Turbina de água - Water turbine

Visão em corte da turbina Kaplan e gerador elétrico .

O corredor da pequena turbina de água

Uma turbina de água é uma máquina rotativa que converte a energia cinética e a energia potencial da água em trabalho mecânico.

As turbinas de água foram desenvolvidas no século 19 e eram amplamente utilizadas para energia industrial antes das redes elétricas . Agora, eles são usados ​​principalmente para geração de energia elétrica. As turbinas hidráulicas são encontradas principalmente em barragens para gerar energia elétrica a partir da energia potencial da água.

História

A construção de um turbogerador de água Ganz em Budapeste em 1886

As rodas d'água têm sido usadas há centenas de anos como energia industrial. Sua principal deficiência é o tamanho, que limita a taxa de fluxo e a altura manométrica que podem ser aproveitadas. A migração das rodas d'água para as turbinas modernas levou cerca de cem anos. O desenvolvimento ocorreu durante a Revolução Industrial , usando princípios e métodos científicos. Eles também fizeram uso extensivo de novos materiais e métodos de fabricação desenvolvidos na época.

Redemoinho

A palavra turbina foi introduzida pelo engenheiro francês Claude Burdin no início do século 19 e é derivada da palavra grega "τύρβη" para "girar" ou "vórtice". A principal diferença entre as primeiras turbinas de água e as rodas d'água é um componente de redemoinho da água que passa energia para um rotor giratório. Esse componente adicional de movimento permitiu que a turbina fosse menor do que uma roda d'água com a mesma potência. Eles poderiam processar mais água girando mais rápido e poderiam aproveitar cabeças muito maiores. (Mais tarde, foram desenvolvidas turbinas de impulso que não usavam turbulência.)

Linha do tempo

Moinho de turbina romana em Chemtou , Tunísia . O afluxo de água tangencial do millrace fez a roda horizontal submersa no eixo girar como uma verdadeira turbina.

Um rotor de turbina Francis , avaliado em quase um milhão de HP (750 MW), sendo instalado na Barragem Grand Coulee , Estados Unidos.

Um corredor do tipo hélice avaliado em 28.000 hp (21 MW)

As primeiras turbinas de água conhecidas datam do Império Romano . Dois locais de moinhos de turbina helicoidal de design quase idêntico foram encontrados em Chemtou e Testour , na Tunísia dos dias modernos , datando do final do século III ou início do século IV DC. A roda d'água horizontal com lâminas angulares foi instalada na parte inferior de um poço circular cheio de água. A água da corrida do moinho entrou tangencialmente no poço, criando uma coluna de água em redemoinho que fez a roda totalmente submersa agir como uma verdadeira turbina.

Fausto Veranzio em seu livro Machinae Novae (1595) descreveu um moinho de eixo vertical com um rotor semelhante ao de uma turbina Francis .

Johann Segner desenvolveu uma turbina de água reativa ( roda de Segner ) em meados do século 18 no Reino da Hungria . Ele tinha um eixo horizontal e foi o precursor das modernas turbinas hidráulicas. É uma máquina muito simples que ainda hoje é produzida para uso em pequenas centrais hidrelétricas. Segner trabalhou com Euler em algumas das primeiras teorias matemáticas do projeto de turbinas. No século 18, o Dr. Robert Barker inventou uma turbina hidráulica de reação semelhante que se tornou popular como demonstração em uma sala de aula. O único exemplo conhecido deste tipo de motor usado na produção de energia, datado de 1851, é encontrado na Hacienda Buena Vista em Ponce, Porto Rico .

Em 1820, Jean-Victor Poncelet desenvolveu uma turbina de fluxo interno.

Em 1826, Benoît Fourneyron desenvolveu uma turbina de fluxo externo. Esta era uma máquina eficiente (~ 80%) que enviava água através de um rotor com lâminas curvas em uma dimensão. A saída estacionária também tinha guias curvas.

Em 1844, Uriah A. Boyden desenvolveu uma turbina de fluxo externo que melhorou o desempenho da turbina Fourneyron. Seu formato de rotor era semelhante ao de uma turbina Francis .

