3/s];

QA Vazo de projeto ou aproveitamento [m3/s]

Qo Vazo em vazio [m3/s]

Qr Vazo garantida nominal [m3/s]

s Altura da crista do vertedor [m]

S(q) Desvio-padro experimental

T Temperatura da gua [C]

TR Tempo de reflexo [s]

u Incerteza Expandida

)(qu Desvio-padro experimental da mdia ou incerteza padro associada mdia

)(yuc Incerteza Padro Combinada

ffeu Grau de liberdade efetivo

v Velocidade mdia [m/s]

z Altura potencial, carga de posio ou carga geodsica [m]

zm Nvel dgua [m]

zw1 Nvel de gua de montante com relao ao plano de referncia [m]

zw2 Nvel de gua de jusante com relao ao plano de referncia [m]


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zw Distncia entre o nvel de referncia e o nvel operacional da turbina [m]

h1 Nvel do medidor de presso na entrada da turbina com relao ao nvel de

referncia [m]

h2 Nvel do medidor de presso na sada da turbina com relao ao nvel de

referncia [m]

(zp)max Variao de presso mxima [Pa]

xn Variao de velocidade de rotao permanente [rpm]

(yn)max Variao da velocidade de rotao mxima instantnea [rpm]

Z Altitude [m]

Caracteres gregost Rendimento da turbina [%]

r Rendimento garantido da turbina [%]

tw Rendimento mdio ponderado da turbina [kW]

G Rendimento do gerador [%]

Massa especfica da gua [kg/m3]

s Massa especfica da soluo salina [kg/m3]

Peso especfico da gua [N/m3]

Grau de liberdade para medidas diretas

P Diferena de presso entre os pontos de Winter-Kennedy [m.c.a.]

R Dimetro do rotor da turbina [m]

ce Dimetro de entrada da caixa espiral [m]

cf Dimetro do conduto forado [m]

Latitude []

TTC Variao de temperatura no trocador de calor [C]


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Captulo1

INTRODUO

1.1 Consideraes Preliminares

Os ensaios para a determinao do desempenho de turbinas hidrulicas podem

ser realizados no laboratrio de ensaio do fabricante ou no campo. Para a realizao

destes ensaios so consideradas duas hipteses:Primeira hiptese: as turbinas so de pequena capacidade, compatveis com os

recursos de que dispe o laboratrio de ensaio. evidente que neste caso as turbinas

podem ser ensaiadas diretamente.

Segunda hiptese: a capacidade e, portanto, as dimenses da turbina no

permitem que esta possa ser ensaiada no laboratrio. Recorre-se aos ensaios com o

modelo reduzido da turbina no laboratrio, alm do ensaio de recepo da prpria

turbina aps sua instalao na usina.

No caso de PCHs, a escolha de uma ou outra alternativa depende da tecnologia

de que dispe o fabricante da turbina, por exemplo, se possui ou no laboratrio de

ensaio e do custo envolvido na comprovao destas garantias.

Em PCHs comum a eliminao do ensaio de modelo das turbinas hidrulicas

devido ao alto custo envolvido, o que aumenta a importncia dos ensaios de campo ou

de recepo dos grupos, fazendo com que estes sejam realizados de uma maneira muito

mais criteriosa.

1.2 Justificativa e relevncia

A motivao para a realizao deste trabalho surgiu da constatao da carncia

de trabalhos sobre o tema voltado para o segmento de pequenas centrais hidreltricas,

considerando as dificuldades e viabilidade econmica dos ensaios.

A crescente competitividade entre as empresas fornecedoras de equipamentos

para PCHs aliada alta exigncia de seus clientes tem feito com que estas empresas


21/158

Captulo 1 Introduo 2

busquem uma maior eficincia em seus equipamentos, apresentando com isto um

diferencial.

Dentro deste contexto, muito tem sido estudado com relao determinao do

rendimento de grupos geradores, sendo o maior desafio relativo medio da vazo. As

razes para preocupaes com esta grandeza esto relacionadas aos problemas de

calibragem, instalao e manuteno do equipamento de medio. Observa-se que

existem muitos trabalhos de pesquisa sobre o assunto, bem como uma grande

quantidade de metodologias para medio desta grandeza. Observa-se, ainda, que

muitos destes mtodos esto caindo em desuso e que existe uma carncia de trabalhos

que discutam a implementao de novos mtodos de medio da vazo.

Uma outra razo igualmente importante, que justifica a preocupao com a

correta determinao do rendimento das turbinas so as incertezas relativas a estas

medies, j que uma variao de 1% no rendimento pode representar, em certos casos,

um valor considervel de faturamento.

Alm de que as Pequenas Centrais Hidreltricas, aqui designadas pela sigla PCH

tm despertado interesse devido ao PROINFA Programa de Incentivo as Fontes

Alternativas de Energia institudo pela Lei n 10.438, de 26 de abril de 2002 e

revisado pela Lei n 10.762, de 11 de novembro de 2003, que tem como objetivo a

diversificao da matriz energtica brasileira e a busca por solues de cunho regional

com a utilizao de fontes renovveis de energia, mediante o aproveitamento econmico

dos insumos disponveis e das tecnologias aplicveis.

O PROINFA promover a implantao de 3.300 MW de capacidade, em que a

ELETROBRS contratar a compra de energia de 1.100MW de cada uma das trs

fontes: usinas elicas, de biomassa e pequenas centrais hidreltricas.

1.3 Definio do problema de pesquisa

Os testes de desempenho dos equipamentos ofertados so um conjunto de testes

realizados no campo ou na fbrica, aplicados com o objetivo de se comprovar o

cumprimento de garantias estabelecidas contratualmente. Estes testes so realizados em

uma unidade geradora, seja durante o perodo de comissionamento, seja posteriormente,

e permitem tambm a definio das faixas operativas e das restries operacionais, onde

aplicvel.


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Para a turbina, no caso de uma PCH, onde a realizao do ensaio de laboratrio

impraticvel e um ensaio de modelo reduzido economicamente invivel, os ensaios de

campo devem ser realizados de uma maneira mais criteriosa.

Neste contexto, pretende-se, com o desenvolvimento deste trabalho, responder a

seguinte questo: Quais os procedimentos a serem seguidos para que os ensaios de

recepo possam ser realizados com um custo compatvel com o investimento feito?

1.4 Objetivos

Os objetivos do presente trabalho so:

1. Estudo das diversas metodologias de ensaio em turbinas hidrulicas de

PCH;

2. Estudar meios para que em casos especficos de PCH, sem prejuzo da

qualidade, os ensaios de campo possam ser executados de modo que as

garantias contratuais sejam comprovadas com custos compatveis com o

investimento feito.

