Turbina de reação é um tipo de maquinário hidráulico que converte energia hidráulica em energia mecânica usando a pressão do fluxo de água.
(1) Estrutura. Os principais componentes estruturais da turbina de reação incluem o rotor, a câmara de adução, o mecanismo de guia de água e o tubo de sucção.
1) Rotor. O rotor é um componente da turbina hidráulica que converte a energia do fluxo de água em energia mecânica rotativa. De acordo com as diferentes direções de conversão de energia da água, as estruturas do rotor de várias turbinas de reação também são diferentes. O rotor da turbina Francis é composto por pás torcidas aerodinâmicas, coroa da roda e anel inferior; o rotor da turbina de fluxo axial é composto por pás, corpo do rotor, cone de descarga e outros componentes principais; a estrutura do rotor da turbina de fluxo inclinado é complexa. O ângulo de posicionamento das pás pode mudar de acordo com as condições de trabalho e corresponder à abertura da palheta-guia. A linha central de rotação das pás forma um ângulo oblíquo (45° a 60°) com o eixo da turbina.
2) Câmara de adução. Sua função é fazer com que a água flua uniformemente para o mecanismo de guia de água, reduzir a perda de energia e melhorar a eficiência da turbina hidráulica. A caixa espiral metálica com seção circular é frequentemente utilizada para turbinas hidráulicas de grande e médio porte com queda d'água acima de 50 m, enquanto a caixa espiral de concreto com seção trapezoidal é frequentemente utilizada para turbinas com queda d'água abaixo de 50 m.
3) Mecanismo de guia de água. Geralmente é composto por um certo número de palhetas-guia aerodinâmicas e seus mecanismos de rotação, dispostos uniformemente na periferia do rotor. Sua função é direcionar o fluxo de água para o rotor de maneira uniforme e alterar o fluxo da turbina hidráulica, ajustando a abertura da palheta-guia, de modo a atender às necessidades de carga da unidade geradora. Também desempenha a função de vedação da água quando totalmente fechada.
4) Tubo de sucção. Parte da energia restante no fluxo de água na saída do rotor não foi utilizada. A função do tubo de sucção é recuperar essa energia e descarregar a água a jusante. O tubo de sucção pode ser dividido em formato de cone reto e formato curvo. O primeiro possui alto coeficiente de energia e é geralmente adequado para pequenas turbinas horizontais e tubulares. Embora o desempenho hidráulico do segundo seja inferior ao do cone reto, a profundidade de escavação é pequena e é amplamente utilizado em turbinas de reação de grande e médio porte.
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(2) Classificação. A turbina de reação é dividida em turbina Francis, turbina diagonal, turbina axial e turbina tubular, de acordo com a direção do fluxo de água que passa pela superfície do eixo do rotor.
1) Turbina Francis. A turbina Francis (fluxo radial axial ou Francis) é um tipo de turbina de reação na qual a água flui radialmente ao redor do rotor e axialmente. Este tipo de turbina possui uma ampla faixa de altura manométrica (30 a 700 m), estrutura simples, pequeno volume e baixo custo. A maior turbina Francis já colocada em operação na China é a turbina da Usina Hidrelétrica de Ertan, com potência nominal de 582 MW e potência máxima de 621 MW.
2) Turbina de fluxo axial. A turbina de fluxo axial é um tipo de turbina de reação na qual a água flui para dentro e para fora do rotor axialmente. Este tipo de turbina é dividido em tipo de hélice fixa (tipo hélice helicoidal) e tipo de hélice rotativa (tipo Kaplan). As pás da primeira são fixas e as pás da segunda podem girar. A capacidade de descarga da turbina de fluxo axial é maior do que a da turbina Francis. Como a posição das pás da turbina do rotor pode mudar com a variação da carga, ela tem alta eficiência em uma ampla faixa de variação de carga. A resistência à cavitação e a resistência mecânica da turbina de fluxo axial são piores do que as da turbina Francis, e sua estrutura também é mais complexa. Atualmente, a altura manométrica aplicável deste tipo de turbina atinge mais de 80 m.
3) Turbina tubular. O fluxo de água deste tipo de turbina flui axialmente do fluxo axial para o rotor, sem rotação antes e depois do rotor. A faixa de altura manométrica utilizada é de 3 a 20°C. Apresenta as vantagens de baixa altura da fuselagem, boas condições de fluxo de água, alta eficiência, baixo custo de engenharia civil, ausência de voluta e tubo de sucção curvo, e quanto menor a altura manométrica, mais evidentes são suas vantagens.
De acordo com o modo de conexão e transmissão do gerador, a turbina tubular é dividida em tipo tubular completo e tipo semitubular. O tipo semitubular é ainda dividido em tipo bulbo, tipo eixo e tipo extensão de eixo, sendo o tipo extensão de eixo dividido em eixo inclinado e eixo horizontal. Atualmente, os mais utilizados são o tipo bulbo tubular, o tipo extensão de eixo e o tipo eixo, sendo utilizados principalmente em unidades de pequeno porte. Nos últimos anos, o tipo eixo também tem sido utilizado em unidades de grande e médio porte.
O gerador da unidade tubular de extensão axial é instalado fora do canal de água e conectado à turbina hidráulica por meio de um eixo inclinado longo ou eixo horizontal. A estrutura deste tipo de extensão de eixo é mais simples do que a do tipo bulbo.
4) Turbina de fluxo diagonal. A estrutura e o tamanho da turbina de fluxo diagonal (também conhecida como diagonal) estão entre as turbinas Francis e de fluxo axial. A principal diferença é que a linha central da pá do rotor forma um ângulo específico com a linha central da turbina. Devido às características estruturais, a unidade não pode afundar durante a operação, portanto, o dispositivo de proteção contra deslocamento axial é instalado na segunda estrutura para evitar a colisão entre a pá e a câmara do rotor. A faixa de altura manométrica de utilização da turbina de fluxo diagonal é de 25 a 200 m.
Atualmente, a maior potência nominal de saída unitária de uma turbina de queda inclinada no mundo é de 215 MW (antiga União Soviética), e a maior altura de utilização é de 136 m (Japão).
Horário da publicação: 01/09/2021
