Turbinas hidráulicas

Feito por: Francisco Calçada & João Gomes - Integração e Intensificação de Processos - Mestrado Integrado em Engenharia Química, Departamento de Engenharia Química da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, 2018/2019

O que são?

Turbinas hidráulicas são dispositivos que geram energia elétrica através da energia produzida pelo movimento da água. Estas turbinas contam com 6.7% de toda a energia produzida no mundo e são responsáveis por grande parte da produção de energia renovável. Tal é apresentado na Tabela 1, onde constam as diversas fontes de energia renovável, realçando-se a percentagem que diz respeito à energia produzida pelas turbinas.[1]

Tabela 1- Energias Renováveis mundiais.

Este tipo de equipamentos não é recente, remetendo a sua origem à antiguidade romana (séc. III ou IV dC), tendo sido construídos com a intenção de acionar os moinhos utilizados na época, adotando o título de “rodas-d’água”. Posteriormente, adaptou-se a sua utilização para acionar diretamente máquinas nas fábricas até que passaram a ser utilizadas praticamente apenas para acionar geradores elétrico.

Constituição e Princípios de Funcionamento

Faz-se circular a água presente num tanque situado a um nível mais elevado (com maior energia) para um mais baixo (de menor energia) passando por um conjunto de lâminas curvas, bocais ou injetores que transformam esta energia proveniente da água em movimento de um rotor, removendo energia e velocidade à água. Estas lâminas podem estar estáticas ou fixas no rotor, sendo ambas ajustáveis de forma a que se possa controlar o fluxo e potência gerada, de acordo com a velocidade de rotação. Por seu lado, o rotor é suportado axialmente por mancais de escora e contra-escora e radialmente por mancais de guia.

A tubagem normalmente apresenta um diâmetro final superior ao inicial, de forma a promover a saída da água com uma menor velocidade [2].

Para compreender melhor o funcionamento de uma turbina, pode considerar-se uma turbina do tipo Francis, ilustrada neste vídeo:

Turbina Francis.

Tipos de Turbinas

A seleção da turbina hidráulica depende do princípio de conservação de energia, da velocidade específica da máquina e da quantidade de água que possa ser utilizada para gerar energia.

Assim, podem ser divididas em dois grandes grupos: as turbinas de ação (impulso) e as turbinas de reação. As turbinas denominam-se de ação quando durante o escoamento, não ocorrem variações de pressão e, de reação, quando estas variações ocorrem, podendo a água apresentar à saída uma pressão igual, maior ou menor que a atmosférica. De acordo com estas classificações, é possível distinguir diferentes tipos de turbinas, apresentadas na Tabela 2. [3]

Tabela 2 - Tipos de turbinas.

Para além dos modelos de turbinas apresentados na Tabela 1, também existem turbinas designadas de Michel-Banki-Ossberger e Turgo que são turbinas do tipo ação. Os modelos de turbinas mais conhecidos, mencionados na Tabela 1, são o Kaplan, Francis e Pelton.

Figura 1 – Exemplo de uma Turbina Kaplan Vertical

Turbina Pelton

A turbina Pelton é uma turbina de impulso tangencial, sendo constituída por uma roda e um ou mais injetores, que têm a função de produzir energia cinética a partir da energia do escoamento de água. A água entra com uma velocidade muito alta pelos injetores nas pás do rotor, gerando, assim, impulso. É projetado para operar em altas quedas (200 metros até 1100 metros) e baixos volumes de água. [4]

Figura 2 – Exemplo de uma turbina de Francis

Turbina Kaplan

As turbinas do tipo hélice de pás reguláveis, como as turbinas de Kaplan, são projetadas para operar com baixa pressão de água e elevados caudais. O ângulo de inclinação das pás é controlado por pistões hidráulicos, normalmente em conjunto com as palhetas de distribuição. Devido à possível variação do ângulo, este tipo de turbinas opera eficientemente com variação provisória no nível da água da barragem. [5]

Figura 3 – Exemplo de uma turbina de Francis

Turbina Francis

As turbinas Francis são constituídas por uma parede lateral formada por palhetas curvas, possuindo um rotor em forma de cilindro. Têm, na sua estrutura, um pré-distribuidor e um distribuidor: o primeiro é constituído por pás fixas e responsável por dar um ângulo de entrada para a água, aumentando então o rendimento e, o segundo, é um conjunto de pás móveis que controla a quantidade de água a entrar no rotor, fazendo variar a potência gerada.

