Proceedings of the 10o Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering -- ENCIT 2004 Braz Soc of Mechanical Sciences and Engineering -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

TURBINA HIDROCINEacuteTICA AXIAL Sonia Magalhatildees dos Santos e-mail vnsantosmikruscombr Jorge Alberto Almeida e-mail dfsjaafurgbr Daniel Alves de Andrade e-mail kazoebolcombr Leonardo Files Dias e-mail leonardofiles bolcombr Departamento de Fiacutesica ndash Fundaccedilatildeo Universidade Federal do Rio Grande (FURG) Av Itaacutelia km 8 - Campus Carreiros - Rio GrandeRS ndash Brasil ndash CEP 96201-900 Resumo Este trabalho teve como objetivos projetar construir instalar e testar uma turbina hidrocineacutetica axial que funciona atraveacutes da energia cineacutetica devido agrave passagem de aacutegua pelo rotor eliminando grandes casas de maacutequinas dutos e barragens pois natildeo exige queda drsquoaacutegua diminuindo os impactos ambientais Foi desenvolvido novo procedimento para caacutelculo dos perfis das paacutes baseado em estudos de turbinas eoacutelicas O diacircmetro externo da turbina eacute de 14 m aacuterea uacutetil de 147 m2 trecircs paacutes e potecircncia de 1 KVA podendo operar numa faixa de velocidades drsquoaacutegua de 13 ms a 2 ms caracteriacutesticas da regiatildeo de Rio GrandeRS O rotor foi construiacutedo com resina polieacutester e fibra de vidro A turbina foi montada numa estrutura moacutevel balsa construiacuteda com quatro toneacuteis de 200 litros ligados por cantoneiras Testes feitos na Lagoa dos Patos indicaram uma rotaccedilatildeo de 150 rpm e torque de 126 Nm no eixo superior de transmissatildeo Foram desenvolvidos dois sistemas de transmissatildeo de torque e ampliaccedilatildeo de rotaccedilatildeo para obter-se a rotaccedilatildeo no alternador de 2054 rpm sem carga e 1800 rpm para a capacidade de carga desejada O conjunto turbina ndash estrutura ndash sistema de transmissatildeo e alternador eacute robusto e de faacutecil instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo Palavras chave turbina hidrocineacutetica micro centrais hidreleacutetricas geraccedilatildeo de eletricidade isolada

1 Introduccedilatildeo

A energia renovaacutevel das mareacutes e o fluxo dos oceanos ateacute pouco tempo atraacutes estava passando despercebida mas com

o provaacutevel esgotamento das fontes tradicionais de energia o mundo estaacute se preocupando e buscando fontes alternativas que aleacutem de estarem disponiacuteveis em abundacircncia natildeo poluem destacando-se como energia limpa

A energia hidrocineacutetica eacute gerada de grandes fluxos de aacutegua como rios de grandes vazotildees e que natildeo possuem quedas de aacutegua canais ou das correntes marinhas usando turbinas completamente submersas Estas turbinas trabalham no mesmo princiacutepio das turbinas eoacutelicas entretanto estas usam a energia cineacutetica da aacutegua em movimento para a produccedilatildeo de energia ao contraacuterio das turbinas eoacutelicas onde eacute usado o ar A potecircncia que pode ser extraiacuteda das correntes eacute dependente da velocidade do fluxo da aacutegua da aacuterea e da eficiecircncia da turbina

A turbina hidrocineacutetica estaacute em estaacutegio de desenvolvimento com um pequeno nuacutemero de protoacutetipos e unidades de demonstraccedilatildeo que estatildeo sendo testadas em partes isoladas do mundo (World Energy 2002)

Os protoacutetipos mais comuns encontrados satildeo as turbinas horizontais e as turbinas verticais Algumas variantes podem ser usadas nestes dois tipos de turbinas como o uso de concentradores (ou saias) ou cercas Tidal

As turbinas horizontais satildeo similares agraves turbinas eoacutelicas onde o fluxo eacute axial ao rotor Protoacutetipo destas turbinas de ateacute 10 kW foram construiacutedos e testados usando este conceito Haacute atualmente algumas plantas a serem instaladas uma delas na costa sul do Reino Unido usando uma maacutequina da demonstraccedilatildeo de 300 kW

As turbinas verticais satildeo de fluxo transversal sendo o exemplo mais conhecido deste modelo a turbina de Darrieus com trecircs ou quatro lacircminas finas Alguns protoacutetipos autocircnomos foram testados incluindo uma turbina de 5 kW testada no estreito de Kurushima Japatildeo Os estudos mais avanccedilados destes modelos incluindo as cercas Tidal estatildeo sendo feitos no Canadaacute onde haacute projetos para instalar um sistema de demonstraccedilatildeo de 30 MW nas Filipinas (Blue Energy 2002)

O principio das turbinas de aacuteguas correntes tem sido utilizado para acionar uma pequena bomba e possibilitar vantagens em um sistema de irrigaccedilatildeo mas tambeacutem pode funcionar como uma microcentral principalmente para atender as populaccedilotildees ribeirinhas que vivem em aacutereas isoladas

O sistema de energia hidrocineacutetica tem significativas vantagens sobre sistemas de energia convencionais e outras fontes de energias renovaacuteveis Ela tem uma densidade de energia extremamente elevada as emissotildees de gaacutes provocando efeito estufa satildeo zero opera a um custo baixo e produz um impacto ambiental muito baixo As vantagens chaves que distinguem as correntes do oceano rios ou lagoas como uma nova fonte significativa e atrativa da energia satildeo densidade da aacutegua (energia) elevada ecoloacutegica econocircmica versaacutetil e abundante

As velocidades das correntes satildeo mais baixas que as eoacutelicas poreacutem devido agrave densidade mais elevada da aacutegua (835 vezes maior do que a do ar) as turbinas satildeo menores do que suas similares eoacutelicas para a mesma capacidade instalada

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

A maioria das tecnologias de energia renovaacuteveis fornecem eletricidade numa relaccedilatildeo produccedilatildeo por aacuterea muito pequena O caso da energia eoacutelica e a solar satildeo exemplos onde se necessita de grandes aacutereas para pequenas produccedilotildees tornando-se projetos antieconocircmicos

Sendo a aacutegua do mar muito mais densa que o ar consequumlentemente a energia cineacutetica disponiacutevel de uma corrente do oceano de 3 ms eacute equivalente a uma velocidade do vento de aproximadamente 270 kmh Em muitos paiacuteses em torno do mundo esta tecnologia tem a capacidade de substituir o carvatildeo e as plantas de energia nuclear podendo produzir eletricidade limpa de confianccedila e em grande escala Uma planta desta forma de energia instalada em uma passagem do oceano de 1 quilocircmetro pode produzir mais eletricidade do que uma planta nuclear de grande porte sem nenhuma poluiccedilatildeo perigo ou emissatildeo radioativa

O grande volume e as grandes densidades das correntes mariacutetimas permitem que este tipo de tecnologia gere 200 vezes a energia produzida por outros tipos de energia renovaacuteveis dentro de uma mesma aacuterea fazendo com que esta se torne altamente atrativa

Este sistema eacute significativamente diferente dos sistemas convencionais de barragens e depende apenas das correntes do oceano para gerar eletricidade A disposiccedilatildeo das turbinas permite por serem lentas que a aacutegua e os peixes fluam livremente e com seguranccedila atraveacutes da estrutura sem causar nenhum impacto O projeto aberto da comporta e a rotaccedilatildeo lenta das turbinas (aproximadamente 25 rpm) permitem uma migraccedilatildeo virtualmente desimpedida dos peixes bem como dos sedimentos marinhos No caso dos mamiacuteferos maiores estes satildeo protegidos por uma cerca protetora que envolve todo o sistema impedindo um contato dos mesmos com as turbinas em movimento

O sincronismo do fluxo das mareacutes natildeo eacute afetado assegurando-se a integridade dos sistemas marinhos Ao contraacuterio dos sistemas mareacute motrizes convencionais natildeo haacute a necessidade de construccedilatildeo de barragens para o

armazenamento da aacutegua das mareacutes viabilizando assim os projetos Outra grande vantagem deste sistema eacute que quando implantado em grande escala este projeto contribuiraacute

significativamente na reduccedilatildeo de emissotildees do gaacutes estufa originado dos combustiacuteveis foacutesseis a principal causa da mudanccedila do clima na terra Uma planta de grande porte deste sistema deixa de produzir ateacute dez milhotildees de toneladas de CO2 a cada ano

Com este sistema espera-se ter um custo importante de competiccedilatildeo de custo da potecircncia instalada de US$1200kW para unidades em grande escala e US$ 3000 para sistemas pequenos e gerar a eletricidade em uma taxa competitiva de aproximadamente US$ 006 kWh sem os custos ecoloacutegicos associados com as fontes de energia convencionais (Blue Energy 2002)

Uma instalaccedilatildeo hidrocineacutetica pode ser instalada em aacuteguas profundas bem como aacuteguas mais rasas do oceano ou atraveacutes de uma passagem onde as velocidades atinjam valores econocircmicos de projeto Os modelos variam de 2 kW ateacute as grandes turbinas para o oceano na classe de MW que podem ser combinadas nas disposiccedilotildees de acordo com a demanda desejada Estes sistemas ainda podem ter funccedilotildees muacuteltiplas como uma ponte para o transporte (estrada linha do trilho) linhas de telefone reduzindo os custos do projeto

A energia do oceano pode ser o maior recurso de energia renovaacutevel do planeta Os exames preliminares mostram um potencial global girando por volta de 450 GW representando um mercado de mais de US$ 550 bilhotildees Nas aacutereas onde as pesquisas foram mais detalhadas estas conduziram agrave descoberta de locais adicionais que sugerem que nosso recurso real eacute consideravelmente maior

Outros projetos importantes desenvolvidos ou em desenvolvimento satildeo O do Depto de Engenharia Mecacircnica da UnB para atendimento do posto meacutedico Prof Luacutecio Salomatildeo localizado

no municiacutepio de Correntina (BA) A seleccedilatildeo do rio para os testes foi justamente por ele ter muitas correntezas e pouca queda drsquoaacutegua favorecendo o princiacutepio da energia cineacutetica A turbina tem as seguintes caracteriacutesticas teacutecnicas diacircmetro da heacutelice de 18 m de 6 a 50 rpm transmissatildeo mecacircnica com 2 diferenciais e correias gerador siacutencrono monofaacutesico de 2 kVA proteccedilatildeo sobre tensatildeo com controlador eletrocircnico e regulaccedilatildeo eletrocircnica do campo de excitaccedilatildeo (UnB 1990) A Figura 1 ilustra o desempenho da turbina

Diacircmetro da turbina (m)

Potecirc

ncia

da

turb

ina

(W)

Figura 1 Potecircncia da turbina (W) X Velocidade da aacutegua (ms) X diacircmetro da turbina (m) (UnB 1990)

2

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Para velocidades de correntes menores que 08 ms a potecircncia torna-se muito baixa para qualquer interesse de aplicaccedilatildeo e neste caso somente condiccedilotildees extremamente econocircmicas poderatildeo viabilizar a sua utilizaccedilatildeo

O protoacutetipo da empresa Marine Current Turbines Ltd que colocaraacute em funcionamento uma turbina de 300 KW na costa norte de Devom no sudoeste da Inglaterra que consiste em um par de rotores de fluxo axial de aproximadamente 15 m de diacircmetro onde cada turbina estaacute acoplada a um gerador atraveacutes de uma caixa de engrenagens como ocorre em turbinas eoacutelicas A turbina eacute montada em um tubo de accedilo possuindo um rasgo onde o rotor se desloca e estaacute ligada ao continente por um cabo submarino Este projeto permite que a turbina quando em manutenccedilatildeo seja suspensa para fora da aacutegua facilitando seu acesso dispensando mergulhadores Para um projeto de uma fazenda com 794 turbinas com custo de US$ 900 milhotildees incluindo a conexatildeo com o continente a produccedilatildeo chegaria a 13 GWh com um custo de US$ 007 por kWh A Fig 2 ilustra o protoacutetipo

Figura 2 Turbina hidrocineacutetica da empresa Marine Current Turbines Ltd 2002

O Amazon Aquacharger (carregador de baterias) que eacute um sistema ideal nas aacutereas onde grandes setores da populaccedilatildeo vivem em comunidades dispersadas ao longo dos rios e de canais As comunidades rurais centros de sauacutede escolas alojamentos turiacutesticos e estaccedilotildees de pesquisa que se situam frequumlentemente ao longo dos rios satildeo beneficiadas por esta forma de energia (Thropton Energy Services 2002)

Conforme Fig 3 o Amazon Aquacharger eacute um sistema turbina-gerador e controles para ser montado sobre barcos abertos e funciona como um moinho de vento sub-aquaacutetico com rotor de trecircs laminas A turbina eacute baixada dentro de um rio ou canal onde a profundidade eacute maior que 175 m e a velocidade livre da aacutegua fica entre 045 ms e 15 ms e pode produzir ateacute 500 W O uso de uma alta eficiecircncia baixo atrito no alternador e um projeto aerodinacircmico das paacutes fazem com que a turbina seja ativada em baixas velocidades de correntes maximizando o potencial das aacuteguas A potecircncia gerada eacute armazenada em baterias de 12 V e pode ser utilizada em refrigeradores luzes TVs portaacuteteis equipamentos de comunicaccedilatildeo e inversores para operar em aplicaccedilotildees de 120 ou 240 V

As caracteriacutesticas do sistema satildeo A baixa velocidade da aacutegua que o sistema requer para operaccedilatildeo permite que ele seja versaacutetil podendo ser

empregado na maioria dos rios possui a capacidade de carregar seis baterias de 12V simultaneamente usa a energia renovaacutevel e natildeo necessita nenhum combustiacutevel ou oacuteleo eacute faacutecil de operar-se e manter provou ser altamente apropriado para o uso em posiccedilotildees isoladas quase totalmente silencioso ao funcionar natildeo necessita nenhum trabalho de engenharia civil de grande escala diacircmetro da turbina de 18 m simples de ser montado desmontado e transportado para recolocaccedilotildees pode funcionar 24 horas por dia e ser totalmente independente o rotor eacute protegido do chatildeo e de objetos flutuantes possui controle que liga automaticamente o sistema quando as baterias atingem o limite inferior preacute-estabelecido e o desliga quando as mesmas atingem a carga maacutexima possui controle automaacutetico que baixa e levanta a turbina podendo este ser realizado manualmente e necessita de um barco aberto com comprimento miacutenimo de 5 m

Embora os custos de operaccedilatildeo sejam baixos o custo de instalaccedilatildeo de um sistema de energia renovaacutevel eacute mais elevado do que um gerador a diesel equivalente Para compensar o custo elevado inicial a vida de serviccedilo longa e a confiabilidade elevada satildeo uma exigecircncia O propoacutesito deste sistema natildeo eacute um atrativo para as grandes companhias e ainda estaacute muito longe de ser economicamente atrativo para os grandes centros consumidores mas sim para comunidades isoladas na beira de rios como mostra a Fig 3

3

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Figura 3 Turbina hidrocineacutetica da empresa Thropton Energy Services 2002 O trabalho aqui apresentado baseou-se nos projetos desenvolvidos ou em desenvolvimento no mundo e teve como

objetivos projetar construir instalar e testar uma turbina hidrocineacutetica axial Foi desenvolvido novo procedimento para caacutelculo dos perfis das paacutes baseado em estudos de turbinas eoacutelicas podendo operar numa faixa de velocidades drsquoaacutegua de 13 ms a 2 ms caracteriacutesticas da regiatildeo de Rio GrandeRS 2 Projeto da turbina hidrocineacutetica

Com base nos projetos desenvolvidos pela UnB (1990) construiu-se uma turbina hidrocineacutetica com as caracteriacutesticas apresentadas na Tab 1 Tabela 1 Caracteriacutesticas de projeto do rotor da turbina

Descriccedilatildeo da caracteriacutestica Valor Unidade Observaccedilotildees de Diacircmetro externo da turbina 140 m di Diacircmetro interno da turbina 030 m v Velocidade da corrente de aacutegua 160 ms

Wc Potecircncia de projeto para a condiccedilatildeo real 120 kW Wct Potecircncia de projeto ou potecircncia teoacuterica da turbina 300 kW η Rendimento global da turbina 40 n Rotaccedilatildeo para a condiccedilatildeo real da turbina 3360 rpm 6 a 50 rpm

(UnB 1990)

Para que se possa aplicar a metodologia para projeto de turbinas axiais proposta por Souza 1991 deve-se transformar a energia cineacutetica em energia potencial sendo que esta eacute aplicada em funccedilatildeo da altura da queda da aacutegua de acordo com Eq 1 (1) W = hgvAp ρ

onde Wp=Potencia gerada devido agrave altura equivalente h (W) A= Aacuterea uacutetil das lacircminas do rotor (msup2) v= Velocidade da aacutegua (ms) ρ= Massa especiacutefica da aacutegua (kgmsup3) g= Aceleraccedilatildeo da gravidade (mssup2) h= Altura equivalente agrave energia cineacutetica (m)

A equaccedilatildeo da potecircncia devido agrave energia cineacutetica eacute representada pela Eq 2

2)(21 vvAcW ρ= (2)

4

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Entretanto para casos praacuteticos de funcionamento do dispositivo em rios ou correntes mariacutetimas esta energia natildeo estaacute totalmente disponiacutevel para a extraccedilatildeo pois a aacutegua natildeo pode simplesmente parar quando passa da turbina necessita de alguma velocidade o que representa energia para se mover afastando-se assim da saiacuteda da turbina Aleacutem deste fator tem-se tambeacutem as ineficiecircncias da proacutepria turbina denotadas pelo seu coeficiente de desempenho Cp

De acordo com Worl Energy 2002 verifica-se que o maacuteximo valor de Cp para um dispositivo semelhante em funcionamento num rio eacute de 1627 ou 0592

Aplicando-se este fator agrave equaccedilatildeo (2) a potecircncia devido agrave energia cineacutetica eacute representada pela Eq 3

3278 vAWc ρ= (3)

Para determinar a altura equivalente agrave energia cineacutetica produzida (h) deve-se igualar as Eqs 1 e 3 obtendo-se

g

vh27

cos28 θ= (4)

A partir da Eq 4 a determinaccedilatildeo das dimensotildees do rotor seraacute feita seguindo a metodologia proposta por Souza 1991

Para efeito de caacutelculos seraacute suposto que o sentido de fluxo eacute axial ao eixo da turbina considerando que esta eacute a situaccedilatildeo mais criacutetica e eacute onde ocorrem os maiores esforccedilos

Aplicando-se os paracircmetros hidraacuteulicos do projeto ao conjunto de Eqs 4 a 22 obteacutem-se os dados de projeto do rotor da turbina de acordo com as Tabs 1 e 2 onde estatildeo definidas as variaacuteveis envolvidas

(5) rdd ei =

4

)(

22ie dd

Aminus

= π (6)

η

cct

WW = (7)

(8) hgY = (9) AvQ =

750

503 10

Y

QnnqA = (10)

(11) 38252 10412110650410932499319 qAqAqA nnnZ minusminusminus minus+minus=

)(

422ie

m ddQvminus

=π

(12)

ADOTADO

ii Z

dt

π= (13)

(14) itqAnqAnqAniL )391030242610235731036826891( minus+minusminusminus+=

(15) ii dnu π=

i

hui

uYv

2

2η

=∆ (16)

∆minus

=infin

2

arctanui

i

mi v

u

vβ (17)

i

mi

vw

infininfin =

βsen (18)

ii

si wLnZYc

infin

=

2 η (19)

(20) ee dnu π=

5

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

e

eu

uYv

2

2η

=∆ (21)

)2(

arctanuee

me vu

v∆minus

=infinβ (22)

O comprimento da corda do perfil no diacircmetro externo (Le) foi obtido atraveacutes de uma lei de formaccedilatildeo inovadora

para turbinas hidraacuteulicas a partir do projeto de turbinas eoacutelicas (Eggleston e Stoddart 1987) conforme Fig 4

Figura 4 Lei de formaccedilatildeo inovadora do perfil da paacute do rotor

ej

dd 10 02907

Li

Le=0415Li

02120

Lj

Conforme Fig 4 a lei de formaccedilatildeo inovadora do perfil da paacute do rotor propotildee que Lj seja igual a Li ateacute djde atingir 02907 e que Le atinja 415 do valor de Li Assim os valores de Lj satildeo obtidos a partir da Eq 23 onde

di = diacircmetro interno do rotor (m) de = diacircmetro externo do rotor (m) dj = diacircmetro geneacuterico do rotor variando de di a de (m)

(23) 06458)(66304 +timesminus= dedjLj

A lei de formaccedilatildeo do comprimento das seccedilotildees dos perfis do rotor permitiu que o comprimento do perfil externo Le se tornasse menor do que o comprimento do perfil interno Li o que era desejado conforme Fig 2

As Eqs 24 a 34 complementam os caacutelculos das dimensotildees do rotor da turbina (Souza 1991)

4

)()(1300 ieei ddLLhF minus+= (24)

4

)( ief

ddFM minus= (25)

33 103657 fgi Mxe minus= (26)

(27) gige ee 330=

(28) gip eD 51=

2

6

gip

f

eD

M=τ (29)

1120

)( jgj

Lef = (30)

(31) iigigi Lfey 014050 +=

(32) eegege Lfey 014050 +=

(33) iigimaacutexi Lfey 0110021 +=

(34) eegemaacutexe Lfey 0110021 +=

6

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004 Tabela 2 Paracircmetros hidraacuteulicos e dados de projeto do rotor da turbina

Descriccedilatildeo do paracircmetro Eq Valor Unidade Observaccedilotildees h Altura equivalente agrave energia cineacutetica 4 008 m A Aacuterea uacutetil do rotor 6 147 m2 Y Trabalho especiacutefico 8 0759 m2s2 Q Vazatildeo atraveacutes da turbina 9 235 m3s

nqA Rotaccedilatildeo especiacutefica geneacuterica 10 105670 rps 240 a 1060 para turbinas

axiais vm Velocidade meridional 12 16 ms

ti Passo no diacircmetro interno 13 031 m Li Corda do perfil no diacircmetro interno 14 03694 m ui Velocidade tangencial no diacircmetro interno 15 0522 ms

2iuv∆ Componente da velocidade absoluta na direccedilatildeo tangencial no

diacircmetro interno 16 029 ms

iinfinβ

Acircngulo do escoamento natildeo perturbado com a direccedilatildeo tangencial no diacircmetro interno

17 817 graus

iwinfin

Velocidade relativa do escoamento natildeo perturbado no diacircmetro interno

18 162 ms

sic

Coeficiente de sustentaccedilatildeo para o perfil no diacircmetro interno 19 06067 Para Csile 120

eu Velocidade tangencial no diacircmetro externo 20 246 ms

2euv∆

Componente da velocidade absoluta na direccedilatildeo tangencial no

diacircmetro externo 21 00617 ms

einfinβ

Acircngulo do escoamento natildeo perturbado com a direccedilatildeo tangencial no diacircmetro externo

