29/03/23

Tipos de turbinas para geração hidrelétrica

Hoje começa a VI Conferência Nacional de PCHs e CGHs, realizada pela Associação Brasileira de Pequenas Centrais Hidrelétricas (ABRAPCH) e, para finalizar nossa sequência de publicações sobre hidrelétricas no mês de março, falaremos sobre tipos de turbinas para a geração hidráulica. O mote para o texto é a seguinte pergunta: quais são as usinas utilizadas em micro, mini e pequenas centrais hidráulicas e para quais tipos de rios cada uma serve?

A turbina hidráulica (chamada de forma técnica de “turbina de fluidos incompreensíveis”), elemento fundamental das usinas PCHs e UHEs, é responsável por transformar energia cinética da água em energia mecânica, para posterior energia elétrica.

A turbina apresenta duas partes: o distribuidor (ou estator) e o difusor, que são fixos e servem para conduzir e regular a água; e o impulsor, que corresponde à roda e transfere a energia cinética da água. As turbinas mundialmente utilizadas em pequenas centrais hidrelétricas são: Francis, Pelton, Kaplan e Bulbo. Elas são divididas em turbinas de impulso (Pelton), nas quais a água escoa perpendicularmente ao eixo de rotação e tangencialmente à turbina; radial (Francis), com o escoamento da água perpendicularmente em relação ao eixo, e axial (Kaplan), quando a água flui de maneira paralela ao eixo de rotação.

Criada em 1849 pelo engenheiro estadunidense James Bicheno Francis a partir da turbina patenteada nove anos antes por Samuel Dowd, a turbina Francis é radial centrípeta, de modo que a água entra em forma perpendicular ao eixo. É o tipo mais usado devido à sua adaptabilidade, sendo aplicada principalmente em situações com rendimento máximo, nas quais existe diferença de altura média (45 a 400m de queda) e fluxos hídricos entre 10 e 700m³/s de vazão. Podem ser lentas, normais e rápidas, a depender da forma da roda. Seu rendimento supera 90%, sendo que o limite máximo atual de sua operação é atingido em Itaipu, com 700 MW de potência por turbina.

Figura 01 — Turbina Francis

Já a turbina Pelton (também conhecida como turbina de jato livre) foi criada pelo estadunidense Lester Allen Pelton em 1879. Sua lógica é semelhante à da operação das rodas dos moinhos, porque é uma turbina tangencial que transporta a água para a tubulação de forma lateral. Apresenta um rotor com pás em forma de conchas e um distribuidor composto por bocais com jatos, sendo a alta velocidade da água no jato sua principal característica. É utilizada em contextos com pequena vazão e grande queda (de 350 a 1100m) e cursos inferiores a 50m³/s, com o propósito de atingir velocidades superiores. Em mini hidrelétricas, pode ser utilizada em quedas menores de 20m.

Devido ao fato de poder substituir um número de injetores de uma determinada dimensão por injetores maiores, ela possibilita a construção de turbinas com diâmetro maior e, consequentemente, com maior velocidade. Consegue atingir rendimento de 90%.

Figura 02 — Turbina Pelton

A turbina Kaplan, desenvolvida em 1913 pelo austríaco Viktor Kaplan (1876–1934), é axial e funciona a partir do princípio da hélice de navios: a água movimenta as hélices paralelamente em relação ao eixo do impulsor, que apresenta roda em formato de hélices. Da mesma forma que a Francis, a Kaplan foi criada a partir do aperfeiçoamento de uma anterior, a Turbina Hélice, que apresentava pás fixas, enquanto Viktor Kaplan possibilitou a existência de pás móveis. Por conta de ser possível ajustar o ângulo das hélices conforme a descarga (o que pode encarecer a turbina), ela apresenta alto desempenho em contextos com pequena queda de água, mas com grande volume (acima de 200m³/s). Seu rendimento máximo fica entre 60% e 70%. Quando comparada à Francis e à Pelton, apresenta o maior custo considerando o kW.

Figura 03 — Turbina Bulbo

Por fim, a Turbina Bulbo (também chamada de Open Pit), criada por Arno Fisher em 1933, foi projetada para se pensar na preservação do meio-ambiente. É utilizada em quedas muito pequenas, comumente a fio de água, de forma que não é necessária a criação de grandes reservatórios, o que reduz os impactos. Além disso, por apresentar uma versão compacta da Kaplan, ao possuir (em sua maioria) pás móveis, demanda menor volume de obras e, consequentemente, apresenta custo baixo — embora o custo do equipamento seja superior ao das turbinas tradicionais.

No Brasil, de acordo com o Antonio Guilherme Garcia Lima, professor da UERJ, apenas 3 usinas (Cubatão, Henry Borden e Governador Parigot de Souza, conhecida como Capivari Cachoeira, cuja engenheira que participou do projeto e construção da usina foi destaque em nosso blog) funcionam com Turbinas Pelton, o que corresponde a 1,6%; 70 usinas utilizam a Kaplan, o que configura 38%, enquanto 111 usinas operam com Francis, totalizando 60%. A seguir, elencamos algumas usinas brasileiras e suas respectivas turbinas:- Itaipu: Francis (700,00 MW por unidade)

– Capivari Cachoeira: Pelton (62,50 MW por unidade)

– Santo Antônio: Bulbo (69,59 MW e 73,29 MW por unidade)

– Sobradinho: Kaplan (175,05 MW por unidade)

Por fim, indicamos o material do professor Antonio Guilherme Garcia Lima (2021), que apresenta, no eixo vertical, a altura de queda, em metros; e no eixo horizontal, a vazão na turbina. Nesse gráfico, é possível identificar a área de operação ótima entre os diversos tipos de turbinas, de forma que se pode, com as características de campo e projeto (vazão e altura de queda), definir o equipamento mais adequado.

Figura 04 — Turbina Hidráulica

REFERÊNCIAS

https://www.hidroenergia.com.br/blog/tipos-turbinas-hidraulicas/

https://www.antonioguilherme.web.br.com/blog/turbinas-hidraulicas/

http://meusite.mackenzie.com.br/mellojr/Turbinas%20Hidr%E1ulicas/CAP%CDTULO%203REV.htm

Autora: Leticia Pilger
Editor: Paulo Renato Reche