Este tipo de turbina é usado com mais frequência, uma vez que, devido às suas caraterísticas, podem ser usadas em centrais hidroelétricas de médio ou grande porte. A sua principal característica prende-se com o facto de a água mudar de direção à medida que passa na turbina. Além disso, as turbinas Francis possuem a vantagem de serem igualmente eficientes, quando posicionadas horizontalmente ou orientadas verticalmente e operam em quedas médias de até 600 metros e volume de água elevado. [6]

Escolha do Tipo de Turbina

Cada tipo de turbina tem as suas vantagens consoante as condições de operação, sendo sempre o objetivo principal a utilização do equipamento que apresentar a melhor eficiência para o local onde é instalada. Além disso, a escolha do tipo de turbina é ainda influenciada pela velocidade da turbina, isto é, pelo número de rotações por minuto do gerador acionado pela turbina. É ainda de notar que as turbinas podem ser montadas em posições diferentes, com o eixo na vertical, na horizontal ou ainda inclinada em relação à vertical de forma a satisfazer as exigências de potência gerada, nível da água e limitações de espaço.

Figura 4 – Curvas características para diferentes tipos de turbinas.

A eficiência de uma turbina é dada pela razão entre a potência mecânica conferida pela turbina e a potência existente no fluido, conferida pela energia hidráulica, dependendo de diversas variáveis:

Caudal
Perdas existentes
Potência da turbina
Fabricante
Eixo de montagem
Entre outras

No entanto, as perdas hidráulicas e mecânicas são as principais causas para as baixas eficiências nestes equipamentos, sendo que se deve maximizar a eficiência de cada equipamento de acordo com as condições em que vai operar (caudal e perdas). As eficiências típicas em que uma turbina opera variam entre 85% e 95%, dependendo do caudal e das perdas existentes e são dadas por gráficos idênticos ao apresentado na Figura 4 [7].

Vantagens da Utilização da Energia Hidráulica

· A energia hidráulica, fonte de energia renovável, é uma energia “limpa”, porque não polui o ar e a água como as centrais elétricas que utilizam como fonte de energia os combustíveis fosseis;

· A energia hidráulica está disponível quando é necessitada, podendo os engenheiros controlar os caudais de água, através das turbinas para produzir eletricidade;

· As centrais hidráulicas, criam grandes reservatórios (barragens) que contribuem para o fornecimento de água de acesso público e controlo das cheias;

· A produção de energia envolve baixos custos;

· Funcionam durante décadas com pouca manutenção, não sendo necessário muito investimento para ser mantida [8].

Mecanismos de Falha das Turbinas Hidráulicas

Cavitação

Figura 5 - Cavitação de uma turbina Francis.

Cavitação é o nome que se dá ao fenómeno de vaporização de um líquido pela redução da pressão, durante o seu movimento. A água que entra nas turbinas hidráulicas é sujeita a mudanças de pressão e de velocidade, resultando em consequências prejudiciais ao nível do desempenho e da vida útil das mesmas. A cavitação pode ser um dos resultados das alterações referidas anteriormente. Esta decorre do facto da pressão nas condutas ser inferior à pressão de vapor, formando-se, assim, bolhas de vapor capazes de interromper a circulação do fluido. As bolhas são arrastadas em direção à saída do rotor, ocorrendo violentas implosões que destroem as paredes das carcaças e as paletas do rotor, provocando uma quebra acentuada do rendimento (Figura 1). Para evitar a cavitação é necessário assegurar que nas regiões de pressão mais baixa, a pressão é mantida em valores superiores á pressão de vapor [9].

Erosão

A erosão é o processo de remoção gradual do material da superfície de um componente, como resultado de deformação repetida e ação de corte. O desgaste erosivo das turbinas hidráulicas e dos seus componentes ocorre como resultado do fluxo de alta velocidade e do impacto de sedimentos abrasivos na superfície das turbinas, como por exemplo, o sedimento que quebra a camada de revestimento de óxido na superfície. A quebra instantânea das camadas de óxido leva à formação de irregularidades superficiais, iniciando os efeitos de cavitação na unidade da turbina [9].

Fadiga

Figura 6 - Desgaste por cavitação

A fadiga do material é outro mecanismo de falha das turbinas hidráulicas. Se a turbina for submetida a tensões repetidas ou cíclicas (tração-compressão, flexão, torção), cede mais rapidamente a tensões mais baixas do que suportaria quando submetida a uma tensão estática simples. As fraturas por fadiga são responsáveis por 90% das ruturas de peças metálicas em máquinas, como é o caso das turbinas hidráulicas [9].

Desvantagens da Utilização da Energia Hidráulica

· As centrais hidráulicas podem ser afetadas em alturas de seca, não podendo produzir eletricidade.

· As novas centrais hidráulicas, causam impacto no meio ambiente local, destruindo ecossistemas.

· As populações de peixes podem ser afetadas, pois deixam de poder migrar a montante, para desovarem, nem a jusante, para irem até o oceano [8].

Alguns Fabricantes de Turbinas Hidraúlicas

Existem diversos fabricantes de turbinas hidráulicas, nomeadamente as empresas Voith, a Hacker, a HISA, Watec-Hydro e.K., entre muitos outros que se podem encontrar no seguinte site: Fabricantes de Turbinas Hidraúlicas