22 3362 graus

Le Comprimento da corda do perfil no diacircmetro externo 01534

m Lei de formaccedilatildeo

inovadora da Eq 23

F Forccedila que atua na paacute no diacircmetro meacutedio 24 1439 N Para sobrepressatildeo de 30 pelas variaccedilotildees das correntes de

aacutegua Mf Momento fletor que atua na paacute 25 40 Nm

egi Espessura miacutenima no centro de gravidade do perfil interno 26 0035 m Adotou-se megi 040=

ege Espessura miacutenima no centro de gravidade do perfil externo 27 0015 m Adotou-se o mesmo valor

calculado Dp Diacircmetro do pino de fixaccedilatildeo da paacute ao cubo do rotor 28 006 m τ Tensatildeo maacutexima atuante na paacute 29 250104 Nm2

fi Fator de engrossamento eou afinamento do perfil interno 30 085

fe Fator de engrossamento eou afinamento do perfil externo 30 087

ygi Ordenada do perfil no diacircmetro interno no centro de gravidade 31 00269 m

yge Ordenada do perfil no diacircmetro externo no centro de gravidade 32 00077 m

ymaxi Ordenada maacutexima do perfil no diacircmetro interno 33 00391 m

ymaxe Ordenada maacutexima do perfil no diacircmetro externo 34 00164 m

7

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

3 Construccedilatildeo do Rotor da Turbina

Para cada secccedilatildeo do perfil da paacute foram calculados seus pontos superiores e inferiores ( ysrsquo e yirsquo) para cada tamanho de corda (L) Com isto obteve-se 11 perfis desenhados em papel em escala 1x1 Logo apoacutes foram reproduzidos numa chapa de alumiacutenio A Fig 5 mostra o perfil interno (i) com coordenadas em mm

Coordenada L (mm)

Coo

rden

ada

yrsquo (m

m)

Figura 5 Perfil interno ( i ) da paacute do rotor da turbina Para montar-se a estrutura do molde os perfis em alumiacutenio foram ligados atraveacutes de seu centro de gravidade com

um arame de construccedilatildeo conforme Fig 6 Isto deu o apoio necessaacuterio para que fosse possiacutevel atraveacutes de um transferidor dar o acircngulo correto ( ) de secccedilatildeo a secccedilatildeo Tacos de maneira cortados na medida certa deram certeza que todos os pontos de um perfil ficassem equumlidistantes do perfil seguinte

β

Figura 6 Estrutura do molde da paacute do rotor com os perfis em alumiacutenio Para a construccedilatildeo do molde Fig 7 foi utilizada massa plaacutestica mistura de resina polieacutester com pigmentos

(conhecida como poacute industrial) formando uma pasta faacutecil de trabalhar e com bom rendimento Foram colocados pinos de sustentaccedilatildeo no interior das paacutes e que vatildeo prender as paacutes no flange

Figura 7 Molde da paacute do rotor da turbina

8

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

As paacutes foram reproduzidas atraveacutes do meacutetodo manual de laminaccedilatildeo Foi aplicada uma cera desmoldante sobre o molde logo apoacutes depositou-se uma manta de fibra de vidro umedecida com resina polieacutester utilizando pincel e um rolo eliminando quase que totalmente as bolhas que poderiam se formar causando um efeito natildeo desejaacutevel A reproduccedilatildeo da paacute utilizando este meacutetodo atingiu um efeito esperado e um oacutetimo acabamento que foi finalizado com a aplicaccedilatildeo de gel onde foram eliminadas as imperfeiccedilotildees superficiais Os espaccedilos vazios foram preenchidos com resina que foi aplicada de maneira controlada e gradativa em funccedilatildeo da reaccedilatildeo quiacutemica da resina x catalisador quando ocorre um aumento significativo da temperatura A Fig 8 mostra as 3 paacutes reproduzidas

Figura 8 Paacutes do rotor da turbina em fibra de vidro com resina polieacutester O cubo do rotor foi confeccionado utilizando um duto de 300 mm correspondendo ao diacircmetro do perfil interno

das paacutes (di) A Fig 9 mostra o rotor montado

Figura 9 Rotor da turbina montado

4 Montagem da Turbina

A proacutexima etapa eacute dimensionar o sistema que vai transmitir a potencia gerada pela turbina atraveacutes de seu torque e rotaccedilatildeo a um gerador A Fig 10 mostra a montagem da aacutervore de transmissatildeo com coroa e pinhatildeo ligados por corrente

O meacutetodo utilizado para o dimensionamento da aacutervore de transmissatildeo foi o da Teoria de Tresca-Soderberg segundo Deutschaman 1990 obtendo-se os valores mostrados na Tab 3 Tabela 3 Dados do sistema de transmissatildeo

Elemento Valor Unidade Diacircmetro do Eixo 00254 m

Coroa 52 dentes Pinhatildeo 11 dentes

Comprimento do eixo submerso 0700 m Eixo Superior 0500 m

Relaccedilatildeo de Transmissatildeo 47 Passo da corrente 00127 m

9

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Figura 10 Montagem da aacutervore de transmissatildeo

Para sustentar a turbina foi escolhida uma estrutura do tipo moacutevel pois o que se precisa fazer eacute soacute transportaacute-la ateacute a aacutegua A alternativa encontrada para flutuaccedilatildeo da estrutura foi a de usar toneacuteis de 200 litros que deram um bom empuxo devido ao seu grande volume Com eles foi construiacuteda uma balsa toda montada em cantoneiras soldadas de 1 frac14rdquo com espessura de 18rdquo As partes moacuteveis foram fixadas com parafusos de 38rdquo A construccedilatildeo da balsa partiu do principio que a turbina fosse independente da balsa facilitando assim o transporte do laboratoacuterio ateacute a aacutegua Na Fig 11 pode-se ver a o desenho da balsa e a turbina montadas A quantidade de toneacuteis foi suficiente para comportar o peso da turbina a estrutura e duas pessoas que somavam juntas 160 kg

Figura 11 Turbina Montada na Balsa

5 Testes da Turbina

Os testes foram feitos de maneira controlada rebocando a balsa utilizando um barco no Estuaacuterio da Lagoa dos Patos proacuteximo a Rio Grande RS gerando uma correnteza artificial com velocidade medida por um sistema de posicionamento global GPS Assim foi possiacutevel levantar o comportamento da turbina seu torque e rotaccedilatildeo sendo importantes para o desenvolvimento do sistema de ampliaccedilatildeo A Tab 4 mostra os dados fundamentais obtidos nos testes e a Fig 12 apresenta a turbina sendo rebocada pelo barco e estatildeo sendo feitas mediccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo

Tabela 4 Dados Fundamentais Obtidos nos Testes

Paracircmetro Valor Unidade

Velocidade do Barco 13 ms

Rotaccedilatildeo no eixo superior 150 rpm

Torque 126 Nm

Rotaccedilatildeo no eixo submerso 50 rpm

10

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Figura 12 Turbina sendo rebocada pelo barco e mediccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo Os valores de torque encontrados estatildeo dentro da especificaccedilatildeo atribuiacuteda ao gerador jaacute que este necessita para gerar

o valor proposto no projeto 1 kVA um torque miacutenimo de 12 Nm Mas soacute o torque natildeo satisfaz pois eacute necessaacuteria uma rotaccedilatildeo miacutenima para que o gerador funcione Como a rotaccedilatildeo maacutexima obtida no eixo superior foi de 150 rpm entatildeo desenvolveu-se um sistema de ampliaccedilatildeo que transformaraacute a rotaccedilatildeo fornecida ao eixo superior pela turbina em uma rotaccedilatildeo maior que 1800 rpm

A Fig 13 apresenta a disposiccedilatildeo do sistema de ampliaccedilatildeo constituiacutedo de correias e polias

Figura 13 Disposiccedilatildeo do Sistema de Ampliaccedilatildeo A rotaccedilatildeo no eixo da polia 2 seraacute encontrada pela igualdade da velocidade tangencial de acordo com a Eq 35

2

112 r

rnn times= (35)

As Eqs 36 e 37 permitem encontrar a rotaccedilatildeo que eacute transmitida da polia 3 para a polia 4 obtendo-se assim a rotaccedilatildeo no eixo do gerador (36) 23 nn =

(37) 4433 rnrn times=times

A Tab 5 apresenta os resultados de rotaccedilatildeo obtidos com o sistema de transmissatildeo da Fig 13 A rotaccedilatildeo encontrada satisfaz as condiccedilotildees impostas pelo gerador tendo uma sobra de 955 rpm que daraacute seguranccedila

para o gerador realmente produzir 1 KVA alcanccedilando os objetivos do projeto

11

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Tabela 5 Rotaccedilotildees obtidas com o sistema de ampliaccedilatildeo Paracircmetro Descriccedilatildeo do Paracircmetro Valor Unidade

r1 Raio da polia 1 (ligada ao eixo do pinhatildeo) 0150 m n1 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 1 150 rpm r2 Raio da polia 2 0035 m n2 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 2 6429 rpm r3 Raio da polia 3 0150 m n3 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 3 6429 rpm r4 Raio da polia 4 (ligada ao eixo do gerador) 0035 m n4 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 4 2755 rpm

6 Conclusotildees

O projeto executado faz parte das atividades do grupo de pesquisa em Fontes Alternativas de Energia do Departamento de Fiacutesica da FURG que estuda a produccedilatildeo de energia dentro de seu ecossistema costeiro As condiccedilotildees locais de Rio GrandeRS numa regiatildeo sem quedas daacutegua poreacutem com mananciais abundantes de correntes de aacutegua de baixa velocidade motivou a realizaccedilatildeo deste projeto O desafio proposto de projetar construir e instalar uma turbina hidrocineacutetica axial foi plenamente atingido A turbina desenvolvida apresentou condiccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo que permitem gerar 1 kVA num alternador com carga instalada O conjunto eacute de faacutecil instalaccedilatildeo manutenccedilatildeo e acesso para obtenccedilatildeo das variaacuteveis envolvidas durante a sua operaccedilatildeo

Referecircncias Bibliograacuteficas Blue Energy Canada Inc PrimeDavis Hydro Turbine PrototypesPrime wwwbluenergycom acesso em 1811 2002 Deutschaman A D PrimeMachine Design Theory and PracticePrime USA Macmillam Publishing Co Inc 1990 Eggleston D M Stoddard F S rdquoWind Turbine Engineering Designrdquo New York Ed Van Nostrand Reinhold 1987 Marine Current Turbines Ltd Energy derived from the oceans currents wwwmarineturbinescom acesso em 18112002 Souza Z PrimeDimensionamento de Maacutequinas de FluxoTurbinas Bombas VentiladoresPrime SP Edgar Bluumlcher Ltda 1991 Thropton Energy ServicesPrimeAmazon AquacherPrime wwwthroptonenergycom acesso em 18112002 Universidade de Brasiacutelia PrimeProjeto Turbina HidrocineacuteticaPrime wwwturbina hidrocineacuteticacombr acesso em 18112002 World Enegy PrimeSituaccedilatildeo da Energia no MundoPrime wwwworldenegyorg acesso em 20102002

WATER CURRENT TURBINE

Sonia Magalhatildees dos Santos e-mail vnsantosmikruscombr

Jorge Alberto Almeida e-mail dfsjaafurgbr

Daniel Alves de Andrade e-mail kazoebolcombr

Leonardo Files Dias e-mail leonardofiles bolcombr Departamento de Fiacutesica ndash Fundaccedilatildeo Universidade Federal do Rio Grande (FURG) Av Itaacutelia km 8 - Campus Carreiros - Rio GrandeRS ndash Brasil ndash CEP 96201-900

Abstract This work had as goal to project build install and test an axial hydrokinetic turbine nominated water current turbine which uses the kinetic energy due to the water flow across the rotor eliminating big powerhouses ducts and dams because it does not require the existence of waterfalls decreasing the environmental impact A new procedure to calculate blade profile was developed based in wing turbine studies The turbine has an outside diameter of 14 m and a useful area of 147 m2 It has three blades and it operates at 1 kVA power with water speed ranging from 13 to 20 ms The environment conditions are those of the geographic area of Rio Grande RS Brazil The rotor was built using polyester resin and fiberglass The turbine was mounted in a mobile structure with four barrels of 200 liters linked by L-brackets Tests performed at the Patos Lake indicated a 150-rpm rotation and a 126 Nm torque in the transmission top axis Two torque transmission and rotation amplification systems were developed to acquire an alternator rotation of 2054-rpm with no charge and an alternator rotation of 1800-rpm at the desired charge The array turbine ndash structure ndash transmission system and alternator is robust and easy to install and repair

Keywords water current turbine micro central hydroelectric isolated electricity generation

12

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

A maioria das tecnologias de energia renovaacuteveis fornecem eletricidade numa relaccedilatildeo produccedilatildeo por aacuterea muito pequena O caso da energia eoacutelica e a solar satildeo exemplos onde se necessita de grandes aacutereas para pequenas produccedilotildees tornando-se projetos antieconocircmicos

Sendo a aacutegua do mar muito mais densa que o ar consequumlentemente a energia cineacutetica disponiacutevel de uma corrente do oceano de 3 ms eacute equivalente a uma velocidade do vento de aproximadamente 270 kmh Em muitos paiacuteses em torno do mundo esta tecnologia tem a capacidade de substituir o carvatildeo e as plantas de energia nuclear podendo produzir eletricidade limpa de confianccedila e em grande escala Uma planta desta forma de energia instalada em uma passagem do oceano de 1 quilocircmetro pode produzir mais eletricidade do que uma planta nuclear de grande porte sem nenhuma poluiccedilatildeo perigo ou emissatildeo radioativa

O grande volume e as grandes densidades das correntes mariacutetimas permitem que este tipo de tecnologia gere 200 vezes a energia produzida por outros tipos de energia renovaacuteveis dentro de uma mesma aacuterea fazendo com que esta se torne altamente atrativa

Este sistema eacute significativamente diferente dos sistemas convencionais de barragens e depende apenas das correntes do oceano para gerar eletricidade A disposiccedilatildeo das turbinas permite por serem lentas que a aacutegua e os peixes fluam livremente e com seguranccedila atraveacutes da estrutura sem causar nenhum impacto O projeto aberto da comporta e a rotaccedilatildeo lenta das turbinas (aproximadamente 25 rpm) permitem uma migraccedilatildeo virtualmente desimpedida dos peixes bem como dos sedimentos marinhos No caso dos mamiacuteferos maiores estes satildeo protegidos por uma cerca protetora que envolve todo o sistema impedindo um contato dos mesmos com as turbinas em movimento

O sincronismo do fluxo das mareacutes natildeo eacute afetado assegurando-se a integridade dos sistemas marinhos Ao contraacuterio dos sistemas mareacute motrizes convencionais natildeo haacute a necessidade de construccedilatildeo de barragens para o

armazenamento da aacutegua das mareacutes viabilizando assim os projetos Outra grande vantagem deste sistema eacute que quando implantado em grande escala este projeto contribuiraacute

significativamente na reduccedilatildeo de emissotildees do gaacutes estufa originado dos combustiacuteveis foacutesseis a principal causa da mudanccedila do clima na terra Uma planta de grande porte deste sistema deixa de produzir ateacute dez milhotildees de toneladas de CO2 a cada ano

Com este sistema espera-se ter um custo importante de competiccedilatildeo de custo da potecircncia instalada de US$1200kW para unidades em grande escala e US$ 3000 para sistemas pequenos e gerar a eletricidade em uma taxa competitiva de aproximadamente US$ 006 kWh sem os custos ecoloacutegicos associados com as fontes de energia convencionais (Blue Energy 2002)

Uma instalaccedilatildeo hidrocineacutetica pode ser instalada em aacuteguas profundas bem como aacuteguas mais rasas do oceano ou atraveacutes de uma passagem onde as velocidades atinjam valores econocircmicos de projeto Os modelos variam de 2 kW ateacute as grandes turbinas para o oceano na classe de MW que podem ser combinadas nas disposiccedilotildees de acordo com a demanda desejada Estes sistemas ainda podem ter funccedilotildees muacuteltiplas como uma ponte para o transporte (estrada linha do trilho) linhas de telefone reduzindo os custos do projeto

A energia do oceano pode ser o maior recurso de energia renovaacutevel do planeta Os exames preliminares mostram um potencial global girando por volta de 450 GW representando um mercado de mais de US$ 550 bilhotildees Nas aacutereas onde as pesquisas foram mais detalhadas estas conduziram agrave descoberta de locais adicionais que sugerem que nosso recurso real eacute consideravelmente maior

Outros projetos importantes desenvolvidos ou em desenvolvimento satildeo O do Depto de Engenharia Mecacircnica da UnB para atendimento do posto meacutedico Prof Luacutecio Salomatildeo localizado

no municiacutepio de Correntina (BA) A seleccedilatildeo do rio para os testes foi justamente por ele ter muitas correntezas e pouca queda drsquoaacutegua favorecendo o princiacutepio da energia cineacutetica A turbina tem as seguintes caracteriacutesticas teacutecnicas diacircmetro da heacutelice de 18 m de 6 a 50 rpm transmissatildeo mecacircnica com 2 diferenciais e correias gerador siacutencrono monofaacutesico de 2 kVA proteccedilatildeo sobre tensatildeo com controlador eletrocircnico e regulaccedilatildeo eletrocircnica do campo de excitaccedilatildeo (UnB 1990) A Figura 1 ilustra o desempenho da turbina

Diacircmetro da turbina (m)

Potecirc

ncia

da

turb

ina

(W)

Figura 1 Potecircncia da turbina (W) X Velocidade da aacutegua (ms) X diacircmetro da turbina (m) (UnB 1990)

2

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Para velocidades de correntes menores que 08 ms a potecircncia torna-se muito baixa para qualquer interesse de aplicaccedilatildeo e neste caso somente condiccedilotildees extremamente econocircmicas poderatildeo viabilizar a sua utilizaccedilatildeo

O protoacutetipo da empresa Marine Current Turbines Ltd que colocaraacute em funcionamento uma turbina de 300 KW na costa norte de Devom no sudoeste da Inglaterra que consiste em um par de rotores de fluxo axial de aproximadamente 15 m de diacircmetro onde cada turbina estaacute acoplada a um gerador atraveacutes de uma caixa de engrenagens como ocorre em turbinas eoacutelicas A turbina eacute montada em um tubo de accedilo possuindo um rasgo onde o rotor se desloca e estaacute ligada ao continente por um cabo submarino Este projeto permite que a turbina quando em manutenccedilatildeo seja suspensa para fora da aacutegua facilitando seu acesso dispensando mergulhadores Para um projeto de uma fazenda com 794 turbinas com custo de US$ 900 milhotildees incluindo a conexatildeo com o continente a produccedilatildeo chegaria a 13 GWh com um custo de US$ 007 por kWh A Fig 2 ilustra o protoacutetipo

Figura 2 Turbina hidrocineacutetica da empresa Marine Current Turbines Ltd 2002

O Amazon Aquacharger (carregador de baterias) que eacute um sistema ideal nas aacutereas onde grandes setores da populaccedilatildeo vivem em comunidades dispersadas ao longo dos rios e de canais As comunidades rurais centros de sauacutede escolas alojamentos turiacutesticos e estaccedilotildees de pesquisa que se situam frequumlentemente ao longo dos rios satildeo beneficiadas por esta forma de energia (Thropton Energy Services 2002)

Conforme Fig 3 o Amazon Aquacharger eacute um sistema turbina-gerador e controles para ser montado sobre barcos abertos e funciona como um moinho de vento sub-aquaacutetico com rotor de trecircs laminas A turbina eacute baixada dentro de um rio ou canal onde a profundidade eacute maior que 175 m e a velocidade livre da aacutegua fica entre 045 ms e 15 ms e pode produzir ateacute 500 W O uso de uma alta eficiecircncia baixo atrito no alternador e um projeto aerodinacircmico das paacutes fazem com que a turbina seja ativada em baixas velocidades de correntes maximizando o potencial das aacuteguas A potecircncia gerada eacute armazenada em baterias de 12 V e pode ser utilizada em refrigeradores luzes TVs portaacuteteis equipamentos de comunicaccedilatildeo e inversores para operar em aplicaccedilotildees de 120 ou 240 V

As caracteriacutesticas do sistema satildeo A baixa velocidade da aacutegua que o sistema requer para operaccedilatildeo permite que ele seja versaacutetil podendo ser

empregado na maioria dos rios possui a capacidade de carregar seis baterias de 12V simultaneamente usa a energia renovaacutevel e natildeo necessita nenhum combustiacutevel ou oacuteleo eacute faacutecil de operar-se e manter provou ser altamente apropriado para o uso em posiccedilotildees isoladas quase totalmente silencioso ao funcionar natildeo necessita nenhum trabalho de engenharia civil de grande escala diacircmetro da turbina de 18 m simples de ser montado desmontado e transportado para recolocaccedilotildees pode funcionar 24 horas por dia e ser totalmente independente o rotor eacute protegido do chatildeo e de objetos flutuantes possui controle que liga automaticamente o sistema quando as baterias atingem o limite inferior preacute-estabelecido e o desliga quando as mesmas atingem a carga maacutexima possui controle automaacutetico que baixa e levanta a turbina podendo este ser realizado manualmente e necessita de um barco aberto com comprimento miacutenimo de 5 m

Embora os custos de operaccedilatildeo sejam baixos o custo de instalaccedilatildeo de um sistema de energia renovaacutevel eacute mais elevado do que um gerador a diesel equivalente Para compensar o custo elevado inicial a vida de serviccedilo longa e a confiabilidade elevada satildeo uma exigecircncia O propoacutesito deste sistema natildeo eacute um atrativo para as grandes companhias e ainda estaacute muito longe de ser economicamente atrativo para os grandes centros consumidores mas sim para comunidades isoladas na beira de rios como mostra a Fig 3

3

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Figura 3 Turbina hidrocineacutetica da empresa Thropton Energy Services 2002 O trabalho aqui apresentado baseou-se nos projetos desenvolvidos ou em desenvolvimento no mundo e teve como

objetivos projetar construir instalar e testar uma turbina hidrocineacutetica axial Foi desenvolvido novo procedimento para caacutelculo dos perfis das paacutes baseado em estudos de turbinas eoacutelicas podendo operar numa faixa de velocidades drsquoaacutegua de 13 ms a 2 ms caracteriacutesticas da regiatildeo de Rio GrandeRS 2 Projeto da turbina hidrocineacutetica

Com base nos projetos desenvolvidos pela UnB (1990) construiu-se uma turbina hidrocineacutetica com as caracteriacutesticas apresentadas na Tab 1 Tabela 1 Caracteriacutesticas de projeto do rotor da turbina

Descriccedilatildeo da caracteriacutestica Valor Unidade Observaccedilotildees de Diacircmetro externo da turbina 140 m di Diacircmetro interno da turbina 030 m v Velocidade da corrente de aacutegua 160 ms

Wc Potecircncia de projeto para a condiccedilatildeo real 120 kW Wct Potecircncia de projeto ou potecircncia teoacuterica da turbina 300 kW η Rendimento global da turbina 40 n Rotaccedilatildeo para a condiccedilatildeo real da turbina 3360 rpm 6 a 50 rpm

(UnB 1990)

Para que se possa aplicar a metodologia para projeto de turbinas axiais proposta por Souza 1991 deve-se transformar a energia cineacutetica em energia potencial sendo que esta eacute aplicada em funccedilatildeo da altura da queda da aacutegua de acordo com Eq 1 (1) W = hgvAp ρ

onde Wp=Potencia gerada devido agrave altura equivalente h (W) A= Aacuterea uacutetil das lacircminas do rotor (msup2) v= Velocidade da aacutegua (ms) ρ= Massa especiacutefica da aacutegua (kgmsup3) g= Aceleraccedilatildeo da gravidade (mssup2) h= Altura equivalente agrave energia cineacutetica (m)