3. Estudo comparativo dos diversos mtodos de medio da vazo mais

comumente empregados em PCH;

1.5 Metodologia e Estrutura da Dissertao

O trabalho aqui apresentado foi desenvolvido baseado na metodologia

apresentada abaixo:

Inicialmente foi realizada uma reviso bibliogrfica sobre o assunto e

posterior pesquisa e estudo comparativo das normas que regem os

ensaios de turbinas hidrulicas; Em seguida, baseado nas normas estudadas, foi apresentado um

procedimento de ensaio de campo em turbinas hidrulicas juntamente

com o equacionamento e incerteza das grandezas a serem obtidas: vazo,

altura de queda lquida, presso, potncia e rendimento;

Complementando o trabalho, foram apresentados dois estudos de casos e

finalmente, foram feitas as concluses finais e recomendaes para

futuros trabalhos.


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De acordo com a metodologia exposta acima, este trabalho foi estruturado em

seis captulos, distribudos da seguinte forma:

Captulo 1:

O primeiro captulo apresenta a justificativa e relevncia do crescente

interesse pelo tema, alm de apresentar a definio do problema de pesquisa, a

metodologia utilizada, os objetivos da dissertao e a sua organizao.

Captulo 2:

Osegundo captulo apresenta as principais abordagens e definies sobre

o tema Pequena Central Hidreltrica, alm de explorar os principais tipos de

turbinas aplicveis para este empreendimento.

Captulo 3:

O terceiro captulo apresenta as normas brasileiras e internacionais que

regem os ensaios realizados em turbinas hidrulicas bem como suas principais

particularidades.

Captulo 4:

No quarto captulo apresentado o procedimento geral de ensaio de

campo em turbinas, independente da norma utilizada, apresentando tambm

os principais mtodos de medio das grandezas e sua incerteza.

Captulo 5:

No quinto captulo so apresentados dois estudos de casos referentes a

ensaios de campo realizados em PCHs.

No estudo de caso 1, os ensaios foram concludos em quatro dias, sendo a

norma escolhida para a sua realizao a CEI/IEC 60041 (1991) e o mtodo de

medio de vazo utilizado foi o Mtodo de Gibson.

No estudo de caso 2 foi realizado oIndex Test. Tal teste foi desenvolvidoconforme acordado entre cliente e fornecedor da turbina, sendo a vazo medida

pelo mtodo de Winter-Kennedy.

Captulo 6:

No sexto captulo so apresentadas as concluses a respeito dos

resultados das pesquisas realizadas, bem como suas limitaes e recomendaes

para futuros trabalhos.


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Captulo2

A CARACTERIZAO DAS PEQUENAS CENTRAIS HIDRELTRICAS NOBRASIL

2.1 Consideraes Preliminares

Neste captulo sero abordadas as principais definies e caractersticas referentes a

Pequenas Centrais Hidreltricas, seus principais componentes e os principais parmetros

utilizados na sua avaliao.

2.2 Definio de Pequena Central Hidreltrica PCHNo existe uma classificao para as Pequenas Centrais Hidreltricas aceita

internacionalmente.

No Brasil, a ANEEL Agncia Nacional de Energia Eltrica - atravs da

Resoluo 394, de 04 de dezembro de 1998, definiu como centrais hidreltricas com

caractersticas de PCH, os empreendimentos hidreltricos com potncia superior a 1.000

kW e igual ou inferior a 30.000 kW e com rea total do reservatrio igual ou inferior a 03

km2

, sendo esta rea delimitada pela cota dgua associada vazo de cheia com tempo derecorrncia de 100 anos.

Com o intuito de explicitar os critrios e procedimentos a serem aplicados nos

casos em que a rea do reservatrio for superior a 3,0 km2, a ANEEL, em 09 de dezembro

de 2003, atravs da Resoluo nmero 652, estabeleceu que o aproveitamento hidreltrico

que no atender a condio para a rea do reservatrio informada, respeitados os limites de

potncia (1.000 kW < P 30.000 kW) e modalidade de explorao (produo

independente, autoproduo ou produo independente autnoma), ser considerado comcaractersticas de PCH, caso se verifique pelo menos uma das seguintes condies:

Atendimento a inequao:

bH

14,3xPA (2.1)

Sendo:

P = potncia eltrica instalada em [MW];


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Captulo 2 A Caracterizao das Pequenas Centrais Hidreltricas no Brasil 6

A = rea do reservatrio em [km2], definida como sendo a rea da planta

montante do barramento, delimitada pelo nvel dgua mximo normal de montante;

Hb = queda bruta em [m], definida pela diferena entre os nveis dgua mximo

normal de montante e normal de jusante, sendo que o nvel dgua normal de jusante da

casa de fora aquele determinado para a vazo correspondente ao somatrio dos

engolimentos mximos de todas as turbinas, sem considerar a influncia da vazo vertida.

Ficando estabelecido adicionalmente que a rea do reservatrio no poder ser

superior a 13,0 km2.

Reservatrio cujo dimensionamento, comprovadamente, foi baseado em outros

objetivos que no o de gerao de energia eltrica.

Na verificao da condio acima, a ANEEL articular com a Agncia Nacional deguas ANA, os Comits de Bacia Hidrogrfica, os Estados e o Distrito Federal,

conforme for o caso, de acordo com a respectiva competncia, quanto aos objetivos para

definir as dimenses do reservatrio destinado ao uso mltiplo.

Conforme exposto por Souza (2005), a resoluo acima teve como principais

conseqncias praticamente a eliminao das micro e minis centrais hidreltricas sob

aspectos legais gerais, de financiamento governamental, desistimulando os geradores, os

usurios e os fabricantes brasileiros de equipamentos mecnicos, hidromecnicos eeltricos at a potncia de 1.000 [kW] e, para as PCHs, houve a necessidade de inventrio

e projeto bsico, executados e aprovados dentro de princpios pr-estabelecidos e

necessidade de projeto ambiental detalhado para obteno da licena para implantao.

