Tipos de Barragens e Componentes

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Tipos de Barragem de Concreto

Arco

  • Pressões transferidas para as ombreiras.
  • Exige grande escavação para atingir a rocha.
  • Estabilidade depende da geologia.
  • Consumo de concreto menor que em outros tipos.

Contrafortes

  • Exige maior tratamento da fundação.
  • Possibilita maior economia de concreto.
  • Necessita controle geológico maior.
  • Vales abertos ou semi-encaixados.

Gravidade

  • Estabilidade devido ao peso e largura da base adequada à resistência da fundação.
  • Vales semi-encaixados ou abertos.
  • Concreto convencional ou concreto compactado com rolo (CCR).

Tipos de Barragem Geotécnicas

De Terra

  • Indicada quando a rocha se encontra a grandes profundidades na área em consideração.
  • Apropriada para vales pouco encaixados.
  • Precisa de grandes volumes e áreas de empréstimo de materiais argilosos/arenosos.
  • Adapta-se facilmente a quase todos os tipos de fundação.
  • Aceita grandes longitudes e alturas.

De Enrocamento

  • Espaldares de rocha e núcleo impermeável.
  • Apropriada para vales medianamente encaixados.
  • Locais com pouca disponibilidade de áreas de empréstimo de solos argilosos.

Concreto

Geotécnicas

Fatores Físicos que Interferem

  • Condições topográficas locais.
  • Geologia e geotécnica local.
  • Hidrologia e condições climáticas.
  • Infraestrutura regional.

A Escolha do Tipo de Barragem Dependerá

  • Da existência de material qualificado para sua construção.
  • Dos aspectos geológicos e geotécnicos.
  • Da conformação topográfica do local da obra.

Principais Componentes de uma Barragem

  • Coroamento
  • Rip-Rap
  • Talude de jusante
  • Tomada d'água
  • Filtro
  • Fundação

Principais Componentes de uma Hidrelétrica

  • Barragens
  • Vertedouros
  • Comportas
  • Stop logs
  • Condutos
  • Chaminés de equilíbrio ou câmara de descarga
  • Casas de força
  • Tomada de água

Finalidade de uma Barragem

  • Represar a água para captação e desvio.
  • Elevar o nível da água para aproveitamento elétrico e navegação.
  • Represar a água para regularização de vazões e amortecimento de cheias.

Vertedouros

São necessários para descarregar as cheias e evitar que a barragem seja danificada.

Comportas

Permitem isolar a água do sistema final de produção de energia elétrica, tornando possível, por exemplo, trabalhos de manutenção.

Tomada D'água

Permite a retirada de água do reservatório e protege a entrada do conduto de danos e obstruções.

Chaminé de Equilíbrio

Alivia o excesso de pressões causado pelo golpe de aríete.

Turbina

É uma máquina hidráulica que recebe em sua porta de entrada energia mecânico-hidráulica de um fluido, convertendo-a em energia mecânico-motriz. Desse modo, a energia disponibilizada em seu eixo mecânico é menor do que aquela fornecida pelo fluido.

Tipos de Turbinas

Ação

São conversores hidrodinâmicos que operam com a energia cinética da água, recebendo energia na forma mecânico-hidráulica e fornecendo na forma mecânico-motriz. O escoamento através do rotor ocorre sem variação de pressão. Toda a energia potencial do aproveitamento, a menos das perdas na tomada d’água e nas canalizações de pressão e forçada, é transformada em energia cinética antes de chegar às conchas do rotor da turbina.

  • Pelton
  • Michell-Banki

Reação

Turbina de reação é uma máquina hidráulica que converte energia mecânico-hidráulica, das formas cinética e de pressão, em energia mecânico-motriz. A água, à saída do rotor, pode estar a pressão positiva, negativa ou nula em relação à pressão atmosférica. O escoamento através do rotor ocorre com variação de pressão.

  • Francis
  • Kaplan

Para Centrais Hidrelétricas de Baixa Queda

  • Tipo “S”
  • Axial Bulbo
  • Axial periférica ou Straflo

Escolha do Tipo de Turbina

Uma turbina é escolhida para atender a determinados valores de queda (Htop) e de descarga (Q), os quais dependem das condições próprias à usina onde a mesma é instalada.