A equaccedilatildeo da potecircncia devido agrave energia cineacutetica eacute representada pela Eq 2

2)(21 vvAcW ρ= (2)

4

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Entretanto para casos praacuteticos de funcionamento do dispositivo em rios ou correntes mariacutetimas esta energia natildeo estaacute totalmente disponiacutevel para a extraccedilatildeo pois a aacutegua natildeo pode simplesmente parar quando passa da turbina necessita de alguma velocidade o que representa energia para se mover afastando-se assim da saiacuteda da turbina Aleacutem deste fator tem-se tambeacutem as ineficiecircncias da proacutepria turbina denotadas pelo seu coeficiente de desempenho Cp

De acordo com Worl Energy 2002 verifica-se que o maacuteximo valor de Cp para um dispositivo semelhante em funcionamento num rio eacute de 1627 ou 0592

Aplicando-se este fator agrave equaccedilatildeo (2) a potecircncia devido agrave energia cineacutetica eacute representada pela Eq 3

3278 vAWc ρ= (3)

Para determinar a altura equivalente agrave energia cineacutetica produzida (h) deve-se igualar as Eqs 1 e 3 obtendo-se

g

vh27

cos28 θ= (4)

A partir da Eq 4 a determinaccedilatildeo das dimensotildees do rotor seraacute feita seguindo a metodologia proposta por Souza 1991

Para efeito de caacutelculos seraacute suposto que o sentido de fluxo eacute axial ao eixo da turbina considerando que esta eacute a situaccedilatildeo mais criacutetica e eacute onde ocorrem os maiores esforccedilos

Aplicando-se os paracircmetros hidraacuteulicos do projeto ao conjunto de Eqs 4 a 22 obteacutem-se os dados de projeto do rotor da turbina de acordo com as Tabs 1 e 2 onde estatildeo definidas as variaacuteveis envolvidas

(5) rdd ei =

4

)(

22ie dd

Aminus

= π (6)

η

cct

WW = (7)

(8) hgY = (9) AvQ =

750

503 10

Y

QnnqA = (10)

(11) 38252 10412110650410932499319 qAqAqA nnnZ minusminusminus minus+minus=

)(

422ie

m ddQvminus

=π

(12)

ADOTADO

ii Z

dt

π= (13)

(14) itqAnqAnqAniL )391030242610235731036826891( minus+minusminusminus+=

(15) ii dnu π=

i

hui

uYv

2

2η

=∆ (16)

∆minus

=infin

2

arctanui

i

mi v

u

vβ (17)

i

mi

vw

infininfin =

βsen (18)

ii

si wLnZYc

infin

=

2 η (19)

(20) ee dnu π=

5

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

e

eu

uYv

2

2η

=∆ (21)

)2(

arctanuee

me vu

v∆minus

=infinβ (22)

O comprimento da corda do perfil no diacircmetro externo (Le) foi obtido atraveacutes de uma lei de formaccedilatildeo inovadora

para turbinas hidraacuteulicas a partir do projeto de turbinas eoacutelicas (Eggleston e Stoddart 1987) conforme Fig 4

Figura 4 Lei de formaccedilatildeo inovadora do perfil da paacute do rotor

ej

dd 10 02907

Li

Le=0415Li

02120

Lj

Conforme Fig 4 a lei de formaccedilatildeo inovadora do perfil da paacute do rotor propotildee que Lj seja igual a Li ateacute djde atingir 02907 e que Le atinja 415 do valor de Li Assim os valores de Lj satildeo obtidos a partir da Eq 23 onde

di = diacircmetro interno do rotor (m) de = diacircmetro externo do rotor (m) dj = diacircmetro geneacuterico do rotor variando de di a de (m)

(23) 06458)(66304 +timesminus= dedjLj

A lei de formaccedilatildeo do comprimento das seccedilotildees dos perfis do rotor permitiu que o comprimento do perfil externo Le se tornasse menor do que o comprimento do perfil interno Li o que era desejado conforme Fig 2

As Eqs 24 a 34 complementam os caacutelculos das dimensotildees do rotor da turbina (Souza 1991)

4

)()(1300 ieei ddLLhF minus+= (24)

4

)( ief

ddFM minus= (25)

33 103657 fgi Mxe minus= (26)

(27) gige ee 330=

(28) gip eD 51=

2

6

gip

f

eD

M=τ (29)

1120

)( jgj

Lef = (30)

(31) iigigi Lfey 014050 +=

(32) eegege Lfey 014050 +=

(33) iigimaacutexi Lfey 0110021 +=

(34) eegemaacutexe Lfey 0110021 +=

6

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004 Tabela 2 Paracircmetros hidraacuteulicos e dados de projeto do rotor da turbina

Descriccedilatildeo do paracircmetro Eq Valor Unidade Observaccedilotildees h Altura equivalente agrave energia cineacutetica 4 008 m A Aacuterea uacutetil do rotor 6 147 m2 Y Trabalho especiacutefico 8 0759 m2s2 Q Vazatildeo atraveacutes da turbina 9 235 m3s

nqA Rotaccedilatildeo especiacutefica geneacuterica 10 105670 rps 240 a 1060 para turbinas

axiais vm Velocidade meridional 12 16 ms

ti Passo no diacircmetro interno 13 031 m Li Corda do perfil no diacircmetro interno 14 03694 m ui Velocidade tangencial no diacircmetro interno 15 0522 ms

2iuv∆ Componente da velocidade absoluta na direccedilatildeo tangencial no

diacircmetro interno 16 029 ms

iinfinβ

Acircngulo do escoamento natildeo perturbado com a direccedilatildeo tangencial no diacircmetro interno

17 817 graus

iwinfin

Velocidade relativa do escoamento natildeo perturbado no diacircmetro interno

18 162 ms

sic

Coeficiente de sustentaccedilatildeo para o perfil no diacircmetro interno 19 06067 Para Csile 120

eu Velocidade tangencial no diacircmetro externo 20 246 ms

2euv∆

Componente da velocidade absoluta na direccedilatildeo tangencial no

diacircmetro externo 21 00617 ms

einfinβ

Acircngulo do escoamento natildeo perturbado com a direccedilatildeo tangencial no diacircmetro externo

22 3362 graus

Le Comprimento da corda do perfil no diacircmetro externo 01534

m Lei de formaccedilatildeo

inovadora da Eq 23

F Forccedila que atua na paacute no diacircmetro meacutedio 24 1439 N Para sobrepressatildeo de 30 pelas variaccedilotildees das correntes de

aacutegua Mf Momento fletor que atua na paacute 25 40 Nm

egi Espessura miacutenima no centro de gravidade do perfil interno 26 0035 m Adotou-se megi 040=

ege Espessura miacutenima no centro de gravidade do perfil externo 27 0015 m Adotou-se o mesmo valor

calculado Dp Diacircmetro do pino de fixaccedilatildeo da paacute ao cubo do rotor 28 006 m τ Tensatildeo maacutexima atuante na paacute 29 250104 Nm2

fi Fator de engrossamento eou afinamento do perfil interno 30 085

fe Fator de engrossamento eou afinamento do perfil externo 30 087

ygi Ordenada do perfil no diacircmetro interno no centro de gravidade 31 00269 m

yge Ordenada do perfil no diacircmetro externo no centro de gravidade 32 00077 m

ymaxi Ordenada maacutexima do perfil no diacircmetro interno 33 00391 m

ymaxe Ordenada maacutexima do perfil no diacircmetro externo 34 00164 m

7

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

3 Construccedilatildeo do Rotor da Turbina

Para cada secccedilatildeo do perfil da paacute foram calculados seus pontos superiores e inferiores ( ysrsquo e yirsquo) para cada tamanho de corda (L) Com isto obteve-se 11 perfis desenhados em papel em escala 1x1 Logo apoacutes foram reproduzidos numa chapa de alumiacutenio A Fig 5 mostra o perfil interno (i) com coordenadas em mm

Coordenada L (mm)

Coo

rden

ada

yrsquo (m

m)

Figura 5 Perfil interno ( i ) da paacute do rotor da turbina Para montar-se a estrutura do molde os perfis em alumiacutenio foram ligados atraveacutes de seu centro de gravidade com

um arame de construccedilatildeo conforme Fig 6 Isto deu o apoio necessaacuterio para que fosse possiacutevel atraveacutes de um transferidor dar o acircngulo correto ( ) de secccedilatildeo a secccedilatildeo Tacos de maneira cortados na medida certa deram certeza que todos os pontos de um perfil ficassem equumlidistantes do perfil seguinte

β

Figura 6 Estrutura do molde da paacute do rotor com os perfis em alumiacutenio Para a construccedilatildeo do molde Fig 7 foi utilizada massa plaacutestica mistura de resina polieacutester com pigmentos

(conhecida como poacute industrial) formando uma pasta faacutecil de trabalhar e com bom rendimento Foram colocados pinos de sustentaccedilatildeo no interior das paacutes e que vatildeo prender as paacutes no flange

Figura 7 Molde da paacute do rotor da turbina

8

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

As paacutes foram reproduzidas atraveacutes do meacutetodo manual de laminaccedilatildeo Foi aplicada uma cera desmoldante sobre o molde logo apoacutes depositou-se uma manta de fibra de vidro umedecida com resina polieacutester utilizando pincel e um rolo eliminando quase que totalmente as bolhas que poderiam se formar causando um efeito natildeo desejaacutevel A reproduccedilatildeo da paacute utilizando este meacutetodo atingiu um efeito esperado e um oacutetimo acabamento que foi finalizado com a aplicaccedilatildeo de gel onde foram eliminadas as imperfeiccedilotildees superficiais Os espaccedilos vazios foram preenchidos com resina que foi aplicada de maneira controlada e gradativa em funccedilatildeo da reaccedilatildeo quiacutemica da resina x catalisador quando ocorre um aumento significativo da temperatura A Fig 8 mostra as 3 paacutes reproduzidas

Figura 8 Paacutes do rotor da turbina em fibra de vidro com resina polieacutester O cubo do rotor foi confeccionado utilizando um duto de 300 mm correspondendo ao diacircmetro do perfil interno

das paacutes (di) A Fig 9 mostra o rotor montado

Figura 9 Rotor da turbina montado

4 Montagem da Turbina

A proacutexima etapa eacute dimensionar o sistema que vai transmitir a potencia gerada pela turbina atraveacutes de seu torque e rotaccedilatildeo a um gerador A Fig 10 mostra a montagem da aacutervore de transmissatildeo com coroa e pinhatildeo ligados por corrente

O meacutetodo utilizado para o dimensionamento da aacutervore de transmissatildeo foi o da Teoria de Tresca-Soderberg segundo Deutschaman 1990 obtendo-se os valores mostrados na Tab 3 Tabela 3 Dados do sistema de transmissatildeo

Elemento Valor Unidade Diacircmetro do Eixo 00254 m

Coroa 52 dentes Pinhatildeo 11 dentes

Comprimento do eixo submerso 0700 m Eixo Superior 0500 m

Relaccedilatildeo de Transmissatildeo 47 Passo da corrente 00127 m

9

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Figura 10 Montagem da aacutervore de transmissatildeo

Para sustentar a turbina foi escolhida uma estrutura do tipo moacutevel pois o que se precisa fazer eacute soacute transportaacute-la ateacute a aacutegua A alternativa encontrada para flutuaccedilatildeo da estrutura foi a de usar toneacuteis de 200 litros que deram um bom empuxo devido ao seu grande volume Com eles foi construiacuteda uma balsa toda montada em cantoneiras soldadas de 1 frac14rdquo com espessura de 18rdquo As partes moacuteveis foram fixadas com parafusos de 38rdquo A construccedilatildeo da balsa partiu do principio que a turbina fosse independente da balsa facilitando assim o transporte do laboratoacuterio ateacute a aacutegua Na Fig 11 pode-se ver a o desenho da balsa e a turbina montadas A quantidade de toneacuteis foi suficiente para comportar o peso da turbina a estrutura e duas pessoas que somavam juntas 160 kg

Figura 11 Turbina Montada na Balsa

5 Testes da Turbina

Os testes foram feitos de maneira controlada rebocando a balsa utilizando um barco no Estuaacuterio da Lagoa dos Patos proacuteximo a Rio Grande RS gerando uma correnteza artificial com velocidade medida por um sistema de posicionamento global GPS Assim foi possiacutevel levantar o comportamento da turbina seu torque e rotaccedilatildeo sendo importantes para o desenvolvimento do sistema de ampliaccedilatildeo A Tab 4 mostra os dados fundamentais obtidos nos testes e a Fig 12 apresenta a turbina sendo rebocada pelo barco e estatildeo sendo feitas mediccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo

Tabela 4 Dados Fundamentais Obtidos nos Testes

Paracircmetro Valor Unidade

Velocidade do Barco 13 ms

Rotaccedilatildeo no eixo superior 150 rpm

Torque 126 Nm

Rotaccedilatildeo no eixo submerso 50 rpm

10

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Figura 12 Turbina sendo rebocada pelo barco e mediccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo Os valores de torque encontrados estatildeo dentro da especificaccedilatildeo atribuiacuteda ao gerador jaacute que este necessita para gerar

o valor proposto no projeto 1 kVA um torque miacutenimo de 12 Nm Mas soacute o torque natildeo satisfaz pois eacute necessaacuteria uma rotaccedilatildeo miacutenima para que o gerador funcione Como a rotaccedilatildeo maacutexima obtida no eixo superior foi de 150 rpm entatildeo desenvolveu-se um sistema de ampliaccedilatildeo que transformaraacute a rotaccedilatildeo fornecida ao eixo superior pela turbina em uma rotaccedilatildeo maior que 1800 rpm

A Fig 13 apresenta a disposiccedilatildeo do sistema de ampliaccedilatildeo constituiacutedo de correias e polias

Figura 13 Disposiccedilatildeo do Sistema de Ampliaccedilatildeo A rotaccedilatildeo no eixo da polia 2 seraacute encontrada pela igualdade da velocidade tangencial de acordo com a Eq 35

2

112 r

rnn times= (35)

As Eqs 36 e 37 permitem encontrar a rotaccedilatildeo que eacute transmitida da polia 3 para a polia 4 obtendo-se assim a rotaccedilatildeo no eixo do gerador (36) 23 nn =

(37) 4433 rnrn times=times

A Tab 5 apresenta os resultados de rotaccedilatildeo obtidos com o sistema de transmissatildeo da Fig 13 A rotaccedilatildeo encontrada satisfaz as condiccedilotildees impostas pelo gerador tendo uma sobra de 955 rpm que daraacute seguranccedila

para o gerador realmente produzir 1 KVA alcanccedilando os objetivos do projeto

11

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Tabela 5 Rotaccedilotildees obtidas com o sistema de ampliaccedilatildeo Paracircmetro Descriccedilatildeo do Paracircmetro Valor Unidade

r1 Raio da polia 1 (ligada ao eixo do pinhatildeo) 0150 m n1 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 1 150 rpm r2 Raio da polia 2 0035 m n2 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 2 6429 rpm r3 Raio da polia 3 0150 m n3 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 3 6429 rpm r4 Raio da polia 4 (ligada ao eixo do gerador) 0035 m n4 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 4 2755 rpm

6 Conclusotildees

O projeto executado faz parte das atividades do grupo de pesquisa em Fontes Alternativas de Energia do Departamento de Fiacutesica da FURG que estuda a produccedilatildeo de energia dentro de seu ecossistema costeiro As condiccedilotildees locais de Rio GrandeRS numa regiatildeo sem quedas daacutegua poreacutem com mananciais abundantes de correntes de aacutegua de baixa velocidade motivou a realizaccedilatildeo deste projeto O desafio proposto de projetar construir e instalar uma turbina hidrocineacutetica axial foi plenamente atingido A turbina desenvolvida apresentou condiccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo que permitem gerar 1 kVA num alternador com carga instalada O conjunto eacute de faacutecil instalaccedilatildeo manutenccedilatildeo e acesso para obtenccedilatildeo das variaacuteveis envolvidas durante a sua operaccedilatildeo

Referecircncias Bibliograacuteficas Blue Energy Canada Inc PrimeDavis Hydro Turbine PrototypesPrime wwwbluenergycom acesso em 1811 2002 Deutschaman A D PrimeMachine Design Theory and PracticePrime USA Macmillam Publishing Co Inc 1990 Eggleston D M Stoddard F S rdquoWind Turbine Engineering Designrdquo New York Ed Van Nostrand Reinhold 1987 Marine Current Turbines Ltd Energy derived from the oceans currents wwwmarineturbinescom acesso em 18112002 Souza Z PrimeDimensionamento de Maacutequinas de FluxoTurbinas Bombas VentiladoresPrime SP Edgar Bluumlcher Ltda 1991 Thropton Energy ServicesPrimeAmazon AquacherPrime wwwthroptonenergycom acesso em 18112002 Universidade de Brasiacutelia PrimeProjeto Turbina HidrocineacuteticaPrime wwwturbina hidrocineacuteticacombr acesso em 18112002 World Enegy PrimeSituaccedilatildeo da Energia no MundoPrime wwwworldenegyorg acesso em 20102002

WATER CURRENT TURBINE

Sonia Magalhatildees dos Santos e-mail vnsantosmikruscombr

Jorge Alberto Almeida e-mail dfsjaafurgbr

Daniel Alves de Andrade e-mail kazoebolcombr

Leonardo Files Dias e-mail leonardofiles bolcombr Departamento de Fiacutesica ndash Fundaccedilatildeo Universidade Federal do Rio Grande (FURG) Av Itaacutelia km 8 - Campus Carreiros - Rio GrandeRS ndash Brasil ndash CEP 96201-900

Abstract This work had as goal to project build install and test an axial hydrokinetic turbine nominated water current turbine which uses the kinetic energy due to the water flow across the rotor eliminating big powerhouses ducts and dams because it does not require the existence of waterfalls decreasing the environmental impact A new procedure to calculate blade profile was developed based in wing turbine studies The turbine has an outside diameter of 14 m and a useful area of 147 m2 It has three blades and it operates at 1 kVA power with water speed ranging from 13 to 20 ms The environment conditions are those of the geographic area of Rio Grande RS Brazil The rotor was built using polyester resin and fiberglass The turbine was mounted in a mobile structure with four barrels of 200 liters linked by L-brackets Tests performed at the Patos Lake indicated a 150-rpm rotation and a 126 Nm torque in the transmission top axis Two torque transmission and rotation amplification systems were developed to acquire an alternator rotation of 2054-rpm with no charge and an alternator rotation of 1800-rpm at the desired charge The array turbine ndash structure ndash transmission system and alternator is robust and easy to install and repair

Keywords water current turbine micro central hydroelectric isolated electricity generation

12

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Para velocidades de correntes menores que 08 ms a potecircncia torna-se muito baixa para qualquer interesse de aplicaccedilatildeo e neste caso somente condiccedilotildees extremamente econocircmicas poderatildeo viabilizar a sua utilizaccedilatildeo

O protoacutetipo da empresa Marine Current Turbines Ltd que colocaraacute em funcionamento uma turbina de 300 KW na costa norte de Devom no sudoeste da Inglaterra que consiste em um par de rotores de fluxo axial de aproximadamente 15 m de diacircmetro onde cada turbina estaacute acoplada a um gerador atraveacutes de uma caixa de engrenagens como ocorre em turbinas eoacutelicas A turbina eacute montada em um tubo de accedilo possuindo um rasgo onde o rotor se desloca e estaacute ligada ao continente por um cabo submarino Este projeto permite que a turbina quando em manutenccedilatildeo seja suspensa para fora da aacutegua facilitando seu acesso dispensando mergulhadores Para um projeto de uma fazenda com 794 turbinas com custo de US$ 900 milhotildees incluindo a conexatildeo com o continente a produccedilatildeo chegaria a 13 GWh com um custo de US$ 007 por kWh A Fig 2 ilustra o protoacutetipo

Figura 2 Turbina hidrocineacutetica da empresa Marine Current Turbines Ltd 2002

O Amazon Aquacharger (carregador de baterias) que eacute um sistema ideal nas aacutereas onde grandes setores da populaccedilatildeo vivem em comunidades dispersadas ao longo dos rios e de canais As comunidades rurais centros de sauacutede escolas alojamentos turiacutesticos e estaccedilotildees de pesquisa que se situam frequumlentemente ao longo dos rios satildeo beneficiadas por esta forma de energia (Thropton Energy Services 2002)

Conforme Fig 3 o Amazon Aquacharger eacute um sistema turbina-gerador e controles para ser montado sobre barcos abertos e funciona como um moinho de vento sub-aquaacutetico com rotor de trecircs laminas A turbina eacute baixada dentro de um rio ou canal onde a profundidade eacute maior que 175 m e a velocidade livre da aacutegua fica entre 045 ms e 15 ms e pode produzir ateacute 500 W O uso de uma alta eficiecircncia baixo atrito no alternador e um projeto aerodinacircmico das paacutes fazem com que a turbina seja ativada em baixas velocidades de correntes maximizando o potencial das aacuteguas A potecircncia gerada eacute armazenada em baterias de 12 V e pode ser utilizada em refrigeradores luzes TVs portaacuteteis equipamentos de comunicaccedilatildeo e inversores para operar em aplicaccedilotildees de 120 ou 240 V

As caracteriacutesticas do sistema satildeo A baixa velocidade da aacutegua que o sistema requer para operaccedilatildeo permite que ele seja versaacutetil podendo ser

empregado na maioria dos rios possui a capacidade de carregar seis baterias de 12V simultaneamente usa a energia renovaacutevel e natildeo necessita nenhum combustiacutevel ou oacuteleo eacute faacutecil de operar-se e manter provou ser altamente apropriado para o uso em posiccedilotildees isoladas quase totalmente silencioso ao funcionar natildeo necessita nenhum trabalho de engenharia civil de grande escala diacircmetro da turbina de 18 m simples de ser montado desmontado e transportado para recolocaccedilotildees pode funcionar 24 horas por dia e ser totalmente independente o rotor eacute protegido do chatildeo e de objetos flutuantes possui controle que liga automaticamente o sistema quando as baterias atingem o limite inferior preacute-estabelecido e o desliga quando as mesmas atingem a carga maacutexima possui controle automaacutetico que baixa e levanta a turbina podendo este ser realizado manualmente e necessita de um barco aberto com comprimento miacutenimo de 5 m

Embora os custos de operaccedilatildeo sejam baixos o custo de instalaccedilatildeo de um sistema de energia renovaacutevel eacute mais elevado do que um gerador a diesel equivalente Para compensar o custo elevado inicial a vida de serviccedilo longa e a confiabilidade elevada satildeo uma exigecircncia O propoacutesito deste sistema natildeo eacute um atrativo para as grandes companhias e ainda estaacute muito longe de ser economicamente atrativo para os grandes centros consumidores mas sim para comunidades isoladas na beira de rios como mostra a Fig 3