Em 1849, James B. Francis melhorou a turbina de reação de fluxo interno para uma eficiência de mais de 90%. Ele também conduziu testes sofisticados e desenvolveu métodos de engenharia para projetos de turbinas de água. A turbina Francis , assim chamada em homenagem a ele, é a primeira turbina hidráulica moderna. Ainda é a turbina hidráulica mais usada no mundo hoje. A turbina Francis também é chamada de turbina de fluxo radial, uma vez que a água flui da circunferência externa em direção ao centro do canal.

As turbinas de água de fluxo interno têm um arranjo mecânico melhor e todas as turbinas de água de reação modernas são desse projeto. Conforme a água gira para dentro, ela acelera e transfere energia para o corredor. A pressão da água diminui para a atmosférica, ou em alguns casos subatmosférica, conforme a água passa pelas lâminas da turbina e perde energia.

Em 1876, John B. McCormick , com base nos projetos de Francis, demonstrou a primeira turbina moderna de fluxo misto com o desenvolvimento da turbina Hercules, inicialmente fabricada pela Holyoke Machine Company e posteriormente aprimorada por engenheiros na Alemanha e nos Estados Unidos. O projeto combinou efetivamente os princípios de fluxo para dentro do projeto Francis com a descarga para baixo da turbina Jonval , com fluxo para dentro na entrada, axial através do corpo da roda e ligeiramente para fora na saída. Com desempenho inicialmente otimizado com 90% de eficiência em velocidades mais baixas, este projeto veria muitas melhorias nas décadas subsequentes em derivados sob nomes como "Victor", "Risdon", "Samson" e "New American", inaugurando uma nova era da América engenharia de turbina.

Turbinas hídricas, particularmente nas Américas, se tornariam amplamente padronizadas com o estabelecimento do Holyoke Testing Flume , descrito como o primeiro laboratório hidráulico moderno nos Estados Unidos por Robert E. Horton e Clemens Herschel , o último dos quais serviria como seu chefe engenheiro por um tempo. Inicialmente criado em 1872 por James B. Emerson a partir das calhas de teste de Lowell , após 1880 o laboratório hidráulico de Holyoke, Massachusetts foi padronizado por Herschel, que o usou para desenvolver o medidor Venturi , o primeiro meio preciso de medir grandes fluxos, para medir adequadamente eficiência energética da água por diferentes modelos de turbinas. Embora o ceticismo em relação a certos cálculos de açude fosse sustentado por hidrólogos europeus, a instalação permitia testes de eficiência padrão entre os principais fabricantes até 1932, época em que instalações e métodos mais modernos proliferaram.

Por volta de 1890, foi inventado o mancal de fluido moderno , agora usado universalmente para apoiar fusos de turbinas hidráulicas pesadas. Em 2002, os mancais de fluido parecem ter um tempo médio entre falhas de mais de 1300 anos.

Por volta de 1913, Viktor Kaplan criou a turbina Kaplan , uma máquina do tipo hélice. Foi uma evolução da turbina Francis e revolucionou a capacidade de desenvolver locais hidrelétricos de baixa queda.

Novo conceito

Figura da patente original de Pelton (outubro de 1880)

Todas as máquinas de água comuns até o final do século 19 (incluindo rodas d'água) eram basicamente máquinas de reação; a cabeça de pressão da água atuou na máquina e produziu trabalho. Uma turbina de reação precisa conter totalmente a água durante a transferência de energia.

Em 1866, o millwright Samuel Knight, da Califórnia, inventou uma máquina que elevou o sistema de impulsos a um novo nível. Inspirado nos sistemas de jato de alta pressão usados ​​na mineração hidráulica nos campos de ouro, Knight desenvolveu uma roda de balde que capturou a energia de um jato livre, que converteu uma altura elevada (centenas de pés verticais em um cano ou conduto ) de água em energia cinética. Isso é chamado de impulso ou turbina tangencial. A velocidade da água, aproximadamente o dobro da velocidade da periferia do balde, dá uma volta em U no balde e cai para fora do corredor em baixa velocidade.