2.3 Principais Vantagens das PCHs

De acordo com o Guia do Empreendedor de Pequenas Centrais Hidreltricas,

elaborado pela ANEEL (2003), os empreendimentos hidreltricos denominados PCH,

apresentam vrias vantagens e benefcios para o empreendedor, dentre eles, destacam-se:

- Autorizao no-onerosa para explorar o potencial hidrulico, de acordo com a

Lei 9.074 de 07 de julho de 1995 e Lei 9.427 de 26 de dezembro de 1996;

- Descontos no inferiores a 50% nos encargos de uso dos sistemas de

transmisso e distribuio, de acordo com a Lei 10.438 de 26 de abril de 2002;

Resoluo ANEEL 281 de 01 de outubro de 1999 e Resoluo ANEEL 219 de

23 de abril de 2003;


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- Livre comercializao de energia com consumidores ou conjunto de

consumidores reunidos por comunho de interesses de fato ou de direito cuja

carga seja igual ou superior a 500 kW, de acordo com a Lei 9.648 de 27 de

maio de 1998 e Lei 10.438 de 26 de abril de 2002;

- Livre comercializao de energia com consumidores ou conjunto de

consumidores reunidos por comunho de interesses de fato ou de direito,

situados em sistema eltrico isolado, cuja carga seja igual ou superior a 50 kW,

de acordo com a Lei 10.438 de 26 de abril de 2002;

- Iseno relativa compensao financeira pela utilizao de recursos hdricos,

de acordo com a Lei 7.990 de 28 de dezembro de 1989 e Lei 9.427 de 26 de

dezembro de 1996;

- Participao no rateio da conta de consumo de combustvel CCC, quando

substituir gerao trmica a leo diesel, nos sistemas isolados, de acordo com a

Lei 10.438 de 26 de abril de 2002;

- Iseno de aplicao, anualmente, de no mnimo 1% da receita operacional

lquida em pesquisa e desenvolvimento do setor eltrico P&D, de acordo com

a Lei 9.991 de 24 de julho de 2000;

- Comercializao das energias geradas pelas PCHs com concessionrias de

servio pblico tendo como teto tarifrio o valor normativo estabelecido

conforme a Resoluo ANEEL 169 de 03 de maio de 2001;

- MRE Mecanismo de Realocao de Energia para centrais hidreltricas

conectadas ao sistema interligado e no despachadas centralizadamente pelo

ONS, de acordo com o Decreto 2.655 de 02 de janeiro de 2000 e Resoluo

ANEEL 169 de 03 de maio de 2001;

- PROINFA Programa de incentivo s fontes alternativas de energia eltrica

institudo com objetivo de aumentar a participao da energia eltrica produzidapor empreendimentos de produtores independentes autnomos, concebidos com

base em PCH, fontes elicas e biomassa, mediante procedimentos estabelecidos

nas Leis 10.438 de 26 de abril de 2002 e 10.762 de 11 de novembro de 2003 e

Decreto 4.541 de 23 de dezembro de 2002.

Porm, conforme exposto por Souza (1999), apesar das vantagens citadas acima, as

PCHs s tornam-se empreendimentos economicamente atrativos quando algumas

providncias so tomadas, no sentido de minimizar os seus custos de investimento,operao e manuteno, entre os quais destacam-se:


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- Minimizao dos custos de projetos, realizando um projeto geral para

implantao que permita um contrato em regime de empreitada integral por

preo global fechado, ou seja, regime Turn Key Job ou, caso o contratante

disponha de equipe competente para acompanhamento e fiscalizao, contratos

parcelados tambm em regime de empreitada integral por preo fechado os

quais estaro inseridos dentro de um rgido cronograma fase/tempo;

- No projeto geral de implantao, maximizar o uso de solues de engenharia

que j tenham sido utilizadas com sucesso;

- Maximizar o uso de materiais e equipamentos padronizados e de fabricao em

srie;

- Maximizar o uso de obras de desvio como permanente e vice-versa;

- Procurar um arranjo para os componentes da PCH de modo a maximizar o uso

do j existente no que se refere a vias de acesso, meios de comunicao,

estruturas e disponibilidades dos vilarejos e/ou cidades da regio,

particularmente com relao a material e mo de obra.

- Eliminar os ensaios em modelos, substituindo-os, quando indispensveis, por

ensaios em campo.

- Alto nvel de automatizao para a etapa de operao, de modo a reduzir a

valores compatveis com a gerao os custos fixos de mo de obra e os

variveis de manuteno.

2.4 Classificao das Pequenas Centrais Hidreltricas PCHs

No Brasil, a ELETROBRS Centrais Eltricas Brasileiras S/A - editou um

manual intitulado Diretrizes para Estudos e Projetos de Pequenas Centrais Hidreltricas

(1999), que classifica as PCHs, de acordo com os seguintes critrios:

- Centrais quanto capacidade de regularizao;

- Centrais quanto ao sistema de aduo;

- Centrais quanto potncia instalada e a queda de projeto.

2.4.1 Centrais quanto capacidade de regularizao

Os tipos de PCH, quanto capacidade de regularizao do reservatrio so:

- A Fio dgua;

- De Acumulao, com Regularizao Diria do Reservatrio;- De Acumulao, com Regularizao Mensal do Reservatrio.


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PCH a Fio dgua

Esses tipos de PCHs no dispem de bacia de acumulao de relevncia e utilizam

a vazo proporcionada imediatamente pelo rio, nesse caso, despreza-se o volume do

reservatrio criado pela barragem. O sistema de aduo dever ser projetado para conduzir

a descarga necessria para fornecer a potncia que atenda demanda mxima. O

aproveitamento energtico local ser parcial e o vertedouro funcionar na quase totalidade

do tempo, extravasando o excesso de gua.

Esse tipo de PCH apresenta, dentre outras, as seguintes simplificaes:

- dispensa estudos de regularizao de vazes;

- dispensa estudos de sazonalidade da carga eltrica do consumidor; e

- facilita os estudos e a concepo da tomada dgua.No projeto:

- no havendo flutuaes significativas do nvel de gua do reservatrio, no

necessrio que a tomada dgua seja projetada para atender a deplees do nvel de gua;

- do mesmo modo, quando a aduo primria projetada atravs de canal aberto, a

profundidade do mesmo dever ser a menor possvel, pois no haver a necessidade de

atender s deplees;

- pelo mesmo motivo, no caso de haver necessidade de instalao de chamin deequilbrio, a sua altura ser mnima, pois o valor da depleo do reservatrio que entra no

clculo dessa altura, desprezvel;

- as barragens sero normalmente baixas, pois tm a funo apenas de desviar a

gua para o circuito de aduo;

- como as reas inundadas so pequenas, os valores despendidos com indenizaes

sero reduzidos.

PCH de Acumulao com Regularizao Diria do Reservatrio

As usinas de acumulao so as que possuem bacia de acumulao de grande

capacidade, portanto, permitem operao com regularidade durante todo o transcurso do

ano.

Esse tipo de PCH empregado quando as vazes de estiagem do rio so inferiores

necessria para fornecer a potncia suficiente para suprir a demanda mxima do mercado


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consumidor e ocorrem com risco superior ao adotado no projeto, nesse caso, o reservatrio

fornecer o adicional necessrio de vazo regularizada.

PCH de Acumulao com Regularizao Mensal do Reservatrio

Este tipo de PCH considera dados de vazes mdias mensais no seu

dimensionamento energtico, analisando as vazes de estiagem mdias mensais,

pressupondo-se uma regularizao mensal das vazes mdias dirias, promovida pelo

reservatrio.

