Desde o surgimento da civilização agrícola e o desenvolvimento das necessidades básicas do homem, o desafio da força d’água e sua utilização vêem sendo colocados entre os principais requisitos da existência do homem e de seu avanço econômico e cultural.

Um exemplo disso é a quantidade de esquemas hidráulicos encontrados na Mesopotâmia e no Império Egípcio da época dos Faraós, por volta de 3.000 a 2.000 anos A. C. (Ossberger Turbinenfabrik, 1998).

Na idade média a utilização da energia em cidades que possuíam cursos d’água, freqüentemente determinavam a produtividade de seus negócios e seu apogeu comercial.

Assim por exemplo a força econômica dos Augsburg na Baviera, muito antes do aparecimento da famosa família de mercadores Fluggers, foi concentrada por inúmeros artesãos com colocação de máquinas hidráulicas nos meandros dos rios Leach e Wertach.

Leonardo da Vinci, naturalmente, também pesquisou a utilização da força hidráulica. Seus projetos de turbinas para acionar laminadores, máquinas têxteis e outros equipamentos, os quais admite-se nunca foram colocadas em prática, já eram bastante avançados para a época.

No século XVII, foi construído um esplêndido dispositivo aquático nos jardins do rei francês Luís XIV, em Versailles, acionado por uma máquina movida pela água, com um custo enorme. Ela tinha algo em torno de 100 HP, era um triunfo tecnológico na época, mas com um rendimento muito baixo, não passando de apenas 6,5%.

Este capítulo tratará dos principais tipos de turbinas e máquinas utilizadas para geração de energia em micro, mini e pequenas centrais hidráulicas. São preferíveis os termos geração de energia e centrais hidráulicas à geração de eletricidade e central hidrelétrica, pelo fato de uma pequena turbina poder gerar energia exclusivamente para o uso mecânico, vindo a acionar diretamente certos tipos de máquinas sem a necessidade da transformação em energia elétrica.

Os seguintes marcos são relevantes na evolução das turbinas hidráulicas: (Fontes: Lauria, Douglas,1993. MOSONYI, Emil.1988 - Vol. I. Brief Historical Survey , pag. 119 - 131 . SARRATE, I. Lana, 1967).

1403 – Desenho mais antigo de uma roda d’água que se conhece, com eixo vertical.

1550 – J. Besson descreve a primeira turbina axial de reação com pás de madeira, construída na região de Toulouse, na França.

1730 – Bernouilli publica em seu livro uma fórmula para o cálculo da força exercida por um jato d’água.

1750 – J.A. Segner idealiza a primeira máquina fazendo uso do jato d’água, instalada em Nörten, próximo a Göttingen (rio Leine, Alemanha).

1754 – Euler estabelece a equação fundamental das máquinas de fluxo, admitindo escoamento uni direcional e número infinito de pás.

1824 – C. Burdin apresenta à Academia de Paris projetos de turbinas de ação e reação, e propõe pela primeira vez o nome turbina.

1827 - Fourneyron inventa a primeira máquina hidráulica praticamente utilizável, que se transformou posteriormente na turbina de reação.

1834 – Fourneyron constrói e instala sua turbina para uma queda de 108 m, potência de 25 kW e rotação de 2200 rpm.

1838 – J. V. Poncelet publica trabalho sobre a turbina de Fourneyron . Propõe uma roda d’água de fluxo inferior com as pás acionadas parcialmente, precursora da turbina de Fluxo Cruzado .

1841- Henschel-Jonval – primeira turbina axial de reação com tubo de sucção. Regulação do nível d’ água por meio de vários anéis; vazão o mais constante possível e queda variável.

1842- Roda tangencial de Zuppinger, para grandes quedas e vazões reduzidas.

1843- Fontaine construiu a turbina de Jonval para saltos constantes e vazões variáveis, trabalhando a livre admissão.

1848- Schwamkrug idealiza a primeira turbina parcial para grandes quedas e vazões reduzidas.

1849- Francis idealiza a turbina Francis. Inicialmente com câmara aberta.

1851- Girard aperfeiçoou a turbina Fontaine , regulando consecutivamente as células, assegurando sua regulação e construindo a turbina parcial com queda a mais constante possível.

1860- Haenel, Knop e Lehmann, constróem a turbina Girard em forma de turbina limite para vazões e alturas variáveis.

1872- Fink institui as palhetas diretrizes giratórias , primeira regulação correta das turbinas de reação.

1873 - J.M. Voith constrói a primeira turbina Francis com palhetas diretrizes Fink.

1880 - Pelton idealiza e patenteia a turbina Pelton.

1886 – G. A. Pfarr constrói para a firma Voith a turbina Francis com caixa espiral.

1891 – Primeiro regulador mecânico de rotação construído por G. A. Pfarr e instalado na Usina de Lauffen.

