Turbina

Turbina

Uma turbina hidráulica serve basicamente para transformar a potência da água encaminhada pela tubulação em potência mecânica no seu eixo.

Rotores de turbinas diversas.
Rotores de turbinas diversas.

A seguir são descritos alguns modelos de turbinas. Mas antes, precisamos esclarecer algumas definições abreviadas que usaremos:

Relação de queda: Relação entre queda e vazão; uma turbina para “alta queda” (ex: Pelton) é mais apropriada para uma relação de queda / vazão maior, e uma turbina para “baixa queda” (ex: Kaplan) é mais apropriada para uma relação de queda / vazão menor.

Perfis de aplicação de miniturbinas do fabricante Andritz. Linha específica adequada para o segmento de minigeração.
Perfis de aplicação de mini turbinas do fabricante Andritz. Linha específica adequada para o segmento de CGHs. Observam-se, no gráfico, diferentes relações entre queda (net head) e vazão (discharge).

Eficiência: Eficiência máxima obtida no ponto ótimo de operação da turbina; é dada em porcentagem de potência hidráulica utilizada, que é convertida em potência mecânica.

Curva de eficiência: Curva de eficiência x vazão; uma curva plana significa que a eficiência cai pouco em vazões abaixo ou acima da vazão nominal da turbina, e uma curva brusca significa que a eficiência cai mais rapidamente em vazões abaixo ou acima da vazão nominal.

Comparativo de curvas de eficiência de diversos tipos de turbinas.
Comparativo de curvas de eficiência de diversos tipos de turbinas.

Pelton

Turbina para alta queda.

Antiga micro turbina Pelton desativada.
Antiga microturbina Pelton desativada.

Turbina Pelton com dois bicos injetores.
Turbina Pelton com dois bicos injetores.

Vantagens

  • Eficiência muito alta (até ~90-92%)

  • Curva de eficiência plana, sobretudo se usados múltiplos bicos injetores

  • Compacta

  • Baixo custo

  • Versão simplificada de baixíssimo custo (eficiência de moderada a alta (até ~80-90%)) – atrativa para microgeração

Desvantagens

  • Pás sujeitas a erosão

  • Não é aproveitado o potencial de queda da descarga após a turbina (embora seja de modo geral relativamente pequena)

Turgo

Turbina para alta queda.

Micro turbina Turgo.
Microturbina Turgo.

Vantagens

  • Alta eficiência (até ~85-90%), porém um pouco inferior à da Pelton

  • Curva de eficiência x vazão plana se usados múltiplos bicos injetores

  • Versão simplificada de custo reduzido (eficiência de moderada a alta (até ~75-85%)) – atrativa para micro geração

  • Tamanho e custo ainda menores que os de turbinas Pelton

Desvantagens

  • Pás sujeitas a erosão

  • Não é aproveitado o potencial de queda da descarga após a turbina (embora seja de modo geral relativamente pequena)

Banki

Também conhecida como turbina Michell / Banki ou turbina de fluxo cruzado (crossflow), é muito usada em quedas intermediárias, embora possa ser usada também em altas e baixas quedas.

Visão explodida de uma turbina tipo Banki de entrada dupla do fabricante Ossberger.
Visão explodida de uma turbina tipo Banki de entrada dupla do fabricante Ossberger.

Interior de uma antiga microturbina Banki desativada, em perspectiva de baixo para cima. Ao centro (laranja) as pás do rotor, e à direita o bocal de entrada de água.
Interior de uma antiga microturbina Banki artesanal, em perspectiva de baixo para cima. Ao centro (laranja) as pás do rotor, e à direita o bocal de entrada de água.
Turbina Banki do Fabricante Betta.

Vantagens

  • Vasta gama de aplicações, de quedas altas a baixas

  • Curva de eficiência x vazão muito plana, sobretudo em modelos com duas entradas

  • Baixo custo

  • Manutenção simples

Desvantagens

  • Eficiência moderada (até ~75-82%), sendo menos competitiva em projetos maiores (~500 kW)

  • Alto ruído

Francis

Turbina para média queda. Provavelmente a turbina mais comum em CGHs e PCHs (a partir de ~ 500 kW). Apresenta um controle nas aletas de entrada que possibilita uma curva de eficiência moderada.

