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Descrição

Destinadas a transformar a energia hidráulica em energia mecânica, as turbinas hidráulicas são máquinas motrizes que utilizam a energia potencial de uma massa de água e a convertem em movimento e torque no eixo.

Caracterizada por um rotor de pás fixas a turbina Francis, recebe o fluxo, na direção radial, e o orienta na direção axial para o tubo de sucção, transformando a energia hidráulica disponível em energia mecânica, traduzida pelo torque no eixo. Também utilizada nas unidades de geração de energia elétrica, para movimentar os geradores, a turbina Pelton da mesma forma das demais turbinas hidráulicas, possui peculiaridades construtivas e operacionais que a diferencia das demais. Portanto conhecer as características construtivas e operacionais das turbinas Pelton e Francis é fundamental para o desenvolvimento de novos projetos.

Desenvolvido para reproduzir em ambiente de laboratório diversas condições de operação, o equipamento didático MF15 Estudo de Turbinas Pelton e Francis, pode operar em diferentes condições de carga hidráulica e vazão, possibilitando aos estudantes realizar diferentes estudos relacionados as turbinas.

O conjunto de componentes eletrônicos que integram o equipamento permite realizar por meio de sua work station, a parametrização e o controle de operação, o monitoramento das variáveis envolvidas, a apresentação gráfica das grandezas monitoradas e a gravação dos dados obtidos durante as atividades práticas de estudo.

Características

O equipamento didático para estudo das turbinas Pelton e Francis é constituído por uma estrutura e tampo em aço com pintura anticorrosiva e rodízios para facilitar sua mobilidade. Esta estrutura dá suporte ao sistema de fornecimento de fluxo, a tubulação, aos sensores, ao quadro de comando elétrico, a turbina Pelton e a turbina Francis. O equipamento dispões ainda de uma workstation com monitor touch, teclado e mouse, ela é utilizada para parametrização, monitoramento e armazenamento de dados durante as atividades.

O sistema de fornecimento de fluxo da bancada é composto por reservatório de fluido em aço inox com tampa em acrílico, motobomba centrífuga com motor trifásico controlado por inversor de frequência, tubulação em aço inox, válvula tipo globo para abertura e fechamento do fluxo e válvula direcional do fluxo. O controle da velocidade do rotor da motobomba por meio do inversor de frequência, em conjunto com a variação da abertura da válvula e das pás diretrizes da turbina Francis, permite simular diferentes alturas de queda e vazões mudando as características de operação da turbina conforme a necessidade durante a realização da atividade prática. No estudo da turbina Pelton também é possível atuar no controle da velocidade do rotor da motobomba por meio do inversor de frequência, na variação da abertura da válvula e na abertura do bico injetor da turbina Pelton, permitindo simular diferentes alturas de queda e vazões conforme a necessidade durante a realização da atividade prática.

A tubulação utilizada no equipamento é de aço inox, com acabamento polido e com conexões por roscas ou flanges, as quais conferem ao equipamento além excelente aparência, maior resistência e durabilidade. Nesta tubulação estão instalados um sensor de vazão, um sensor de pressão na entrada da turbina Francis e um sensor de pressão no bico injetor da turbina Pelton, responsáveis por fornecer estes dados ao sistema de monitoramento e controle.

O quadro de comando elétrico do equipamento está em uma posição de fácil acesso, tem sua alimentação realizada por meio de um cabo multipolar com plug industrial. Nele estão instalados os dispositivos de segurança conforme normas relacionadas e contem botão liga, botão desliga, botão de reset, chave de emergência com trava, chave geral, contatora, relé térmico, disjuntor diferencial residual. No quadro de comando também estão instalados, fonte de alimentação para os sensores, unidade lógica de controle, conversores de sinal, inversor de frequência e demais componentes de interface com a workstation.

A turbina Francis tem sua caixa espiral confeccionada em aço inox, na face frontal o tubo de sucção e a tampa de fechamento são de material transparente permitindo a fácil visualização das pás diretrizes do distribuidor e do rotor. As pás diretrizes do distribuidor são confeccionadas em aço inox, tem sua posição de abertura ajustável, isso possibilita alterar a vazão de descarga e as características de funcionamento da turbina conforme objetivo de estudo. Para maior precisão na operação de ajuste da posição das pás diretrizes, a turbina possui um sistema de movimentação com dispositivos articulados para as pás e um manípulo de comando. O rotor é em aço inox e recebe a descarga hidráulica convertendo em movimento de rotação e torque no eixo.

Acoplado na extremidade do eixo, o conjunto freio mecânico e sensores permite obter, a força mecânica produzida pela turbina e a respectiva rotação do eixo.  A partir da força, da velocidade de rotação do eixo e algumas características dimensionais, o torque e a potência mecânica produzida são monitorados.  Os dados podem ser armazenados, permitindo observar e analisar o comportamento operacional da turbina em um outro momento.

A turbina Pelton possui uma estrutura de suporte do rotor confeccionada em aço com pintura anticorrosiva, na parte superior fixado a estrutura há uma cúpula em material transparente permitindo a fácil visualização do rotor e do jato produzido pelo bico.  O rotor é em aço inox, as pás são fundidas em alumínio e fixadas ao rotor por meio de parafusos.  O bico injetor e a agulha são de aço inox, a abertura e fechamento do bico injetor é feita por meio do deslocamento da agulha, isso possibilita alterar a vazão de descarga e as características de funcionamento da turbina.

