Tipos de hidroturbinas de microcentrais hidrelétricas. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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Turbinas propulsoras (turbina Kaplan)

A turbina hélice tem a velocidade mais alta entre todos os tipos de turbinas. Isto permite obter uma maior velocidade de rotação com baixas vazões. As altas velocidades das turbinas, por sua vez, possibilitam a utilização de geradores elétricos mais rápidos e, portanto, mais leves e baratos, ou reduzem o custo dos dispositivos de transmissão (caixas de câmbio ou sistemas de transmissão por correia). Portanto, turbinas de hélice são usadas nas alturas manométricas mais baixas, quando as velocidades de fluxo são baixas.

Na aparência, o impulsor de uma turbina de hélice é semelhante a um ventilador (Fig. 20).

Fig.20. Turbina propulsora com pás fixas

As pás da turbina podem ser fixas ou rotativas (Fig. 21). No primeiro caso, as pás são fixadas fixamente em um ângulo selecionado correspondente à pressão de operação e à carga ideal do gerador. As pás rotativas são justificadas em grandes turbinas com flutuações de pressão significativas e operação do gerador sob condições de carga variável. Com o auxílio de pás rotativas, é possível manter constante a velocidade de rotação do impulsor e a frequência da tensão gerada nos geradores.

Fig.21. turbina kaplan

Fig.21-1. Princípio da Operação

A turbina hélice possui uma palheta guia (Fig. 22), que serve para fornecer fluxo de água no ângulo desejado às pás da turbina para atingir a máxima eficiência. A palheta guia permite regular a potência da turbina e também, em alguns casos, interromper completamente o acesso da água ao impulsor da turbina.

Fig.22. Palheta guia da turbina

As turbinas hélices são equipadas com tubos de sucção. O tubo de sucção é um canal que se expande ao longo da seção transversal para drenar a água da turbina. À medida que a seção transversal da tubulação aumenta, a velocidade da água e sua energia cinética diminuem, o que permite reduzir as perdas de energia no fluxo de saída. Além disso, o tubo de aspiração permite que a turbina fique localizada acima do nível da água na água residual.

A piscina (bief francês) faz parte do espaço aquático adjacente a uma estrutura hidráulica. Existe uma piscina superior (adjacente à bacia de pressão) e uma piscina inferior (adjacente ao canal de descarga).

Os tubos de sucção podem ser retos ou curvos, conforme mostrado na Fig. 23 e 24:

Fig.23. Unidade hidráulica com sucção direta

Figura 24. Unidade hidráulica com tubo curvo e tubo de sucção

Turbinas radial-axiais (turbina Francis)

A água entra no impulsor de uma turbina radial-axial pela parte externa da roda e se move radialmente para o centro da turbina (Fig. 25). Tendo passado entre as pás de uma forma curva espacial complexa, a água transfere energia para o rotor, fazendo-o girar.

Fig.25. Radial-axial (turbina Francis)

Fig.25-1. Radial-axial (turbina Francis), aparência

Para garantir o abastecimento adequado e uniforme de água em toda a circunferência do impulsor, este é circundado por uma câmara espiral (Fig. 26). Uma palheta guia é colocada entre a câmara espiral e a roda, composta por pás que direcionam a água para o impulsor da turbina no ângulo desejado. As pás da palheta guia podem ser rotativas para alterar o fluxo de água e a melhor direção do fluxo nas pás do impulsor (Fig. 27). Isto aumenta a eficiência da turbina em modos fora do projeto. A palheta guia pode ser equipada com sistema de ajuste manual ou automático.

Fig.26. Esquema da voluta e palhetas guia da turbina Francis

Fig.27. Turbina Francis com palheta guia ajustável manualmente

Em turbinas radial-axiais existe o risco de golpe de aríete na tubulação de pressão. Em caso de falha do gerador ou queda brusca de carga, as palhetas guia reduzem o fluxo de água e ocorre um choque hidráulico na tubulação de pressão, o que pode levar ao rompimento da tubulação. Para evitar acidentes, as turbinas radiais-axiais são equipadas com uma saída de segurança para marcha lenta que descarrega água da câmara espiral para a jusante durante picos de pressão.

Para turbinas radiais-axiais de alta pressão, é importante reduzir possíveis vazamentos de água pelas pás do impulsor. Isto é conseguido através da fabricação de alta precisão de peças correspondentes e vedações especiais que reduzem as perdas de pressão.