Conjuntos geradores de turbinas Francis da Usina Volta Grande.
Conjuntos geradores de turbinas Francis da Usina Volta Grande.

Conjuntos geradores de turbinas Francis da PCH Capivarí, em fase final de montagem.
Conjuntos geradores de turbinas Francis da PCH Capivarí, na ocasião ainda em fase final de montagem.

Vantagens

  • Alta eficiência (~90%)

Desvantagens

  • Custo inviável para microgeração

  • Curva de eficiência levemente brusca

Bomba como Turbina

Consiste na utilização de bomba d’água comum ligada em reverso. Um projeto que utilize bomba como turbina emprega técnicas que, a partir das especificações da bomba, permitem uma projeção de seu comportamento operando como turbina.

Bomba como turbina.
Bomba como turbina.

Devido à grande diversidade de bombas no mercado que se adequam a essas técnicas, é possível prover um vasto leque de portes e de relações queda x vazão, proporcionando uma opção competitiva sobretudo para microgeração, e, em muitos casos, também para minigeração.

Vantagens

  • Vasta gama de aplicações, muito atrativa para microgeração

    • Bomba multiestágios: alta relação queda x vazão

    • Bomba centrífuga: média relação queda x vazão

    • Bombas centrífugas de fluxo misto e axial: baixa relação queda x vazão

  • Eficiência moderada a alta (até ~ 72% (pequenas) – 84% (grandes)) se dimensionada em projeto adequado

  • Baixo custo (produto “de prateleira”)

  • Baixo prazo de fabricação (produto “de prateleira”)

  • Geralmente de construção robusta, com manutenção simples

  • Baixo ruído

Desvantagens

  • Requer um projeto cuidadoso para uma eficiência satisfatória

  • Curva de eficiência brusca

  • Menor competitividade em portes maiores (~ 500 kW)

Axial ou Hélice

Turbina para baixa relação de queda, consiste basicamente numa hélice rígida em uma estrutura tubular.

Vantagens

  • Alta eficiência (até ~ 85%)

  • Versões simplificadas com custo atrativo para microgeração

Desvantagens

  • Curva de eficiência brusca, operando satisfatoriamente em uma faixa limitada de vazões

Kaplan

Turbina para baixa relação de queda. Pode ser considerada uma evolução das turbinas do tipo axial / hélice, apresentando um controle de abertura das pás da hélice e também das aletas de entrada, características que melhoram a eficiência e que tornam a curva de eficiência bem mais plana.

Articulação das pás de um rotor de turbina Kaplan. À esquerda, pás mais fechadas, para baixa vazão; à direita, pás mais abertas, para alta vazão.
Articulação das pás de um rotor de turbina Kaplan. À esquerda, pás mais fechadas, para baixa vazão; à direita, pás mais abertas, para alta vazão.

Vantagens

  • Alta eficiência (até ~90%)

  • Curva de eficiência plana

Desvantagens

  • Custo inviável para projetos abaixo de ~500 kW

Parafuso de Arquimedes

Concebido na antiguidade como uma bomba d’água, hoje está surgindo novamente operando em reverso na forma de turbina, sendo usado para quedas muito baixas.

Perfil de um parafuso de Arquimedes.
Perfil de um parafuso de Arquimedes.
Microhidrelétrica baseada em um parafuso de Arquimedes.
Micro-hidrelétrica baseada em um parafuso de Arquimedes.

Vantagens

  • Eficiência moderada a alta (até ~70-85%) se construída em projeto adequado

  • Manutenção simples, praticamente dispensando grades de limpeza

  • Amigável a peixes

Desvantagens

  • Tamanho (mesma ordem do tamanho da queda)

  • Custo de material (fundação e turbina)

  • Inviável para projetos acima de ~500 kW

Roda d’Água

Praticamente dispensa apresentações. Utilizada desde a antiguidade como fonte de força motriz, até hoje é extremamente comum encontrar quem já se deparou ao menos uma vez com uma roda d’água – e em funcionamento, com alguma sorte.

Desprezada por muitos como uma tecnologia ultrapassada, se projetada e construída com métodos adequados pode surpreender como uma turbina de eficiência razoável.

Recomendada para quedas muito baixas, de mesma ordem que o diâmetro da roda.

Devido à sua baixíssima rotação, é requerido um bom conjunto de polias e/ou engrenagens para operação de forma adequada com o gerador.