Guia Essencial de Turbinas de Impulso: Definição, Aplicações e Componentes

Turbina de impulso é uma das turbinas mais simples, classificada como turbinas hidráulicas junto com turbinas de reação. Estas turbinas são agrupadas baseadas em como a energia é trocada entre o fluido e a turbina. São instaladas para converter a energia potencial e cinética do fluxo de água em trabalho mecânico. Usinas hidrelétricas fazem uso extensivo de turbina de impulso e pode ser usada para bombeamento de água.

Hoje você conhecerá a definição, aplicações, função, componentes, diagrama, tipos e princípio de funcionamento de uma turbina de impulso. Também conhecerá as vantagens e desvantagens desta turbina de impulso em suas diversas aplicações.

O que é uma turbina de impulso?

Uma turbina de impulso é um dispositivo que usa a energia cinética do fluido para atingir as pás através do bico. Nestes turbinas, um conjunto de maquinário rotativo opera em pressão atmosférica. São adequadas para alta queda e baixas vazões. Turbinas de impulso funcionam baseadas na mudança de vetores de velocidade, ou seja, a energia potencial da água (ou outras fontes de fluido, ex: vapor) dependendo da altura da queda d'água é convertida em energia cinética por um ou mais bicos.

Quando a água atinge as pás da turbina em alta velocidade causando a turbina a girar e um eixo conectado ao gerador permitirá que a eletricidade seja gerada. Isso a torna adequada para extrair energia de condições de alta queda e baixo fluxo.

Turbinas de impulso são de três tipos: Pelton, Turgo e Cross-flow. A construção de turbinas Pelton e Turgo é muito semelhante. No entanto, uma turbina Cross-flow é uma versão modificada de uma turbina de impulso, classificada como turbina de impulso. Isso ocorre por causa da rotação do rotor em pressão atmosférica e não como turbina submersa.

Aplicações de turbina de impulso

As aplicações de uma turbina de impulso são amplamente usadas para geração de energia elétrica. Na verdade, uma grande proporção da energia elétrica mundial é gerada por turbo geradores.

Os motores principais do ônibus espacial usavam turbobombas (uma máquina que consiste de uma bomba acionada por motor de turbina) para alimentar os propelentes (oxigênio líquido e hidrogênio líquido) na câmara de combustão do motor.

Turbinas de água são usadas em usinas hidrelétricas. Usam água como seu fluido de trabalho. Finalmente,

Turbinas a vapor são usadas em usinas nucleares e termelétricas. Água é aquecida para formar vapor e então fluída através de turbinas para produzir eletricidade.

Nota: a função primária de uma turbina de impulso é geração de potência e bombeamento de água.

Componentes de turbina de impulso

Abaixo estão os principais componentes de uma turbina de impulso bem como suas funções:

Rotor:

Esta parte em uma turbina de impulso é como um disco circular contendo um número de pás curvas anexadas a ele. Há um eixo cilíndrico no centro que é feito de aço inoxidável assim como o rotor. Bem, o rotor pode ser feito de ferro fundido quando a queda de fluxo é menor.

Baldes:

Os baldes são como um conjunto de copos em forma de colher que são montados ao redor do rotor para trocar energia entre o fluido e a turbina. O fluido em alta velocidade atinge estes baldes após sair do bico, causando as pás da turbina a rotacionar e saindo pela borda externa do balde. O projeto da turbina determinará a mudança na direção do fluido durante a saída comparada ao ângulo de impacto. O maior momento é obtido em um ângulo de 180 graus.

Bico:

A função de um bico em uma turbina de impulso é ajustar, modificar e jatear o fluxo do fluido para atingir os baldes. É uma parte importante desta turbina que causa mudanças de pressão e permite que a cabeça de fluxo seja convertida em energia cinética. Uma parte chamada lança neste dispositivo é usada para ajustar o volume do jato de água atingindo os baldes. Estes bicos são projetados de carboneto de tungstênio, que é muito duro e pode resistir a partículas erosivas.

Carcaça:

Carcaça em uma turbina de impulso serve como escudo sobre a turbina para prevenir água de respingar para fora. Também a guia para o vertedouro, que existe para a água extra proteger a integridade estrutural da barragem. Geralmente, esta parte é produzida com ferro fundido.

Conduto forçado:

A parte é amplamente usada em usinas hidrelétricas como tubos e canais que conduzem água de barragens e reservatórios para turbinas. Água flui nele em pressão muito alta. Condutos forçados são normalmente feitos de aço.