Após passar pelo impulsor, a água entra no tubo de sucção, que possui formato cônico. Ao passar pelo tubo de sucção, a água aumenta sua seção transversal e desacelera, o que leva a uma diminuição da energia cinética que se perde inutilmente com as águas residuais. Além disso, o tubo de sucção permite que as unidades hidráulicas sejam localizadas significativamente mais altas que a água a jusante, o que é conveniente para a construção de um edifício de usina hidrelétrica.

Para a produção de turbinas, são utilizados tipos de aço especiais altamente resistentes ao desgaste para garantir uma operação confiável e de longo prazo das turbinas.

Turbinas Pelton (turbinas Pelton)

Este tipo de turbina é utilizado para altas pressões. A tubulação de pressão entra no prédio da hidrelétrica e termina com um bico que direciona o jato para o impulsor da turbina. Um jato de água que escapa do bico rola ao longo da superfície côncava do balde e muda a direção de seu movimento para o oposto (Fig. 28).

Fig.28. Diagrama da Panela (Pelton Pelton Turbine)

Fig.28-1. Impulsor (turbina de caçamba Pelton)

A eficiência máxima ocorrerá no caso em que o jato refletido do balde tenha velocidade zero em relação ao corpo. Isto é conseguido, como mostra a análise, quando a velocidade periférica da caçamba é igual à metade da velocidade do jato.

As caçambas da turbina são emparelhadas e um jato é fornecido às juntas das caçambas para compensar as forças axiais nos mancais do rotor. O bico da turbina serve para regular a quantidade de água que entra. A agulha, movendo-se dentro do bico, altera a seção transversal do canal e o fluxo de água que entra na roda da turbina (Fig. 29).

Fig.29. Esquema do bocal da válvula de agulha (turbina Pelton Pelton)

Além do bico, para ajustar os parâmetros da turbina, é utilizado um defletor, que é um obstáculo localizado entre o bico e a caçamba, que desvia o jato e reduz a força do jato no rotor da unidade hidráulica. O defletor permite evitar choques hidráulicos ao ajustar a turbina. Ao regular o jato apenas com agulha, em caso de queda brusca da carga elétrica na rede, a agulha bloqueia a saída de água, o que provoca choque hidráulico na tubulação e possibilidade de danos. As águas residuais fluem para jusante. Portanto, para reduzir as perdas de pressão, o bocal e a turbina devem estar localizados o mais baixo possível em relação ao nível do dreno. A carcaça da turbina serve para proteger a hidrelétrica de respingos e é feita de grandes dimensões para que a água refletida na carcaça não volte para o rotor e reduza a eficiência da instalação.

Nas turbinas balde, muitas vezes são instalados vários bicos, espaçados ao redor da circunferência do impulsor, o que reduz a carga nos suportes de rotação (Fig. 30).

A construção moderna de turbinas hidráulicas está se desenvolvendo levando em consideração as seguintes tendências principais:

• aumentar a eficiência e confiabilidade na operação;
• aumentar a velocidade das turbinas hidráulicas para fornecer a potência de projeto necessária com menores dimensões e pesos das unidades hidráulicas, o que reduz o custo dos equipamentos de energia e da construção da usina hidrelétrica;
• melhorar as características energéticas das turbinas hidráulicas e aumentar a eficiência operacional média das unidades quando operam com cargas e pressões fora do projeto;
• redução das pulsações de pressão na parte de fluxo (especialmente atrás do impulsor de uma turbina hidráulica radial-axial) e as vibrações que acompanham a unidade;
• unidades hidráulicas;
• a utilização de potentes unidades hidráulicas nas hidrelétricas permite reduzir seu número, aumentar a eficiência e reduzir o custo de equipamentos e edifícios de energia;
• maior crescimento das capacidades da unidade.

Fig.30. Turbina Pelton com dois bicos

Dispositivos de transferência

Dispositivos de transmissão são necessários para transferir energia rotacional da turbina para o gerador. Alguns projetos de microcentrais hidrelétricas fornecem transferência direta de energia por meio de um eixo (o impulsor e o rotor do gerador estão no mesmo eixo). Outros sistemas de transmissão (correia ou engrenagem) podem alterar a relação de transmissão do impulsor para o rotor do gerador ou transmiti-la sem alterações.

Autores: Kartanbaev B.A., Zhumadilov K.A., Zazulsky A.A.

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