1892 – H. Bremer patenteia na Alemanha o injetor para turbina Pelton.

1912 - Primeiros experimentos da turbina Kaplan.

1918 – Banki constrói e otimiza a turbina de fluxo cruzado, independente de A. G..M. Michell.

1924 – A fábrica Charmilles constrói a usina Piottino, na Suíça com turbinas Francis de 300 m de queda e potência de 22 MW.

1925 - Colocação em funcionamento da primeira turbina Kaplan de grandes proporções.

1926 – A firma J. M. Voith constrói as primeiras turbinas Kaplan, com pás fixas e 6 MW.

1928 – A firma KMW constrói a primeira turbina Kaplan de grande porte com pás móveis e potência de 11 MW e diâmetro de 5,8 m.

1930 – A firma J. M. Voith fabrica as turbinas Pelton para Usina de Henry Borden, em Cubatão, S.Paulo.

1931 – A firma Escher Wyss constrói a primeira turbina reversível axial ( Bomba – Turbina ) enquanto que a Voith constrói a primeira turbina reversível tipo Francis, que é instalada na usina reversível de Pedreira para captação e geração de energia (rio Pinheiros – S. Paulo ).

1936 – A firma Escher Wyss constrói as primeiras turbinas bulbo.

1939 – As firmas J. M. Voith e Escher Wyss, constróem as turbinas Francis para queda de 87m, potência de 85 MW e 4,5 m de diâmetro.

1956– A firma suéca, Nohab, constrói 3 turbinas Francis com rotores completamente soldados para a usina de Stornorfors com potência de 147 MW.

1957 – A firma francesa, Neyrpic, constrói a primeira série de 24 bombas-turbina Kaplan para a usina maré motriz de La Rance (França).

1965 - A firma Leningrad Metallindrustrie constrói 8 turbinas Kaplan com potência de 60 MW e diâmetro externo do rotor de 10,3m, até hoje o maior que se tem notícia, para a usina Satarow, no rio Volga.

1966 – A firma italiana, Riva, constrói duas turbinas Pelton de dois jatos e eixo horizontal com 130 MW cada e altura de queda 1300 m, para a usina de Monte Cerusio (Itália).

1969 – As firmas Andritz (Áustria), e Escher Wyss (Suíça), constroem 4 turbinas Francis com altura de queda de 672m (até então maior do mundo), e potência de 60 MW cada para a usina de Rosshag (Áustria).

1973 – A firma canadense Dominion e americana Allis Chalmers constroem as turbinas Francis para usina de Grand Coulle II, no rio Columbia, estado de Washington, até então as maiores turbinas do mundo com diâmetro externo de 10,30 m. potência de 700 MW.

1980 – A firma Escher Wyss constrói duas turbinas Pelton com potência de 265 Mw cada uma, e 6 jatos, para a usina de Silz (Austria).

1981 - As firmas Voith e Neyrpic com suas associadas brasileiras Voith S.P. e Mecânica Pesada, constróem 18 turbinas com 750 MW, com diâmetro da roda, tipo Francis, de 8,60 m, peso de 310 ton., para maior usina até então construída no mundo (Itaipu Binacional).

1984 – As firmas Andritz (Áustria) e Escher Wyss (Suíça), constroem para a usina de Häusling, na Áustria, duas turbinas Francis para altura de queda máxima de 740m e potência de 180 MW. Desde então, esta é a mais alta queda para este tipo de turbina.

1991 – As firmas GE Hydro e J.M. Voith iniciam a fabricação das turbinas de "Three Gorges Project", Sanxia, China, com 710 MW, e queda de 80,6 m, a qual após concluída, com previsão entre 2.020 a 2.030, será a maior central hidrelétrica do mundo, com 25.000 MW.

1998 – O consórcio formado pelas empresas: VA TECH VOEST MCE, austríaca, SULZER HYDRO e HYDRO VEVEY, suíças, instalam a turbina Pelton de BIEUDRON, na Suíça, com dois recordes mundiais, maior queda, de 1.800 m, e maior potência para uma turbina Pelton, 423 MW, com diâmetro do rotor de 3,993 m.

Os tipos de turbinas usadas mundialmente e fabricadas para pequenas centrais hidrelétricas ou mesmo para aplicação de caráter mecânico na transmissão de força em pequenos sítios são:

1- A turbina Turgo ;

2- A Turbina Pelton;

3- A turbina de fluxo cruzado;

4- A turbina Francis ;

5- A turbina Axial;

6- A turbina sifão;

7- A turbina S;

8- A turbina Bulbo;

9- A bomba centrífuga funcionando como turbina;

As apresentações resumidas de cada tipo de turbina ou aplicações a seguir darão uma idéia bastante ampla de como pode ser feito um aproveitamento hidráulico principalmente no âmbito dos pequenos aproveitamentos hidráulicos para utilização motriz ou para a geração de energia elétrica, ajudando na decisão para se obter o melhor equilíbrio, econômico, social e ambiental.