Diagrama de turbina de impulso:

Tipos de turbina de impulso

Abaixo estão os diversos tipos de turbina de impulso usados em usinas hidrelétricas bem como seu funcionamento:

Pelton:

Uma turbina Pelton tem seus principais componentes como rotor, bico e defletor. É usada para alta queda de água. Um ou mais bicos (até 6) ajudam a converter a queda de água em fluxo de alta velocidade. À medida que a água flui, consequentemente, a potência da turbina é controlada regulando a quantidade de fluxo de água.

O sistema apresenta uma série de baldes simetricamente ao redor do rotor cilíndrico da turbina. O projeto e formato destes baldes causam o jato de água a atingir o centro do balde e sair de ambos os lados. Esta saída ocorre de forma que a água saindo do balde não atinja o próximo, resultando em freio. O eixo da roda da turbina pode ser montado vertical ou horizontalmente. Para altas potências, eficiência e maior número de bicos, o eixo da roda é sempre vertical, e o gerador é instalado acima da turbina.

Um defletor está localizado entre o rotor e o bico. Ajuda a prevenir água de jorrar do bico para os baldes quando a carga é repentinamente removida da turbina. Isso aumenta sua velocidade rotacional. Finalmente, uma lança é usada para parar o fluxo de água.

Diagrama de turbina de impulso Pelton:

Turgo:

Os tipos de turbina de impulso Turgo operam similarmente à de Pelton. Sua principal diferença é que o jato de água atinge os baldes obliquamente (cerca de 20 graus). Isso ocorre porque o formato do balde é complicado e mais difícil de fabricar. Turbinas Turgo têm velocidade específica maior que Pelton. Uma vantagem destes tipos de turbinas de impulso é o jato maior e tamanho de máquina menor comparado a Pelton para potência igual. Pequenas usinas hidrelétricas fazem uso desta turbina.

Diagrama de turbina de impulso Turgo:

Cross-flow:

Estes tipos de turbinas são a modificação de turbinas de impulso frequentemente usadas em pequenas usinas hidrelétricas. Assim como turbinas de impulso, o rotor está rotacionando no ar e não totalmente submerso como turbina de reação. Os benefícios desta turbina incluem operação em ampla faixa de vazão, queda e consequentemente potência. Além disso, adapta-se bem a mudanças no fluxo mantendo eficiência. Há um sistema de controle especial que pode ajustar a parte ativa da turbina de acordo com a quantidade de fluxo de água.

Diagrama de turbina cross-flow:

Princípio de funcionamento de uma turbina de impulso

O funcionamento de uma turbina de impulso é diferente já que há diversos tipos por aí. Bem, enquanto explicava os diversos tipos mencionei como funcionam. Geralmente, no processo de geração de potência em turbinas de impulso, os seguintes passos devem ser realizados.

• A água armazenada flui de uma fonte a montante através do conduto forçado para ser entregue ao bico.
• A energia potencial da água dentro do bico é convertida em energia cinética e injetada nas pás ou baldes; assim, o rotor gira.
• Há um mecanismo para controlar o fluxo de água injetado no rotor. A lança geralmente desempenha papel importante neste processo.
• O gerador anexado ao eixo converte energia mecânica em energia elétrica.

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

Vantagens e desvantagens de uma turbina de impulso

Vantagens:

Abaixo estão os benefícios de turbinas de impulso em suas diversas aplicações.

• Fácil de manter
• Construção simples
• Alta eficiência de trabalho
• Pode trabalhar em pressão atmosférica
• Sua velocidade rotacional é alta

Desvantagens:

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

• Ocupa muito espaço devido ao seu tamanho
• O custo de instalação é alto
• A eficiência de trabalho diminui com o tempo
• Não adequada para altas vazões
• Ideal apenas para baixa descarga
• Requer alta queda que é difícil de gerenciar

Conclusão

Turbinas de impulso são tipos especiais de turbinas para geração de potência e bombeamento de água. São de três tipos incluindo Pelton, Turgo e cross-flow. Este post explicou a definição, aplicações, função, componentes, diagrama e funcionamento de uma turbina de impulso. Suas vantagens e desvantagens também foram declaradas.

Espero que você tenha gostado da leitura. Se gostou, compartilhe com outros estudantes. Obrigado pela leitura, até a próxima!