queda motriz

8/15/2019 Queda Motriz

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ROTORES DE TURBINAS HIDRÁULICASVelocidade específica – Eq. turbomáquinasQueda motriz

Prof. Jair Nascimento Filho


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Turbinas hidráulicas Princípio de “ação” ou de “reação”

Altas quedas (acima de 300 m)

Médias quedas (entre 50 e 300 m)

Baixas quedas (menor que 50 m)

A escolha do tipo de turbina depende da vazão “Q”, da altura“H”, da potencia da unidade “P” e da velocidade de rotação”n”.

Introdução


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Turbina Pelton

* turbina Pelton⇒ 100 m ≤ H ≤ 500 m

500 ≤ P ≤ 12.500 kW.turbina de ação

* ótimas características de desempenho sob cargas parciais ⇒ sem

cavitação até 20% da carga nominal,* arranjo com eixo horizontal, com um ou dois jatos.


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Tipos de turbinas hidráulicasTurbina de grande queda

Instalação típica de turbina Pelton. Máquina com dois bicos injetores.

)H(QP ↑=


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Turbinas Kaplan


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Tipos de turbinas hidráulicasUsina de baixa queda

Hidrelétrica de Volta Grande. H= 27,5m, Q=430m3/s, N=140000cv e n=85,7rpm.

)H)(Q(P ↓↑=

Existem outros tipos de turbinas, adequadas para casos intermediários,

definidos em função da proporção entre Q e H.


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Campo de aplicaçãoTipo de tipo de turbinaturbina

1 jato -18 800

1 jato 18 - 25 800 - 4001 jato 26 - 35 400 - 100

Pelton 2 jatos 26 - 35 800 - 4002 jatos 36 - 50 400 - 100

4 jatos 40 - 50 400 - 100

4 jatos 51 - 71 500 - 200

6 jatos 72-90 400 - 100

muito lenta 55 - 70 600 - 200

lenta 71 - 120 200 - 100

Francis normal 121 - 200 100 - 70rápida (Deriaz) 201 - 300 75 - 25

extra rápida 301 -450 25 - 15

8 pás 250 - 320 70 - 50

7 pás 321 - 430 50 - 40

Kaplan 6 pás 431 - 530 40 - 305 pás 530 - 620 30 - 20

4 pás 620 - -30

ns (RPM) H (m)

Campo de aplicação de turbinas hidráulicas


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Tipos de turbinas hidráulicas –velocidade específica

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

1000

100

10

1

45

2

1

*

H

N nns =

N – Potencia em cv;

H – altura de queda (m);

n – velocidade de rotação

ns – velocidade específica (RPM).

7

Q N

η =

Q- vazão m3/sη-rendimento %γ-peso específico kgf/m3


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Queda disponível

Queda disponível ou queda líquida H:

Q

P H

γ =

P potencia hídrica, kgf.m/sQ vazão, m3/sγ peso específico, kgf/m3H queda disponível, m

g 2

V J H H

2

a g −−=Hg queda topográfia ou queda bruta, m

J perda de carga, mVa velocidade da água no canal de fuga, m/s


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Pares de polos 4 8 12 16 20 28 36 40 44 60

rotação por minutos (n) 900,00 450,00 300,00 225,00 180,00 128,57 100,00 90,00 81,82 60,00

Rotações por minuto do alternador emfunção do número de pares de pólos

P

f n

*60=

Onde:

P – número de pares de polos;

n - numero de rotações por minutos (RPM);

f – freqüência em Hz


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Tipos de turbinas hidráulicas –velocidade específica

Hidrelétrica de Volta Grande

rpm51045,27

1400007,85

H

Nnn

4 / 54 / 5s ≈==

p

f 60n =

p

60x607,85 = p=42 pares de polos


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Tipos de turbinas hidráulicas-P & DPesquisa e Desenvolvimento

Uma instalação com turbina Francis geometricamente semelhante à

turbina da central hidrelétrica de Nova Ponte foi construída dentro de um

projeto de P & D com a CEMIG (Centrais Energéticas de Minas Gerais).

Central hidrelétrica de Nova Ponte


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A potencia instalada da hidrelétrica de Nova Ponte: 510MW

3 turbinas 170MW (cerca de 231000cv)

H=100mQ=199m3/s

N=163,63rpm.rpm248

100

2310003,163

H

Nnn

4 / 54 / 5s ≈==

Modelo da turbina

N=5cv

H=13m

Q=0,033m3/s

N=2741rpm

rpm63,1632260x60

pf 60n ===

rpm24813

52741H

Nnn4 / 54 / 5s ≈==


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Modelo geometricamente semelhante ao da turbina de Nova Ponte. Observa-se

a voluta e o sistema de comando das pás diretrizes do distribuidor Fink.