Em 1879, Lester Pelton , experimentando com uma roda de cavaleiro, desenvolveu uma roda de Pelton (desenho de balde duplo), que exauria a água para o lado, eliminando alguma perda de energia da roda de cavaleiro que exauria um pouco de água de volta contra o centro da roda. Por volta de 1895, William Doble aperfeiçoou a forma do balde semicilíndrico de Pelton com um balde elíptico que incluía um corte para permitir ao jato uma entrada mais limpa do balde. Esta é a forma moderna da turbina Pelton, que hoje atinge até 92% de eficiência. Pelton foi um promotor bastante eficaz de seu design e, embora Doble tenha assumido a empresa Pelton, ele não mudou o nome para Doble porque tinha o reconhecimento da marca.

Turgo e turbinas de fluxo cruzado foram projetos de impulso posteriores.

Teoria de Operação

A água corrente é direcionada para as pás de um rotor de turbina, criando uma força nas pás. Como o corredor está girando, a força atua à distância (força atuando à distância é a definição de trabalho ). Desta forma, a energia é transferida do fluxo de água para a turbina.

As turbinas de água são divididas em dois grupos: turbinas de reação e turbinas de impulso .

O formato preciso das lâminas da turbina hidráulica é uma função da pressão de alimentação da água e do tipo de impulsor selecionado.

Turbinas de reação

As turbinas de reação são acionadas pela água, que muda a pressão à medida que se move através da turbina e cede sua energia. Eles devem ser revestidos para conter a pressão (ou sucção) da água ou totalmente submersos no fluxo de água.

A terceira lei de Newton descreve a transferência de energia para turbinas de reação.

A maioria das turbinas de água em uso são turbinas de reação e são usadas em aplicações de baixa (<30 m ou 100 pés) e médias (30–300 m ou 100–1.000 pés). Na turbina de reação, a queda de pressão ocorre tanto nas lâminas fixas quanto nas móveis. É amplamente utilizado em barragens e grandes usinas de energia

Turbinas de impulso

As turbinas de impulso alteram a velocidade de um jato de água. O jato empurra as lâminas curvas da turbina, o que muda a direção do fluxo. A mudança resultante no momento ( impulso ) causa uma força nas lâminas da turbina. Como a turbina está girando, a força atua através de uma distância (trabalho) e o fluxo de água desviado fica com energia diminuída. Uma turbina de impulso é aquela em que a pressão do fluido que flui sobre as pás do rotor é constante e toda a produção de trabalho se deve à mudança na energia cinética do fluido.

Antes de atingir as lâminas da turbina, a pressão da água ( energia potencial ) é convertida em energia cinética por um bico e focada na turbina. Nenhuma mudança de pressão ocorre nas lâminas da turbina, e a turbina não requer uma carcaça para operação.

A segunda lei de Newton descreve a transferência de energia para turbinas de impulso.

As turbinas de impulso são frequentemente usadas em aplicações de cabeçote muito alto (> 300 m / 1000 pés).

Poder

O poder disponível em um fluxo é;

${\ displaystyle P = \ eta \ cdot \ rho \ cdot g \ cdot h \ cdot {\ dot {q}}}$

Onde:

• ${\ displaystyle P =}$ potência (J / s ou watts)
• ${\ displaystyle \ eta =}$ eficiência da turbina
• ${\ displaystyle \ rho =}$ densidade do fluido (kg / m ³ )
• ${\ displaystyle g =}$ aceleração da gravidade (9,81 m / s ² )
• ${\ displaystyle h =}$ cabeça (m). Para água parada, esta é a diferença de altura entre as superfícies de entrada e saída. A água em movimento tem um componente adicional adicionado para contabilizar a energia cinética do fluxo. A carga total é igual à carga de pressão mais a carga de velocidade .
• ${\ displaystyle {\ dot {q}}}$= taxa de fluxo (m ³ / s)

Hidroeletricidade de armazenamento bombeado

Algumas turbinas de água são projetadas para hidreletricidade de armazenamento bombeado. Eles podem reverter o fluxo e operar como uma bomba para encher um reservatório alto durante as horas elétricas fora de pico e, em seguida, reverter para uma turbina de água para geração de energia durante o pico de demanda elétrica. Este tipo de turbina é geralmente uma turbina Deriaz ou Francis no projeto.

