Turbinas de Reação em Hidrelétricas: Como Geram Eletricidade

Sendo um tipo especial de turbina usada em usinas hidrelétricas, a turbina de reação é usada em todo o mundo para geração de eletricidade. Estima-se que cerca de 60% das turbinas usadas em usinas hidrelétricas são turbinas de reação, embora ainda em competição com turbinas de impulso. Uma turbina de reação é construída com fileiras de pás fixas e fileiras de pás móveis. Essas pás fixas atuam como bicos e as pás móveis movem-se como resultado do impulso do vapor recebido (causado por mudança de momento). Também, como resultado de expansão e aceleração do vapor relativo a elas, ainda atuando como bicos. Isso será explicado mais adiante!

Hoje você conhecerá a definição, aplicações, função, componentes, diagrama, tipos e princípios de funcionamento de uma turbina de reação. Também conhecerá as vantagens e desvantagens desta turbina de reação.

O que é uma turbina de reação?

Uma turbina de reação funciona com a terceira lei de Newton (ação e reação são iguais e opostas). O sistema gera torque em resposta à pressão e peso do fluido. Em seu funcionamento, a água primeiro atinge as pás fixas então atinge o bico.

Em uma turbina de reação, a soma da energia potencial e energia cinética da água devido à pressão e velocidade, respectivamente, causa a rotação das pás da turbina. Todo o corpo desta turbina é imerso em água e mudanças na pressão da água junto com a energia cinética da água causam troca de potência. Aplicações de uma turbina de reação são geralmente em quedas menores e vazões maiores que o tipo impulso.

As pás da turbina ou pás do impulsor são projetadas para serem capazes de gerar uma força em um lado quando a água flui através delas, assim como um aerofólio. Em um avião, a força produzida por um aerofólio é responsável por sua sustentação. Similarmente, aqui, a força causa a rotação das pás.

Diferentes tipos de turbinas de reação têm suas próprias condições ideais de operação. Por exemplo:

• Turbinas Pelton são preferidas onde uma baixa taxa de descarga pode ser obtida & uma alta queda (80-1600m) está disponível.
• Turbinas Kaplan requerem alta taxa de descarga junto com queda baixa ou média (2-70m).
• Turbina Francis trabalha em taxa de fluxo média & queda média. Turbina Francis é uma combinação de turbinas de impulso & reação.

Turbinas Francis são as turbinas mais amplamente usadas porque oferecem a mais alta eficiência & também poderiam trabalhar em uma ampla gama de condições operacionais.

Aplicações de turbina de reação

As diversas aplicações de uma turbina de reação incluem o seguinte:

• Moinhos de energia eólica para gerar eletricidade
• Também para geração de eletricidade em usinas hidrelétricas
• Turbinas de reação são usadas para obter potência máxima de uma baixa queda de água disponível e alta velocidade

Nota: a função primária de uma turbina de reação é geração de potência.

Componentes de turbina de reação

Abaixo estão os principais componentes da turbina de reação e sua função.

Caracol espiral:

Estes componentes da turbina de reação têm área de seção transversal uniformemente decrescente ao longo da circunferência. Esta área de seção transversal decrescente garante velocidade uniforme da água atingindo as pás do rotor. Há uma abertura para fluxo de água nas pás do rotor a partir do início do caracol, causando pressão a diminuir à medida que viaja junto com o caracol. A redução de sua área de seção transversal ao longo de sua circunferência para tornar a pressão uniforme, portanto, momento ou velocidade uniforme atingindo as pás do rotor.

Palhetas guia:

Palhetas guia são montadas no caracol espiral para garantir que a água atingindo as pás do rotor tenha direção ao longo do comprimento do eixo da turbina. Caso contrário, o fluxo seria altamente giratório à medida que se move através de um caracol espiral, tornando-o não eficiente o suficiente para rotacionar as pás do rotor. Em turbinas modernas, os ângulos destas palhetas guia são ajustáveis, tornando a taxa de fluxo de água ajustável.

Pás do rotor:

Pás do rotor são componentes importantes de uma turbina de reação. Na verdade, é considerado o coração da turbina de reação. O formato das pás do rotor usa a energia de pressão da água para rodar a turbina. Seu projeto é muito essencial e desempenha papel principal na decisão da eficiência de uma turbina. Na versão moderna, estas pás podem girar sobre seu eixo, assim, a força de pressão atuando sobre elas pode variar de acordo com a carga e pressão disponível.