2.4.2 Centrais quanto ao sistema de aduo

Quanto ao sistema de aduo, so considerados dois tipos de PCH:

- Aduo em baixa presso com escoamento livre em canal / alta presso em

conduto forado;

- Aduo em baixa presso por meio de tubulao / alta presso em conduto

forado.

A escolha de um ou outro tipo depender das condies topogrficas e geolgicas

que apresente o local do aproveitamento, bem como de estudo econmico comparativo.Para sistema de aduo longo, quando a inclinao da encosta e as condies de

fundao forem favorveis construo de um canal, este tipo, em princpio, dever ser a

soluo mais econmica.

Para sistema de aduo curto, a opo por tubulao nica para os trechos de baixa

e alta presso, deve ser estudada.

2.4.3 Centrais quanto potncia instalada e quanto queda de projeto

As PCHs podem ser ainda classificadas quanto potncia instalada e quanto

queda de projeto, como mostrado na Tabela 2.1, considerando-se os dois parmetros

conjuntamente, uma vez que um ou outro isoladamente no permite uma classificao

adequada.


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Tabela 2.1 - Classificao das PCHs quanto potncia e quanto queda de projeto

CLASSIFICAO POTNCIA P QUEDA DE PROJETO - Hd (m)

DAS CENTRAIS (kW) BAIXA MDIA ALTA

MICRO P < 100 Hd < 15 15 < Hd < 50 Hd > 50

MINI 100 < P < 1.000 Hd < 20 20 < Hd < 100 Hd > 100

PEQUENAS 1.000 < P < 30.000 Hd < 25 25 < Hd < 130 Hd > 130

Fonte: ELETROBRS - Diretrizes para Estudos e Projetos de PCH

Para as centrais com alta e mdia queda, onde existe um desnvel natural elevado, a

casa de fora fica situada, normalmente, afastada da estrutura do barramento.

Conseqentemente, a concepo do circuito hidrulico de aduo envolve, rotineiramente,

canal ou conduto de baixa presso com extenso longa.

Para as centrais de baixa queda, todavia, a casa de fora fica, normalmente, junto da

barragem, sendo a aduo feita atravs de uma tomada dgua incorporada ao barramento.

2.5 Arranjos Convencionais de Aproveitamentos Hidreltricos

Como indicao resumida sobre os arranjos convencionais de aproveitamentos

hidreltricos, cabe fazer a seguinte classificao (Macintyre, 1983): Central Hidreltrica de Derivao;

Central Hidreltrica de Desvio

Central Hidreltrica de Represamento;

2.5.1 Central Hidreltrica de Derivao

Desvia-se a gua do rio e por uma tubulao ou tnel conduz-se a mesma at um

reservatrio ou um poo denominado chamin de equilbrio, do qual partem as

tubulaes at as turbinas, de onde a gua segue at um outro rio. Em alguns casos, aps a

chamin de equilbrio, existe uma casa de vlvulas, para isolar as tubulaes de presso

(conduto forado) quando necessrio, ou realizar a interconexo de sistemas de aduo

diversos.

Este tipo de instalao apresenta dois trechos de tubulaes separadas pela chamin

de equilbrio: o trecho de baixa presso, que vai da captao ou tomada dgua at a

chamin de equilbrio e o trecho de alta presso que liga a chamin de equilbrio turbina.


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A separao da tubulao em dois trechos impede que a onda de sobrepresso na

gua, provocada pela variao de vazo da turbina, que constitui a essncia do golpe de

arete, se propague ao longo do trecho at a tomada dgua. Desta maneira, pode-se ter

tubulao com menor espessura de chapa (ou outro material) no trecho mencionado, cujo

dimetro por vezes consideravelmente maior que o trecho de alta-presso. Isso resulta em

considervel economia na instalao.

A Figura 2.1 abaixo apresenta um corte esquemtico de uma Central Hidreltrica de

Derivao, mostrando seus principais componentes:

Figura 2.1 Corte esquemtico de uma Central Hidreltrica de Derivao

Fonte: Bortoni, E.C., Souza,Z; Santos, A. H. M.; Centrais Hidreltricas Estudos para

Implantao,1999.

2.5.2 Central Hidreltrica de Desvio

Constri-se uma barragem que permite a gua ser conduzida a um canal aberto, um

tnel ou uma tubulao que neste caso se liga a uma chamin de equilbrio.

Desse ponto, ou de uma tomada dgua, a gua conduzida s turbinas por

tubulaes foradas ou tneis forados. A nica ressalva que, nas usinas de desvio, o rio

jusante, onde a gua devolvida aps passar pelas turbinas, o mesmo da captao,


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enquanto que nas de derivao o rio outro. A Figura 2.2 apresenta um esquema de uma

Central Hidreltrica de Desvio.

o arranjo tpico das pequenas centrais e das centrais de altas quedas.

De acordo com Macintyre (1983), pode-se distinguir quatro casos tpicos de usinas

de desvio:

- Usinas com instalaes de turbinas em poo aberto. Parte da gua de um rio

desviada para um canal de acesso a cu aberto at o poo de uma instalao

aberta de turbina Francis, hlice ou Kaplan. A gua, aps passar pela turbina,

vai pelo tubo de suco a um poo de escapamento, seguindo depois pelo canal

de fuga at o rio, o qual alcanado j em cota mais baixa.

- De uma barragem, a gua conduzida em canal aberto a uma tomada dgua e,

da, em tubulao forada at a turbina, e em seguida ao mesmo rio, que se

desenvolveu at chegar quela cota mais baixa.

- Da barragem, a gua segue em tnel at a tomada e, da, at a turbina em

tubulao forada, tal como no caso anterior.

- Da barragem a gua desce em um tnel na rocha at a turbina, colocada em

caverna tambm na rocha, seguindo, aps passar pela turbina, por outro tnel

at o rio, j em nvel baixo.

Figura 2.2 Esquema de uma Central Hidreltrica de Desvio


Implantao,1999.


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2.5.3 Central Hidreltrica de Represamento

Este um arranjo tpico de centrais de baixa queda.

A Figura 2.3 mostra um corte esquemtico de uma Central de Represamento,

mostrando seus principais componentes.

Conforme exposto por Souza, Santos e Bortoni (1999), no que refere-se aos

componentes, o arranjo Central de Desvio e Central de Derivao em relao ao arranjo da

Central de Represamento acrescenta o sistema de baixa presso que, junto ao sistema de

alta presso, poder gerar transientes hidrulicos a serem criteriosamente considerados

desde o incio dos estudos para a implantao da Central Hidreltrica, a fim de que seu

projeto e construo sejam executados de modo que a operao possa ser feita com alto

grau de confiabilidade.