Este tipo de sistema é usado em El Hierro, uma das Ilhas Canárias: “Quando a produção eólica excede a demanda, o excesso de energia bombeia água de um reservatório inferior no fundo de um cone vulcânico para um reservatório superior no topo do vulcão 700 metros acima do nível do mar. O reservatório inferior armazena 150.000 metros cúbicos de água. A água armazenada funciona como uma bateria. A capacidade máxima de armazenamento é 270 MWh. Quando a demanda aumentar e não houver energia eólica suficiente, a água será liberada para quatro hidrelétricas turbinas com capacidade total de 11 MW. "

Eficiência

As grandes turbinas hidráulicas modernas operam com eficiências mecânicas superiores a 90%.

Tipos de turbinas de água

Vários tipos de rotores de turbina hidráulica. Da esquerda para a direita: roda Pelton, dois tipos de turbina Francis e turbina Kaplan.

Turbinas de reação

• Turbina VLH
• Turbina Francis
• Turbina Kaplan
• Turbina Tyson
• Turbina Deriaz
• Turbina helicoidal Gorlov

Turbina de impulso

• Roda d'água
• Roda pelton
• Turbina turgo
• Turbina de fluxo cruzado (também conhecida como turbina Bánki-Michell ou turbina Ossberger)
• Turbina jonval
• Roda d'água ultrapassada reversa
• Turbina parafuso
• Turbina Barkh

Design e aplicação

A seleção da turbina é baseada na cabeça de água disponível e menos na taxa de fluxo disponível. Em geral, turbinas de impulso são utilizados para locais elevados de cabeça, e as turbinas de reacção são utilizados para a cabeça de baixo locais. As turbinas Kaplan com passo ajustável das pás são bem adaptadas a amplas faixas de fluxo ou condições de pressão, uma vez que sua eficiência de pico pode ser alcançada em uma ampla faixa de condições de fluxo.

Turbinas pequenas (principalmente abaixo de 10 MW) podem ter eixos horizontais, e mesmo turbinas do tipo bulbo razoavelmente grandes de até 100 MW ou mais podem ser horizontais. As máquinas Francis e Kaplan muito grandes geralmente têm eixos verticais porque isso faz o melhor uso do cabeçote disponível e torna a instalação de um gerador mais econômica. As rodas Pelton podem ser máquinas de eixo vertical ou horizontal porque o tamanho da máquina é muito menor do que o cabeçote disponível. Algumas turbinas de impulso usam vários jatos por rotor para equilibrar o empuxo do eixo. Isso também permite o uso de um rotor de turbina menor, o que pode diminuir custos e perdas mecânicas.

Gama típica de cabeças

Velocidade específica

A velocidade específica de uma turbina caracteriza a forma da turbina de uma forma que não está relacionada ao seu tamanho. Isso permite que um novo projeto de turbina seja dimensionado a partir de um projeto existente de desempenho conhecido. A velocidade específica também é o principal critério para combinar um local hidrelétrico específico com o tipo correto de turbina. A velocidade específica é a velocidade com que a turbina gira para uma determinada descarga Q, com cabeça unitária e, portanto, é capaz de produzir potência unitária. ${\ displaystyle n_ {s}}$

Leis de afinidade

As leis de afinidade permitem que a saída de uma turbina seja prevista com base em testes de modelo. Uma réplica em miniatura de um projeto proposto, com cerca de um pé (0,3 m) de diâmetro, pode ser testada e as medições de laboratório aplicadas na aplicação final com alta confiança. As leis de afinidade são derivadas exigindo similitude entre o modelo de teste e o aplicativo.

O fluxo através da turbina é controlado por uma grande válvula ou por portões integrados dispostos ao redor do rotor da turbina. A carga e o fluxo diferenciais podem ser plotados para uma série de valores diferentes de abertura do portão, produzindo um diagrama de colina usado para mostrar a eficiência da turbina em condições variáveis.

Velocidade de fuga

A velocidade descontrolada de uma turbina de água é sua velocidade em fluxo total e sem carga no eixo. A turbina será projetada para sobreviver às forças mecânicas dessa velocidade. O fabricante fornecerá a classificação de velocidade de fuga.