Nem sempre a melhor técnica em termos de projeto e rendimento ou um menor custo será a melhor escolha para atender as necessidades locais em termos de distribuição de recursos de um empreendimento isolado como as agroindústrias e as cooperativas.

A turbina Turgo é uma máquina de impulso similar a turbina Pelton. Entretanto, o jato é desenhado para atingir o plano do rotor em um determinado ângulo (na prática se usa normalmente 20⁰).

Neste tipo de turbina a água entra por um lado do rotor, saindo pelo lado oposto. Como conseqüência dessa passagem, o fluxo total de água que o rotor da turbina turgo pode aceitar não está sujeito a qualquer interferência principalmente quando da sua saída das pás o que acontece com o retorno do jato nas conchas da turbina Pelton ou mesmo interferindo com o próprio jato da entrada (HARVEY, Adam; e outros, 1998).

Assim, a turbina Turgo pode ter um rotor de diâmetro menor que o rotor da turbina Pelton, para uma potência equivalente. Possui, portanto uma alta rotação em rpm.

Figura. 3.1 – Desenho mostrando o funcionamento da turbina Turgo

Como a turbina Pelton, a turbina Turgo trabalha em uma grande faixa de rotações e não necessita de vedações especiais nos mancais, uma vez que a câmara não trabalha com pressão maior que a atmosfera.

A turbina Turgo possui também certas desvantagens com relação a turbina Pelton: primeiro, é mais difícil de fabricar que a turbina Pelton, uma vez que as pás, possuem forma complexa, sobrepostas e mais frágeis que as conchas da turbina Pelton; segundo, o esforço do jato causa uma reação axial nos mancais além do esforço radial normal. Isso provocará o uso de mancais de rolamentos autocompensadores ou mesmo de rolos cônicos ao invés dos simples rolamentos de esferas normalmente adotados.

O rotor da turbina Turgo é fundido, normalmente, em aço juntamente com as pás, o que requer uma pequena fundição, necessitando de modelo, moldes e todo aparato de uma pequena oficina de fundição, não sendo assim de grande praticidade para a maioria das pequenas oficinas.

Não se tem notícia desse tipo de turbina utilizada no Brasil. Na relação de inventário do SIPOT (Sistema de Informação do Potencial Hidrelétrico Brasileiro), não se encontra menção de qualquer instalação com a utilização desse tipo de turbina.

Porém, é bastante usada na Índia onde foi levada pelos ingleses, existindo firmas que constróem esse tipo de turbina para potências de 10 à 3.000 kW, com quedas entre 24 e 200 m ( Joyti Ltd)^(*) .

Juntamente com as turbinas Turgo e de fluxo cruzado, a turbina Pelton é uma turbina de ação. A principal característica é a velocidade do jato na de saída do bocal, que pode chegar, dependendo da queda entre 150 a 180 m/s e a admissão parcial na turbina.

Na turbina Pelton, o torque é gerado pela ação de um jato livre sobre a dupla concha do rotor. Por essa razão a turbina Pelton também é chamada de turbina de jato livre. Essa turbina foi idealizada cerca de 1880 pelo americano Pelton de onde se originou o nome. Em grandes aproveitamentos as turbinas Pelton são consideradas para alturas superiores a 150m podendo chegar até 2000, neste caso para alturas menores que 250m pode-se tornar mais conveniente o uso da turbina Francis (EISENRING, Marcus, 1991).

Para mini e micro aplicações entretanto, a turbina Pelton pode ser usada para baixas quedas em alguns casos até menos de 20m (HARVEY, Adam ; e outros, 1998).

Para grande vazão e pequena queda a roda da turbina pode-se tornar demasiadamente grande em relação a potência; neste caso deve-se usar uma das duas soluções:

Geralmente o gerador é acoplado diretamente ao eixo da turbina, por meio de acoplamentos rígidos, mas um ajuste de rotações pode ser feito com o uso de transmissão por correias ou redutores de engrenagens. No caso da utilização de correias, para pequenas potências dá-se preferência as correias padronizadas em V, que são mais versáteis e baratas que as correias planas, recomendadas para potências maiores.

Basicamente a turbina consiste das seguintes partes consideradas principais: o rotor, o bocal e a caixa.

Os rotores atuais são fundidos em uma só peça, com as conchas e a roda formando um só conjunto. Entretanto é possível a fabricação separada das conchas e da roda e a fixação por meio de pinos e parafusos. No primeiro caso, caso haja uma concha danificada o rotor precisa ser substituído por inteiro, enquanto no segundo caso, basta substituir a pá danificada. O material utilizado para a fabricação das conchas é o aço fundido com adição de 13% de cromo. A geometria das conchas é bastante complicada o que torna sua fabricação um serviço quase artesanal principalmente a etapa de acabamento. A concha deve ter a capacidade de absorver convenientemente a energia cinética transmitida pela ação do jato que sai do bocal e ao mesmo tempo distribuí-la no seu retorno, sem interferir com a pá subsequente.