3

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Figura 3 Turbina hidrocineacutetica da empresa Thropton Energy Services 2002 O trabalho aqui apresentado baseou-se nos projetos desenvolvidos ou em desenvolvimento no mundo e teve como

objetivos projetar construir instalar e testar uma turbina hidrocineacutetica axial Foi desenvolvido novo procedimento para caacutelculo dos perfis das paacutes baseado em estudos de turbinas eoacutelicas podendo operar numa faixa de velocidades drsquoaacutegua de 13 ms a 2 ms caracteriacutesticas da regiatildeo de Rio GrandeRS 2 Projeto da turbina hidrocineacutetica

Com base nos projetos desenvolvidos pela UnB (1990) construiu-se uma turbina hidrocineacutetica com as caracteriacutesticas apresentadas na Tab 1 Tabela 1 Caracteriacutesticas de projeto do rotor da turbina

Descriccedilatildeo da caracteriacutestica Valor Unidade Observaccedilotildees de Diacircmetro externo da turbina 140 m di Diacircmetro interno da turbina 030 m v Velocidade da corrente de aacutegua 160 ms

Wc Potecircncia de projeto para a condiccedilatildeo real 120 kW Wct Potecircncia de projeto ou potecircncia teoacuterica da turbina 300 kW η Rendimento global da turbina 40 n Rotaccedilatildeo para a condiccedilatildeo real da turbina 3360 rpm 6 a 50 rpm

(UnB 1990)

Para que se possa aplicar a metodologia para projeto de turbinas axiais proposta por Souza 1991 deve-se transformar a energia cineacutetica em energia potencial sendo que esta eacute aplicada em funccedilatildeo da altura da queda da aacutegua de acordo com Eq 1 (1) W = hgvAp ρ

onde Wp=Potencia gerada devido agrave altura equivalente h (W) A= Aacuterea uacutetil das lacircminas do rotor (msup2) v= Velocidade da aacutegua (ms) ρ= Massa especiacutefica da aacutegua (kgmsup3) g= Aceleraccedilatildeo da gravidade (mssup2) h= Altura equivalente agrave energia cineacutetica (m)

A equaccedilatildeo da potecircncia devido agrave energia cineacutetica eacute representada pela Eq 2

2)(21 vvAcW ρ= (2)

4

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Entretanto para casos praacuteticos de funcionamento do dispositivo em rios ou correntes mariacutetimas esta energia natildeo estaacute totalmente disponiacutevel para a extraccedilatildeo pois a aacutegua natildeo pode simplesmente parar quando passa da turbina necessita de alguma velocidade o que representa energia para se mover afastando-se assim da saiacuteda da turbina Aleacutem deste fator tem-se tambeacutem as ineficiecircncias da proacutepria turbina denotadas pelo seu coeficiente de desempenho Cp

De acordo com Worl Energy 2002 verifica-se que o maacuteximo valor de Cp para um dispositivo semelhante em funcionamento num rio eacute de 1627 ou 0592

Aplicando-se este fator agrave equaccedilatildeo (2) a potecircncia devido agrave energia cineacutetica eacute representada pela Eq 3

3278 vAWc ρ= (3)

Para determinar a altura equivalente agrave energia cineacutetica produzida (h) deve-se igualar as Eqs 1 e 3 obtendo-se

g

vh27

cos28 θ= (4)

A partir da Eq 4 a determinaccedilatildeo das dimensotildees do rotor seraacute feita seguindo a metodologia proposta por Souza 1991

Para efeito de caacutelculos seraacute suposto que o sentido de fluxo eacute axial ao eixo da turbina considerando que esta eacute a situaccedilatildeo mais criacutetica e eacute onde ocorrem os maiores esforccedilos

Aplicando-se os paracircmetros hidraacuteulicos do projeto ao conjunto de Eqs 4 a 22 obteacutem-se os dados de projeto do rotor da turbina de acordo com as Tabs 1 e 2 onde estatildeo definidas as variaacuteveis envolvidas

(5) rdd ei =

4

)(

22ie dd

Aminus

= π (6)

η

cct

WW = (7)

(8) hgY = (9) AvQ =

750

503 10

Y

QnnqA = (10)

(11) 38252 10412110650410932499319 qAqAqA nnnZ minusminusminus minus+minus=

)(

422ie

m ddQvminus

=π

(12)

ADOTADO

ii Z

dt

π= (13)

(14) itqAnqAnqAniL )391030242610235731036826891( minus+minusminusminus+=

(15) ii dnu π=

i

hui

uYv

2

2η

=∆ (16)

∆minus

=infin

2

arctanui

i

mi v

u

vβ (17)

i

mi

vw

infininfin =

βsen (18)

ii

si wLnZYc

infin

=

2 η (19)

(20) ee dnu π=

5

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

e

eu

uYv

2

2η

=∆ (21)

)2(

arctanuee

me vu

v∆minus

=infinβ (22)

O comprimento da corda do perfil no diacircmetro externo (Le) foi obtido atraveacutes de uma lei de formaccedilatildeo inovadora

para turbinas hidraacuteulicas a partir do projeto de turbinas eoacutelicas (Eggleston e Stoddart 1987) conforme Fig 4

Figura 4 Lei de formaccedilatildeo inovadora do perfil da paacute do rotor

ej

dd 10 02907

Li

Le=0415Li

02120

Lj

Conforme Fig 4 a lei de formaccedilatildeo inovadora do perfil da paacute do rotor propotildee que Lj seja igual a Li ateacute djde atingir 02907 e que Le atinja 415 do valor de Li Assim os valores de Lj satildeo obtidos a partir da Eq 23 onde

di = diacircmetro interno do rotor (m) de = diacircmetro externo do rotor (m) dj = diacircmetro geneacuterico do rotor variando de di a de (m)

(23) 06458)(66304 +timesminus= dedjLj

A lei de formaccedilatildeo do comprimento das seccedilotildees dos perfis do rotor permitiu que o comprimento do perfil externo Le se tornasse menor do que o comprimento do perfil interno Li o que era desejado conforme Fig 2

As Eqs 24 a 34 complementam os caacutelculos das dimensotildees do rotor da turbina (Souza 1991)

4

)()(1300 ieei ddLLhF minus+= (24)

4

)( ief

ddFM minus= (25)

33 103657 fgi Mxe minus= (26)

(27) gige ee 330=

(28) gip eD 51=

2

6

gip

f

eD

M=τ (29)

1120

)( jgj

Lef = (30)

(31) iigigi Lfey 014050 +=

(32) eegege Lfey 014050 +=

(33) iigimaacutexi Lfey 0110021 +=

(34) eegemaacutexe Lfey 0110021 +=

6

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004 Tabela 2 Paracircmetros hidraacuteulicos e dados de projeto do rotor da turbina

Descriccedilatildeo do paracircmetro Eq Valor Unidade Observaccedilotildees h Altura equivalente agrave energia cineacutetica 4 008 m A Aacuterea uacutetil do rotor 6 147 m2 Y Trabalho especiacutefico 8 0759 m2s2 Q Vazatildeo atraveacutes da turbina 9 235 m3s

nqA Rotaccedilatildeo especiacutefica geneacuterica 10 105670 rps 240 a 1060 para turbinas

axiais vm Velocidade meridional 12 16 ms

ti Passo no diacircmetro interno 13 031 m Li Corda do perfil no diacircmetro interno 14 03694 m ui Velocidade tangencial no diacircmetro interno 15 0522 ms

2iuv∆ Componente da velocidade absoluta na direccedilatildeo tangencial no

diacircmetro interno 16 029 ms

iinfinβ

Acircngulo do escoamento natildeo perturbado com a direccedilatildeo tangencial no diacircmetro interno

17 817 graus

iwinfin

Velocidade relativa do escoamento natildeo perturbado no diacircmetro interno

18 162 ms

sic

Coeficiente de sustentaccedilatildeo para o perfil no diacircmetro interno 19 06067 Para Csile 120

eu Velocidade tangencial no diacircmetro externo 20 246 ms

2euv∆

Componente da velocidade absoluta na direccedilatildeo tangencial no

diacircmetro externo 21 00617 ms

einfinβ

Acircngulo do escoamento natildeo perturbado com a direccedilatildeo tangencial no diacircmetro externo

22 3362 graus

Le Comprimento da corda do perfil no diacircmetro externo 01534

m Lei de formaccedilatildeo

inovadora da Eq 23

F Forccedila que atua na paacute no diacircmetro meacutedio 24 1439 N Para sobrepressatildeo de 30 pelas variaccedilotildees das correntes de

aacutegua Mf Momento fletor que atua na paacute 25 40 Nm

egi Espessura miacutenima no centro de gravidade do perfil interno 26 0035 m Adotou-se megi 040=

ege Espessura miacutenima no centro de gravidade do perfil externo 27 0015 m Adotou-se o mesmo valor

calculado Dp Diacircmetro do pino de fixaccedilatildeo da paacute ao cubo do rotor 28 006 m τ Tensatildeo maacutexima atuante na paacute 29 250104 Nm2

fi Fator de engrossamento eou afinamento do perfil interno 30 085

fe Fator de engrossamento eou afinamento do perfil externo 30 087

ygi Ordenada do perfil no diacircmetro interno no centro de gravidade 31 00269 m

yge Ordenada do perfil no diacircmetro externo no centro de gravidade 32 00077 m

ymaxi Ordenada maacutexima do perfil no diacircmetro interno 33 00391 m

ymaxe Ordenada maacutexima do perfil no diacircmetro externo 34 00164 m

7

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

3 Construccedilatildeo do Rotor da Turbina

Para cada secccedilatildeo do perfil da paacute foram calculados seus pontos superiores e inferiores ( ysrsquo e yirsquo) para cada tamanho de corda (L) Com isto obteve-se 11 perfis desenhados em papel em escala 1x1 Logo apoacutes foram reproduzidos numa chapa de alumiacutenio A Fig 5 mostra o perfil interno (i) com coordenadas em mm

Coordenada L (mm)

Coo

rden

ada

yrsquo (m

m)

Figura 5 Perfil interno ( i ) da paacute do rotor da turbina Para montar-se a estrutura do molde os perfis em alumiacutenio foram ligados atraveacutes de seu centro de gravidade com

um arame de construccedilatildeo conforme Fig 6 Isto deu o apoio necessaacuterio para que fosse possiacutevel atraveacutes de um transferidor dar o acircngulo correto ( ) de secccedilatildeo a secccedilatildeo Tacos de maneira cortados na medida certa deram certeza que todos os pontos de um perfil ficassem equumlidistantes do perfil seguinte

β

Figura 6 Estrutura do molde da paacute do rotor com os perfis em alumiacutenio Para a construccedilatildeo do molde Fig 7 foi utilizada massa plaacutestica mistura de resina polieacutester com pigmentos

(conhecida como poacute industrial) formando uma pasta faacutecil de trabalhar e com bom rendimento Foram colocados pinos de sustentaccedilatildeo no interior das paacutes e que vatildeo prender as paacutes no flange

Figura 7 Molde da paacute do rotor da turbina

8

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

As paacutes foram reproduzidas atraveacutes do meacutetodo manual de laminaccedilatildeo Foi aplicada uma cera desmoldante sobre o molde logo apoacutes depositou-se uma manta de fibra de vidro umedecida com resina polieacutester utilizando pincel e um rolo eliminando quase que totalmente as bolhas que poderiam se formar causando um efeito natildeo desejaacutevel A reproduccedilatildeo da paacute utilizando este meacutetodo atingiu um efeito esperado e um oacutetimo acabamento que foi finalizado com a aplicaccedilatildeo de gel onde foram eliminadas as imperfeiccedilotildees superficiais Os espaccedilos vazios foram preenchidos com resina que foi aplicada de maneira controlada e gradativa em funccedilatildeo da reaccedilatildeo quiacutemica da resina x catalisador quando ocorre um aumento significativo da temperatura A Fig 8 mostra as 3 paacutes reproduzidas

Figura 8 Paacutes do rotor da turbina em fibra de vidro com resina polieacutester O cubo do rotor foi confeccionado utilizando um duto de 300 mm correspondendo ao diacircmetro do perfil interno

das paacutes (di) A Fig 9 mostra o rotor montado

Figura 9 Rotor da turbina montado

4 Montagem da Turbina

A proacutexima etapa eacute dimensionar o sistema que vai transmitir a potencia gerada pela turbina atraveacutes de seu torque e rotaccedilatildeo a um gerador A Fig 10 mostra a montagem da aacutervore de transmissatildeo com coroa e pinhatildeo ligados por corrente

O meacutetodo utilizado para o dimensionamento da aacutervore de transmissatildeo foi o da Teoria de Tresca-Soderberg segundo Deutschaman 1990 obtendo-se os valores mostrados na Tab 3 Tabela 3 Dados do sistema de transmissatildeo

Elemento Valor Unidade Diacircmetro do Eixo 00254 m

Coroa 52 dentes Pinhatildeo 11 dentes

Comprimento do eixo submerso 0700 m Eixo Superior 0500 m

Relaccedilatildeo de Transmissatildeo 47 Passo da corrente 00127 m

9

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Figura 10 Montagem da aacutervore de transmissatildeo

Para sustentar a turbina foi escolhida uma estrutura do tipo moacutevel pois o que se precisa fazer eacute soacute transportaacute-la ateacute a aacutegua A alternativa encontrada para flutuaccedilatildeo da estrutura foi a de usar toneacuteis de 200 litros que deram um bom empuxo devido ao seu grande volume Com eles foi construiacuteda uma balsa toda montada em cantoneiras soldadas de 1 frac14rdquo com espessura de 18rdquo As partes moacuteveis foram fixadas com parafusos de 38rdquo A construccedilatildeo da balsa partiu do principio que a turbina fosse independente da balsa facilitando assim o transporte do laboratoacuterio ateacute a aacutegua Na Fig 11 pode-se ver a o desenho da balsa e a turbina montadas A quantidade de toneacuteis foi suficiente para comportar o peso da turbina a estrutura e duas pessoas que somavam juntas 160 kg

Figura 11 Turbina Montada na Balsa

5 Testes da Turbina

Os testes foram feitos de maneira controlada rebocando a balsa utilizando um barco no Estuaacuterio da Lagoa dos Patos proacuteximo a Rio Grande RS gerando uma correnteza artificial com velocidade medida por um sistema de posicionamento global GPS Assim foi possiacutevel levantar o comportamento da turbina seu torque e rotaccedilatildeo sendo importantes para o desenvolvimento do sistema de ampliaccedilatildeo A Tab 4 mostra os dados fundamentais obtidos nos testes e a Fig 12 apresenta a turbina sendo rebocada pelo barco e estatildeo sendo feitas mediccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo

Tabela 4 Dados Fundamentais Obtidos nos Testes

Paracircmetro Valor Unidade

Velocidade do Barco 13 ms

Rotaccedilatildeo no eixo superior 150 rpm

Torque 126 Nm

Rotaccedilatildeo no eixo submerso 50 rpm

10

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Figura 12 Turbina sendo rebocada pelo barco e mediccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo Os valores de torque encontrados estatildeo dentro da especificaccedilatildeo atribuiacuteda ao gerador jaacute que este necessita para gerar

o valor proposto no projeto 1 kVA um torque miacutenimo de 12 Nm Mas soacute o torque natildeo satisfaz pois eacute necessaacuteria uma rotaccedilatildeo miacutenima para que o gerador funcione Como a rotaccedilatildeo maacutexima obtida no eixo superior foi de 150 rpm entatildeo desenvolveu-se um sistema de ampliaccedilatildeo que transformaraacute a rotaccedilatildeo fornecida ao eixo superior pela turbina em uma rotaccedilatildeo maior que 1800 rpm

A Fig 13 apresenta a disposiccedilatildeo do sistema de ampliaccedilatildeo constituiacutedo de correias e polias

Figura 13 Disposiccedilatildeo do Sistema de Ampliaccedilatildeo A rotaccedilatildeo no eixo da polia 2 seraacute encontrada pela igualdade da velocidade tangencial de acordo com a Eq 35

2

112 r

rnn times= (35)

As Eqs 36 e 37 permitem encontrar a rotaccedilatildeo que eacute transmitida da polia 3 para a polia 4 obtendo-se assim a rotaccedilatildeo no eixo do gerador (36) 23 nn =

(37) 4433 rnrn times=times

A Tab 5 apresenta os resultados de rotaccedilatildeo obtidos com o sistema de transmissatildeo da Fig 13 A rotaccedilatildeo encontrada satisfaz as condiccedilotildees impostas pelo gerador tendo uma sobra de 955 rpm que daraacute seguranccedila

para o gerador realmente produzir 1 KVA alcanccedilando os objetivos do projeto

11

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Tabela 5 Rotaccedilotildees obtidas com o sistema de ampliaccedilatildeo Paracircmetro Descriccedilatildeo do Paracircmetro Valor Unidade

r1 Raio da polia 1 (ligada ao eixo do pinhatildeo) 0150 m n1 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 1 150 rpm r2 Raio da polia 2 0035 m n2 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 2 6429 rpm r3 Raio da polia 3 0150 m n3 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 3 6429 rpm r4 Raio da polia 4 (ligada ao eixo do gerador) 0035 m n4 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 4 2755 rpm

6 Conclusotildees

O projeto executado faz parte das atividades do grupo de pesquisa em Fontes Alternativas de Energia do Departamento de Fiacutesica da FURG que estuda a produccedilatildeo de energia dentro de seu ecossistema costeiro As condiccedilotildees locais de Rio GrandeRS numa regiatildeo sem quedas daacutegua poreacutem com mananciais abundantes de correntes de aacutegua de baixa velocidade motivou a realizaccedilatildeo deste projeto O desafio proposto de projetar construir e instalar uma turbina hidrocineacutetica axial foi plenamente atingido A turbina desenvolvida apresentou condiccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo que permitem gerar 1 kVA num alternador com carga instalada O conjunto eacute de faacutecil instalaccedilatildeo manutenccedilatildeo e acesso para obtenccedilatildeo das variaacuteveis envolvidas durante a sua operaccedilatildeo

Referecircncias Bibliograacuteficas Blue Energy Canada Inc PrimeDavis Hydro Turbine PrototypesPrime wwwbluenergycom acesso em 1811 2002 Deutschaman A D PrimeMachine Design Theory and PracticePrime USA Macmillam Publishing Co Inc 1990 Eggleston D M Stoddard F S rdquoWind Turbine Engineering Designrdquo New York Ed Van Nostrand Reinhold 1987 Marine Current Turbines Ltd Energy derived from the oceans currents wwwmarineturbinescom acesso em 18112002 Souza Z PrimeDimensionamento de Maacutequinas de FluxoTurbinas Bombas VentiladoresPrime SP Edgar Bluumlcher Ltda 1991 Thropton Energy ServicesPrimeAmazon AquacherPrime wwwthroptonenergycom acesso em 18112002 Universidade de Brasiacutelia PrimeProjeto Turbina HidrocineacuteticaPrime wwwturbina hidrocineacuteticacombr acesso em 18112002 World Enegy PrimeSituaccedilatildeo da Energia no MundoPrime wwwworldenegyorg acesso em 20102002

WATER CURRENT TURBINE

Sonia Magalhatildees dos Santos e-mail vnsantosmikruscombr

Jorge Alberto Almeida e-mail dfsjaafurgbr

Daniel Alves de Andrade e-mail kazoebolcombr

Leonardo Files Dias e-mail leonardofiles bolcombr Departamento de Fiacutesica ndash Fundaccedilatildeo Universidade Federal do Rio Grande (FURG) Av Itaacutelia km 8 - Campus Carreiros - Rio GrandeRS ndash Brasil ndash CEP 96201-900

Abstract This work had as goal to project build install and test an axial hydrokinetic turbine nominated water current turbine which uses the kinetic energy due to the water flow across the rotor eliminating big powerhouses ducts and dams because it does not require the existence of waterfalls decreasing the environmental impact A new procedure to calculate blade profile was developed based in wing turbine studies The turbine has an outside diameter of 14 m and a useful area of 147 m2 It has three blades and it operates at 1 kVA power with water speed ranging from 13 to 20 ms The environment conditions are those of the geographic area of Rio Grande RS Brazil The rotor was built using polyester resin and fiberglass The turbine was mounted in a mobile structure with four barrels of 200 liters linked by L-brackets Tests performed at the Patos Lake indicated a 150-rpm rotation and a 126 Nm torque in the transmission top axis Two torque transmission and rotation amplification systems were developed to acquire an alternator rotation of 2054-rpm with no charge and an alternator rotation of 1800-rpm at the desired charge The array turbine ndash structure ndash transmission system and alternator is robust and easy to install and repair

Keywords water current turbine micro central hydroelectric isolated electricity generation

12

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Figura 3 Turbina hidrocineacutetica da empresa Thropton Energy Services 2002 O trabalho aqui apresentado baseou-se nos projetos desenvolvidos ou em desenvolvimento no mundo e teve como

objetivos projetar construir instalar e testar uma turbina hidrocineacutetica axial Foi desenvolvido novo procedimento para caacutelculo dos perfis das paacutes baseado em estudos de turbinas eoacutelicas podendo operar numa faixa de velocidades drsquoaacutegua de 13 ms a 2 ms caracteriacutesticas da regiatildeo de Rio GrandeRS 2 Projeto da turbina hidrocineacutetica

Com base nos projetos desenvolvidos pela UnB (1990) construiu-se uma turbina hidrocineacutetica com as caracteriacutesticas apresentadas na Tab 1 Tabela 1 Caracteriacutesticas de projeto do rotor da turbina

Descriccedilatildeo da caracteriacutestica Valor Unidade Observaccedilotildees de Diacircmetro externo da turbina 140 m di Diacircmetro interno da turbina 030 m v Velocidade da corrente de aacutegua 160 ms

Wc Potecircncia de projeto para a condiccedilatildeo real 120 kW Wct Potecircncia de projeto ou potecircncia teoacuterica da turbina 300 kW η Rendimento global da turbina 40 n Rotaccedilatildeo para a condiccedilatildeo real da turbina 3360 rpm 6 a 50 rpm

(UnB 1990)

Para que se possa aplicar a metodologia para projeto de turbinas axiais proposta por Souza 1991 deve-se transformar a energia cineacutetica em energia potencial sendo que esta eacute aplicada em funccedilatildeo da altura da queda da aacutegua de acordo com Eq 1 (1) W = hgvAp ρ

onde Wp=Potencia gerada devido agrave altura equivalente h (W) A= Aacuterea uacutetil das lacircminas do rotor (msup2) v= Velocidade da aacutegua (ms) ρ= Massa especiacutefica da aacutegua (kgmsup3) g= Aceleraccedilatildeo da gravidade (mssup2) h= Altura equivalente agrave energia cineacutetica (m)

A equaccedilatildeo da potecircncia devido agrave energia cineacutetica eacute representada pela Eq 2

2)(21 vvAcW ρ= (2)

4

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Entretanto para casos praacuteticos de funcionamento do dispositivo em rios ou correntes mariacutetimas esta energia natildeo estaacute totalmente disponiacutevel para a extraccedilatildeo pois a aacutegua natildeo pode simplesmente parar quando passa da turbina necessita de alguma velocidade o que representa energia para se mover afastando-se assim da saiacuteda da turbina Aleacutem deste fator tem-se tambeacutem as ineficiecircncias da proacutepria turbina denotadas pelo seu coeficiente de desempenho Cp

De acordo com Worl Energy 2002 verifica-se que o maacuteximo valor de Cp para um dispositivo semelhante em funcionamento num rio eacute de 1627 ou 0592

