Turbinas Hidráulicas - Resumo
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1. TURBINAS HIDRÁULICAS
Os sistemas fluidodinâmicos são largamente utilizados pela
sociedade em distintos setores, que abrangem desde grandes
usinas hidrelétricas, capazes de produzir milhares de Megawatts, à
simples instalações de bombeamento rurais, para extração de água
de poços.
Entende-se por sistemas fluidodinâmicos, todos os
mecanismos que têm como finalidade adicionar ou remover energia
de um fluido de trabalho.
As Turbinas Hidráulicas encaixam-se no grupo dos sistemas
fluidodinâmico e são subclassificadas como Máquinas Hidráulicas
Motrizes, o que significa que elas utilizam a energia mecânica de
um fluido (geralmente a energia potencial da água) para produzir
trabalho de eixo. Geralmente utiliza-se água de um reservatório
elevado; a água é então canalizada através de dutos fechados para
os bocais, hélices (ou paletas) e injetores; os rotores são
impulsionados pela energia desta água e a turbina entra em
movimento, podendo então, desde que acoplada a um gerador,
produzir energia elétrica. Depois de movimentar as turbinas, a água
retorna para um reservatório inferior para posteriormente ser
redirecionada ao reservatório de entrada.
As condições de passagem da água através do rotor
classificam as turbinas como sendo de ação (impulsão) ou de
reação.
Turbinas de Ação: nesse tipo, os canais do rotor
servem apenas para direcionar o fluxo através deste,
não havendo alterações na pressão do fluido. É o caso
das turbinas Pelton.
Turbinas de Reação: nesse tipo, os canais constituídos
pelas pás móveis do rotor têm forma de injetores, o que
faz a pressão do fluido ser reduzida na passagem pelo
rotor. As turbinas Kaplan e Francis são exemplos.
Os três principais tipos de turbinas hidráulicas existentes
foram citados como exemplo anteriormente. Segue uma descrição
sucinta de cada uma delas, com o formato, características e
elementos construtivos.
1.1. Turbina Pelton
É uma turbina de ação. Apresenta algumas variações quanto
a capacidade e número de jatos. Os principais componentes são:
Distribuidor: é um bocal de vazão controlável. Sua
função é acelerar a água que vêm do reservatório, e
direcioná-la a um conjunto de conchas montadas no
entorno do rotor. A aceleração ocorre pela
transformação da energia de pressão em cinética.
Rotor: é um mecanismo formado por um determinado
número de pás em forma de conchas que são montadas
na extremidade de um disco que gira preso ao eixo.
Defletor de Jato: é um componente que atua como um
controlador de vazão; á medida que a demanda de
energia cai, ele atua desviando o fluxo da concha, assim
a rotação da turbina pode ser controlada e a potência é
reduzida. Tal sistema é importante porque, se ao invés
disso a agulha do bocal se fechasse repentinamente,
haveria uma sobre pressão no mesmo e uma
sobrecarga em toda a tubulação anterior.
Bocal de Frenagem: é um bocal que emite um jato sobre a parte traseira da concha, contrário ao movimento. É utilizado para frear a turbina rapidamente.
1.2. Turbina Francis
Turbina de reação, radial-axial (dependendo do tipo). Foi
criada por James Francis a partir do aprimoramento da máquina de
escoamento centrípeta de Samuel Dowd. Apresenta diferentes
capacidades e formas de instalação. Os componentes são:
Caixa: espécie de compartimento que abriga a turbina.
A caixa, que recebe a água do reservatório, geralmente
tem forma espiral ou de voluta. Também pode ser um
compartimento aberto ou poço. A escolha é em função
da altura da queda d’água.
Distribuidor: mecanismo responsável pelo envio da
água para o rotor. O distribuidor é dotado de pás
reguláveis que permitem alterar o ângulo de entrada do
fluido de acordo com a demanda de potência.
Rotor: mecanismo rotativo de formato característico.
Tubo de Sucção: responsável por conduzir o fluido que
já atravessou o rotor para um poço ou canal de fuga.
1.3. Turbina Kaplan
Turbina axial semelhante a um propulsor de navio;
desenvolvida por Victor Kaplan. O sistema é muito semelhante ao
modelo Francis em termos de componentes, porém o rotor é
formado por pás ajustáveis de acordo com a potência requerida e a
geometria da caixa também é diferente.
2. FORÇAS E VELOCIDADES EM TURBINAS HIDRÁULICAS
A análise da trajetória das partículas no interior do fluido ajuda
a caracterizar as transferências e transformações de energia que
ocorrem no interior dos equipamentos.
Apesar dos escoamentos no interior das turbinas serem em
geral transitórios e tridimensionais, é possível avaliá-los em função
do triângulo de velocidades.
O triângulo de velocidades é obtido levando-se em conta a
velocidade da pá do rotor analisada (U⃗=ωr ¿ e a velocidade relativa
do rotor (baseado em um observador movendo-se solidariamente à
pá). A soma vetorial dessas duas velocidades é a velocidade
absoluta (identificada por um observador parado, fora do sistema).
Ao se observar as velocidades absolutas na entrada e saída
das pás, observam-se direções distintas, o que permite a
compreensão de como o fluido foi direcionado pelo sistema e as
mudanças que ocorreram. É possível observar que, na saída,
diferentes componentes direcionais de velocidade aparecem, o que
demonstra o surgimento de forças direcionais, aplicadas devido
ao formato e movimento das pás. Uma análise das mudanças
direcionais evidencia se o fluido exerceu trabalho sobre a pá ou o
contrário, caracterizando o mecanismo como bomba ou turbina.
Sendo assim, escoamentos tangenciais como no caso de
turbinas Pelton provocam esforços tangenciais; no caso da turbina
Kaplan, cujo fluxo é axial, surgem esforços axiais de arrasto e na
Francis, onde a trajetória pode ser radial-axial, surgem esforços
centrífugos e de arrasto.
3. ASPECTOS AMBIENTAIS
Devido a grande demanda de energia, são necessárias
diferentes alternativas de geração. Como exemplo, pode-se citar as
usinas termoelétricas, sistemas de geração a partir da energia solar,
eólica e, sobretudo a geração a partir das hidrelétricas, onde as
turbinas hidráulicas são empregadas.
Certamente, a energia hidrelétrica pode ser considerada
limpa, uma vez que não se utiliza da queima de combustíveis
fósseis, por exemplo, e não compromete a água utilizada. Mesmo
assim, ela apresenta um grande impacto ambiental, pois provocam
emissões consideráveis de metano, gás carbônico e óxido nitroso,
gases que contribuem para o efeito estufa. Além do mais, demanda
o represamento de rios, alagamento de grandes áreas e construção
de barragens para melhor aproveitar o potencial hidráulico, ações
que podem causar prejuízos ao ecossistema, uma vez que alteram
o habitat natural dos animais, modificam a vida nos rios e podem
também alterar o modo de vida das populações que vivem à beira
dos rios.
Países que possuem uma boa rede hidrográfica e um relevo
acidentado são os maiores usuários dessa tecnologia considerada
limpa, pois não queima nenhum combustível fóssil (carvão ou
petróleo) ou nuclear (urânio) na obtenção de eletricidade.
Fatores como custo de construção, operação, tempo efetivo
de geração de energia e, mais recentemente com um peso ainda
maior, o impacto ambiental, têm de ser considerados anteriormente
à construção.