No bocal, a pressão da água é convertida em velocidade. O bocal consiste em uma peça cônica fixada ao extremo da tubulação e uma agulha interna acionada por uma haste, a qual regula o fluxo de saída da água para a roda da turbina.

Tanto o bocal quanto a agulha sofrem severo desgaste, sendo feitos de material de alta qualidade, normalmente um aço com manganês, que apresenta grande resistência ao desgaste, provocado por partículas como areia.

Algumas máquinas possuem a agulha do bocal construídas em bronze e apresentam boa resistência ao desgaste.

Encontram-se no Brasil várias centrais hidrelétricas, principalmente no campo das pequenas centrais, funcionando com esse tipo de turbina porém o número é bastante reduzido quando comparado com as tradicionais Francis e Kaplan.

A firma N.H. GERADORES Ind. e Com. Ltda (1999), de Manhuaçu, Minas Gerais, fabrica e instala o conjunto completo, turbina Pelton/gerador, para potências até 8,5 kVA, podendo ser estudado o fornecimento com geradores de fabricação de terceiros, até 30 kVA. É utilizada também para pequenas quedas, que podem variar de 6 a 20 m. Seu fabricante possui registros de mais de 10.000 dessas unidades instaladas em todo Brasil. Os preços podem variar de R$ 700,00 a R$ 6.800,00 o kVA, dependendo da altura e potência.

A turbina de fluxo cruzado, também chamada de fluxo transversal, Michel-Banki, Michel – Ossberger, ou simplesmente Banki, tem o comportamento de uma turbina de ação, estando no mesmo nível de classificação das turbinas Pelton e Turgo.

Sendo nosso foco de estudos, a turbina de fluxo cruzado será analisada no CAPÍTULO 4 com todos os detalhes necessários para sua fabricação e utilização, principalmente dos seus componentes mais importantes e que ainda hoje são motivo de estudos em diversos laboratórios de pesquisas em todo o mundo: o injetor e o rotor.

Figura 3.5 – Esquema de uma turbina de fluxo cruzado com regulador manual

A turbina de fluxo cruzado, embora já bastante difundida em muitos países não apresenta grande penetração no Brasil. Na lista oficial do SIPOT, não se encontra qualquer menção de um tipo desta turbina instalada com registro oficial.

A turbina Francis foi idealizada em 1849, tendo o nome do seu inventor, sendo que a primeira turbina foi construída pela firma J.M. Voith em 1873, passando desde então por aperfeiçoamentos constantes, como a utilização das pás diretrizes, também chamadas de pás Fink (SARRETE, I. Lana, 1956).

Tem sido aplicada largamente, pelo fato das suas características cobrirem um grande campo de rotação específica. Atualmente se constróem para grandes aproveitamentos, podendo ultrapassar a potência unitária de 750 MW. As turbinas construídas entre 1930 a 1950 não possuíam rendimentos superiores a 85%, hoje ultrapassam a 92% para grandes máquinas.

Figura 3.6 – Desenho esquema de funcionamento de uma turbina Francis de eixo vertical.

A turbina Francis, considerada uma turbina de reação ou seja, funciona com uma diferença de pressão entre os dois lados do rotor.

As pás do rotor são perfiladas de uma maneira complexa e uma caixa espiral, normalmente fundida, para as turbinas pequenas, distribuí a água ao redor do rotor.

Em operação, a água entra no rotor pela periferia, após passar através da pás diretrizes as quais guiam o líquido em um ângulo adequado para a entrada das pás do rotor, deixando o mesmo axialmente em relação ao eixo.

A turbina Francis pode ser executada tanto com eixo na horizontal quanto na vertical. A construção com eixo na horizontal, ou seja, a roda trabalhando verticalmente é utilizada para pequenas unidades, nesse caso apoiados em mancais de deslizamentos radiais e dispensa a utilização de mancais guias, utilizados quando a construção é de eixo vertical, além da utilização do mancal de escora axial.

A água transfere parte da sua energia para o rotor e deixa a turbina pelo tubo de sucção.

As turbinas Francis modernas estão sempre ajustadas com as pás diretrizes também chamadas de distribuidoras, e as mesmas são comandadas pelo conjunto regulador que ajustam a vazão à carga da turbina.

A turbina Francis é uma das mais difundidas e utilizadas no Brasil tanto para grandes quanto para pequenas, mini e microcentrais hidrelétricas.