Aplicando-se este fator agrave equaccedilatildeo (2) a potecircncia devido agrave energia cineacutetica eacute representada pela Eq 3

3278 vAWc ρ= (3)

Para determinar a altura equivalente agrave energia cineacutetica produzida (h) deve-se igualar as Eqs 1 e 3 obtendo-se

g

vh27

cos28 θ= (4)

A partir da Eq 4 a determinaccedilatildeo das dimensotildees do rotor seraacute feita seguindo a metodologia proposta por Souza 1991

Para efeito de caacutelculos seraacute suposto que o sentido de fluxo eacute axial ao eixo da turbina considerando que esta eacute a situaccedilatildeo mais criacutetica e eacute onde ocorrem os maiores esforccedilos

Aplicando-se os paracircmetros hidraacuteulicos do projeto ao conjunto de Eqs 4 a 22 obteacutem-se os dados de projeto do rotor da turbina de acordo com as Tabs 1 e 2 onde estatildeo definidas as variaacuteveis envolvidas

(5) rdd ei =

4

)(

22ie dd

Aminus

= π (6)

η

cct

WW = (7)

(8) hgY = (9) AvQ =

750

503 10

Y

QnnqA = (10)

(11) 38252 10412110650410932499319 qAqAqA nnnZ minusminusminus minus+minus=

)(

422ie

m ddQvminus

=π

(12)

ADOTADO

ii Z

dt

π= (13)

(14) itqAnqAnqAniL )391030242610235731036826891( minus+minusminusminus+=

(15) ii dnu π=

i

hui

uYv

2

2η

=∆ (16)

∆minus

=infin

2

arctanui

i

mi v

u

vβ (17)

i

mi

vw

infininfin =

βsen (18)

ii

si wLnZYc

infin

=

2 η (19)

(20) ee dnu π=

5

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

e

eu

uYv

2

2η

=∆ (21)

)2(

arctanuee

me vu

v∆minus

=infinβ (22)

O comprimento da corda do perfil no diacircmetro externo (Le) foi obtido atraveacutes de uma lei de formaccedilatildeo inovadora

para turbinas hidraacuteulicas a partir do projeto de turbinas eoacutelicas (Eggleston e Stoddart 1987) conforme Fig 4

Figura 4 Lei de formaccedilatildeo inovadora do perfil da paacute do rotor

ej

dd 10 02907

Li

Le=0415Li

02120

Lj

Conforme Fig 4 a lei de formaccedilatildeo inovadora do perfil da paacute do rotor propotildee que Lj seja igual a Li ateacute djde atingir 02907 e que Le atinja 415 do valor de Li Assim os valores de Lj satildeo obtidos a partir da Eq 23 onde

di = diacircmetro interno do rotor (m) de = diacircmetro externo do rotor (m) dj = diacircmetro geneacuterico do rotor variando de di a de (m)

(23) 06458)(66304 +timesminus= dedjLj

A lei de formaccedilatildeo do comprimento das seccedilotildees dos perfis do rotor permitiu que o comprimento do perfil externo Le se tornasse menor do que o comprimento do perfil interno Li o que era desejado conforme Fig 2

As Eqs 24 a 34 complementam os caacutelculos das dimensotildees do rotor da turbina (Souza 1991)

4

)()(1300 ieei ddLLhF minus+= (24)

4

)( ief

ddFM minus= (25)

33 103657 fgi Mxe minus= (26)

(27) gige ee 330=

(28) gip eD 51=

2

6

gip

f

eD

M=τ (29)

1120

)( jgj

Lef = (30)

(31) iigigi Lfey 014050 +=

(32) eegege Lfey 014050 +=

(33) iigimaacutexi Lfey 0110021 +=

(34) eegemaacutexe Lfey 0110021 +=

6

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004 Tabela 2 Paracircmetros hidraacuteulicos e dados de projeto do rotor da turbina

Descriccedilatildeo do paracircmetro Eq Valor Unidade Observaccedilotildees h Altura equivalente agrave energia cineacutetica 4 008 m A Aacuterea uacutetil do rotor 6 147 m2 Y Trabalho especiacutefico 8 0759 m2s2 Q Vazatildeo atraveacutes da turbina 9 235 m3s

nqA Rotaccedilatildeo especiacutefica geneacuterica 10 105670 rps 240 a 1060 para turbinas

axiais vm Velocidade meridional 12 16 ms

ti Passo no diacircmetro interno 13 031 m Li Corda do perfil no diacircmetro interno 14 03694 m ui Velocidade tangencial no diacircmetro interno 15 0522 ms

2iuv∆ Componente da velocidade absoluta na direccedilatildeo tangencial no

diacircmetro interno 16 029 ms

iinfinβ

Acircngulo do escoamento natildeo perturbado com a direccedilatildeo tangencial no diacircmetro interno

17 817 graus

iwinfin

Velocidade relativa do escoamento natildeo perturbado no diacircmetro interno

18 162 ms

sic

Coeficiente de sustentaccedilatildeo para o perfil no diacircmetro interno 19 06067 Para Csile 120

eu Velocidade tangencial no diacircmetro externo 20 246 ms

2euv∆

Componente da velocidade absoluta na direccedilatildeo tangencial no

diacircmetro externo 21 00617 ms

einfinβ

Acircngulo do escoamento natildeo perturbado com a direccedilatildeo tangencial no diacircmetro externo

22 3362 graus

Le Comprimento da corda do perfil no diacircmetro externo 01534

m Lei de formaccedilatildeo

inovadora da Eq 23

F Forccedila que atua na paacute no diacircmetro meacutedio 24 1439 N Para sobrepressatildeo de 30 pelas variaccedilotildees das correntes de

aacutegua Mf Momento fletor que atua na paacute 25 40 Nm

egi Espessura miacutenima no centro de gravidade do perfil interno 26 0035 m Adotou-se megi 040=

ege Espessura miacutenima no centro de gravidade do perfil externo 27 0015 m Adotou-se o mesmo valor

calculado Dp Diacircmetro do pino de fixaccedilatildeo da paacute ao cubo do rotor 28 006 m τ Tensatildeo maacutexima atuante na paacute 29 250104 Nm2

fi Fator de engrossamento eou afinamento do perfil interno 30 085

fe Fator de engrossamento eou afinamento do perfil externo 30 087

ygi Ordenada do perfil no diacircmetro interno no centro de gravidade 31 00269 m

yge Ordenada do perfil no diacircmetro externo no centro de gravidade 32 00077 m

ymaxi Ordenada maacutexima do perfil no diacircmetro interno 33 00391 m

ymaxe Ordenada maacutexima do perfil no diacircmetro externo 34 00164 m

7

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

3 Construccedilatildeo do Rotor da Turbina

Para cada secccedilatildeo do perfil da paacute foram calculados seus pontos superiores e inferiores ( ysrsquo e yirsquo) para cada tamanho de corda (L) Com isto obteve-se 11 perfis desenhados em papel em escala 1x1 Logo apoacutes foram reproduzidos numa chapa de alumiacutenio A Fig 5 mostra o perfil interno (i) com coordenadas em mm

Coordenada L (mm)

Coo

rden

ada

yrsquo (m

m)

Figura 5 Perfil interno ( i ) da paacute do rotor da turbina Para montar-se a estrutura do molde os perfis em alumiacutenio foram ligados atraveacutes de seu centro de gravidade com

um arame de construccedilatildeo conforme Fig 6 Isto deu o apoio necessaacuterio para que fosse possiacutevel atraveacutes de um transferidor dar o acircngulo correto ( ) de secccedilatildeo a secccedilatildeo Tacos de maneira cortados na medida certa deram certeza que todos os pontos de um perfil ficassem equumlidistantes do perfil seguinte

β

Figura 6 Estrutura do molde da paacute do rotor com os perfis em alumiacutenio Para a construccedilatildeo do molde Fig 7 foi utilizada massa plaacutestica mistura de resina polieacutester com pigmentos

(conhecida como poacute industrial) formando uma pasta faacutecil de trabalhar e com bom rendimento Foram colocados pinos de sustentaccedilatildeo no interior das paacutes e que vatildeo prender as paacutes no flange

Figura 7 Molde da paacute do rotor da turbina

8

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

As paacutes foram reproduzidas atraveacutes do meacutetodo manual de laminaccedilatildeo Foi aplicada uma cera desmoldante sobre o molde logo apoacutes depositou-se uma manta de fibra de vidro umedecida com resina polieacutester utilizando pincel e um rolo eliminando quase que totalmente as bolhas que poderiam se formar causando um efeito natildeo desejaacutevel A reproduccedilatildeo da paacute utilizando este meacutetodo atingiu um efeito esperado e um oacutetimo acabamento que foi finalizado com a aplicaccedilatildeo de gel onde foram eliminadas as imperfeiccedilotildees superficiais Os espaccedilos vazios foram preenchidos com resina que foi aplicada de maneira controlada e gradativa em funccedilatildeo da reaccedilatildeo quiacutemica da resina x catalisador quando ocorre um aumento significativo da temperatura A Fig 8 mostra as 3 paacutes reproduzidas

Figura 8 Paacutes do rotor da turbina em fibra de vidro com resina polieacutester O cubo do rotor foi confeccionado utilizando um duto de 300 mm correspondendo ao diacircmetro do perfil interno

das paacutes (di) A Fig 9 mostra o rotor montado

Figura 9 Rotor da turbina montado

4 Montagem da Turbina

A proacutexima etapa eacute dimensionar o sistema que vai transmitir a potencia gerada pela turbina atraveacutes de seu torque e rotaccedilatildeo a um gerador A Fig 10 mostra a montagem da aacutervore de transmissatildeo com coroa e pinhatildeo ligados por corrente

O meacutetodo utilizado para o dimensionamento da aacutervore de transmissatildeo foi o da Teoria de Tresca-Soderberg segundo Deutschaman 1990 obtendo-se os valores mostrados na Tab 3 Tabela 3 Dados do sistema de transmissatildeo

Elemento Valor Unidade Diacircmetro do Eixo 00254 m

Coroa 52 dentes Pinhatildeo 11 dentes

Comprimento do eixo submerso 0700 m Eixo Superior 0500 m

Relaccedilatildeo de Transmissatildeo 47 Passo da corrente 00127 m

9

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Figura 10 Montagem da aacutervore de transmissatildeo

Para sustentar a turbina foi escolhida uma estrutura do tipo moacutevel pois o que se precisa fazer eacute soacute transportaacute-la ateacute a aacutegua A alternativa encontrada para flutuaccedilatildeo da estrutura foi a de usar toneacuteis de 200 litros que deram um bom empuxo devido ao seu grande volume Com eles foi construiacuteda uma balsa toda montada em cantoneiras soldadas de 1 frac14rdquo com espessura de 18rdquo As partes moacuteveis foram fixadas com parafusos de 38rdquo A construccedilatildeo da balsa partiu do principio que a turbina fosse independente da balsa facilitando assim o transporte do laboratoacuterio ateacute a aacutegua Na Fig 11 pode-se ver a o desenho da balsa e a turbina montadas A quantidade de toneacuteis foi suficiente para comportar o peso da turbina a estrutura e duas pessoas que somavam juntas 160 kg

Figura 11 Turbina Montada na Balsa

5 Testes da Turbina

Os testes foram feitos de maneira controlada rebocando a balsa utilizando um barco no Estuaacuterio da Lagoa dos Patos proacuteximo a Rio Grande RS gerando uma correnteza artificial com velocidade medida por um sistema de posicionamento global GPS Assim foi possiacutevel levantar o comportamento da turbina seu torque e rotaccedilatildeo sendo importantes para o desenvolvimento do sistema de ampliaccedilatildeo A Tab 4 mostra os dados fundamentais obtidos nos testes e a Fig 12 apresenta a turbina sendo rebocada pelo barco e estatildeo sendo feitas mediccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo

Tabela 4 Dados Fundamentais Obtidos nos Testes

Paracircmetro Valor Unidade

Velocidade do Barco 13 ms

Rotaccedilatildeo no eixo superior 150 rpm

Torque 126 Nm

Rotaccedilatildeo no eixo submerso 50 rpm

10

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Figura 12 Turbina sendo rebocada pelo barco e mediccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo Os valores de torque encontrados estatildeo dentro da especificaccedilatildeo atribuiacuteda ao gerador jaacute que este necessita para gerar

o valor proposto no projeto 1 kVA um torque miacutenimo de 12 Nm Mas soacute o torque natildeo satisfaz pois eacute necessaacuteria uma rotaccedilatildeo miacutenima para que o gerador funcione Como a rotaccedilatildeo maacutexima obtida no eixo superior foi de 150 rpm entatildeo desenvolveu-se um sistema de ampliaccedilatildeo que transformaraacute a rotaccedilatildeo fornecida ao eixo superior pela turbina em uma rotaccedilatildeo maior que 1800 rpm

A Fig 13 apresenta a disposiccedilatildeo do sistema de ampliaccedilatildeo constituiacutedo de correias e polias

Figura 13 Disposiccedilatildeo do Sistema de Ampliaccedilatildeo A rotaccedilatildeo no eixo da polia 2 seraacute encontrada pela igualdade da velocidade tangencial de acordo com a Eq 35

2

112 r

rnn times= (35)

As Eqs 36 e 37 permitem encontrar a rotaccedilatildeo que eacute transmitida da polia 3 para a polia 4 obtendo-se assim a rotaccedilatildeo no eixo do gerador (36) 23 nn =

(37) 4433 rnrn times=times

A Tab 5 apresenta os resultados de rotaccedilatildeo obtidos com o sistema de transmissatildeo da Fig 13 A rotaccedilatildeo encontrada satisfaz as condiccedilotildees impostas pelo gerador tendo uma sobra de 955 rpm que daraacute seguranccedila

para o gerador realmente produzir 1 KVA alcanccedilando os objetivos do projeto

11

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Tabela 5 Rotaccedilotildees obtidas com o sistema de ampliaccedilatildeo Paracircmetro Descriccedilatildeo do Paracircmetro Valor Unidade

r1 Raio da polia 1 (ligada ao eixo do pinhatildeo) 0150 m n1 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 1 150 rpm r2 Raio da polia 2 0035 m n2 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 2 6429 rpm r3 Raio da polia 3 0150 m n3 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 3 6429 rpm r4 Raio da polia 4 (ligada ao eixo do gerador) 0035 m n4 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 4 2755 rpm

6 Conclusotildees

O projeto executado faz parte das atividades do grupo de pesquisa em Fontes Alternativas de Energia do Departamento de Fiacutesica da FURG que estuda a produccedilatildeo de energia dentro de seu ecossistema costeiro As condiccedilotildees locais de Rio GrandeRS numa regiatildeo sem quedas daacutegua poreacutem com mananciais abundantes de correntes de aacutegua de baixa velocidade motivou a realizaccedilatildeo deste projeto O desafio proposto de projetar construir e instalar uma turbina hidrocineacutetica axial foi plenamente atingido A turbina desenvolvida apresentou condiccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo que permitem gerar 1 kVA num alternador com carga instalada O conjunto eacute de faacutecil instalaccedilatildeo manutenccedilatildeo e acesso para obtenccedilatildeo das variaacuteveis envolvidas durante a sua operaccedilatildeo

Referecircncias Bibliograacuteficas Blue Energy Canada Inc PrimeDavis Hydro Turbine PrototypesPrime wwwbluenergycom acesso em 1811 2002 Deutschaman A D PrimeMachine Design Theory and PracticePrime USA Macmillam Publishing Co Inc 1990 Eggleston D M Stoddard F S rdquoWind Turbine Engineering Designrdquo New York Ed Van Nostrand Reinhold 1987 Marine Current Turbines Ltd Energy derived from the oceans currents wwwmarineturbinescom acesso em 18112002 Souza Z PrimeDimensionamento de Maacutequinas de FluxoTurbinas Bombas VentiladoresPrime SP Edgar Bluumlcher Ltda 1991 Thropton Energy ServicesPrimeAmazon AquacherPrime wwwthroptonenergycom acesso em 18112002 Universidade de Brasiacutelia PrimeProjeto Turbina HidrocineacuteticaPrime wwwturbina hidrocineacuteticacombr acesso em 18112002 World Enegy PrimeSituaccedilatildeo da Energia no MundoPrime wwwworldenegyorg acesso em 20102002

WATER CURRENT TURBINE

Sonia Magalhatildees dos Santos e-mail vnsantosmikruscombr

Jorge Alberto Almeida e-mail dfsjaafurgbr

Daniel Alves de Andrade e-mail kazoebolcombr

Leonardo Files Dias e-mail leonardofiles bolcombr Departamento de Fiacutesica ndash Fundaccedilatildeo Universidade Federal do Rio Grande (FURG) Av Itaacutelia km 8 - Campus Carreiros - Rio GrandeRS ndash Brasil ndash CEP 96201-900

Abstract This work had as goal to project build install and test an axial hydrokinetic turbine nominated water current turbine which uses the kinetic energy due to the water flow across the rotor eliminating big powerhouses ducts and dams because it does not require the existence of waterfalls decreasing the environmental impact A new procedure to calculate blade profile was developed based in wing turbine studies The turbine has an outside diameter of 14 m and a useful area of 147 m2 It has three blades and it operates at 1 kVA power with water speed ranging from 13 to 20 ms The environment conditions are those of the geographic area of Rio Grande RS Brazil The rotor was built using polyester resin and fiberglass The turbine was mounted in a mobile structure with four barrels of 200 liters linked by L-brackets Tests performed at the Patos Lake indicated a 150-rpm rotation and a 126 Nm torque in the transmission top axis Two torque transmission and rotation amplification systems were developed to acquire an alternator rotation of 2054-rpm with no charge and an alternator rotation of 1800-rpm at the desired charge The array turbine ndash structure ndash transmission system and alternator is robust and easy to install and repair

Keywords water current turbine micro central hydroelectric isolated electricity generation

12

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Entretanto para casos praacuteticos de funcionamento do dispositivo em rios ou correntes mariacutetimas esta energia natildeo estaacute totalmente disponiacutevel para a extraccedilatildeo pois a aacutegua natildeo pode simplesmente parar quando passa da turbina necessita de alguma velocidade o que representa energia para se mover afastando-se assim da saiacuteda da turbina Aleacutem deste fator tem-se tambeacutem as ineficiecircncias da proacutepria turbina denotadas pelo seu coeficiente de desempenho Cp

De acordo com Worl Energy 2002 verifica-se que o maacuteximo valor de Cp para um dispositivo semelhante em funcionamento num rio eacute de 1627 ou 0592

Aplicando-se este fator agrave equaccedilatildeo (2) a potecircncia devido agrave energia cineacutetica eacute representada pela Eq 3

3278 vAWc ρ= (3)

Para determinar a altura equivalente agrave energia cineacutetica produzida (h) deve-se igualar as Eqs 1 e 3 obtendo-se

g

vh27

cos28 θ= (4)

A partir da Eq 4 a determinaccedilatildeo das dimensotildees do rotor seraacute feita seguindo a metodologia proposta por Souza 1991

Para efeito de caacutelculos seraacute suposto que o sentido de fluxo eacute axial ao eixo da turbina considerando que esta eacute a situaccedilatildeo mais criacutetica e eacute onde ocorrem os maiores esforccedilos

Aplicando-se os paracircmetros hidraacuteulicos do projeto ao conjunto de Eqs 4 a 22 obteacutem-se os dados de projeto do rotor da turbina de acordo com as Tabs 1 e 2 onde estatildeo definidas as variaacuteveis envolvidas

(5) rdd ei =

4

)(

22ie dd

Aminus

= π (6)

η

cct

WW = (7)

(8) hgY = (9) AvQ =

750

503 10

Y

QnnqA = (10)

(11) 38252 10412110650410932499319 qAqAqA nnnZ minusminusminus minus+minus=

)(

422ie

m ddQvminus

=π

(12)

ADOTADO

ii Z

dt

π= (13)

(14) itqAnqAnqAniL )391030242610235731036826891( minus+minusminusminus+=

(15) ii dnu π=

i

hui

uYv

2

2η

=∆ (16)

∆minus

=infin

2

arctanui

i

mi v

u

vβ (17)

i

mi

vw

infininfin =

βsen (18)

ii

si wLnZYc

infin

=

2 η (19)

(20) ee dnu π=

5

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

e

eu

uYv

2

2η

=∆ (21)

)2(

arctanuee

me vu

v∆minus

=infinβ (22)

O comprimento da corda do perfil no diacircmetro externo (Le) foi obtido atraveacutes de uma lei de formaccedilatildeo inovadora

para turbinas hidraacuteulicas a partir do projeto de turbinas eoacutelicas (Eggleston e Stoddart 1987) conforme Fig 4

Figura 4 Lei de formaccedilatildeo inovadora do perfil da paacute do rotor

ej

dd 10 02907

Li

Le=0415Li

02120

Lj

Conforme Fig 4 a lei de formaccedilatildeo inovadora do perfil da paacute do rotor propotildee que Lj seja igual a Li ateacute djde atingir 02907 e que Le atinja 415 do valor de Li Assim os valores de Lj satildeo obtidos a partir da Eq 23 onde

di = diacircmetro interno do rotor (m) de = diacircmetro externo do rotor (m) dj = diacircmetro geneacuterico do rotor variando de di a de (m)

(23) 06458)(66304 +timesminus= dedjLj

A lei de formaccedilatildeo do comprimento das seccedilotildees dos perfis do rotor permitiu que o comprimento do perfil externo Le se tornasse menor do que o comprimento do perfil interno Li o que era desejado conforme Fig 2

As Eqs 24 a 34 complementam os caacutelculos das dimensotildees do rotor da turbina (Souza 1991)

4

)()(1300 ieei ddLLhF minus+= (24)

4

)( ief

ddFM minus= (25)

33 103657 fgi Mxe minus= (26)

(27) gige ee 330=

(28) gip eD 51=

2

6

gip

f

eD

M=τ (29)

1120

)( jgj

Lef = (30)

(31) iigigi Lfey 014050 +=

(32) eegege Lfey 014050 +=

(33) iigimaacutexi Lfey 0110021 +=

(34) eegemaacutexe Lfey 0110021 +=

6

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004 Tabela 2 Paracircmetros hidraacuteulicos e dados de projeto do rotor da turbina

Descriccedilatildeo do paracircmetro Eq Valor Unidade Observaccedilotildees h Altura equivalente agrave energia cineacutetica 4 008 m A Aacuterea uacutetil do rotor 6 147 m2 Y Trabalho especiacutefico 8 0759 m2s2 Q Vazatildeo atraveacutes da turbina 9 235 m3s

nqA Rotaccedilatildeo especiacutefica geneacuterica 10 105670 rps 240 a 1060 para turbinas

axiais vm Velocidade meridional 12 16 ms

ti Passo no diacircmetro interno 13 031 m Li Corda do perfil no diacircmetro interno 14 03694 m ui Velocidade tangencial no diacircmetro interno 15 0522 ms

2iuv∆ Componente da velocidade absoluta na direccedilatildeo tangencial no

diacircmetro interno 16 029 ms

iinfinβ

Acircngulo do escoamento natildeo perturbado com a direccedilatildeo tangencial no diacircmetro interno