Na extremidade do eixo da turbina Pelton, há um conjunto de freio mecânico e sensores que permite obter a força mecânica produzida pela turbina e a respectiva rotação do eixo. Com a quantificação da força, da velocidade de rotação do eixo e de algumas características dimensionais, o torque e a potência mecânica produzida são calculados e apresentados na workstation do equipamento. Esses dados podem ser armazenados, para posterior utilização em analises do comportamento operacional da turbina.

Um conjunto de componentes eletrônicos de padrão industrial que integra o equipamento permite que seja realizada através da workstation além da parametrização e do comando elétrico, o monitoramento das grandezas envolvidas na operação das turbinas na forma de números e de gráficos.

A workstation do equipamento em conjunto com o quadro de comando elétrico, possibilita que seja nela realizada a parametrização de operação do motor da motobomba, o comando para o acionamento do motor, o monitoramento da potência elétrica consumida pelo motor, o monitoramento da vazão, o monitoramento da carga hidráulica, o monitoramento da velocidade de rotação da turbina, o monitoramento do torque mecânico e o monitoramento da potência produzida pela turbina. Na workstation são apresentados gráficos a partir dos dados coletados e armazenados durante as atividades.

Especificações técnicas:

  • Dimensões do equipamento, 2250mm x 750mm x 1350mm (LxPxH);
  • Dimensões da workstation, 600mm x 825mm x 1500mm (LxPxH);
  • Construção do equipamento tipo bancada;
  • Reservatório de fluido em aço inox com capacidade de 450 litros;
  • Tampa do reservatório em acrílico;
  • Motobomba centrífuga com motor trifásico 220/380V com controle por inversor de frequência;
  • Tubulação em aço inox com acabamento polido e conexões da tubulação por roscas ou flanges;
  • Quadro de comando conforme NR 12;
  • Componentes eletrônicos e sensores de padrão industrial;
  • Unidade de controle com CLP, conversores de sinal e inversor de frequência com interface de comunicação padrão industrial com a workstation;
  • Rotor da turbina Francis em aço inox;
  • Pás diretrizes da turbina Francis construídas em latão;
  • Mecanismo de controle de abertura das pás diretrizes com manípulo;
  • Freio mecânico da turbina Francis com acionamento hidráulico e sensor de carga integrado;
  • Sensor indutivo para determinação da rotação do eixo da turbina Francis;
  • Estrutura da turbina Pelton em aço com pintura anticorrosiva e cúpula de visualização em acrílico transparente;
  • Rotor da turbina Pelton em aço inox e pás fundidas em alumínio com fixação das pás por parafusos de aço inox;
  • Bico injetor da turbina Pelton com agulha construídos em aço inox;
  • Freio mecânico da turbina Pelton com acionamento hidráulico e sensor de carga integrado;
  • Sensor indutivo para determinação da rotação do eixo da turbina Pelton;
  • Sensor de vazão do tipo eletromagnético;
  • Sensores de pressão padrão industrial;
  • Workstation com tela touch, teclado, mouse e software de controle e monitoramento com interface numérica e gráfica;
  • Armazenamento de dados na workstation;
  • Apresentação na tela da Workstation na forma numérica e de gráficos dos valores relacionados a potência hidráulica, velocidade de rotação da turbina, torque gerado, potência mecânica gerada e rendimento;
  • Manual de operação com procedimentos.

 

Aplicações

O equipamento MF15 - Estudo de Turbinas Pelton e Francis, permite a realização de atividades práticas de apoio, as abordagens teóricas relacionadas a:

  1. Potência hidráulica ou potência de entrada em função da vazão e da altura de queda;
  2. Características construtivas da turbina Francis;
  3. Variação do torque produzido pela turbina Francis para diferentes vazões;
  4. Variação do torque produzido pela turbina Francis para diferentes alturas de queda;
  5. Potência gerada pela turbina Francis em função da vazão e da altura de queda;
  6. Gráficos da potência gerada pela turbina Francis para diferentes velocidades de rotação, vazões e alturas de queda;
  7. Rendimento da turbina Francis diferentes rotações do eixo, vazões e alturas de queda;
  8. Gráficos de rendimento da turbina Francis para diferentes velocidades de rotação, vazões e alturas de queda;
  9. Características construtivas da turbina Pelton;
  10. Análise das características construtivas das pás de uma turbina Pelton;
  11. Características do bico injetor e do jato produzido;
  12. Influência da vazão e pressão sobre as características do jato no bico injetor;
  13. Torque produzido pela turbina Pelton por diferentes descargas do jato sobre as pás do rotor;
  14. Potência gerada pela turbina Pelton em função da vazão e da altura de queda;
  15. Gráficos da potência gerada pela turbina Pelton para diferentes velocidades de rotação, vazões e alturas de queda;
  16. Rendimento da turbina Pelton diferentes rotações do eixo, vazões e alturas de queda;
  17. Gráficos de rendimento da turbina Pelton para diferentes velocidades de rotação, vazões e alturas de queda.