Os sistemas de baixa presso podem ser compostos de tomada dgua, conduto de

baixa presso e chamin de equilbrio, como mostra a Figura 2.1, ou de tomada dgua,

canal e cmara de carga com extravasor lateral, como mostra a Figura 2.4.

Figura 2.3 - Corte esquemtico de uma Central de Represamento


Implantao,1999.


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Figura 2.4 Corte esquemtico de uma Central de Desvio


Implantao,1999.

2.6 Componentes Bsicos das Pequenas Centrais Hidreltricas

Considerando as pequenas centrais hidreltricas esquematizadas acima, destacam-

se os seguintes componentes (Souza, 1992):

A barragem o elemento de uma central responsvel em elevar e manter o nvel a

montante da casa de mquinas. Ela geralmente composta por: vertedouros, comportas de

fundo e desarenadora, vlvulas, bacia de dissipao de energia e outros elementos para

operao, controle, segurana e manuteno.

A tomada dgua, que o elemento de transio entre a captao e a aduo da

gua composta por: grades, comportas, stop logs, desarenador, limpa grades,

orientadores de fluxo, podendo conter vertedouros para cheias e outros elementos deoperao, segurana e manuteno.

O sistema de baixa presso, que pode ser composto por canal, tnel, tubulao de

baixa presso ou uma combinao destes elementos. No canal incluem-se outros

componentes, tais como: bueiros, eventuais suportes, grades e vertedouros. Nas tubulaes

h o tubo de aerao, as portas de inspeo, as juntas de dilatao, os blocos de apoio e de

ancoragem e as vlvulas.

A cmara de carga, que o elemento de transio para o conduto de alta presso,quando o sistema de baixa presso composto por canal. Normalmente ela composta


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por: grades, comportas, stop logs, limpa grades, orientadores de fluxo, vertedouro

lateral, elementos de operao, controle, segurana e manuteno.

A chamin de equilbrio utilizada como elemento de transio com o conduto de

alta presso, quando o sistema de baixa presso composto por uma tubulao ou um

tnel. Assim como a cmara de carga, este componente tem como funo atenuar as sobre

presses resultantes de provveis transitrios hidrulicos.

Os condutos forados ou tubulao de alta presso que, com suas juntas de

dilatao e apoiados em blocos de apoio e de ancoragem, conduzem a gua at s turbinas;

A casa de mquinas ou casa de fora que composta pelos grupos geradores e

acessrios, quadros de comando e proteo, pra-raios, sistema de comunicao, talhas,

ponte rolante, sistemas de ventilao e/ou ar condicionado, salas para escritrio, baterias,

almoxarifado e outros, eventual oficina mecnica e eltrica.

O canal de fuga que restitui a gua turbinada ao leito natural do rio.

A subestao elevadora e seus elementos, tais como: transformadores, disjuntores,

chaves, fusveis e outros.

2.7 Turbinas Hidrulicas Aplicveis

De acordo com a norma ABNT NBR 6445 (1987), as turbinas hidrulicas so

elementos responsveis pela transformao da energia hidrulica (potencial), em energia

cintica de movimento do rotor e, consequentemente, em energia mecnica de rotao do

eixo. Elas so fabricadas em vrios modelos e especificaes. Ocorre que, para cada

condio hidrulica e topogrfica da instalao existe uma mquina mais eficiente que as

outras. A Figura 2.5 apresenta esta condio, onde o tipo de turbina at a potncia mxima

de 15 MW selecionado a partir de valores de altura de queda e vazo.O que se faz especificar a turbina que melhor se adapte s condies do local

onde se deseja instalar a central, atravs de sua rotao especfica, como mostrado na

Figura 2.6.


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Figura 2.5: Escolha da turbina em funo das condies hidrulicas e topogrficas.

Fonte: Catlogo VA TECH Hydro Brasil Ltda

Figura 2.6 Turbinas Hidrulicas Rotao Especfica

Fonte: Viana, A. N. C.; Mquinas de Fluxo Apostila, EFEI, 2000


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Conforme exposto na Norma ABNT NBR 6445/1987, dentre os vrios tipos de

turbinas hidrulicas fabricadas no Brasil, tem-se:

Turbina Francis: uma turbomquina classificada como de reao, na qual o

fluxo dgua penetra radialmente no distribuidor e no rotor, que o elemento rotativo da

turbina hidrulica, onde se transforma a energia hidrulica em trabalho mecnico.

So turbinas rigorosamente centrpetas, e permitem o uso de um tubo, proposto em

1843 por Jonval, para conduzir a gua, aps sair do rotor, at um poo, tubo este que, pela

semelhana com os tubos de aspirao das bombas, recebeu o nome de tubo de suco ou

de aspirao. Esse tubo constitui parte essencial de toda turbina centrpeta e tem como

funo manter a continuidade da massa lquida em escoamento, desde a sada do rotor at o

nvel da gua do canal de fuga. Consegue-se desde modo um aumento da queda hidrulica

e, pela transformao da energia cintica que possui a gua ao sair do rotor em energia de

presso, um aumento na potncia da turbina.

A Figura 2.7 (a) e 2.7 (b) apresentam arranjos de grupos geradores de PCHs com

turbinas do tipo Francis.

a mquina de maior uso em locais que apresenta quedas e vazes mdias. Tm

um alto rendimento. Este rendimento to mais alto quanto maior for a potncia e o

acabamento da turbina. Podem ser instaladas, dependendo da altura de queda, em caixa

espiral cilndrica ou em caixa aberta. O rotor dependendo da rotao especfica assumida

pode ser classificado como do tipo lento, normal ou rpido, conforme pode ser verificado

na Figura 2.6.

Figura 2.7 (a) Grupo Gerador da PCH Alto Jauru, MT

Figura 2.7 (b) Desenho esquemtico de um grupo gerador com volante de inrcia

M1

(V)

G

M2

(T)

Fonte: VA TECH Hydro Brasil Ltda

ba


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Como exposto anteriormente, em funo dos arranjos dos seus componentes, as

turbinas Francis podem receber diferentes denominaes, a saber:

Turbina Francis caixa aberta: a turbina instalada num poo ou caixa dgua,

ao qual vem ter gua conduzida em um canal de aduo, havendo geralmente uma

comporta ou adufa destinada a pr a seco a turbina quando se pretender repar-la ou

revis-la.

A Figura 2.8 mostra uma modalidade de instalao aberta. Este tipo de instalao

conveniente apenas para potncias e quedas pequenas e sua construo tem menor custo, se

comparada com uma turbina Francis com caixa espiral, entretanto o rendimento

apresentado no muito alto.