Um dos únicos inconvenientes dessa turbina é a variação da curva de rendimento com a vazão, já mencionado por QUANTZ, L. [1956].

O rotor da turbina Francis de tamanhos pequenos e médios pode ser construído em uma só peça totalmente fundida. O material utilizado é o aço fundido com 12 a 15% de cromo, mas em alguns casos é construída em aço inoxidável.

Dependendo do tamanho esperado para o rotor, motivado por uma grande vazão de projeto, pode-se dimensionar uma única turbina utilizando-se de um rotor duplo (dupla sucção). Tal construção, porém, só é viável para a turbina funcionando com eixo na horizontal.

A curvatura das pás é relativamente complexa seguindo perfis pré-estabelecidos conforme a admissão da água no rotor.

As pás diretrizes são construídas para as pequenas turbinas em uma só peça fundida solidárias ao eixo de acionamento das mesmas.

A caixa espiral para as turbinas de pequeno porte normalmente é fundida em aço ou ferro fundido e bi-partida para facilitar a montagem e desmontagem do conjunto.

A turbina axial tradicional também chamada de propeller consiste basicamente de um rotor, similar a hélice de navio, ajustada internamente na continuação de um conduto, com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a tubulação muda de direção.

Normalmente três ou quatro pás são utilizadas quando a altura de queda é relativamente baixa, podendo ter até oito pás para maiores alturas. A entrada da água é regulada por palhetas diretrizes. O rendimento dessa turbina com vazões menores daquela do ponto normal de funcionamento tende a baixar de maneira considerável, até mais acentuada que na turbina Francis.

Embora o perfil das pás deva ser executado de maneira a otimizar as forças oriundas das pressões exercidas sobre as mesmas, projetos tem sido idealizados com seções mais planas, que oferecem menos eficiência, porém são mais fáceis de serem fabricadas. Essa espécie de projeto pode ser considerada seriamente para aplicações em micro centrais onde baixo custo e facilidade de fabricação são prioritários (HARVEY, Adam, 1998).

É também possível, na maioria das vezes considerar a caixa espiral da turbina axial de concreto.

Usinas de maiores escalas, como algumas pequenas centrais, podem fazer uso de uma versão mais sofisticada da turbina axial.

Figura 3.8- Desenho esquemático de funcionamento de uma turbina axial

Variando o passo das pás do rotor simultaneamente com as palhetas do distribuidor, pode-se conseguir bons rendimentos com vazões parciais. As turbinas axiais, nas quais torna-se possível a variação dos passos das pás do rotor são chamadas de turbinas propeller de pás variáveis ou, como são mais conhecidas; turbinas Kaplan.

Alguns tipos de turbinas axiais podem possuir um conjunto de pás diretrizes dispostas de maneira radial, juntamente com uma caixa espiral.

As pás do rotor podem ser construídas ou fundidas, ou estampadas e soldadas ou montadas no cubo, normalmente fundido. Para pequenas turbinas, do tipo propeller, as pás e o rotor podem ser fundidos em uma só peça.

No caso da turbina Kaplan, o sofisticado mecanismo de controle das pás no rotor, pode encarecer sua fabricação e tornar a sua aplicação inviável quando comparado às outras turbinas na mesma faixa de aplicação.

As turbinas axiais vêm apresentando grande interesse para quedas pequenas em rios de maiores vazões que habitualmente se consideraria para instalações da turbinas tipo Francis e fluxo cruzado. A turbina axial deu origem a uma série de variantes, além do conceito da turbina Kaplan, como: a turbina Bulbo, a turbina Sifão, a turbina S, tanto de jusante quanto de montante e até a turbina Strafflo.

No Brasil a turbina axial tem seu uso bastante difundido, aparecendo no inventário das usinas hidrelétricas de pequeno porte do SIPOT como a mais usada depois da turbina Francis.

Na região Centro-Oeste, apresenta grandes condições de aplicação devido as características hidrológicas aí existentes.

Contudo deve-se salientar, que é aquela que apresenta o maior custo em relação ao kW instalado, quando comparada com as tradicionais, Francis simples e Pelton.

Para aproveitamentos de baixas quedas, normalmente inferiores a 5m pode-se utilizar os grupos eletromecânicos equipados com as turbinas axiais especiais para essa finalidade, denominadas tipo "Sifão".

Os equipamentos hidrogeradores para os grupos "Sifão", são de concepção simples. Um conduto em chapas de aço convenientemente calandradas e soldadas ou mesmo parcialmente em concreto, é instalado acima dos níveis de montante e jusante da água. A partida do grupo é realizada a partir de uma bomba de vácuo, criando assim um fluxo contínuo da água no interior do conduto. A parada da turbina, é conseguida pela admissão de ar no Sifão.