Velocidade específica 248rpm, turbina Francis rápida.


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Bancada de ensaios de turbina Francis.


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Introdução

Rendim ento X P otênc ia - UHE ERVÁLIA -19-09 -20 01

70

72

74

76

78

80

82

84

86

88

90

0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 4 0 0 0 4 5 0 0 5 0 0 0 5 5 0 0 6 0 0 0 6 5 0 0

Po tê n cia e m k W

R e n d i m

e n t

o e m

%


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Turbina Pelton: N=125W, H=30m, Q=1,32m3/h e n=1800rpm. Condições nominais.

rpm1030

1663,01800

H

Nnn

4 / 54 / 5s ≈==

Velocidade específica baixa, típica de pequena vazão em proporção com a queda.


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Bancada de ensaios de turbina Pelton. Colaboração com a CFLCL

(Companhia Força e Luz Cataguases Leopoldina).

Modelo de turbina Pelton de dois bicos injetores e bancada projetados e

construídos no CPH.


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Rendimento x potencia útil obtida em ensaio.

3: indica curva com um bico injetor.

2: indica início de utilização de dois bicos. Maior vazão e potencia.


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Máquina unidade é máquina referência.


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Equação das turbomáquinas

g2

WW

g2

UU

g2

VVH

21

22

22

21

22

21

m−

+−

+−

=

gVUgVUH2u21u1m −=

máxη

gVUH1u1m =


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Forma de rotores de turbinas Francis, de acordo com suas velocidades específicas. FONTE:Macintyre,1983


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1 I

2 I

1e

2e

e

me mi H H =

g U

g U e 1u e 1i 1u i 1 =

U 1VU1

V1

W1 Vm1

b1

U 2

V2W2

b2

β varia de β1 a β2 aolongo do perfil da pá.

n)d( i1 ↓π

β↑V

t i1m


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1 I

2 I

1e

2e

e

memi HH =

g

V U

g

V U eueiui 1111 =

60

n)d()U( i1i1

↓π=↓

60

n)d()U( e1e1

↑π=↑

g

)V(U

g

)V(U e1ue1i1ui1 ↓=↑

↑−=β↓

)VU(

Vtg

e1ue1

e1me1

↓−=β↑

)VU(tg

i1ui1

i1mi1 β varia ao longo do

bordo de ataque.


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1 I

2 I

1e

2e

e

60

)(

)( 2

2

nd

U i

i

↓

=↓

π

↓=β↑

)U(

Vtg

i2

i2mi2

60

n)d()U( e2e2

↑π=↑

↑=β↓

)U(

Vtg

e2

e2me2

β das pás varia ao longodo bordo de saída.


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Filete líquido interno “i” .

Filete líquido exteno “e”.

Considera-se velocidade meridiana

constante

Os pontos 1 e 2 referem-se à entrada e

saída do rotor respectivamente.

Condição de projeto queda motriz

constante.

Verificar a geometria em dupla curvatura da

pá do rotor.


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g

VUH 1u1m =

memi HH =

cteHm = memi VV =Considera-se

máxη


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g

VUH 1u1m =

cteHm =

g

VU

g

VU e1ue1i1ui1 =

e1i1 DD =

60

DnU

π=

e1i1 UU =

e1ui1u VV =

i1i1umi1

UV

Vtg −=γ

e1i1u

me1

UVVtg−

=γ e1i1 γ =

i1ui1

m

i1 VU

V

tg −=β e1ue1m

e1 VU

V

tg −=β e1i1 β=β


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i2

mi2

U

Vtg =β

e2

me2

U

Vtg =β

i2e2 UU >i2e2 β


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cteHm =

g2g2g2Hm ++=

g

VU

g

VUH 2u21u1m −=

máxη

g

VUH 1u1m =

g2

WW

g2

VVH

21

22

22

21

m−

+−

=

Turbinas axiais


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Turbinas axiais


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Turbinas axiais


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Turbinas axiais


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Referências:

Schreiber, Gerhard Paul, Usinas Hidrelétricas. São Paulo,Edgar Blucher; Rio de Janeiro, ENGEVIX, 1977.

Macintyre, A. J. , Máquinas Motrizes Hidráulicas, Rio deJaneiro, Guanabara Dois, 1983.

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