Uma turbina hidráulica é uma máquina que transforma a energia do fluxo de água em energia mecânica por meio de um sistema de pás rotativas. Essa energia mecânica pode ser usada para alimentar outra máquina ou um gerador elétrico.
Uma turbina simples consiste em um único rotor com pás, que proporcionam troca de energia com o fluxo. As pás do impulsor desviam o fluxo de corrente para transformar energia cinética e energia de pressão, ou para trocar o momento do fluido com um momento de força no eixo.
O momento das forças no eixo faz com que a turbina gire, gerando energia cinética rotacional. Se a turbina estiver conectada a um gerador elétrico, a eletricidade é obtida. Em outros casos, essa energia é usada diretamente para obter trabalho mecânico.
Na maioria das turbinas hidráulicas, o fluxo de água é axial ou radial. Entretanto, em uma turbina de fluxo cruzado, a água passa pelas pás da turbina em uma direção transversal duas vezes, primeiro na direção do eixo e depois para longe dele.
Classificação: tipos de turbinas hidráulicas
As turbinas hidráulicas, utilizadas em instalações hidráulicas de energia, podem ser classificadas de acordo com dois critérios.
Uma primeira classificação de acordo com seu modo de funcionamento, podendo ser de ação ou reação. As turbinas de ação aproveitam apenas a velocidade do fluxo de água, enquanto as turbinas de reação também aproveitam a perda de pressão da água dentro da turbina.
Dependendo do seu projeto, uma turbina pode ser:
1. Turbina Pelton
As turbinas Pelton são turbinas de fluxo cruzado e ação de admissão parcial. Um dos tipos mais eficientes de turbina hidráulica.
A turbina Pelton consiste em uma roda (impulsor ou rotor) equipada com colheres em sua periferia. Esses baldes são especialmente projetados para converter a energia hidráulica de um jato de água que os atinge.
As turbinas Pelton são projetadas para explorar grandes saltos hidráulicos de baixo fluxo.
2. Turbina Francis
A turbina Francis é uma turbina de reação de fluxo interno que combina conceitos de fluxo radial e fluxo axial.
É composto por uma parte fixa, com guias curvas chamadas defletores (ou distribuidores), e uma parte móvel com pás, também curvas, chamada de rotor. A inclinação dos defletores pode ser ajustada para ajustar o fluxo aplicado às pás, regulando assim a velocidade da turbina.
É um tipo de turbina muito apropriada para saltos médios-altos com vazões médias, sendo capaz de produzir potências muito altas.
3. Turbina Kaplan
As turbinas Kaplan são turbinas de água de reação de fluxo axial, com um rolo que opera de forma semelhante à hélice de um navio.
Elas são utilizadas em usinas hidrelétricas com pequenas quedas d’água. As pás largas ou palhetas da turbina são acionadas por água de alta pressão liberada através de uma comporta.
A água flui na mesma direção do eixo. Além de poder ajustar a inclinação dos defletores, a inclinação das pás do rotor também pode ser ajustada. Dessa forma, a turbina se adapta às necessidades de potência de cada momento. É utilizado em instalações com pequenas quedas d'água e grandes vazões de água, como as de reservatórios.
4. Turbina de hélice
Como todas as turbinas hidráulicas, a turbina de hélice consiste em um anel-guia com palhetas-guia e um rotor. Dependendo do fluxo, a turbina propulsora pode ser projetada com regulagem simples (ajuste das palhetas guia) ou regulagem dupla (ajuste das palhetas guia e velocidade de rotação do rotor).
As palhetas guia ajustam o volume do fluxo de água que entra no rotor. Ao mesmo tempo, eles mudam a direção do fluxo para que ele entre no rotor com seu próprio torque, fazendo com que o rotor gire.
Do ponto de vista da eficiência, a turbina de hélice pode ser comparada a uma turbina Kaplan. Além disso, a regulação eletrônica de uma turbina de hélice permite atingir pontos de operação com pouca água que não podem ser alcançados com uma turbina Kaplan.
Partes de uma turbina hidráulica
As principais partes de uma turbina hidráulica são:
- Rotor ou lâminas : são as partes móveis da turbina. Eles são projetados para serem atingidos pelo fluxo de água, fazendo com que girem. O formato das pás depende do tipo de turbina, como Pelton, Francis ou Kaplan.
- Eixo : conecta o rotor a um gerador ou sistema mecânico. O eixo transmite o movimento rotacional do rotor para a máquina geradora de eletricidade ou outro dispositivo útil.
- Carcaça : É a estrutura que envolve e protege o rotor, mantendo a direção do fluxo de água e facilitando a transferência de energia da água para o rotor. Também ajuda a controlar o fluxo de água para o rotor.
- Turbina (Corpo) : O corpo é a parte da turbina que contém todos os componentes. Geralmente, é por aqui que a água entra, segue em direção às pás e é expelida após ter transferido sua energia para o rotor.
- Ângulo da lâmina : Em algumas turbinas, especialmente as Kaplan, o ângulo da lâmina é ajustável para otimizar a eficiência com base na vazão e na altura da queda de água.
- Duto de entrada (tubo ou canal de admissão) : é o duto através do qual a água chega à turbina, canalizando o fluxo de água em direção às pás da turbina. A pressão e a velocidade da água são fatores importantes para o desempenho da turbina.
- Regulador ou Governador : É um sistema que controla a velocidade de rotação da turbina ajustando o fluxo de água que chega às pás. Permite que a turbina opere com sua eficiência máxima.
- Difusor : Em algumas turbinas, o difusor fica localizado na extremidade da turbina e tem a função de reduzir a velocidade da água ao mesmo tempo em que aumenta a pressão antes que ela saia para o ambiente. Isso ajuda a melhorar a eficiência da turbina.
- Válvulas : Em muitos sistemas hidráulicos, válvulas são usadas para controlar a quantidade de água que entra na turbina. As válvulas também são essenciais para iniciar ou interromper com segurança a operação da turbina.