Os equipamentos hidromecânicos e a obra civil associada, normalmente utilizadas em instalações tradicionais podem ser assim economizadas. A turbina é constituída de um distribuidor fixo e um rotor tipo axial que pode ser ou propeller (com pás fixas), ou Kaplan (com pás móveis), Figura 3.10.

Os conjuntos de turbinas Sifão podem ser montados quase que completamente em fábrica, reduzindo assim os custos de instalação na obra.

No Brasil, a Alstom-ABB, antiga Mecânica Pesada, em Taubaté, padronizou e produz esse tipo de turbina, sendo utilizada em baixas quedas, de 1 à 4,5 m aproximadamente, com vazões entre 2,0 e 3,0 m³/s e uma faixa de potência entre 60 a 600 kW disponíveis em 6 diâmetros entre 1,180 m e 2,120m.

Para potências até 450 kW, a multiplicação da rotação entre a turbina e o gerador é feita por intermédio de polia e correia, e para potências acima de 450 kW, a multiplicação é feita utilizando-se redutor de engrenagens.

Figura 3.10 – Desenho do esquema de funcionamento de uma turbina tipo Sifão

Conhecendo-se a queda líquida e a vazão turbinável, com o auxílio de um ábaco, como o apresentado Figura 3.12, pode-se estimar a potência nos bornes do gerador e determinar as dimensões principais da turbina (diâmetros do rotor e do cubo).

Pode-se notar que as dimensões desse tipo de turbina são relativamente grandes, o que de certa forma poderá encarecer a parte de transporte e a utilização de equipamentos de levantamento utilizados na sua montagem de obra, principalmente se a instalação for realizada em lugares mais remotos do território nacional e de difícil acesso.

Por outro lado, deve-se acrescentar o fato de que o conjunto pode trabalhar desabrigado, reduzindo os custos com as obras civis, que em casos extremos pode chegar até a 15% do valor dos equipamentos eletromecânicos (Alstom – ABB, 1998).

O controle de operação da turbina Sifão, requer certos cuidados, principalmente na partida com a ligação da bomba de vácuo, e a certeza da tomada completa da água na tubulação eliminando a existência do ar, o que poderá prejudicar o perfeito funcionamento do conjunto turbina - gerador.

Na sua instalação, a turbina deverá ficar localizada de tal maneira que o ponto inferior da roda esteja acima do nível máximo de montante.

O ponto superior de saída do tubo de sucção deverá estar localizado no mínimo 0,3 m do nível de jusante de funcionamento.

A altura de sucção, ou seja, a posição do ponto superior da roda em relação ao nível de jusante de funcionamento, deverá ser definido em cada caso pelo fabricante do equipamento.

As turbinas axiais tipo "S" tem sua aplicação, principalmente para aproveitamento de baixas quedas, entre 5 e 20 m, podendo em alguns casos chegar a 25 m de queda. Seu emprego em projetos de pequenos aproveitamentos é conveniente por apresentar flexibilidade de operação, simplicidade de montagem e facilidade de acesso e manutenção.

Cada dimensão de turbina pode ser fornecida, dependendo das variações de altura de queda e vazão em quatro variantes:

Figura 3.13 – Desenho do esquema de funcionamento de uma turbina tipo "S".

Grandes variações requererão, geralmente, instalações de turbinas com pás móveis (tipo Kaplan). No caso de aplicação de turbinas com distribuidor fixo, a partida e a parada da unidade deverá ser assegurada por um órgão de segurança, geralmente uma comporta vagão ou por uma válvula borboleta.

A Alstom-ABB, em Taubaté, fornece este tipo de turbinas para alturas entre 3 e 22m, vazões entre 9 e 50 m³/s e faixa de potência de 500 à 5000 kW, com diâmetros de rotores que variam de 1,50 m até 2,65 m.

Existe ainda a possibilidade do rotor trabalhar no lado de montante ou jusante, dependendo do lado onde fica situado o grupo gerador ; no caso da Figuras 3.13 e 3.14, ilustra-se o tipo montante.

A turbina bulbo apresenta-se como uma solução compacta da turbina Kaplan, podendo ser utilizada tanto para pequenos quanto para grandes aproveitamentos. Se caracteriza por ter o gerador montado na mesma linha da turbina em posição quase horizontal e envolto por um casulo que o protege do fluxo normal da água, Figura 3.16.

É empregada na maioria das vezes para aproveitamentos de baixa queda e quase sempre a fio d’água. Sua concepção compacta de uma turbina Kaplan reduz considerávelmente o volume das obras civis, tornando a mesma de menor custo. Em compensação, o custo do equipamento eletromecânico, turbina e gerador é maior que os das turbinas convencionais, pela tecnologia e processos de fabricação aplicáveis em termos de ajustes e vedações. Pela relação do SIPOT, podemos encontrar algumas dessas turbinas instaladas nos mais diversos estados brasileiros, de potências variando de 0,43 MW (Aripuanã.– MT –CEMAT) até 42 MW ( Igarapava –SP/MG – CEMIG), ou ainda as futuras turbinas da usina de Canoas, com 80 MW (Grupo Votorantim).