Estudos de Projeto

  • Estabilidade de Taludes
  • Estudos de Percolação
  • Análise de Tensão-Deformação

Os estudos de estabilidade e percolação são correlacionados, pois a estabilidade do talude depende diretamente da poropressão. A análise de tensão-deformação será realizada com a seção típica gerada pelo estudo de estabilidade e percolação, fornecendo os deslocamentos provocados pelo carregamento da barragem, além de verificar possíveis locais de ruptura.

É analisada a viabilidade de construção da seção → otimização das inclinações dos taludes → seção mais econômica que atenda às condições de segurança previstas.

Classificação dos Tipos de Centrais Hidrelétricas

Quanto ao Uso das Vazões Naturais

  • Centrais a fio d’água
  • Centrais de acumulação
  • Centrais reversíveis

Quanto à Potência

  • CGH: P < 3 MW
  • PCH: 3 MW < P < 30 MW
  • UHE: P > 30 MW

Quanto à Forma de Captação de Água

  • Leito de rio ou de barramento
  • Desvio ou em derivação

Função no Sistema

Estabilidade Quanto à Excentricidade

A excentricidade é a distância de aplicação da resultante dos esforços e deverá estar situada nos 2/3 a partir do eixo de tombamento.

Resistência ao Tombamento

Consiste na relação entre o momento estabilizante e o momento de tombamento em relação a um ponto de rotação. Desse modo, para se ter a estabilidade, o momento resistente deve ser maior do que o momento solicitante.

Exemplo Pelton 1

Determinar a potência hidráulica e a potência no eixo.

  • Rendimento da turbina (ηt) = 88%
  • Diâmetro do tubo do injetor = 15 cm
  • Diâmetro da agulha do injetor = 8 cm
  • Vazão (Q) = 80 L/s = 0,08 m³/s

Velocidade do Jato

Vz = = = 6,32 m/s

Htop = 750 + 0,25 + + 0 = 752,29 m

Potência Hidráulica

PH = 1000 x 9,81 x 0,08 x 752,29

PH = 590,3 kW

Potência no Eixo

Pe = PH x ηh x ηt

Pe = 590,3 x 1,0 x 0,88 = 519,5 kW

Exemplo Pelton 2

Calcule o rendimento máximo do rotor, rotação, potência hidráulica e potência no eixo de uma turbina Pelton com rotor de 1 m de diâmetro.

  • Htop = 1000 m
  • Q = 0,1 m³/s
  • K = 0,98
  • S = 0,25
  • βs = 6°

Cálculo da velocidade na saída do injetor

C = K x

C = 0,98 x = 137,27 m/s

Cálculo da velocidade tangencial do rotor

U = = = 68,64 m/s

Cálculo da rotação

N = = = 1310 RPM

Rendimento máximo

ηtmax = = = 0,93 ou 93%

Potência hidráulica

PH = 1000 x 9,81 x 0,1 x 1000 = 981 kW

Potência no eixo

Pe = PH x ηh x ηt = 981 x 1,0 x 0,93 = 912,33 kW ou 1239 cv

Turbina de Reação

Calcular a altura de queda sobre a turbina abaixo e a potência no eixo.

  • Rendimento da turbina (ηt) = 90%
  • Desprezar perdas em canalizações
  • Considerar perdas localizadas
  • Diâmetro da tubulação de entrada = 250 mm
  • Seção da tubulação de sucção: 650 mm x 250 mm
  • Q = 0,3 m³/s

Velocidade na entrada

Vz = = = 6,11 m/s

Velocidade na sucção (saída)

V1 = = = 1,85 m/s

Altura de queda

H = P2 + a +

H = 80 + 0 + - 2

H = 79,72 m

Potência hidráulica

PH = ρ x g x Q x H = 1000 x 9,81 x 0,3 x 79,72 = 234,6 kW

Potência no eixo

Pe = PH x ηh x ηt = 234,6 x 1,0 x 0,9 = 211,14 kW

Questão do Trabalho

Esforços que Atuam no Tombamento

Empuxo Horizontal Montante

EHM = = 1250 tf/m

De = x 50 = 16,67 m

Sob Pressão

S = γágua x m x H x

S = 1 x 0,5 x 50 x

S = 493,75 tf/m

Ds = x 39,5 = 26,33 m

Esforços que Não Provocam Tombamento

Empuxo Vertical de Montante

EVM = = 75 tf/m

Dev= x 3 + 36,5 = 38,5 m

Peso Próprio (Dividir em Formas Geométricas)