Figura 2.8 Turbina Francis Caixa Aberta Grupo Gerador da MCH Boa Vista, RS

Fonte: Catlogo BEE Indstria e Comrcio de Equipamentos Ltda.

Turbina Francis caixa espiral cilndrica: nas turbinas fechadas usual o

emprego de caixa em forma de caracol, tambm chamada de caixa espiral, para conduo

da gua trazida pelo conduto forado at o distribuidor. A caixa projetada de tal forma

que garanta descargas parciais iguais em todos os canais formados pelas ps do

distribuidor. Para isso, sua seo gradativamente decrescente no sentido do escoamento.

Entre a caixa espiral e o distribuidor so dispostas ps fixas que orientam os filetes em

direo entrada do distribuidor e constituem o chamado pr-distribuidor. A Figura 2.7

apresenta um grupo gerador com turbina Francis com caixa espiral cilndrica.


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Turbina Francis Gmea: uma turbina de reao, na qual o fluxo dgua penetra

radialmente em dois distribuidores, com rotores simples e independentes, e sai axialmente

em sentidos opostos convergentes, por um nico tubo de suco com vazes iguais soma

das vazes admitidas em cada um dos rotores. A Figura 2.9 abaixo mostra um corte

esquemtico de uma turbina Francis Gmea.

Figura 2.9 Turbina Francis Gmea

Fonte: Norma ABNT 6445, 1987

Turbina Francis Dupla: uma turbina de reao, na qual o fluxo dgua penetra

radialmente no distribuidor e no rotor duplo, no qual as ps so fixas, e sai axialmente em

sentidos opostos divergentes e com vazes iguais, conforme pode ser observado na Figura2.10.

A Figura 2.11 (a) mostra a casa de fora da PCH Alto Fmeas, com turbinas do tipo

Francis de dupla suco e a Figura 2.11 (b) apresenta uma concepo da linha de eixo de

um grupo gerador com turbina do tipo Francis dupla suco.

Figura 2.10 Rotor de dupla suco de uma turbina do tipo Francis

Fonte: Viana, A. N. C.; Mquinas de Fluxo Apostila, EFEI, 2000


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Figura 2.11 (a) Grupo gerador da PCH Alto Fmeas, BAFigura 2.11 (b) Corte esquemtico de grupo gerador com turbina de dupla suco.

M3

(V)

M2

G

(T)

M1

Fonte: Catlogo VATECH Hydro Brasil Ltda

Turbina Pelton: uma turbina classificada como tangencial, que aquela em que

o fluxo passa pelo rotor da mquina de forma tangente ao raio do mesmo; de ao, que so

mquinas em que a energia mecnica obtida pela transformao da energia cintica onde

o fluxo dgua incide sob a forma de jato sobre o rotor, possuindo ps em forma de duas

conchas. A direo dos jatos paralelamente em relao ao plano do rotor.

Como toda turbina hidrulica, a Pelton possui um distribuidor e um rotor. Odistribuidor um bocal, de forma apropriada a guiar a gua proporcionando um jato

cilndrico sobre a p do rotor, o que conseguido por meio de uma agulha chamada de

agulha de regularizao.

O rotor consta de um certo nmero de ps com forma de concha especial, dispostas

na periferia de um disco que gira, preso a um eixo.

Seu uso mais adequado para locais onde h altas quedas e pequenas vazes, ou

seja, condies de rotaes especficas baixas. Apresentam bons rendimentos em locaisonde existam grandes variaes de carga.

O seu rendimento compara-se ao de uma turbina Francis, com rotor lento. Em

funo da vazo, ela pode ter um ou mais injetores, sendo dois, o nmero mximo para

pequenas potncias e seis para grandes potncias.

A Figura 2.12 mostra uma instalao com turbinas do tipo Pelton.

a b


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Figura 2.12 Instalao com turbina do tipo Pelton


Turbina Michell Banki: esta turbina tambm conhecida como turbina de fluxo

transversal ou fluxo cruzado, uma turbina classificada como tangencial e de ao, na qual

o fluxo atravessa o rotor cilndrico, que semelhante a uma gaiola de esquilo,

transversalmente, com duas passagens pelas ps.

Esta uma mquina no convencional, largamente utilizada em pequenas

potncias. indicada para regies de pequenos recursos tcnicos, pois apresenta simples

construo, podendo ser projetada e fabricada com tecnologia simples em oficinas pouco

sofisticadas, como mostrada na Figura 2.13.

Figura 2.13 Turbinas Michel Banki

Fonte: Souza, Z., PCH - Tecnologia Meio Ambiente Conferncia de PCH,

Mercado&Meio Ambiente, 2005

NJ

ROTOR

EIXO

INJETOR

P DIRETRIZ

MECANISMO DE

PEA DE

REGULAGEM

TRANSIO

CARCAA

Q


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Turbina Hlice ou Propeller: uma turbina classificada como de reao, na qual o

fluxo dgua tem direo radial no distribuidor, aproximadamente axial na entrada do

rotor, no qual as ps tm passo fixo ou ajustvel quando a mquina encontra-se fora de

funcionamento.

Estas turbinas nasceram da necessidade de obteno de turbinas com velocidades

considerveis em baixas quedas e grandes vazes, o que no vivel com as turbinas

Francis. O rotor assumiu a forma de uma hlice de propulso, conforme pode ser

observado na Figura 2.14, o que explica o nome dado a essas turbinas. O distribuidor

mantm o aspecto que tem nas turbinas Francis, mas a distncia entre as ps do distribuidor

e as do rotor bem maior do que a que se verifica para as turbinas Francis de alta

velocidade especfica. utilizada em centrais que trabalham com carga de ponta, sem

grandes variaes de carga.

Figura 2.14 Rotor de uma turbina Hlice


Turbina Kaplan: uma turbina classificada como de reao, na qual o fluxo

dgua tem direo radial no distribuidor, aproximadamente axial na entrada do rotor,

analogamente turbina hlice, porm, as ps tm passo regulvel, podendo ser ajustada empleno funcionamento. O mecanismo que permite variar o ngulo de inclinao das ps

conforme a vazo, sem variao aprecivel do rendimento, fica alojado numa pea com

formato de ogiva e seu comando realizado pelo regulador automtico de velocidade.

Esta mquina exige alta tecnologia para a sua fabricao. indicada para baixas

quedas e grandes vazes.


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Figura 2.15 (a) - Descida do rotor de uma das turbinas da UHE Candonga, MG

Figura 2.15 (b) - Rotor de uma turbina Kaplan

Fonte: Catlogo VA Tech Hydro.

