Turbinas Hidráulicas e Carneiro Hidráulico: Análise

1. Principais Diferenças entre Turbinas Pelton, Francis e Kaplan

Este tópico aborda o princípio de funcionamento e as características construtivas e de instalação das turbinas.

Turbina Francis

• Funcionamento: Em uma turbina Francis, a água sob pressão entra por um duto circular de seção decrescente, onde é desviada por um conjunto de pás estáticas (distribuidor) para o rotor central. Ao sair, a água empurra as pás do rotor, convertendo sua energia de pressão em energia mecânica.
• É considerada uma turbina motora de reação, responsável por converter a energia do fluido em energia mecânica (cinética do rotor). Para essa conversão, utilizam-se canais entre as pás do rotor, causando uma redução da energia de pressão do fluido ao passar pelo rotor.
• Utilizada para vazões e quedas médias, seu rendimento é significativamente afetado por variações na vazão de água.

Turbina Kaplan

• Funcionamento: A turbina Kaplan é considerada uma evolução da turbina Francis. A principal diferença construtiva está no rotor, que se assemelha a uma hélice propulsora de um navio. A conversão de energia do fluido em energia cinética da turbina ocorre nos canais formados entre as pás fixas (distribuidor) e também nos canais formados entre as pás solidárias ao rotor.
• Nesse caso, as pás solidárias ao rotor são ajustáveis, ou seja, o ângulo das pás móveis pode ser regulado. Isso oferece grande flexibilidade operacional e ajuda a manter a eficiência mesmo com variações na vazão da água.
• Turbina motora de reação.
• O escoamento da água é na direção axial.
• Utilizada para baixas quedas e grandes vazões.

Turbina Pelton

• Funcionamento: O torque da turbina é gerado pela ação de um jato de fluido saindo de um bocal injetor e incidindo sobre as pás de dupla concha do rotor. Essas pás são presas na periferia de um disco que gira em torno de um eixo após o impacto do fluido.
• Possui um pico de potência quando a razão entre a velocidade da pá e a velocidade do jato é igual a 0,5.
• Escoamento tangencial.
• Turbina motora de ação, ou seja, utiliza a energia cinética do jato de fluido para gerar torque no rotor, sem variação de pressão significativa nas pás.
• Utilizada para grandes quedas e pequenas vazões.

2. Tipos de Rotores de uma Turbina Francis e suas Características

Os rotores de uma turbina Francis podem ter escoamento radial ou misto, dependendo do tipo de rotor utilizado. Suas características variam quanto ao torque e velocidade:

• Rotores Francis Radiais:
  • Lento: Baixa rotação por minuto (RPM) e alto torque.
  • Normal: Média RPM e médio torque.
• Rotor Francis para Escoamento Misto:
  • Rápido: Alta RPM e baixo torque.

4. Influência do Ângulo Beta na Energia Predominante da Bomba

O ângulo Beta (ângulo da pá na saída do rotor) influencia a forma predominante da energia cedida pela bomba:

• Beta < 90º: A energia cedida é predominantemente na forma de pressão.
• Beta = 90º: 50% da energia é cedida na forma de pressão e 50% na forma de energia cinética.
• Beta > 90º: A energia cedida é predominantemente na forma de energia cinética.

5. Gráfico de Vazão x Potência em Função do Ângulo de Saída Beta2

(O gráfico mencionado não foi fornecido no documento original. Portanto, não é possível marcar a curva referente a Beta2 > 90º.)

6. Funcionamento do Carneiro Hidráulico e Pressão Gerada

O carneiro hidráulico é um mecanismo engenhoso que utiliza o fenômeno do golpe de aríete para bombear água. O golpe de aríete consiste em variações bruscas de pressão causadas por rápidas alterações na vazão do líquido, como perturbações no fluxo.

Princípio de Funcionamento:

Inicialmente, para pequenos valores de velocidade, o fluido tende a sair livremente pela válvula de escapamento (V). Ao aumentar a velocidade até um valor específico, o escoamento para fora dessa válvula é impedido bruscamente, pois a força do próprio líquido é capaz de fechá-la. Essa mudança abrupta de vazão causa um pico de pressão que impulsiona a água em sentido contrário, forçando-a a passar pelo tubo de recalque e, consequentemente, elevando a água a uma altura maior do que a inicial, transformando energia cinética em potencial. Após o golpe, a válvula é aberta devido à menor força e velocidade do fluido sobre ela, reiniciando o processo.

Este golpe de aríete é capaz de elevar a água na proporção de 1:10, ou seja, para 1 metro de queda, eleva-se aproximadamente 10 metros.

Vantagens do Carneiro Hidráulico:

• Rendimento relativamente elevado (50-80%).
• Custo baixo e construção simples (custo aproximado de R$300).
• Opera 24 horas por dia utilizando apenas a energia do fluido.
• Gastos com manutenção são praticamente desprezíveis.

Desvantagens do Carneiro Hidráulico:

• Perde-se aproximadamente 2/3 da água pelo golpe de aríete.
• É um equipamento barulhento.
• A eficiência diminui à medida que a altura de elevação aumenta.
• Vazão de bombeamento pequena.
• Possui restrições quanto à montagem e instalação.