17 817 graus

iwinfin

Velocidade relativa do escoamento natildeo perturbado no diacircmetro interno

18 162 ms

sic

Coeficiente de sustentaccedilatildeo para o perfil no diacircmetro interno 19 06067 Para Csile 120

eu Velocidade tangencial no diacircmetro externo 20 246 ms

2euv∆

Componente da velocidade absoluta na direccedilatildeo tangencial no

diacircmetro externo 21 00617 ms

einfinβ

Acircngulo do escoamento natildeo perturbado com a direccedilatildeo tangencial no diacircmetro externo

22 3362 graus

Le Comprimento da corda do perfil no diacircmetro externo 01534

m Lei de formaccedilatildeo

inovadora da Eq 23

F Forccedila que atua na paacute no diacircmetro meacutedio 24 1439 N Para sobrepressatildeo de 30 pelas variaccedilotildees das correntes de

aacutegua Mf Momento fletor que atua na paacute 25 40 Nm

egi Espessura miacutenima no centro de gravidade do perfil interno 26 0035 m Adotou-se megi 040=

ege Espessura miacutenima no centro de gravidade do perfil externo 27 0015 m Adotou-se o mesmo valor

calculado Dp Diacircmetro do pino de fixaccedilatildeo da paacute ao cubo do rotor 28 006 m τ Tensatildeo maacutexima atuante na paacute 29 250104 Nm2

fi Fator de engrossamento eou afinamento do perfil interno 30 085

fe Fator de engrossamento eou afinamento do perfil externo 30 087

ygi Ordenada do perfil no diacircmetro interno no centro de gravidade 31 00269 m

yge Ordenada do perfil no diacircmetro externo no centro de gravidade 32 00077 m

ymaxi Ordenada maacutexima do perfil no diacircmetro interno 33 00391 m

ymaxe Ordenada maacutexima do perfil no diacircmetro externo 34 00164 m

7

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

3 Construccedilatildeo do Rotor da Turbina

Para cada secccedilatildeo do perfil da paacute foram calculados seus pontos superiores e inferiores ( ysrsquo e yirsquo) para cada tamanho de corda (L) Com isto obteve-se 11 perfis desenhados em papel em escala 1x1 Logo apoacutes foram reproduzidos numa chapa de alumiacutenio A Fig 5 mostra o perfil interno (i) com coordenadas em mm

Coordenada L (mm)

Coo

rden

ada

yrsquo (m

m)

Figura 5 Perfil interno ( i ) da paacute do rotor da turbina Para montar-se a estrutura do molde os perfis em alumiacutenio foram ligados atraveacutes de seu centro de gravidade com

um arame de construccedilatildeo conforme Fig 6 Isto deu o apoio necessaacuterio para que fosse possiacutevel atraveacutes de um transferidor dar o acircngulo correto ( ) de secccedilatildeo a secccedilatildeo Tacos de maneira cortados na medida certa deram certeza que todos os pontos de um perfil ficassem equumlidistantes do perfil seguinte

β

Figura 6 Estrutura do molde da paacute do rotor com os perfis em alumiacutenio Para a construccedilatildeo do molde Fig 7 foi utilizada massa plaacutestica mistura de resina polieacutester com pigmentos

(conhecida como poacute industrial) formando uma pasta faacutecil de trabalhar e com bom rendimento Foram colocados pinos de sustentaccedilatildeo no interior das paacutes e que vatildeo prender as paacutes no flange

Figura 7 Molde da paacute do rotor da turbina

8

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

As paacutes foram reproduzidas atraveacutes do meacutetodo manual de laminaccedilatildeo Foi aplicada uma cera desmoldante sobre o molde logo apoacutes depositou-se uma manta de fibra de vidro umedecida com resina polieacutester utilizando pincel e um rolo eliminando quase que totalmente as bolhas que poderiam se formar causando um efeito natildeo desejaacutevel A reproduccedilatildeo da paacute utilizando este meacutetodo atingiu um efeito esperado e um oacutetimo acabamento que foi finalizado com a aplicaccedilatildeo de gel onde foram eliminadas as imperfeiccedilotildees superficiais Os espaccedilos vazios foram preenchidos com resina que foi aplicada de maneira controlada e gradativa em funccedilatildeo da reaccedilatildeo quiacutemica da resina x catalisador quando ocorre um aumento significativo da temperatura A Fig 8 mostra as 3 paacutes reproduzidas

Figura 8 Paacutes do rotor da turbina em fibra de vidro com resina polieacutester O cubo do rotor foi confeccionado utilizando um duto de 300 mm correspondendo ao diacircmetro do perfil interno

das paacutes (di) A Fig 9 mostra o rotor montado

Figura 9 Rotor da turbina montado

4 Montagem da Turbina

A proacutexima etapa eacute dimensionar o sistema que vai transmitir a potencia gerada pela turbina atraveacutes de seu torque e rotaccedilatildeo a um gerador A Fig 10 mostra a montagem da aacutervore de transmissatildeo com coroa e pinhatildeo ligados por corrente

O meacutetodo utilizado para o dimensionamento da aacutervore de transmissatildeo foi o da Teoria de Tresca-Soderberg segundo Deutschaman 1990 obtendo-se os valores mostrados na Tab 3 Tabela 3 Dados do sistema de transmissatildeo

Elemento Valor Unidade Diacircmetro do Eixo 00254 m

Coroa 52 dentes Pinhatildeo 11 dentes

Comprimento do eixo submerso 0700 m Eixo Superior 0500 m

Relaccedilatildeo de Transmissatildeo 47 Passo da corrente 00127 m

9

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Figura 10 Montagem da aacutervore de transmissatildeo

Para sustentar a turbina foi escolhida uma estrutura do tipo moacutevel pois o que se precisa fazer eacute soacute transportaacute-la ateacute a aacutegua A alternativa encontrada para flutuaccedilatildeo da estrutura foi a de usar toneacuteis de 200 litros que deram um bom empuxo devido ao seu grande volume Com eles foi construiacuteda uma balsa toda montada em cantoneiras soldadas de 1 frac14rdquo com espessura de 18rdquo As partes moacuteveis foram fixadas com parafusos de 38rdquo A construccedilatildeo da balsa partiu do principio que a turbina fosse independente da balsa facilitando assim o transporte do laboratoacuterio ateacute a aacutegua Na Fig 11 pode-se ver a o desenho da balsa e a turbina montadas A quantidade de toneacuteis foi suficiente para comportar o peso da turbina a estrutura e duas pessoas que somavam juntas 160 kg

Figura 11 Turbina Montada na Balsa

5 Testes da Turbina

Os testes foram feitos de maneira controlada rebocando a balsa utilizando um barco no Estuaacuterio da Lagoa dos Patos proacuteximo a Rio Grande RS gerando uma correnteza artificial com velocidade medida por um sistema de posicionamento global GPS Assim foi possiacutevel levantar o comportamento da turbina seu torque e rotaccedilatildeo sendo importantes para o desenvolvimento do sistema de ampliaccedilatildeo A Tab 4 mostra os dados fundamentais obtidos nos testes e a Fig 12 apresenta a turbina sendo rebocada pelo barco e estatildeo sendo feitas mediccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo

Tabela 4 Dados Fundamentais Obtidos nos Testes

Paracircmetro Valor Unidade

Velocidade do Barco 13 ms

Rotaccedilatildeo no eixo superior 150 rpm

Torque 126 Nm

Rotaccedilatildeo no eixo submerso 50 rpm

10

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Figura 12 Turbina sendo rebocada pelo barco e mediccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo Os valores de torque encontrados estatildeo dentro da especificaccedilatildeo atribuiacuteda ao gerador jaacute que este necessita para gerar

o valor proposto no projeto 1 kVA um torque miacutenimo de 12 Nm Mas soacute o torque natildeo satisfaz pois eacute necessaacuteria uma rotaccedilatildeo miacutenima para que o gerador funcione Como a rotaccedilatildeo maacutexima obtida no eixo superior foi de 150 rpm entatildeo desenvolveu-se um sistema de ampliaccedilatildeo que transformaraacute a rotaccedilatildeo fornecida ao eixo superior pela turbina em uma rotaccedilatildeo maior que 1800 rpm

A Fig 13 apresenta a disposiccedilatildeo do sistema de ampliaccedilatildeo constituiacutedo de correias e polias

Figura 13 Disposiccedilatildeo do Sistema de Ampliaccedilatildeo A rotaccedilatildeo no eixo da polia 2 seraacute encontrada pela igualdade da velocidade tangencial de acordo com a Eq 35

2

112 r

rnn times= (35)

As Eqs 36 e 37 permitem encontrar a rotaccedilatildeo que eacute transmitida da polia 3 para a polia 4 obtendo-se assim a rotaccedilatildeo no eixo do gerador (36) 23 nn =

(37) 4433 rnrn times=times

A Tab 5 apresenta os resultados de rotaccedilatildeo obtidos com o sistema de transmissatildeo da Fig 13 A rotaccedilatildeo encontrada satisfaz as condiccedilotildees impostas pelo gerador tendo uma sobra de 955 rpm que daraacute seguranccedila

para o gerador realmente produzir 1 KVA alcanccedilando os objetivos do projeto

11

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Tabela 5 Rotaccedilotildees obtidas com o sistema de ampliaccedilatildeo Paracircmetro Descriccedilatildeo do Paracircmetro Valor Unidade

r1 Raio da polia 1 (ligada ao eixo do pinhatildeo) 0150 m n1 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 1 150 rpm r2 Raio da polia 2 0035 m n2 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 2 6429 rpm r3 Raio da polia 3 0150 m n3 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 3 6429 rpm r4 Raio da polia 4 (ligada ao eixo do gerador) 0035 m n4 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 4 2755 rpm

6 Conclusotildees

O projeto executado faz parte das atividades do grupo de pesquisa em Fontes Alternativas de Energia do Departamento de Fiacutesica da FURG que estuda a produccedilatildeo de energia dentro de seu ecossistema costeiro As condiccedilotildees locais de Rio GrandeRS numa regiatildeo sem quedas daacutegua poreacutem com mananciais abundantes de correntes de aacutegua de baixa velocidade motivou a realizaccedilatildeo deste projeto O desafio proposto de projetar construir e instalar uma turbina hidrocineacutetica axial foi plenamente atingido A turbina desenvolvida apresentou condiccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo que permitem gerar 1 kVA num alternador com carga instalada O conjunto eacute de faacutecil instalaccedilatildeo manutenccedilatildeo e acesso para obtenccedilatildeo das variaacuteveis envolvidas durante a sua operaccedilatildeo

Referecircncias Bibliograacuteficas Blue Energy Canada Inc PrimeDavis Hydro Turbine PrototypesPrime wwwbluenergycom acesso em 1811 2002 Deutschaman A D PrimeMachine Design Theory and PracticePrime USA Macmillam Publishing Co Inc 1990 Eggleston D M Stoddard F S rdquoWind Turbine Engineering Designrdquo New York Ed Van Nostrand Reinhold 1987 Marine Current Turbines Ltd Energy derived from the oceans currents wwwmarineturbinescom acesso em 18112002 Souza Z PrimeDimensionamento de Maacutequinas de FluxoTurbinas Bombas VentiladoresPrime SP Edgar Bluumlcher Ltda 1991 Thropton Energy ServicesPrimeAmazon AquacherPrime wwwthroptonenergycom acesso em 18112002 Universidade de Brasiacutelia PrimeProjeto Turbina HidrocineacuteticaPrime wwwturbina hidrocineacuteticacombr acesso em 18112002 World Enegy PrimeSituaccedilatildeo da Energia no MundoPrime wwwworldenegyorg acesso em 20102002

WATER CURRENT TURBINE

Sonia Magalhatildees dos Santos e-mail vnsantosmikruscombr

Jorge Alberto Almeida e-mail dfsjaafurgbr

Daniel Alves de Andrade e-mail kazoebolcombr

Leonardo Files Dias e-mail leonardofiles bolcombr Departamento de Fiacutesica ndash Fundaccedilatildeo Universidade Federal do Rio Grande (FURG) Av Itaacutelia km 8 - Campus Carreiros - Rio GrandeRS ndash Brasil ndash CEP 96201-900

Abstract This work had as goal to project build install and test an axial hydrokinetic turbine nominated water current turbine which uses the kinetic energy due to the water flow across the rotor eliminating big powerhouses ducts and dams because it does not require the existence of waterfalls decreasing the environmental impact A new procedure to calculate blade profile was developed based in wing turbine studies The turbine has an outside diameter of 14 m and a useful area of 147 m2 It has three blades and it operates at 1 kVA power with water speed ranging from 13 to 20 ms The environment conditions are those of the geographic area of Rio Grande RS Brazil The rotor was built using polyester resin and fiberglass The turbine was mounted in a mobile structure with four barrels of 200 liters linked by L-brackets Tests performed at the Patos Lake indicated a 150-rpm rotation and a 126 Nm torque in the transmission top axis Two torque transmission and rotation amplification systems were developed to acquire an alternator rotation of 2054-rpm with no charge and an alternator rotation of 1800-rpm at the desired charge The array turbine ndash structure ndash transmission system and alternator is robust and easy to install and repair

Keywords water current turbine micro central hydroelectric isolated electricity generation

12

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

e

eu

uYv

2

2η

=∆ (21)

)2(

arctanuee

me vu

v∆minus

=infinβ (22)

O comprimento da corda do perfil no diacircmetro externo (Le) foi obtido atraveacutes de uma lei de formaccedilatildeo inovadora

para turbinas hidraacuteulicas a partir do projeto de turbinas eoacutelicas (Eggleston e Stoddart 1987) conforme Fig 4

Figura 4 Lei de formaccedilatildeo inovadora do perfil da paacute do rotor

ej

dd 10 02907

Li

Le=0415Li

02120

Lj

Conforme Fig 4 a lei de formaccedilatildeo inovadora do perfil da paacute do rotor propotildee que Lj seja igual a Li ateacute djde atingir 02907 e que Le atinja 415 do valor de Li Assim os valores de Lj satildeo obtidos a partir da Eq 23 onde

di = diacircmetro interno do rotor (m) de = diacircmetro externo do rotor (m) dj = diacircmetro geneacuterico do rotor variando de di a de (m)

(23) 06458)(66304 +timesminus= dedjLj

A lei de formaccedilatildeo do comprimento das seccedilotildees dos perfis do rotor permitiu que o comprimento do perfil externo Le se tornasse menor do que o comprimento do perfil interno Li o que era desejado conforme Fig 2

As Eqs 24 a 34 complementam os caacutelculos das dimensotildees do rotor da turbina (Souza 1991)

4

)()(1300 ieei ddLLhF minus+= (24)

4

)( ief

ddFM minus= (25)

33 103657 fgi Mxe minus= (26)

(27) gige ee 330=

(28) gip eD 51=

2

6

gip

f

eD

M=τ (29)

1120

)( jgj

Lef = (30)

(31) iigigi Lfey 014050 +=

(32) eegege Lfey 014050 +=

(33) iigimaacutexi Lfey 0110021 +=

(34) eegemaacutexe Lfey 0110021 +=

6

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004 Tabela 2 Paracircmetros hidraacuteulicos e dados de projeto do rotor da turbina

Descriccedilatildeo do paracircmetro Eq Valor Unidade Observaccedilotildees h Altura equivalente agrave energia cineacutetica 4 008 m A Aacuterea uacutetil do rotor 6 147 m2 Y Trabalho especiacutefico 8 0759 m2s2 Q Vazatildeo atraveacutes da turbina 9 235 m3s

nqA Rotaccedilatildeo especiacutefica geneacuterica 10 105670 rps 240 a 1060 para turbinas

axiais vm Velocidade meridional 12 16 ms

ti Passo no diacircmetro interno 13 031 m Li Corda do perfil no diacircmetro interno 14 03694 m ui Velocidade tangencial no diacircmetro interno 15 0522 ms

2iuv∆ Componente da velocidade absoluta na direccedilatildeo tangencial no

diacircmetro interno 16 029 ms

iinfinβ

Acircngulo do escoamento natildeo perturbado com a direccedilatildeo tangencial no diacircmetro interno

17 817 graus

iwinfin

Velocidade relativa do escoamento natildeo perturbado no diacircmetro interno

18 162 ms

sic

Coeficiente de sustentaccedilatildeo para o perfil no diacircmetro interno 19 06067 Para Csile 120

eu Velocidade tangencial no diacircmetro externo 20 246 ms

2euv∆

Componente da velocidade absoluta na direccedilatildeo tangencial no

diacircmetro externo 21 00617 ms

einfinβ

Acircngulo do escoamento natildeo perturbado com a direccedilatildeo tangencial no diacircmetro externo

22 3362 graus

Le Comprimento da corda do perfil no diacircmetro externo 01534

m Lei de formaccedilatildeo

inovadora da Eq 23

F Forccedila que atua na paacute no diacircmetro meacutedio 24 1439 N Para sobrepressatildeo de 30 pelas variaccedilotildees das correntes de

aacutegua Mf Momento fletor que atua na paacute 25 40 Nm

egi Espessura miacutenima no centro de gravidade do perfil interno 26 0035 m Adotou-se megi 040=

ege Espessura miacutenima no centro de gravidade do perfil externo 27 0015 m Adotou-se o mesmo valor

calculado Dp Diacircmetro do pino de fixaccedilatildeo da paacute ao cubo do rotor 28 006 m τ Tensatildeo maacutexima atuante na paacute 29 250104 Nm2

fi Fator de engrossamento eou afinamento do perfil interno 30 085

fe Fator de engrossamento eou afinamento do perfil externo 30 087

ygi Ordenada do perfil no diacircmetro interno no centro de gravidade 31 00269 m

yge Ordenada do perfil no diacircmetro externo no centro de gravidade 32 00077 m

ymaxi Ordenada maacutexima do perfil no diacircmetro interno 33 00391 m

ymaxe Ordenada maacutexima do perfil no diacircmetro externo 34 00164 m

7

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

3 Construccedilatildeo do Rotor da Turbina

Para cada secccedilatildeo do perfil da paacute foram calculados seus pontos superiores e inferiores ( ysrsquo e yirsquo) para cada tamanho de corda (L) Com isto obteve-se 11 perfis desenhados em papel em escala 1x1 Logo apoacutes foram reproduzidos numa chapa de alumiacutenio A Fig 5 mostra o perfil interno (i) com coordenadas em mm

Coordenada L (mm)

Coo

rden

ada

yrsquo (m

m)

Figura 5 Perfil interno ( i ) da paacute do rotor da turbina Para montar-se a estrutura do molde os perfis em alumiacutenio foram ligados atraveacutes de seu centro de gravidade com

um arame de construccedilatildeo conforme Fig 6 Isto deu o apoio necessaacuterio para que fosse possiacutevel atraveacutes de um transferidor dar o acircngulo correto ( ) de secccedilatildeo a secccedilatildeo Tacos de maneira cortados na medida certa deram certeza que todos os pontos de um perfil ficassem equumlidistantes do perfil seguinte

β

Figura 6 Estrutura do molde da paacute do rotor com os perfis em alumiacutenio Para a construccedilatildeo do molde Fig 7 foi utilizada massa plaacutestica mistura de resina polieacutester com pigmentos

(conhecida como poacute industrial) formando uma pasta faacutecil de trabalhar e com bom rendimento Foram colocados pinos de sustentaccedilatildeo no interior das paacutes e que vatildeo prender as paacutes no flange

Figura 7 Molde da paacute do rotor da turbina

8

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

As paacutes foram reproduzidas atraveacutes do meacutetodo manual de laminaccedilatildeo Foi aplicada uma cera desmoldante sobre o molde logo apoacutes depositou-se uma manta de fibra de vidro umedecida com resina polieacutester utilizando pincel e um rolo eliminando quase que totalmente as bolhas que poderiam se formar causando um efeito natildeo desejaacutevel A reproduccedilatildeo da paacute utilizando este meacutetodo atingiu um efeito esperado e um oacutetimo acabamento que foi finalizado com a aplicaccedilatildeo de gel onde foram eliminadas as imperfeiccedilotildees superficiais Os espaccedilos vazios foram preenchidos com resina que foi aplicada de maneira controlada e gradativa em funccedilatildeo da reaccedilatildeo quiacutemica da resina x catalisador quando ocorre um aumento significativo da temperatura A Fig 8 mostra as 3 paacutes reproduzidas

Figura 8 Paacutes do rotor da turbina em fibra de vidro com resina polieacutester O cubo do rotor foi confeccionado utilizando um duto de 300 mm correspondendo ao diacircmetro do perfil interno

das paacutes (di) A Fig 9 mostra o rotor montado

Figura 9 Rotor da turbina montado

4 Montagem da Turbina

A proacutexima etapa eacute dimensionar o sistema que vai transmitir a potencia gerada pela turbina atraveacutes de seu torque e rotaccedilatildeo a um gerador A Fig 10 mostra a montagem da aacutervore de transmissatildeo com coroa e pinhatildeo ligados por corrente

O meacutetodo utilizado para o dimensionamento da aacutervore de transmissatildeo foi o da Teoria de Tresca-Soderberg segundo Deutschaman 1990 obtendo-se os valores mostrados na Tab 3 Tabela 3 Dados do sistema de transmissatildeo

Elemento Valor Unidade Diacircmetro do Eixo 00254 m

Coroa 52 dentes Pinhatildeo 11 dentes

Comprimento do eixo submerso 0700 m Eixo Superior 0500 m

Relaccedilatildeo de Transmissatildeo 47 Passo da corrente 00127 m

9

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Figura 10 Montagem da aacutervore de transmissatildeo

Para sustentar a turbina foi escolhida uma estrutura do tipo moacutevel pois o que se precisa fazer eacute soacute transportaacute-la ateacute a aacutegua A alternativa encontrada para flutuaccedilatildeo da estrutura foi a de usar toneacuteis de 200 litros que deram um bom empuxo devido ao seu grande volume Com eles foi construiacuteda uma balsa toda montada em cantoneiras soldadas de 1 frac14rdquo com espessura de 18rdquo As partes moacuteveis foram fixadas com parafusos de 38rdquo A construccedilatildeo da balsa partiu do principio que a turbina fosse independente da balsa facilitando assim o transporte do laboratoacuterio ateacute a aacutegua Na Fig 11 pode-se ver a o desenho da balsa e a turbina montadas A quantidade de toneacuteis foi suficiente para comportar o peso da turbina a estrutura e duas pessoas que somavam juntas 160 kg

Figura 11 Turbina Montada na Balsa

5 Testes da Turbina

Os testes foram feitos de maneira controlada rebocando a balsa utilizando um barco no Estuaacuterio da Lagoa dos Patos proacuteximo a Rio Grande RS gerando uma correnteza artificial com velocidade medida por um sistema de posicionamento global GPS Assim foi possiacutevel levantar o comportamento da turbina seu torque e rotaccedilatildeo sendo importantes para o desenvolvimento do sistema de ampliaccedilatildeo A Tab 4 mostra os dados fundamentais obtidos nos testes e a Fig 12 apresenta a turbina sendo rebocada pelo barco e estatildeo sendo feitas mediccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo

Tabela 4 Dados Fundamentais Obtidos nos Testes

Paracircmetro Valor Unidade

Velocidade do Barco 13 ms

Rotaccedilatildeo no eixo superior 150 rpm

Torque 126 Nm

Rotaccedilatildeo no eixo submerso 50 rpm

10

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Figura 12 Turbina sendo rebocada pelo barco e mediccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo Os valores de torque encontrados estatildeo dentro da especificaccedilatildeo atribuiacuteda ao gerador jaacute que este necessita para gerar

o valor proposto no projeto 1 kVA um torque miacutenimo de 12 Nm Mas soacute o torque natildeo satisfaz pois eacute necessaacuteria uma rotaccedilatildeo miacutenima para que o gerador funcione Como a rotaccedilatildeo maacutexima obtida no eixo superior foi de 150 rpm entatildeo desenvolveu-se um sistema de ampliaccedilatildeo que transformaraacute a rotaccedilatildeo fornecida ao eixo superior pela turbina em uma rotaccedilatildeo maior que 1800 rpm

A Fig 13 apresenta a disposiccedilatildeo do sistema de ampliaccedilatildeo constituiacutedo de correias e polias

Figura 13 Disposiccedilatildeo do Sistema de Ampliaccedilatildeo A rotaccedilatildeo no eixo da polia 2 seraacute encontrada pela igualdade da velocidade tangencial de acordo com a Eq 35

2

112 r

rnn times= (35)

As Eqs 36 e 37 permitem encontrar a rotaccedilatildeo que eacute transmitida da polia 3 para a polia 4 obtendo-se assim a rotaccedilatildeo no eixo do gerador (36) 23 nn =

(37) 4433 rnrn times=times

A Tab 5 apresenta os resultados de rotaccedilatildeo obtidos com o sistema de transmissatildeo da Fig 13 A rotaccedilatildeo encontrada satisfaz as condiccedilotildees impostas pelo gerador tendo uma sobra de 955 rpm que daraacute seguranccedila

para o gerador realmente produzir 1 KVA alcanccedilando os objetivos do projeto

11

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Tabela 5 Rotaccedilotildees obtidas com o sistema de ampliaccedilatildeo Paracircmetro Descriccedilatildeo do Paracircmetro Valor Unidade

r1 Raio da polia 1 (ligada ao eixo do pinhatildeo) 0150 m n1 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 1 150 rpm r2 Raio da polia 2 0035 m n2 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 2 6429 rpm r3 Raio da polia 3 0150 m n3 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 3 6429 rpm r4 Raio da polia 4 (ligada ao eixo do gerador) 0035 m n4 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 4 2755 rpm

6 Conclusotildees

O projeto executado faz parte das atividades do grupo de pesquisa em Fontes Alternativas de Energia do Departamento de Fiacutesica da FURG que estuda a produccedilatildeo de energia dentro de seu ecossistema costeiro As condiccedilotildees locais de Rio GrandeRS numa regiatildeo sem quedas daacutegua poreacutem com mananciais abundantes de correntes de aacutegua de baixa velocidade motivou a realizaccedilatildeo deste projeto O desafio proposto de projetar construir e instalar uma turbina hidrocineacutetica axial foi plenamente atingido A turbina desenvolvida apresentou condiccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo que permitem gerar 1 kVA num alternador com carga instalada O conjunto eacute de faacutecil instalaccedilatildeo manutenccedilatildeo e acesso para obtenccedilatildeo das variaacuteveis envolvidas durante a sua operaccedilatildeo

Referecircncias Bibliograacuteficas Blue Energy Canada Inc PrimeDavis Hydro Turbine PrototypesPrime wwwbluenergycom acesso em 1811 2002 Deutschaman A D PrimeMachine Design Theory and PracticePrime USA Macmillam Publishing Co Inc 1990 Eggleston D M Stoddard F S rdquoWind Turbine Engineering Designrdquo New York Ed Van Nostrand Reinhold 1987 Marine Current Turbines Ltd Energy derived from the oceans currents wwwmarineturbinescom acesso em 18112002 Souza Z PrimeDimensionamento de Maacutequinas de FluxoTurbinas Bombas VentiladoresPrime SP Edgar Bluumlcher Ltda 1991 Thropton Energy ServicesPrimeAmazon AquacherPrime wwwthroptonenergycom acesso em 18112002 Universidade de Brasiacutelia PrimeProjeto Turbina HidrocineacuteticaPrime wwwturbina hidrocineacuteticacombr acesso em 18112002 World Enegy PrimeSituaccedilatildeo da Energia no MundoPrime wwwworldenegyorg acesso em 20102002

WATER CURRENT TURBINE

Sonia Magalhatildees dos Santos e-mail vnsantosmikruscombr

Jorge Alberto Almeida e-mail dfsjaafurgbr

Daniel Alves de Andrade e-mail kazoebolcombr

Leonardo Files Dias e-mail leonardofiles bolcombr Departamento de Fiacutesica ndash Fundaccedilatildeo Universidade Federal do Rio Grande (FURG) Av Itaacutelia km 8 - Campus Carreiros - Rio GrandeRS ndash Brasil ndash CEP 96201-900

Abstract This work had as goal to project build install and test an axial hydrokinetic turbine nominated water current turbine which uses the kinetic energy due to the water flow across the rotor eliminating big powerhouses ducts and dams because it does not require the existence of waterfalls decreasing the environmental impact A new procedure to calculate blade profile was developed based in wing turbine studies The turbine has an outside diameter of 14 m and a useful area of 147 m2 It has three blades and it operates at 1 kVA power with water speed ranging from 13 to 20 ms The environment conditions are those of the geographic area of Rio Grande RS Brazil The rotor was built using polyester resin and fiberglass The turbine was mounted in a mobile structure with four barrels of 200 liters linked by L-brackets Tests performed at the Patos Lake indicated a 150-rpm rotation and a 126 Nm torque in the transmission top axis Two torque transmission and rotation amplification systems were developed to acquire an alternator rotation of 2054-rpm with no charge and an alternator rotation of 1800-rpm at the desired charge The array turbine ndash structure ndash transmission system and alternator is robust and easy to install and repair

Keywords water current turbine micro central hydroelectric isolated electricity generation

12

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004 Tabela 2 Paracircmetros hidraacuteulicos e dados de projeto do rotor da turbina

Descriccedilatildeo do paracircmetro Eq Valor Unidade Observaccedilotildees h Altura equivalente agrave energia cineacutetica 4 008 m A Aacuterea uacutetil do rotor 6 147 m2 Y Trabalho especiacutefico 8 0759 m2s2 Q Vazatildeo atraveacutes da turbina 9 235 m3s

nqA Rotaccedilatildeo especiacutefica geneacuterica 10 105670 rps 240 a 1060 para turbinas

axiais vm Velocidade meridional 12 16 ms

ti Passo no diacircmetro interno 13 031 m Li Corda do perfil no diacircmetro interno 14 03694 m ui Velocidade tangencial no diacircmetro interno 15 0522 ms

2iuv∆ Componente da velocidade absoluta na direccedilatildeo tangencial no

diacircmetro interno 16 029 ms

iinfinβ

Acircngulo do escoamento natildeo perturbado com a direccedilatildeo tangencial no diacircmetro interno

17 817 graus

iwinfin

Velocidade relativa do escoamento natildeo perturbado no diacircmetro interno

18 162 ms

sic

Coeficiente de sustentaccedilatildeo para o perfil no diacircmetro interno 19 06067 Para Csile 120

eu Velocidade tangencial no diacircmetro externo 20 246 ms

2euv∆

Componente da velocidade absoluta na direccedilatildeo tangencial no

diacircmetro externo 21 00617 ms

einfinβ

Acircngulo do escoamento natildeo perturbado com a direccedilatildeo tangencial no diacircmetro externo

22 3362 graus

Le Comprimento da corda do perfil no diacircmetro externo 01534

m Lei de formaccedilatildeo

inovadora da Eq 23

F Forccedila que atua na paacute no diacircmetro meacutedio 24 1439 N Para sobrepressatildeo de 30 pelas variaccedilotildees das correntes de

aacutegua Mf Momento fletor que atua na paacute 25 40 Nm

egi Espessura miacutenima no centro de gravidade do perfil interno 26 0035 m Adotou-se megi 040=

ege Espessura miacutenima no centro de gravidade do perfil externo 27 0015 m Adotou-se o mesmo valor

calculado Dp Diacircmetro do pino de fixaccedilatildeo da paacute ao cubo do rotor 28 006 m τ Tensatildeo maacutexima atuante na paacute 29 250104 Nm2

fi Fator de engrossamento eou afinamento do perfil interno 30 085

fe Fator de engrossamento eou afinamento do perfil externo 30 087

ygi Ordenada do perfil no diacircmetro interno no centro de gravidade 31 00269 m

yge Ordenada do perfil no diacircmetro externo no centro de gravidade 32 00077 m

ymaxi Ordenada maacutexima do perfil no diacircmetro interno 33 00391 m

ymaxe Ordenada maacutexima do perfil no diacircmetro externo 34 00164 m

7

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

3 Construccedilatildeo do Rotor da Turbina

Para cada secccedilatildeo do perfil da paacute foram calculados seus pontos superiores e inferiores ( ysrsquo e yirsquo) para cada tamanho de corda (L) Com isto obteve-se 11 perfis desenhados em papel em escala 1x1 Logo apoacutes foram reproduzidos numa chapa de alumiacutenio A Fig 5 mostra o perfil interno (i) com coordenadas em mm

Coordenada L (mm)

Coo

rden

ada

yrsquo (m

m)

Figura 5 Perfil interno ( i ) da paacute do rotor da turbina Para montar-se a estrutura do molde os perfis em alumiacutenio foram ligados atraveacutes de seu centro de gravidade com

um arame de construccedilatildeo conforme Fig 6 Isto deu o apoio necessaacuterio para que fosse possiacutevel atraveacutes de um transferidor dar o acircngulo correto ( ) de secccedilatildeo a secccedilatildeo Tacos de maneira cortados na medida certa deram certeza que todos os pontos de um perfil ficassem equumlidistantes do perfil seguinte

β

Figura 6 Estrutura do molde da paacute do rotor com os perfis em alumiacutenio Para a construccedilatildeo do molde Fig 7 foi utilizada massa plaacutestica mistura de resina polieacutester com pigmentos

(conhecida como poacute industrial) formando uma pasta faacutecil de trabalhar e com bom rendimento Foram colocados pinos de sustentaccedilatildeo no interior das paacutes e que vatildeo prender as paacutes no flange

Figura 7 Molde da paacute do rotor da turbina

8

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

As paacutes foram reproduzidas atraveacutes do meacutetodo manual de laminaccedilatildeo Foi aplicada uma cera desmoldante sobre o molde logo apoacutes depositou-se uma manta de fibra de vidro umedecida com resina polieacutester utilizando pincel e um rolo eliminando quase que totalmente as bolhas que poderiam se formar causando um efeito natildeo desejaacutevel A reproduccedilatildeo da paacute utilizando este meacutetodo atingiu um efeito esperado e um oacutetimo acabamento que foi finalizado com a aplicaccedilatildeo de gel onde foram eliminadas as imperfeiccedilotildees superficiais Os espaccedilos vazios foram preenchidos com resina que foi aplicada de maneira controlada e gradativa em funccedilatildeo da reaccedilatildeo quiacutemica da resina x catalisador quando ocorre um aumento significativo da temperatura A Fig 8 mostra as 3 paacutes reproduzidas

Figura 8 Paacutes do rotor da turbina em fibra de vidro com resina polieacutester O cubo do rotor foi confeccionado utilizando um duto de 300 mm correspondendo ao diacircmetro do perfil interno

das paacutes (di) A Fig 9 mostra o rotor montado

Figura 9 Rotor da turbina montado

4 Montagem da Turbina

A proacutexima etapa eacute dimensionar o sistema que vai transmitir a potencia gerada pela turbina atraveacutes de seu torque e rotaccedilatildeo a um gerador A Fig 10 mostra a montagem da aacutervore de transmissatildeo com coroa e pinhatildeo ligados por corrente

O meacutetodo utilizado para o dimensionamento da aacutervore de transmissatildeo foi o da Teoria de Tresca-Soderberg segundo Deutschaman 1990 obtendo-se os valores mostrados na Tab 3 Tabela 3 Dados do sistema de transmissatildeo

Elemento Valor Unidade Diacircmetro do Eixo 00254 m

Coroa 52 dentes Pinhatildeo 11 dentes

Comprimento do eixo submerso 0700 m Eixo Superior 0500 m

Relaccedilatildeo de Transmissatildeo 47 Passo da corrente 00127 m

9

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Figura 10 Montagem da aacutervore de transmissatildeo

Para sustentar a turbina foi escolhida uma estrutura do tipo moacutevel pois o que se precisa fazer eacute soacute transportaacute-la ateacute a aacutegua A alternativa encontrada para flutuaccedilatildeo da estrutura foi a de usar toneacuteis de 200 litros que deram um bom empuxo devido ao seu grande volume Com eles foi construiacuteda uma balsa toda montada em cantoneiras soldadas de 1 frac14rdquo com espessura de 18rdquo As partes moacuteveis foram fixadas com parafusos de 38rdquo A construccedilatildeo da balsa partiu do principio que a turbina fosse independente da balsa facilitando assim o transporte do laboratoacuterio ateacute a aacutegua Na Fig 11 pode-se ver a o desenho da balsa e a turbina montadas A quantidade de toneacuteis foi suficiente para comportar o peso da turbina a estrutura e duas pessoas que somavam juntas 160 kg

Figura 11 Turbina Montada na Balsa

5 Testes da Turbina

Os testes foram feitos de maneira controlada rebocando a balsa utilizando um barco no Estuaacuterio da Lagoa dos Patos proacuteximo a Rio Grande RS gerando uma correnteza artificial com velocidade medida por um sistema de posicionamento global GPS Assim foi possiacutevel levantar o comportamento da turbina seu torque e rotaccedilatildeo sendo importantes para o desenvolvimento do sistema de ampliaccedilatildeo A Tab 4 mostra os dados fundamentais obtidos nos testes e a Fig 12 apresenta a turbina sendo rebocada pelo barco e estatildeo sendo feitas mediccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo

Tabela 4 Dados Fundamentais Obtidos nos Testes

Paracircmetro Valor Unidade

Velocidade do Barco 13 ms

Rotaccedilatildeo no eixo superior 150 rpm

Torque 126 Nm

Rotaccedilatildeo no eixo submerso 50 rpm

10

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Figura 12 Turbina sendo rebocada pelo barco e mediccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo Os valores de torque encontrados estatildeo dentro da especificaccedilatildeo atribuiacuteda ao gerador jaacute que este necessita para gerar

o valor proposto no projeto 1 kVA um torque miacutenimo de 12 Nm Mas soacute o torque natildeo satisfaz pois eacute necessaacuteria uma rotaccedilatildeo miacutenima para que o gerador funcione Como a rotaccedilatildeo maacutexima obtida no eixo superior foi de 150 rpm entatildeo desenvolveu-se um sistema de ampliaccedilatildeo que transformaraacute a rotaccedilatildeo fornecida ao eixo superior pela turbina em uma rotaccedilatildeo maior que 1800 rpm

A Fig 13 apresenta a disposiccedilatildeo do sistema de ampliaccedilatildeo constituiacutedo de correias e polias

Figura 13 Disposiccedilatildeo do Sistema de Ampliaccedilatildeo A rotaccedilatildeo no eixo da polia 2 seraacute encontrada pela igualdade da velocidade tangencial de acordo com a Eq 35

2

112 r

rnn times= (35)

As Eqs 36 e 37 permitem encontrar a rotaccedilatildeo que eacute transmitida da polia 3 para a polia 4 obtendo-se assim a rotaccedilatildeo no eixo do gerador (36) 23 nn =

(37) 4433 rnrn times=times

A Tab 5 apresenta os resultados de rotaccedilatildeo obtidos com o sistema de transmissatildeo da Fig 13 A rotaccedilatildeo encontrada satisfaz as condiccedilotildees impostas pelo gerador tendo uma sobra de 955 rpm que daraacute seguranccedila

para o gerador realmente produzir 1 KVA alcanccedilando os objetivos do projeto

11

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Tabela 5 Rotaccedilotildees obtidas com o sistema de ampliaccedilatildeo Paracircmetro Descriccedilatildeo do Paracircmetro Valor Unidade

r1 Raio da polia 1 (ligada ao eixo do pinhatildeo) 0150 m n1 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 1 150 rpm r2 Raio da polia 2 0035 m n2 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 2 6429 rpm r3 Raio da polia 3 0150 m n3 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 3 6429 rpm r4 Raio da polia 4 (ligada ao eixo do gerador) 0035 m n4 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 4 2755 rpm

6 Conclusotildees

O projeto executado faz parte das atividades do grupo de pesquisa em Fontes Alternativas de Energia do Departamento de Fiacutesica da FURG que estuda a produccedilatildeo de energia dentro de seu ecossistema costeiro As condiccedilotildees locais de Rio GrandeRS numa regiatildeo sem quedas daacutegua poreacutem com mananciais abundantes de correntes de aacutegua de baixa velocidade motivou a realizaccedilatildeo deste projeto O desafio proposto de projetar construir e instalar uma turbina hidrocineacutetica axial foi plenamente atingido A turbina desenvolvida apresentou condiccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo que permitem gerar 1 kVA num alternador com carga instalada O conjunto eacute de faacutecil instalaccedilatildeo manutenccedilatildeo e acesso para obtenccedilatildeo das variaacuteveis envolvidas durante a sua operaccedilatildeo

Referecircncias Bibliograacuteficas Blue Energy Canada Inc PrimeDavis Hydro Turbine PrototypesPrime wwwbluenergycom acesso em 1811 2002 Deutschaman A D PrimeMachine Design Theory and PracticePrime USA Macmillam Publishing Co Inc 1990 Eggleston D M Stoddard F S rdquoWind Turbine Engineering Designrdquo New York Ed Van Nostrand Reinhold 1987 Marine Current Turbines Ltd Energy derived from the oceans currents wwwmarineturbinescom acesso em 18112002 Souza Z PrimeDimensionamento de Maacutequinas de FluxoTurbinas Bombas VentiladoresPrime SP Edgar Bluumlcher Ltda 1991 Thropton Energy ServicesPrimeAmazon AquacherPrime wwwthroptonenergycom acesso em 18112002 Universidade de Brasiacutelia PrimeProjeto Turbina HidrocineacuteticaPrime wwwturbina hidrocineacuteticacombr acesso em 18112002 World Enegy PrimeSituaccedilatildeo da Energia no MundoPrime wwwworldenegyorg acesso em 20102002

WATER CURRENT TURBINE

Sonia Magalhatildees dos Santos e-mail vnsantosmikruscombr

Jorge Alberto Almeida e-mail dfsjaafurgbr

Daniel Alves de Andrade e-mail kazoebolcombr

Leonardo Files Dias e-mail leonardofiles bolcombr Departamento de Fiacutesica ndash Fundaccedilatildeo Universidade Federal do Rio Grande (FURG) Av Itaacutelia km 8 - Campus Carreiros - Rio GrandeRS ndash Brasil ndash CEP 96201-900

Abstract This work had as goal to project build install and test an axial hydrokinetic turbine nominated water current turbine which uses the kinetic energy due to the water flow across the rotor eliminating big powerhouses ducts and dams because it does not require the existence of waterfalls decreasing the environmental impact A new procedure to calculate blade profile was developed based in wing turbine studies The turbine has an outside diameter of 14 m and a useful area of 147 m2 It has three blades and it operates at 1 kVA power with water speed ranging from 13 to 20 ms The environment conditions are those of the geographic area of Rio Grande RS Brazil The rotor was built using polyester resin and fiberglass The turbine was mounted in a mobile structure with four barrels of 200 liters linked by L-brackets Tests performed at the Patos Lake indicated a 150-rpm rotation and a 126 Nm torque in the transmission top axis Two torque transmission and rotation amplification systems were developed to acquire an alternator rotation of 2054-rpm with no charge and an alternator rotation of 1800-rpm at the desired charge The array turbine ndash structure ndash transmission system and alternator is robust and easy to install and repair

Keywords water current turbine micro central hydroelectric isolated electricity generation

12

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

3 Construccedilatildeo do Rotor da Turbina

Para cada secccedilatildeo do perfil da paacute foram calculados seus pontos superiores e inferiores ( ysrsquo e yirsquo) para cada tamanho de corda (L) Com isto obteve-se 11 perfis desenhados em papel em escala 1x1 Logo apoacutes foram reproduzidos numa chapa de alumiacutenio A Fig 5 mostra o perfil interno (i) com coordenadas em mm

Coordenada L (mm)

Coo

rden

ada

yrsquo (m

m)

Figura 5 Perfil interno ( i ) da paacute do rotor da turbina Para montar-se a estrutura do molde os perfis em alumiacutenio foram ligados atraveacutes de seu centro de gravidade com

um arame de construccedilatildeo conforme Fig 6 Isto deu o apoio necessaacuterio para que fosse possiacutevel atraveacutes de um transferidor dar o acircngulo correto ( ) de secccedilatildeo a secccedilatildeo Tacos de maneira cortados na medida certa deram certeza que todos os pontos de um perfil ficassem equumlidistantes do perfil seguinte

β

Figura 6 Estrutura do molde da paacute do rotor com os perfis em alumiacutenio Para a construccedilatildeo do molde Fig 7 foi utilizada massa plaacutestica mistura de resina polieacutester com pigmentos

(conhecida como poacute industrial) formando uma pasta faacutecil de trabalhar e com bom rendimento Foram colocados pinos de sustentaccedilatildeo no interior das paacutes e que vatildeo prender as paacutes no flange

Figura 7 Molde da paacute do rotor da turbina

8

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

As paacutes foram reproduzidas atraveacutes do meacutetodo manual de laminaccedilatildeo Foi aplicada uma cera desmoldante sobre o molde logo apoacutes depositou-se uma manta de fibra de vidro umedecida com resina polieacutester utilizando pincel e um rolo eliminando quase que totalmente as bolhas que poderiam se formar causando um efeito natildeo desejaacutevel A reproduccedilatildeo da paacute utilizando este meacutetodo atingiu um efeito esperado e um oacutetimo acabamento que foi finalizado com a aplicaccedilatildeo de gel onde foram eliminadas as imperfeiccedilotildees superficiais Os espaccedilos vazios foram preenchidos com resina que foi aplicada de maneira controlada e gradativa em funccedilatildeo da reaccedilatildeo quiacutemica da resina x catalisador quando ocorre um aumento significativo da temperatura A Fig 8 mostra as 3 paacutes reproduzidas

Figura 8 Paacutes do rotor da turbina em fibra de vidro com resina polieacutester O cubo do rotor foi confeccionado utilizando um duto de 300 mm correspondendo ao diacircmetro do perfil interno

das paacutes (di) A Fig 9 mostra o rotor montado

Figura 9 Rotor da turbina montado

4 Montagem da Turbina

A proacutexima etapa eacute dimensionar o sistema que vai transmitir a potencia gerada pela turbina atraveacutes de seu torque e rotaccedilatildeo a um gerador A Fig 10 mostra a montagem da aacutervore de transmissatildeo com coroa e pinhatildeo ligados por corrente

O meacutetodo utilizado para o dimensionamento da aacutervore de transmissatildeo foi o da Teoria de Tresca-Soderberg segundo Deutschaman 1990 obtendo-se os valores mostrados na Tab 3 Tabela 3 Dados do sistema de transmissatildeo

Elemento Valor Unidade Diacircmetro do Eixo 00254 m

Coroa 52 dentes Pinhatildeo 11 dentes

Comprimento do eixo submerso 0700 m Eixo Superior 0500 m

Relaccedilatildeo de Transmissatildeo 47 Passo da corrente 00127 m

9

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Figura 10 Montagem da aacutervore de transmissatildeo