A utilizao de desnveis hidrulicos reduzidos pode no ser vivel nem mesmo

com turbinas Kaplan de eixo vertical. Procuraram, ento, os fabricantes solues com

instalaes da turbina hlice ou Kaplan com eixo horizontal ou com pequena inclinao, de

modo a poderem ser aproveitados desnveis pequenos como ocorre em certas modalidades

de usinas a fio dgua e em usinas mar-motrizes. Os tipos de turbina que so

empregados nestes empreendimentos so:

Turbina Tubular: uma turbina de reao, do tipo Hlice ou Kaplan na qual o

fluxo dgua penetra axialmente no distribuidor e no rotor, onde o gerador est localizado

externamente ao fio dgua, como mostrado nas Figuras 2.16 e 2.17.

Nestas turbinas o rotor fica colocado num tubo que une tomada dgua ao tubo de

suco, no havendo caracol nem bulbo. O eixo pode ser horizontal ou inclinado. Existem

trs modalidades para estas instalaes:a) o rotor possuindo ps fixas (Propeller) e o distribuidor ps diretrizes orientveis;

b) o rotor com ps orientveis e o distribuidor com ps fixas;

c) o rotor e o distribuidor, ambos com ps orientveis. So os mais perfeitos e

permitem o funcionamento reversvel da unidade, isto , como bomba e como

turbina (Macintyre, 1983).

a

(b)


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Figura 2.16 Turbina Tubular com o gerador instalado a montante da turbina

(T)

M1M3

(G)

M4

(V)

MU / M2


Figura 2.17 Turbina Tubular com o gerador instalado a jusante da turbina

M3 M4M1

M2

(T)

(G)

(V)


Turbina Bulbo: uma turbina de reao, na qual o fluxo dgua penetra

axialmente no distribuidor e no rotor, estando o gerador eltrico contido em uma caixa com

o formato de pra ou de um bulbo, o que d o nome turbina, diretamente imerso no fluxo.

A Figura 2.18 (a) mostra a descida do cubo do rotor de uma turbina do tipo Bulbo e a

Figura 2.18 (b) apresenta um corte esquemtico de um grupo gerador com.turbina do tipo

Bulbo.

A turbina bulbo dispensa a caixa em caracol e o trecho vertical do tubo de suco.

O espao ocupado em planta , portanto, menor que o das turbinas Kaplan. Para um

mesmo dimetro do rotor, a turbina bulbo absorve uma vazo maior que a Kaplan,

resultando da maior potncia a plena carga. As turbinas bulbo por poderem funcionar

como turbinas ou como bombas tem sido empregadas em usinas mar-motrizes.


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Figura 2.18 (a) Descida do cubo do rotor. Fase de montagem de uma das turbinas Bulbo

da UHE Igarapava, MG.

Figura 2.18 (b) Corte esquemtico de um grupo gerador com turbinas Bulbo.


Turbina axial com instalao do gerador em um poo: o gerador colocado

num compartimento cujas paredes podem ser de chapas de ao ou de concreto. A gua,

para chegar turbina, circunda o poo onde fica o gerador.

O eixo do gerador pode estar no prolongamento do eixo da turbina ou formarngulo reto com o mesmo, ficando nesse caso o gerador num poo ou compartimento

localizado acima do nvel da turbina.

Existem tambm turbinas tipo bulbo nas quais o gerador eltrico encontra-se

externo e posicionado em ngulo, conhecidas como bulbo angular ou bulbo Pit.

A utilizao de turbinas tipo Bulbo em poo (ou pit) bem adaptada para os

aproveitamentos com quedas muito baixas, at aproximadamente 10 m. A implantao

compacta reduz o custo das obras civis e do gerador com utilizao de multiplicador develocidade.A Figura 2.19 mostra uma instalao com turbina do tipo Bulbo em poo.

(a)b


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Figura 2.19 Instalao com turbina do tipo Bulbo em poo (ou Pit)

Fonte: Macintyre, J. M., Mquinas Motrizes Hidrulicas, 1983;

M


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2.8 Parmetros Utilizados na Avaliao de Centrais Hidreltricas

Utilizando-se alguns dos conceitos existentes nas normas ABNT NBR 10280

(1988) e ABNT NBR 6445 (1987), foram selecionadas algumas definies relevantespara a determinao dos parmetros bsicos das condies operacionais das centrais

hidreltricas, so elas:

Vazo da turbina (Q): Volume de gua utilizado pela turbina na unidade de

tempo, inclusive vazamento nas vedaes, tampas e tubulaes de equilbrio, mas

excluindo a gua utilizada para o funcionamento de mquinas auxiliares, bem como para o

arrefecimento dos mancais, em [m/s].

Vazo garantida (nominal) (Qr): Vazo da turbina correspondente aos valoresgarantidos de altura de queda, potncia e rotao, em [m/s].

Vazo em vazio (Qo): Vazo da turbina em vazio, com rotao nominal e altura de

queda garantida, em [m/s].

Vazo de projeto ou aproveitamento (QA): Mxima vazo nominal que pode

passar pelo conjunto de unidades geradoras, em [m/s].

Velocidade mdia (v): Valor da vazo dividido pela rea da seo transversal, em

[m/s]. Esta relao pode ser expressa como mostra a equao abaixo:

A

Qv = (2.2)

Onde:

4

DA

2

= (2.3)

Onde, A a rea da seo transversal da tubulao em [m] e D o dimetro

interno da tubulao em [m], em caso de sees circulares;

Presso manomtrica (pg): Indicao do manmetro em qualquer ponto do

sistema, em [Pa];

Presso na entrada da turbina (p1): Presso manomtrica no ponto de medio na

entrada, com correo da diferena de altura entre o manmetro e aquele ponto, em [Pa];

Presso na sada da turbina (p2): Presso manomtrica no ponto de medio na

sada, com correo da diferena de altura entre o manmetro e aquele ponto, em [Pa];

Massa especfica da gua (): Massa por unidade de volume dgua utilizada pela

turbina, em [kg/m].


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Peso especfico da gua (): Peso por unidade de volume dgua utilizada pela

turbina em [N/m]. Na equao abaixo observa-se esta relao:

g= (2.4)

Onde, a massa especfica da gua em [kg/m3] e g a acelerao da gravidade

local em [m/s].

Altura de presso (hp): Altura da coluna dgua equivalente presso esttica em

qualquer ponto da instalao em [m].

Altura dinmica (hv): Altura da coluna dgua equivalente ao quadrado da

velocidade mdia, dividido pelo dobro da acelerao da gravidade, em [m]. Na equao

abaixo apresentada esta relao:

g2

vh

2

v

= (2.5)

Altura potencial(z): Altura de um ponto de medio em relao ao nvel do mar ou

outra cota de referncia.