Fig.3.16 – Desenho de uma turbina tipo Bulbo.

Nos projetos de mini e microcentrais hidrelétricas pode ser interessante o estudo de utilização de uma bomba funcionando como turbina.

Basicamente, os procedimentos de projetos são similares tanto para a bomba como para a turbina convencional.

CHAPALLAZ, J. M., e outros, (1992), descrevem algumas vantagens do uso de bomba trabalhando como turbina principalmente para aproveitamentos hidráulicos com potência até 500 kW^(*).

Para maiores potências as bombas não são fabricadas em grande escala, portanto possuem uma desvantagem com relação as turbinas, pois no caso de se optar pela fabricação, essa opção recairá sobre a máquina mais indicada, a turbina, por não se poder usar uma bomba de prateleira. Assim, as vantagens em termo de custo das BFTs^(**) ficam reduzidas de maneira considerável.

Algumas condições limitam a utilização das bombas como turbinas:

VIANA; A. N. Carvalho e outros (1986), apresentam alguns resultados experimentais de bombas trabalhando como turbinas no campo exclusivo das microcentrais hidrelétricas, para potências até 50kW e rotação específica (n_s, definida na pag. 60) inferior a 180 . Foram observados alguns itens importantes:

Na utilização de uma BFT é importante também para minimizar os custos o estudo do motor de indução como gerador, FISCHER, G. e outros, 1992.

Turbinas hidráulicas Bombas funcionando como turbinas

Mais que para gerar energia elétrica, este principio tem sido utilizado para acionar uma pequena bomba e possibilitar vantagens em um sistema de irrigação, mas também pode funcionar como uma microcentral, principalmente para atender as populações ribeirinhas que vivem em áreas isoladas, como palafitas da região norte.

Seu princípio de funcionamento se baseia no mesmo principio das turbinas eólicas, só que neste caso utiliza-se a velocidade da água, que é captada por uma roda disposta contra a correnteza do rio.

GARMAN; Peter (1986), mostra o cálculo da potência possível mediante as variáveis envolvidas:

Pt ₌ 0,05 .g . A . V³. C_t [3.1]

onde:

Pt = potência no eixo da turbina; (Watts);

A = área total do rotor, projetada na corrente da água ( m²);

V = velocidade da corrente, medida a duas vezes de distância do diâmetro do rotor (m/s);

C_t = rendimento esperado para a turbina C_t = 0,25.

g = peso específico da água (9,81 x 10³ N/m³)

A maior área de qualquer máquina já testada foi de 5 m² (d = 1,6 m), a qual pode produzir 625 Watts em uma corrente de 1 m/s e 1kW a 1,17 m/s, constatando-se o rendimento, neste caso, de 25%.

A Figura 3.18 mostra a potência que se pode ter para um rotor de área 3,75 m² (d = 1,2 m) e um rendimento C_t = 25%.

Pode-se notar, que para velocidades de correntes menores que 0,8 m/s, a potência torna-se muito baixa para qualquer interesse de aplicação, e neste caso, somente condições extremamente econômicas poderão viabilizar a sua utilização.

A plataforma de apoio pode se construída de madeira utilizando-se de troncos de árvores, ou em estrutura de perfis leves como cantoneiras mantida flutuando na superfície através de tambores.

O posicionamento e a amarração nas margens é feito com cordas ou até mesmo cabos de aço.

Figura 3.18 – Potência no rotor da turbina conforme velocidade da corrente.

Fonte: GARMAN; Peter, 1986.

A construção do rotor pode ser feita de várias formas e materiais. Entre as formas possíveis estão a do tipo tambor, com pás radiais, tanto de eixo horizontal como vertical, como o tipo axial de pás fixas (propeller), sendo esta última a mais utilizada.

Para construção das pás são utilizados diversos materiais como: alumínio, chapas de aço estampadas, e até madeira .

A rotação do rotor para o caso de um diâmetro d = 1,2m pode variar entre 15 a 25 rpm conforme a velocidade da corrente, necessitando sempre de uma transmissão, normalmente por corrente de bicicleta para a máquina acionada, que pode ser um pequeno gerador ou mesmo uma bomba .

HARWOOD; John H. (1984), apresenta um estudo dessas máquinas, instalada na região amazônica, com rodas de d = 4 m, em correntes que chegam a gerar até 2 kW.

A maior evolução em termos de atualização, seleção e padronização de PCH na América do Sul tem sido incentivada pela OLADE ( Organização Latino Americana de Desenvolvimento Energético ) e como países que melhor seguem essa cartilha podemos citar : Equador, Peru, e a Colômbia.