Tubo de sucção:

Um tubo de sucção conecta a saída do rotor ao canal de fuga, tendo área de seção transversal aumentada ao longo de seu comprimento. Água saindo das pás do rotor está em pressão consideravelmente baixa, sua área de seção transversal em expansão recupera a pressão à medida que flui em direção ao canal de fuga.

Diagrama de uma turbina de reação:

Tipos de turbina de reação

Abaixo estão os diversos tipos de turbina de reação

Turbinas hélice:

Tipos de turbina de reação hélice geralmente têm caminho de fluxo de 3 a 6 pás, tendo a água em contato constante com todas as pás. Turbinas hélice só podem ser instaladas no local onde carga e altura são constantes. Sua curva de eficiência energética é muito pontiaguda sob carga parcial. O que significa, desempenho ruim no sistema.

Turbinas Kaplan podem alcançar níveis de alta eficiência sob várias condições de carga ajustando adequadamente as pás durante seu funcionamento. Isso ocorre porque o ângulo da pá pode ser ajustado à potência requerida.

Turbinas Francis:

Estes tipos de turbina de reação são uma versão modificada da turbina hélice, pois a água fluindo radial e axialmente no rotor. Em seu funcionamento, os canais de fluxo são geralmente ajustados em caracol espiral com palhetas de influência internamente ajustáveis.

Estes tipos de turbinas de reação têm um rotor que tem nove ou mais pás fixas. A água inicia diretamente acima e ao redor do rotor, que então cai e gira.

Turbinas de gravidade:

Estes tipos de turbina de reação convertem força de gravidade em força rotacional. Então, em seu funcionamento, a energia cinética da força de gravidade é convertida em eletricidade.

Turbinas bulbo:

Tipos de turbina bulbo são variantes de turbinas hélice. O gerador de turbina bulbo é encerrado e vedado em uma carcaça de aço estanque aerodinâmica localizada no centro do duto. Este gerador é acionado através de uma hélice de passo variável na extremidade a jusante da válvula. A direção da água entrando e saindo do sistema é praticamente inalterada ou muito pouco. Sua compacidade oferece mais flexibilidade no projeto da casa de força.

Turbinas Straflo:

Estes tipos de turbina de reação são turbinas axiais com pás fixas. Seu gerador está localizado fora do canal de água e é conectado diretamente ao rotor da turbina.

Turbinas tubulares:

Nesta turbina de reação, a linha de pressão é dobrada logo após e antes do caminho de fluxo, permitindo conexão reta ao gerador.

Princípio de funcionamento de turbina de reação

O funcionamento de uma turbina de reação é menos complexo e pode ser facilmente entendido. Em seu funcionamento, um rotor contendo bicos móveis que liberam água de alta pressão. À medida que a água sai dos bicos, eles experimentam uma força de reação que rotaciona o rotor em velocidade muito alta. Também, uma força de reação é gerada pelo fluido movendo-se nas pás do rotor. A força de reação produzida nas pás do rotor causa a rotação do rotor. O fluido entra no tubo de sucção após mover-se sobre as pás do rotor e então finalmente para o canal de fuga.

Assista ao vídeo abaixo para saber mais sobre o funcionamento de turbina de reação:

Vantagens e desvantagens de turbina de reação

Vantagens:

Abaixo estão os benefícios da turbina de reação em suas diversas aplicações:

• Alta eficiência hidráulica
• Alta velocidade de trabalho
• Projeto menos complexo
• Pás têm alta eficiência
• Menos espaço é requerido
• Usa sistema de escape sem óleo
• Portátil em tamanho
• Capaz de usar alta temperatura e pressão

Desvantagens:

Apesar das boas vantagens de uma turbina de reação, algumas limitações ainda ocorrem. Abaixo estão as desvantagens de uma turbina de reação em suas diversas aplicações.

• Requer alta manutenção
• Problemas de cavitação ocorrem
• O custo de manutenção é alto
• Força de empuxo é gerada
• Não há pás simétricas

Conclusão

Uma turbina de reação funciona com a terceira lei de Newton (ação e reação são iguais e opostas). O sistema gera torque em resposta à pressão e peso do fluido. Em seu funcionamento, a água primeiro atinge as pás fixas então atinge o bico. Este post discutiu a definição, função, aplicações, componentes, diagrama, tipos e funcionamento de uma turbina de reação. Vantagens e desvantagens desta turbina de reação.

Espero que você aproveite este artigo. Se gostou, compartilhe com outros estudantes. Obrigado pela leitura, até a próxima!