Altura total (ht): Soma das alturas potencial, de presso e dinmica numa

determinada seo, em [m].

A equao abaixo utilizada para o clculo desta grandeza:

vPthhzh ++= (2.6)

Altura de queda lquida (H): Queda disponvel para atuar na turbina,

correspondente diferena das alturas totais entre as sees de entrada e sada da turbina,

em [m].

Altura de queda lquida garantida ou nominal ou de referncia (Hn): Altura de

queda lquida para a qual a turbina foi encomendada ou construda, em [m].

Altura de queda bruta (Hb): A diferena de cotas entre os limites dos nveis de

montante (na captao) e de jusante (canal de fuga) quando a vazo igual a zero, isto ,

com a turbina fora de operao, em [m].

Altura geomtrica de suco (hS): Diferena de cotas entre o rotor da turbina em

relao ao nvel de jusante, em [m];

Altura baromtrica (hb): Altura da coluna no local dgua correspondente

presso atmosfrica e temperatura no local, em [m];

Nvel dgua (zm): Altura do nvel dgua em relao ao nvel mdio do mar ou

outra cota de referncia, em [m];


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Nvel de gua de montante (zw1): Altura do nvel da gua em relao ao nvel

mdio do mar ou outro nvel de referncia, a montante do grupo gerador, em [m].

Nvel de gua de jusante (zw2): Altura do nvel da gua em relao ao nvel mdio

do mar ou outro nvel de referncia, a jusante do grupo gerador, em [m].

Posio do medidor de presso na entrada da turbina (h1): Nvel do medidor de

presso na entrada da turbina com relao ao nvel de referncia, em [m];

Posio do medidor de presso na sada da turbina (h2): Nvel do medidor de

presso na sada da turbina com relao ao nvel de referncia, em [m].

Posio do instrumento de medida (a1): Diferena de altura entre o nvel de

referncia de calibrao do instrumento e a posio do ponto de medio, em [m].

Potncia absorvida pela turbina ou potncia hidrulica (Ph): Potncia

equivalente a vazo Q em [m/s] da turbina sob a queda lquida H em [m], sendo a

potncia hidrulica em [kW].

3h 10..g.Q.HP

= (2.7)

Potncia fornecida pela turbina ou potncia efetiva ou potncia de eixo (Pe):

Potncia mecnica transmitida pelo eixo da turbina, em [kW].

Ela determinada pela soma:

a) da potncia medida nos terminais do gerador eltrico;

b) das perdas mecnicas e eltricas do gerador;

c) no caso de mancal de escora comum: perdas proporcionais aos pesos devidos ao

gerador e turbina;

d) perdas na engrenagem de transmisso e no volante;

e) perdas devidas absoro de potncia por equipamentos auxiliares acoplados

diretamente;

f) se for utilizado freio em vez de a e b, a potncia ser determinada atravs do

freio.

Potncia garantida (nominal) (Pr): Potncia efetiva da turbina sob a altura de

queda lquida nominal Hn em [m], e rotao nominal n em [rpm], para as quais a turbina

foi encomendada ou construda, em [kW].

Rendimento da turbina (t): o quociente percentual entre a potncia de eixo e a

potncia hidrulica ou absorvida pela turbina, em [%];

Rendimento mdio ponderado da turbina (tw): Rendimento mdio ponderado

calculado aritmeticamente a partir dos valores isolados: 1, 2, 3, etc, correspondentes aos


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( )

b

omx.mx.p H.

Pp100.)(z

= (2.11)

Cavitao: Bolhas de vapor que se formam quando o nvel de presso local cai a

um valor prximo daquele da presso de vapor e que implodem quando o nvel da presso

local se eleva acima daquele da presso de vapor;

Eroso por cavitao: Perda de material produzida pela cavitao;

Nmero especfico de rotaes: Conforme exposto por Souza (1991), existem dois

tipos de rotao especfica, uma relativa a potncia, nS, e outra relativa a vazo, nq.

A primeira definida como sendo a rotao de uma mquina semelhante original

que, sob a queda de 1 [m] fornece uma potncia de eixo de 1 [kW], expressa na equao

abaixo.

1,25r

0,5e

rSH

Pnn = (2.12)

A segunda definida como sendo a rotao de um grupo ou famlias de turbinas

hidrulicas homlogas; igual rotao da turbina, em [rpm], quando opera sob uma queda

de 1 [m] e atravessada por uma vazo de 1 [m/s], expressa na equao abaixo. Alm das

turbinas hidrulicas esta definio muito usada para identificar as geometrias usadas em

bombas hidrulicas, ventiladores e turbocompressores.

0,75r

0,5r

rq H

Qnn = (2.13)

Existe ainda a rotao especfica adimensional que tende a ser usada

universalmente para identificar qualquer tipo de geometria, qualquer que seja o fluido de

trabalho, mostrada na equao abaixo:

0,75

0,5r

r3

qAY

Qn10n = (2.14)

Onde:

.gHY r= (2.15)

As relaes existentes entre os tipos de definies de rotao especfica para

turbinas hidrulicas so mostradas nas equaes abaixo:

q5,0

tS n13,3n = (2.16)

qAtS n0329,0n = (2.17)

qqA n3n = (2.18)


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Alerta-se que as frmulas para as rotaes especficas so aplicveis a um rotor

simples. Caso o rotor seja duplo, utiliza-se 2e

P e/ou 2Q . Para rotores em srie utiliza-

se iH ou iY , onde i o nmero de rotores em srie.

2.9 Consideraes Finais

A tecnologia e a prtica aconselham formatos apropriados de turbinas hidrulicas

para cada conjunto de condies que definem a instalao. A escolha feita pelo critrio

rotao especfica.

Tem-se constatado que as solues apresentadas por fabricantes diferentes para um

mesmo caso resultam em diferenas surpreendentes no formato dos componentes, sem que

os rendimentos sofram sensveis variaes. Isso se observa quando, para uma mesma usina

hidreltrica, dois ou mais fabricantes fornecem, para as mesmas condies, turbinas

projetadas segundo o know-how prprio de cada um.

Os fabricantes, reunindo os dados coletados, organizam grficos e tabelas que

permitem a escolha do tipo de turbina que melhor se adapte ao valor da rotao especfica

e fornecem, igualmente, as principais dimenses da turbina unidade ou da turbina padro,

a partir das quais o projeto se desenvolve.

Teoricamente no impossvel construir turbinas de um tipo qualquer para todas as

velocidades especficas, porm a prtica do projeto e os resultados obtidos com as turbinas

instaladas tm mostrado que cada um dos tipos examinados s pode ser empregado com

bom rendimento para valores de rotao especfica compreendidos entre determinados

estudos procedimentos ensaios campo turbinas hidraulicas pch

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