Considerando que muitos dos fabricantes de turbinas hidráulicas apresentam em seus catálogos, séries de turbinas padronizadas, é relevante revisar as bases conceituais e a metodologia subjacente aos parâmetros determinantes na seleção de turbinas hidráulicas.

A potência instalada é dada pela fórmula:

P = 9,81 . Q . Hu . h _t em kW ou [3.2]

P = em CV [3.3]

Onde:

P = Potência instalada (kW) ou (CV) conforme fórmula utilizada;

Q = vazão (m³/s);

H_u = altura útil (m);

g = peso específico da água (kgf/m³);

h _t = rendimento total ; onde h _t = h _tu x h _g

h _tu = rendimento da turbina

h _g = rendimento do gerador

Como uma primeira orientação, o manual da OLADE (Hernández, Carlos A., 1980), fornece os rendimentos da Tabela 3.1.

Pequenas                               0,80             --           0,824         0,97

Médias                                    0,85            --             0,87           0,98

Grandes                                 0,92            --             0,93           0,99

Pequenas                               0,82        0,95             0,89           0,97

Médias                                    0,86         0,97            0,92           0,98

Grandes                                 0,94         0,99            0,96           0,99

Fonte: Hernández, Carlos A., 1980.

Harvey, Adam; e outros, 1998, propõem o gráfico da Figura 3.19 para estimativa de rendimentos de turbinas para micro e minicentrais hidrelétricas.

Torna-se interessante notar, que o mesmo gráfico também é apresentado por MEIER, Ueli, 1985, pág. 41, sendo que o mesmo excluí as curvas das turbinas Pelton e Turgo, e apresenta a curva da turbina Kaplan com distribuidor de pás fixas, e denomina ainda a turbina axial de pás fixas de propeller, como havia sido definido no item 3.2.5. Os valores para as curvas existentes nos dois gráficos não diferem, e o autor cita como fonte um fabricante de turbinas (James Leffel & Co.)^(*) .

Os valores de rendimentos podem variar muito, conforme o mercado fabricante e a tecnologia empregada, para todos os tipos de turbinas.

Para rendimentos de geradores, podem ser adotados os valores constantes nos manuais e catálogos de fabricantes:

Para geradores síncronos h _g = 0,75 a 0,94 aumentando com a potência.

Para geradores assíncronos h _g = 0,68 a 0,9 aumentando com a potência.

Para as transmissões entre turbina e gerador, quando necessário, Niemann, Gustav, 1971, Vol. II, faz uma comparação entre diversos tipos de transmissões, propondo os seguintes valores:

- Acoplamento direto eixo turbina – eixo gerador h = 1,0;

O tipo de turbina para determinada aplicação pode ser baseado na seleção através da rotação especifica. A OLADE propõe o seguinte critério para o cálculo da rotação específica:

Em função da vazão:

n_q = n . Q^1/2 / H_u^3/4 [3.4]

Onde:

n _q = rotação específica n = rotação em rpm

Q = vazão em m³/s H_u = altura útil em m.

Em função da potência:

n_s(CV) = n . P _t^1/2 / H_u^5/4 [3.5]

Onde:

P_t = potência no eixo da turbina em CV , ou ainda:

n_s(kW)= n.P_t ^1/2 / H_u^5/4 [3.6]

Onde:

P_t = potência no eixo da turbina em kW

A relação entre os números específicos é a seguinte:

n_s(CV) = 3,65. h _tu^1/2 . n_q [3.7]

n_s(kW)= 3,14 . h _tu^1/2 . n_q [3.8]

n_s(kW)= 0,86. n_s(CV) [3.9]

O manual "Micro –hydro design manual – a guide to small scale water power schemes" (HARVEY, Adam; e outros, 1998), propõe a seguinte fórmula para rotação específica aplicada somente às turbinas para micro e minicentrais.

n_s(CV) = rotação específica; n = rotação no eixo da turbina em r.p.m.

P_t = potência no eixo turbina kW; H_u = altura útil em m; 1,2 = constante.

A Figura 3.20 apresenta um exemplo de seleção do tipo de turbina sendo conhecidos: a vazão Q= 60 l/s, a altura Hu = 60 m e a rotação no eixo da turbina n = 1.150 rpm (gerador assíncrono, 6 pólos, 60 Hz). Calculando-se a potência da turbina com um rendimento de 76%, tem-se: P_t= 9,81x 0,060 x 60 x 0,76 = 26,84 kW. Utilizando a fórmula da rotação específica indicada da equação [3.10], chega-se a: n_s(CV) = 42,8 rpm. Essa rotação específica indica a utilização de uma pequena turbina de fluxo cruzado com o diâmetro do rotor de 0,3 m.

Figura 3.20 – Seleção do tipo de turbina pela rotação específica.