G1 = = 1981,78 tf/m

DG1 = x 34 = 22,67 m

G2 = = 325 tf/m

DG2 = 34 + 1,25 = 35,25 m

G3 = = 187,5 tf/m

DG3 = x 3 + 2,5 + 34 = 37,5 m

Somatória

Momento de Tombamento (ΣMA) = EH x Deh + S x Ds

ΣMA = 1250 x 16,67 + 493,75 x 26,33 = 33837,93 tf.m

Momento Resistente (ΣMR) = EV x Dev + G1 x DG1 + G2 x DG2 + G3 x DG3

ΣMR = 75 x 38,5 + 187,5 x 37,5 + 325 x 35,25 + 1981,78 x 22,67 = 66301,95 tf.m

ΣMR > ΣMA = OK

Esmagamento

X = = = 15,64 m

Ex = - x = - 15,64 = 4,11 m

Escorregamento

EHm - EHj = 2178 - 8 = 2170 tf/m

ΣRV = G1 + G2 + G3 + G4 + G5 + G6 + EV

ΣRV = 1981,78 + 325 + 187,5 + 75 = 2569,28 tf/m

μ = = = 0,49

Tmax = x

Tmax = x = 8,54 tf/m²

Tmin = x = 1,98 tf/m²

Verificar o Barramento Abaixo Quanto à Estabilidade

  • γágua = 1 tf/m³
  • γconcreto = 2,35 tf/m³
  • μ = 0,65
  • Φ = 0,7 (rocha)

Esforços que Atuam no Tombamento

Empuxo Horizontal Montante

EHM = = 2178 tf/m

Sob Pressão

Retângulo: γ x Hj x m x b = 1 x 4 x 0,65 x 41 = 106,6 tf/m

Triângulo: = 826,15 tf/m

Esforços que Não Provocam Tombamento

Empuxo Vertical de Montante

EVM = = 165 tf/m

Empuxo Horizontal de Jusante

EHJ = = 8 tf/m

Empuxo Vertical de Jusante

EVJ = = 1,3 tf/m

Peso Próprio (Dividir em Formas Geométricas)

G1 = = 387,75 tf/m

G2 = = 14,10 tf/m

G3 = = 310,20 tf/m

G4 = = 338,4 tf/m

G5 = = 2256 tf/m

G6 = 2,35 x 32 x 2 = 150,4 tf/m

Braço de Alavanca (Distância)

DEHM = x 66 = 22 m

Ds (Retângulo) = x 41 = 20,5 m

Ds (Triângulo) = x 41 = 27,33 m

DEVM = x 5 + 32 + 2 + 2 = 39,33 m

DEHJ = x 4 = 1,33 m

DEVJ = x 1,3 = 0,43 m

DG1 = x 5 + 32 + 2 + 2 = 37,67 m

DG2 = x 2 + 32 + 2 = 34,67 m

DG3 = x 2 + 32 + 2 = 35 m

DG4 = x 2 + 32 = 33 m

DG5 = x 32 = 21,33 m

DG6 = x 32 = 16 m

Somatória

Momento de Tombamento (ΣMA) = EM x Dehm + S1 x Ds1 + S2 x Ds2

ΣMA = 2178 x 22 + 106,6 x 20,5 + 826,15 x 27,33 = 72680 tf.m

Momento Resistente (ΣMR) = Evm x Devm + Ehj x Dehj + Evj x Devj + G1 x DG1 + G2 x DG2 + G3 x DG3 + G4 x DG4 + G5 x DG5 + G6 x DG6

ΣMR = 165 x 39,33 + 8 x 1,33 + 1,3 x 0,43 + 387,75 x 37,67 + 14,10 x 34,67 + 310,2 x 35 + 338,3 x 33 + 2256 x 21,33 + 150,4 x 16 = 94147,12 tf.m

ΣMR > ΣMA = OK

Escorregamento

EHm - EHj = 2178 - 8 = 2170 tf/m

ΣRV = G1 + G2 + G3 + G4 + G5 + G6 + EVM + EVJ = 387.75 + 14.10 + 310.20 + 338.4 + 2256 + 150.4 + 165 + 1.3 = 3623,1 tf/m

μ = = = 0,598 ≈ 0,60

Esmagamento

X = = = 7,98 m

Ex = - x = - 7,98 = 12,52 m

Tmax = x

Tmax = x = 185,82 tf/m² ou 18,58 kgf/cm²

Tmin = x = 54,6 tf/m² ou 5,46 kgf/cm²

Tadm = 70 kg/cm² ou 7 tf/m²

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