Sistemas de controle

Tocar mídia

Operação de um regulador flyball para controlar as velocidades de uma turbina de água

Projetos diferentes de reguladores têm sido usados ​​desde meados do século 18 para controlar as velocidades das turbinas de água. Uma variedade de sistemas flyball , ou reguladores de primeira geração, foram usados ​​durante os primeiros 100 anos de controles de velocidade de turbinas de água. Nos primeiros sistemas flyball, o componente flyball neutralizado por uma mola agia diretamente na válvula da turbina ou na comporta para controlar a quantidade de água que entra nas turbinas. Os sistemas mais novos com reguladores mecânicos começaram por volta de 1880. Um dos primeiros reguladores mecânicos é um servomecanismo que compreende uma série de engrenagens que usam a velocidade da turbina para acionar o flyball e a força da turbina para acionar o mecanismo de controle. Os governadores mecânicos continuaram a ser aprimorados na amplificação de potência por meio do uso de engrenagens e do comportamento dinâmico. Em 1930, os governadores mecânicos tinham muitos parâmetros que podiam ser definidos no sistema de feedback para controles precisos. Na última parte do século XX, reguladores eletrônicos e sistemas digitais começaram a substituir os reguladores mecânicos. Nos reguladores eletrônicos, também conhecidos como reguladores de segunda geração, o flyball foi substituído por sensor de velocidade rotacional, mas os controles ainda eram feitos por sistemas analógicos . Nos sistemas modernos, também conhecidos como reguladores de terceira geração, os controles são realizados digitalmente por algoritmos que são programados no computador do regulador.

Portão de wicket

Portões mecânicos (amarelos) em torno de uma turbina tipo Francis .

Uma comporta , ou aleta guia , é um componente das turbinas de água para controlar o fluxo de água que entra na turbina. Uma série de pequenas aberturas das comportas circundam a turbina. Quando as comportas são abertas mais amplamente, mais água fluirá para o rotor da turbina, o que resulta em maior produção de energia. O controle de abertura e fechamento da comporta integrada permitirá que a energia de saída gerada pelas turbinas seja controlada para corresponder aos níveis de energia de saída desejados.

Materiais da lâmina da turbina

Dado que as lâminas de uma turbina de água estão constantemente expostas à água e às forças dinâmicas, elas precisam ter alta resistência à corrosão e resistência. O material mais comum usado em revestimentos em rotores de aço carbono em turbinas de água são ligas de aço austenítico que têm 17% a 20% de cromo para aumentar a estabilidade do filme, o que melhora a resistência à corrosão aquosa. O teor de cromo nessas ligas de aço excede o mínimo de 12% de cromo necessário para exibir alguma resistência à corrosão atmosférica. Ter uma concentração mais alta de cromo nas ligas de aço permite uma vida útil muito mais longa das pás da turbina. Atualmente, as lâminas são feitas de aços inoxidáveis ​​martensíticos que possuem alta resistência em comparação com os aços inoxidáveis ​​austeníticos por um fator de 2. Além de resistência à corrosão e resistência como critérios para seleção de material, soldabilidade e densidade da lâmina da turbina. A maior capacidade de soldagem permite um reparo mais fácil das lâminas da turbina. Isso também permite uma qualidade de solda superior, o que resulta em um melhor reparo. Selecionar um material com baixa densidade é importante para obter maior eficiência porque as lâminas mais leves giram com mais facilidade. O material mais comum usado nas lâminas da Turbina Kaplan são ligas de aço inoxidável (SS). As ligas de aço inoxidável martensítico têm alta resistência, seções mais finas do que o aço carbono padrão e massa reduzida que melhora as condições de fluxo hidrodinâmico e a eficiência da turbina de água. O SS (13Cr-4Ni) demonstrou ter melhorado a resistência à erosão em todos os ângulos de ataque através do processo de peening a laser . É importante minimizar a erosão a fim de manter altas eficiências porque a erosão afeta negativamente o perfil hidráulico das lâminas, o que reduz a relativa facilidade de rotação.

Manutenção

Uma turbina Francis no final de sua vida útil apresentando corrosão por pite , rachaduras por fadiga e uma falha catastrófica. Trabalhos de reparo anteriores que usavam hastes de solda de aço inoxidável são visíveis.

