Turbinas hidráulicas

Feito por: Carolina Curado & Filipa Lopes - Integração e Intensificação de Processos - Mestrado Integrado em Engenharia Química, Departamento de Engenharia Química da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, 2016/2017

O que são?

Turbinas hidráulicas são motores constituídos por hélices que permitem transformar energia hidráulica, proveniente da energia de pressão e cinética de um fluxo de água, em energia mecânica, proveniente da velocidade de rotação gerada. 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 e eram conhecidas como 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 elétricos [1].

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.

Classificação

As turbinas podem ser classificadas com base na direção do fluxo do fluido no rotor, dividindo-se assim em axiais, radiais e mistas, e com base na variação de pressão ocorrida, sendo de ação ou reação. Nas turbinas axiais o fluxo de água circula paralelamente ao eixo de rotação e nas radiais circula perpendicularmente ao eixo. 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[3]. De acordo com estas classificações surgem diferentes tipos de turbinas, apresentadas na Tabela 1.

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 Kaplan

A turbina do tipo Kaplan é em hélice de pás reguláveis. O ângulo de inclinação das pás é controlado por pistões hidráulicos, normalmente em conjunto com as palhetas de distribuição. Esta turbinas apresentam grandes rendimentos, para aplicações de baixas e médias quedas e grandes volumes de água. Para além disso, a sua carcaça pode estar disposta em formato tubular ou em caixa espiral [4].

Figura 2 – Exemplo de uma turbina de Francis

Turbina Francis

São turbinas, com a parede lateral formada por palhetas curvas, possuindo um rotor em forma de cilindro. Tem na sua estrutura, um pré-distribuidor e distribuidor, sendo o primeiro constituído por pás fixas e responsável por dar um ângulo de entrada para a água, aumentando então o rendimento. Já o distribuidor é um conjunto de pás móveis, que controla a quantidade de água a entrar no rotor, variando a potência gerada. Este tipo de turbinas, operam em quedas médias de até 600m e volume de água elevado [5].

Figura 3 – Exemplo de uma turbina de Pelton

Turbina Pelton

É caraterizada por um rotor com pás em formato de conchas e por uma tubulação que alimenta vários injetores. Trabalham com velocidades de rotação mais altas que outros tipos. É projetado para operar em altas quedas (200m até 1100m) e baixos volumes de água [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 [3].

Vantagens da Utilização da Energia Hidráulica

As turbinas hidráulicas são consideradas uma fonte de energia renovável, ou seja, uma energia “limpa”, uma vez que estas não provocam nenhuma alteração na água. O seu projeto é efetuado para que durem por décadas, produzindo quantidades significativas de fornecimento de energia no mundo. Em Portugal cerca de 30% da energia gerada é através da energia hídrica [7]. Quando se observa a quantidade de gases de estufa gerados por diversas fontes de eletricidade, verifica-se que a energia hidráulica emite cerca de 60 e 30 vezes menos que as que recorrem a carvão e gás natural, respetivamente. Para além disto a produção de energia hidráulica apresenta baixos custos. No que diz respeito à manutenção das turbinas, estas são projetadas para funcionar durante décadas com muita pouca manutenção dos seus elementos principais, sendo os intervalos de revisão espaçados por diversos anos, o que indica que não é necessário muito investimento para manter uma turbina hidráulica [8].

Desvantagens da Utilização da Energia Hidráulica

Normalmente, encontra-se associado um elevado custo na implementação de sistemas que recorrem a energia hidráulica, uma vez que é necessário a realização de vários estudos prévios, de modo a evitar erros de projeção, que quando ocorrem podem originar grandes prejuízos. Para além disso, um problema encontrado na implementação de uma usina hidráulica é encontrar uma zona com as características geográficas adequadas, ou seja, que permitam um potencial energético grande. Isto nem sempre é fácil, uma vez que o potencial se relaciona com a altura da coluna de água no reservatório [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