As turbinas são projetadas para funcionar por décadas com muito pouca manutenção dos elementos principais; os intervalos de revisão são da ordem de vários anos. A manutenção dos corredores e peças expostas à água inclui a remoção, inspeção e reparo de peças desgastadas.

O desgaste normal inclui corrosão por pite de cavitação , rachadura por fadiga e abrasão de sólidos suspensos na água. Os elementos de aço são reparados por soldagem, geralmente com hastes de aço inoxidável . As áreas danificadas são cortadas ou retificadas e soldadas de volta ao seu perfil original ou aprimorado. Os rotores de turbina antigos podem ter uma quantidade significativa de aço inoxidável adicionado dessa forma no final de sua vida útil. Procedimentos de soldagem elaborados podem ser usados ​​para obter reparos da mais alta qualidade.

Outros elementos que requerem inspeção e reparo durante as revisões incluem rolamentos , caixa de gaxeta e luvas de eixo, servomotores, sistemas de resfriamento para os rolamentos e bobinas do gerador, anéis de vedação, elementos de ligação da porta incorporada e todas as superfícies.

Impacto ambiental

A Usina Hidrelétrica Walchensee na Baviera , Alemanha, está em operação desde 1924

As turbinas de água são geralmente consideradas produtoras de energia limpa, pois a turbina basicamente não causa nenhuma alteração na água. Eles usam uma fonte de energia renovável e são projetados para operar por décadas. Eles produzem quantidades significativas do suprimento elétrico mundial.

Historicamente, também houve consequências negativas, principalmente associadas às barragens normalmente necessárias para a produção de energia. As barragens alteram a ecologia natural dos rios, potencialmente matando peixes, interrompendo as migrações e prejudicando os meios de subsistência das pessoas. Por exemplo, tribos nativas americanas no noroeste do Pacífico tinham meios de subsistência construídos em torno da pesca do salmão , mas a construção agressiva de represas destruiu seu modo de vida. As barragens também causam consequências menos óbvias, mas potencialmente sérias, incluindo aumento da evaporação da água (especialmente em regiões áridas), acúmulo de lodo atrás da barragem e mudanças na temperatura da água e nos padrões de fluxo. Nos Estados Unidos , agora é ilegal bloquear a migração de peixes, por exemplo, o esturjão branco na América do Norte , então escadas para peixes devem ser fornecidas pelos construtores de barragens.

Veja também

• Parafuso de Arquimedes
• Hidroeletricidade

Referências

Notas

• Robert Sackett, Preservacionista, PRSHPO (rascunho original de 1990). Arleen Pabon, Oficial Certificadora e Oficial de Preservação Histórica Estadual, Escritório de Preservação Histórica Estadual, San Juan, Porto Rico. 9 de setembro de 1994. No formulário de registro do National Register of Historic Places - Hacienda Buena Vista. Departamento do Interior dos Estados Unidos. Serviço Nacional de Parques. (Washington DC)

Fontes

• Donners, K .; Waelkens, M .; Deckers, J. (2002), "Water Mills in the Area of ​​Sagalassos: A Disappearing Ancient Technology", Anatolian Studies , British Institute at Ankara, 52 , pp. 1-17, doi : 10.2307 / 3643076 , JSTOR  3643076
• Wikander, Örjan (2000), "The Water-Mill", em Wikander, Örjan (ed.), Handbook of Ancient Water Technology , Technology and Change in History, 2 , Leiden: Brill, pp. 371-400, ISBN 90-04-11123-9
• Wilson, Andrew (1995), "Water-Power in North Africa and the Development of the Horizontal Water-Wheel", Journal of Roman Archaeology , 8 , pp. 499-510

links externos

Mídia relacionada a turbinas de água no Wikimedia Commons

• Matemática introdutória à turbina
• Publicação da União Europeia, Layman's hydropower handbook, 12 MB pdf
• "Selecionando Turbinas de Reação Hidráulica", publicação do US Bureau of Reclamation, 48 MB pdf
• "Laboratório de máquinas hidráulicas", Lausanne (Suíça)
• DoradoVista, Small Hydro Power Information