Para sustentar a turbina foi escolhida uma estrutura do tipo moacutevel pois o que se precisa fazer eacute soacute transportaacute-la ateacute a aacutegua A alternativa encontrada para flutuaccedilatildeo da estrutura foi a de usar toneacuteis de 200 litros que deram um bom empuxo devido ao seu grande volume Com eles foi construiacuteda uma balsa toda montada em cantoneiras soldadas de 1 frac14rdquo com espessura de 18rdquo As partes moacuteveis foram fixadas com parafusos de 38rdquo A construccedilatildeo da balsa partiu do principio que a turbina fosse independente da balsa facilitando assim o transporte do laboratoacuterio ateacute a aacutegua Na Fig 11 pode-se ver a o desenho da balsa e a turbina montadas A quantidade de toneacuteis foi suficiente para comportar o peso da turbina a estrutura e duas pessoas que somavam juntas 160 kg

Figura 11 Turbina Montada na Balsa

5 Testes da Turbina

Os testes foram feitos de maneira controlada rebocando a balsa utilizando um barco no Estuaacuterio da Lagoa dos Patos proacuteximo a Rio Grande RS gerando uma correnteza artificial com velocidade medida por um sistema de posicionamento global GPS Assim foi possiacutevel levantar o comportamento da turbina seu torque e rotaccedilatildeo sendo importantes para o desenvolvimento do sistema de ampliaccedilatildeo A Tab 4 mostra os dados fundamentais obtidos nos testes e a Fig 12 apresenta a turbina sendo rebocada pelo barco e estatildeo sendo feitas mediccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo

Tabela 4 Dados Fundamentais Obtidos nos Testes

Paracircmetro Valor Unidade

Velocidade do Barco 13 ms

Rotaccedilatildeo no eixo superior 150 rpm

Torque 126 Nm

Rotaccedilatildeo no eixo submerso 50 rpm

10

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Figura 12 Turbina sendo rebocada pelo barco e mediccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo Os valores de torque encontrados estatildeo dentro da especificaccedilatildeo atribuiacuteda ao gerador jaacute que este necessita para gerar

o valor proposto no projeto 1 kVA um torque miacutenimo de 12 Nm Mas soacute o torque natildeo satisfaz pois eacute necessaacuteria uma rotaccedilatildeo miacutenima para que o gerador funcione Como a rotaccedilatildeo maacutexima obtida no eixo superior foi de 150 rpm entatildeo desenvolveu-se um sistema de ampliaccedilatildeo que transformaraacute a rotaccedilatildeo fornecida ao eixo superior pela turbina em uma rotaccedilatildeo maior que 1800 rpm

A Fig 13 apresenta a disposiccedilatildeo do sistema de ampliaccedilatildeo constituiacutedo de correias e polias

Figura 13 Disposiccedilatildeo do Sistema de Ampliaccedilatildeo A rotaccedilatildeo no eixo da polia 2 seraacute encontrada pela igualdade da velocidade tangencial de acordo com a Eq 35

2

112 r

rnn times= (35)

As Eqs 36 e 37 permitem encontrar a rotaccedilatildeo que eacute transmitida da polia 3 para a polia 4 obtendo-se assim a rotaccedilatildeo no eixo do gerador (36) 23 nn =

(37) 4433 rnrn times=times

A Tab 5 apresenta os resultados de rotaccedilatildeo obtidos com o sistema de transmissatildeo da Fig 13 A rotaccedilatildeo encontrada satisfaz as condiccedilotildees impostas pelo gerador tendo uma sobra de 955 rpm que daraacute seguranccedila

para o gerador realmente produzir 1 KVA alcanccedilando os objetivos do projeto

11

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Tabela 5 Rotaccedilotildees obtidas com o sistema de ampliaccedilatildeo Paracircmetro Descriccedilatildeo do Paracircmetro Valor Unidade

r1 Raio da polia 1 (ligada ao eixo do pinhatildeo) 0150 m n1 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 1 150 rpm r2 Raio da polia 2 0035 m n2 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 2 6429 rpm r3 Raio da polia 3 0150 m n3 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 3 6429 rpm r4 Raio da polia 4 (ligada ao eixo do gerador) 0035 m n4 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 4 2755 rpm

6 Conclusotildees

O projeto executado faz parte das atividades do grupo de pesquisa em Fontes Alternativas de Energia do Departamento de Fiacutesica da FURG que estuda a produccedilatildeo de energia dentro de seu ecossistema costeiro As condiccedilotildees locais de Rio GrandeRS numa regiatildeo sem quedas daacutegua poreacutem com mananciais abundantes de correntes de aacutegua de baixa velocidade motivou a realizaccedilatildeo deste projeto O desafio proposto de projetar construir e instalar uma turbina hidrocineacutetica axial foi plenamente atingido A turbina desenvolvida apresentou condiccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo que permitem gerar 1 kVA num alternador com carga instalada O conjunto eacute de faacutecil instalaccedilatildeo manutenccedilatildeo e acesso para obtenccedilatildeo das variaacuteveis envolvidas durante a sua operaccedilatildeo

Referecircncias Bibliograacuteficas Blue Energy Canada Inc PrimeDavis Hydro Turbine PrototypesPrime wwwbluenergycom acesso em 1811 2002 Deutschaman A D PrimeMachine Design Theory and PracticePrime USA Macmillam Publishing Co Inc 1990 Eggleston D M Stoddard F S rdquoWind Turbine Engineering Designrdquo New York Ed Van Nostrand Reinhold 1987 Marine Current Turbines Ltd Energy derived from the oceans currents wwwmarineturbinescom acesso em 18112002 Souza Z PrimeDimensionamento de Maacutequinas de FluxoTurbinas Bombas VentiladoresPrime SP Edgar Bluumlcher Ltda 1991 Thropton Energy ServicesPrimeAmazon AquacherPrime wwwthroptonenergycom acesso em 18112002 Universidade de Brasiacutelia PrimeProjeto Turbina HidrocineacuteticaPrime wwwturbina hidrocineacuteticacombr acesso em 18112002 World Enegy PrimeSituaccedilatildeo da Energia no MundoPrime wwwworldenegyorg acesso em 20102002

WATER CURRENT TURBINE

Sonia Magalhatildees dos Santos e-mail vnsantosmikruscombr

Jorge Alberto Almeida e-mail dfsjaafurgbr

Daniel Alves de Andrade e-mail kazoebolcombr

Leonardo Files Dias e-mail leonardofiles bolcombr Departamento de Fiacutesica ndash Fundaccedilatildeo Universidade Federal do Rio Grande (FURG) Av Itaacutelia km 8 - Campus Carreiros - Rio GrandeRS ndash Brasil ndash CEP 96201-900

Abstract This work had as goal to project build install and test an axial hydrokinetic turbine nominated water current turbine which uses the kinetic energy due to the water flow across the rotor eliminating big powerhouses ducts and dams because it does not require the existence of waterfalls decreasing the environmental impact A new procedure to calculate blade profile was developed based in wing turbine studies The turbine has an outside diameter of 14 m and a useful area of 147 m2 It has three blades and it operates at 1 kVA power with water speed ranging from 13 to 20 ms The environment conditions are those of the geographic area of Rio Grande RS Brazil The rotor was built using polyester resin and fiberglass The turbine was mounted in a mobile structure with four barrels of 200 liters linked by L-brackets Tests performed at the Patos Lake indicated a 150-rpm rotation and a 126 Nm torque in the transmission top axis Two torque transmission and rotation amplification systems were developed to acquire an alternator rotation of 2054-rpm with no charge and an alternator rotation of 1800-rpm at the desired charge The array turbine ndash structure ndash transmission system and alternator is robust and easy to install and repair

Keywords water current turbine micro central hydroelectric isolated electricity generation

12

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

As paacutes foram reproduzidas atraveacutes do meacutetodo manual de laminaccedilatildeo Foi aplicada uma cera desmoldante sobre o molde logo apoacutes depositou-se uma manta de fibra de vidro umedecida com resina polieacutester utilizando pincel e um rolo eliminando quase que totalmente as bolhas que poderiam se formar causando um efeito natildeo desejaacutevel A reproduccedilatildeo da paacute utilizando este meacutetodo atingiu um efeito esperado e um oacutetimo acabamento que foi finalizado com a aplicaccedilatildeo de gel onde foram eliminadas as imperfeiccedilotildees superficiais Os espaccedilos vazios foram preenchidos com resina que foi aplicada de maneira controlada e gradativa em funccedilatildeo da reaccedilatildeo quiacutemica da resina x catalisador quando ocorre um aumento significativo da temperatura A Fig 8 mostra as 3 paacutes reproduzidas

Figura 8 Paacutes do rotor da turbina em fibra de vidro com resina polieacutester O cubo do rotor foi confeccionado utilizando um duto de 300 mm correspondendo ao diacircmetro do perfil interno

das paacutes (di) A Fig 9 mostra o rotor montado

Figura 9 Rotor da turbina montado

4 Montagem da Turbina

A proacutexima etapa eacute dimensionar o sistema que vai transmitir a potencia gerada pela turbina atraveacutes de seu torque e rotaccedilatildeo a um gerador A Fig 10 mostra a montagem da aacutervore de transmissatildeo com coroa e pinhatildeo ligados por corrente

O meacutetodo utilizado para o dimensionamento da aacutervore de transmissatildeo foi o da Teoria de Tresca-Soderberg segundo Deutschaman 1990 obtendo-se os valores mostrados na Tab 3 Tabela 3 Dados do sistema de transmissatildeo

Elemento Valor Unidade Diacircmetro do Eixo 00254 m

Coroa 52 dentes Pinhatildeo 11 dentes

Comprimento do eixo submerso 0700 m Eixo Superior 0500 m

Relaccedilatildeo de Transmissatildeo 47 Passo da corrente 00127 m

9

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Figura 10 Montagem da aacutervore de transmissatildeo

Para sustentar a turbina foi escolhida uma estrutura do tipo moacutevel pois o que se precisa fazer eacute soacute transportaacute-la ateacute a aacutegua A alternativa encontrada para flutuaccedilatildeo da estrutura foi a de usar toneacuteis de 200 litros que deram um bom empuxo devido ao seu grande volume Com eles foi construiacuteda uma balsa toda montada em cantoneiras soldadas de 1 frac14rdquo com espessura de 18rdquo As partes moacuteveis foram fixadas com parafusos de 38rdquo A construccedilatildeo da balsa partiu do principio que a turbina fosse independente da balsa facilitando assim o transporte do laboratoacuterio ateacute a aacutegua Na Fig 11 pode-se ver a o desenho da balsa e a turbina montadas A quantidade de toneacuteis foi suficiente para comportar o peso da turbina a estrutura e duas pessoas que somavam juntas 160 kg

Figura 11 Turbina Montada na Balsa

5 Testes da Turbina

Os testes foram feitos de maneira controlada rebocando a balsa utilizando um barco no Estuaacuterio da Lagoa dos Patos proacuteximo a Rio Grande RS gerando uma correnteza artificial com velocidade medida por um sistema de posicionamento global GPS Assim foi possiacutevel levantar o comportamento da turbina seu torque e rotaccedilatildeo sendo importantes para o desenvolvimento do sistema de ampliaccedilatildeo A Tab 4 mostra os dados fundamentais obtidos nos testes e a Fig 12 apresenta a turbina sendo rebocada pelo barco e estatildeo sendo feitas mediccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo

Tabela 4 Dados Fundamentais Obtidos nos Testes

Paracircmetro Valor Unidade

Velocidade do Barco 13 ms

Rotaccedilatildeo no eixo superior 150 rpm

Torque 126 Nm

Rotaccedilatildeo no eixo submerso 50 rpm

10

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Figura 12 Turbina sendo rebocada pelo barco e mediccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo Os valores de torque encontrados estatildeo dentro da especificaccedilatildeo atribuiacuteda ao gerador jaacute que este necessita para gerar

o valor proposto no projeto 1 kVA um torque miacutenimo de 12 Nm Mas soacute o torque natildeo satisfaz pois eacute necessaacuteria uma rotaccedilatildeo miacutenima para que o gerador funcione Como a rotaccedilatildeo maacutexima obtida no eixo superior foi de 150 rpm entatildeo desenvolveu-se um sistema de ampliaccedilatildeo que transformaraacute a rotaccedilatildeo fornecida ao eixo superior pela turbina em uma rotaccedilatildeo maior que 1800 rpm

A Fig 13 apresenta a disposiccedilatildeo do sistema de ampliaccedilatildeo constituiacutedo de correias e polias

Figura 13 Disposiccedilatildeo do Sistema de Ampliaccedilatildeo A rotaccedilatildeo no eixo da polia 2 seraacute encontrada pela igualdade da velocidade tangencial de acordo com a Eq 35

2

112 r

rnn times= (35)

As Eqs 36 e 37 permitem encontrar a rotaccedilatildeo que eacute transmitida da polia 3 para a polia 4 obtendo-se assim a rotaccedilatildeo no eixo do gerador (36) 23 nn =

(37) 4433 rnrn times=times

A Tab 5 apresenta os resultados de rotaccedilatildeo obtidos com o sistema de transmissatildeo da Fig 13 A rotaccedilatildeo encontrada satisfaz as condiccedilotildees impostas pelo gerador tendo uma sobra de 955 rpm que daraacute seguranccedila

para o gerador realmente produzir 1 KVA alcanccedilando os objetivos do projeto

11

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Tabela 5 Rotaccedilotildees obtidas com o sistema de ampliaccedilatildeo Paracircmetro Descriccedilatildeo do Paracircmetro Valor Unidade

r1 Raio da polia 1 (ligada ao eixo do pinhatildeo) 0150 m n1 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 1 150 rpm r2 Raio da polia 2 0035 m n2 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 2 6429 rpm r3 Raio da polia 3 0150 m n3 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 3 6429 rpm r4 Raio da polia 4 (ligada ao eixo do gerador) 0035 m n4 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 4 2755 rpm

6 Conclusotildees

O projeto executado faz parte das atividades do grupo de pesquisa em Fontes Alternativas de Energia do Departamento de Fiacutesica da FURG que estuda a produccedilatildeo de energia dentro de seu ecossistema costeiro As condiccedilotildees locais de Rio GrandeRS numa regiatildeo sem quedas daacutegua poreacutem com mananciais abundantes de correntes de aacutegua de baixa velocidade motivou a realizaccedilatildeo deste projeto O desafio proposto de projetar construir e instalar uma turbina hidrocineacutetica axial foi plenamente atingido A turbina desenvolvida apresentou condiccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo que permitem gerar 1 kVA num alternador com carga instalada O conjunto eacute de faacutecil instalaccedilatildeo manutenccedilatildeo e acesso para obtenccedilatildeo das variaacuteveis envolvidas durante a sua operaccedilatildeo

Referecircncias Bibliograacuteficas Blue Energy Canada Inc PrimeDavis Hydro Turbine PrototypesPrime wwwbluenergycom acesso em 1811 2002 Deutschaman A D PrimeMachine Design Theory and PracticePrime USA Macmillam Publishing Co Inc 1990 Eggleston D M Stoddard F S rdquoWind Turbine Engineering Designrdquo New York Ed Van Nostrand Reinhold 1987 Marine Current Turbines Ltd Energy derived from the oceans currents wwwmarineturbinescom acesso em 18112002 Souza Z PrimeDimensionamento de Maacutequinas de FluxoTurbinas Bombas VentiladoresPrime SP Edgar Bluumlcher Ltda 1991 Thropton Energy ServicesPrimeAmazon AquacherPrime wwwthroptonenergycom acesso em 18112002 Universidade de Brasiacutelia PrimeProjeto Turbina HidrocineacuteticaPrime wwwturbina hidrocineacuteticacombr acesso em 18112002 World Enegy PrimeSituaccedilatildeo da Energia no MundoPrime wwwworldenegyorg acesso em 20102002

WATER CURRENT TURBINE

Sonia Magalhatildees dos Santos e-mail vnsantosmikruscombr

Jorge Alberto Almeida e-mail dfsjaafurgbr

Daniel Alves de Andrade e-mail kazoebolcombr

Leonardo Files Dias e-mail leonardofiles bolcombr Departamento de Fiacutesica ndash Fundaccedilatildeo Universidade Federal do Rio Grande (FURG) Av Itaacutelia km 8 - Campus Carreiros - Rio GrandeRS ndash Brasil ndash CEP 96201-900

Abstract This work had as goal to project build install and test an axial hydrokinetic turbine nominated water current turbine which uses the kinetic energy due to the water flow across the rotor eliminating big powerhouses ducts and dams because it does not require the existence of waterfalls decreasing the environmental impact A new procedure to calculate blade profile was developed based in wing turbine studies The turbine has an outside diameter of 14 m and a useful area of 147 m2 It has three blades and it operates at 1 kVA power with water speed ranging from 13 to 20 ms The environment conditions are those of the geographic area of Rio Grande RS Brazil The rotor was built using polyester resin and fiberglass The turbine was mounted in a mobile structure with four barrels of 200 liters linked by L-brackets Tests performed at the Patos Lake indicated a 150-rpm rotation and a 126 Nm torque in the transmission top axis Two torque transmission and rotation amplification systems were developed to acquire an alternator rotation of 2054-rpm with no charge and an alternator rotation of 1800-rpm at the desired charge The array turbine ndash structure ndash transmission system and alternator is robust and easy to install and repair

Keywords water current turbine micro central hydroelectric isolated electricity generation

12

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Figura 10 Montagem da aacutervore de transmissatildeo

Para sustentar a turbina foi escolhida uma estrutura do tipo moacutevel pois o que se precisa fazer eacute soacute transportaacute-la ateacute a aacutegua A alternativa encontrada para flutuaccedilatildeo da estrutura foi a de usar toneacuteis de 200 litros que deram um bom empuxo devido ao seu grande volume Com eles foi construiacuteda uma balsa toda montada em cantoneiras soldadas de 1 frac14rdquo com espessura de 18rdquo As partes moacuteveis foram fixadas com parafusos de 38rdquo A construccedilatildeo da balsa partiu do principio que a turbina fosse independente da balsa facilitando assim o transporte do laboratoacuterio ateacute a aacutegua Na Fig 11 pode-se ver a o desenho da balsa e a turbina montadas A quantidade de toneacuteis foi suficiente para comportar o peso da turbina a estrutura e duas pessoas que somavam juntas 160 kg

Figura 11 Turbina Montada na Balsa

5 Testes da Turbina

Os testes foram feitos de maneira controlada rebocando a balsa utilizando um barco no Estuaacuterio da Lagoa dos Patos proacuteximo a Rio Grande RS gerando uma correnteza artificial com velocidade medida por um sistema de posicionamento global GPS Assim foi possiacutevel levantar o comportamento da turbina seu torque e rotaccedilatildeo sendo importantes para o desenvolvimento do sistema de ampliaccedilatildeo A Tab 4 mostra os dados fundamentais obtidos nos testes e a Fig 12 apresenta a turbina sendo rebocada pelo barco e estatildeo sendo feitas mediccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo

Tabela 4 Dados Fundamentais Obtidos nos Testes

Paracircmetro Valor Unidade

Velocidade do Barco 13 ms

Rotaccedilatildeo no eixo superior 150 rpm

Torque 126 Nm

Rotaccedilatildeo no eixo submerso 50 rpm

10

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Figura 12 Turbina sendo rebocada pelo barco e mediccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo Os valores de torque encontrados estatildeo dentro da especificaccedilatildeo atribuiacuteda ao gerador jaacute que este necessita para gerar

o valor proposto no projeto 1 kVA um torque miacutenimo de 12 Nm Mas soacute o torque natildeo satisfaz pois eacute necessaacuteria uma rotaccedilatildeo miacutenima para que o gerador funcione Como a rotaccedilatildeo maacutexima obtida no eixo superior foi de 150 rpm entatildeo desenvolveu-se um sistema de ampliaccedilatildeo que transformaraacute a rotaccedilatildeo fornecida ao eixo superior pela turbina em uma rotaccedilatildeo maior que 1800 rpm

A Fig 13 apresenta a disposiccedilatildeo do sistema de ampliaccedilatildeo constituiacutedo de correias e polias

Figura 13 Disposiccedilatildeo do Sistema de Ampliaccedilatildeo A rotaccedilatildeo no eixo da polia 2 seraacute encontrada pela igualdade da velocidade tangencial de acordo com a Eq 35

2

112 r

rnn times= (35)

As Eqs 36 e 37 permitem encontrar a rotaccedilatildeo que eacute transmitida da polia 3 para a polia 4 obtendo-se assim a rotaccedilatildeo no eixo do gerador (36) 23 nn =

(37) 4433 rnrn times=times

A Tab 5 apresenta os resultados de rotaccedilatildeo obtidos com o sistema de transmissatildeo da Fig 13 A rotaccedilatildeo encontrada satisfaz as condiccedilotildees impostas pelo gerador tendo uma sobra de 955 rpm que daraacute seguranccedila

para o gerador realmente produzir 1 KVA alcanccedilando os objetivos do projeto

11

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Tabela 5 Rotaccedilotildees obtidas com o sistema de ampliaccedilatildeo Paracircmetro Descriccedilatildeo do Paracircmetro Valor Unidade

r1 Raio da polia 1 (ligada ao eixo do pinhatildeo) 0150 m n1 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 1 150 rpm r2 Raio da polia 2 0035 m n2 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 2 6429 rpm r3 Raio da polia 3 0150 m n3 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 3 6429 rpm r4 Raio da polia 4 (ligada ao eixo do gerador) 0035 m n4 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 4 2755 rpm

6 Conclusotildees

O projeto executado faz parte das atividades do grupo de pesquisa em Fontes Alternativas de Energia do Departamento de Fiacutesica da FURG que estuda a produccedilatildeo de energia dentro de seu ecossistema costeiro As condiccedilotildees locais de Rio GrandeRS numa regiatildeo sem quedas daacutegua poreacutem com mananciais abundantes de correntes de aacutegua de baixa velocidade motivou a realizaccedilatildeo deste projeto O desafio proposto de projetar construir e instalar uma turbina hidrocineacutetica axial foi plenamente atingido A turbina desenvolvida apresentou condiccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo que permitem gerar 1 kVA num alternador com carga instalada O conjunto eacute de faacutecil instalaccedilatildeo manutenccedilatildeo e acesso para obtenccedilatildeo das variaacuteveis envolvidas durante a sua operaccedilatildeo

Referecircncias Bibliograacuteficas Blue Energy Canada Inc PrimeDavis Hydro Turbine PrototypesPrime wwwbluenergycom acesso em 1811 2002 Deutschaman A D PrimeMachine Design Theory and PracticePrime USA Macmillam Publishing Co Inc 1990 Eggleston D M Stoddard F S rdquoWind Turbine Engineering Designrdquo New York Ed Van Nostrand Reinhold 1987 Marine Current Turbines Ltd Energy derived from the oceans currents wwwmarineturbinescom acesso em 18112002 Souza Z PrimeDimensionamento de Maacutequinas de FluxoTurbinas Bombas VentiladoresPrime SP Edgar Bluumlcher Ltda 1991 Thropton Energy ServicesPrimeAmazon AquacherPrime wwwthroptonenergycom acesso em 18112002 Universidade de Brasiacutelia PrimeProjeto Turbina HidrocineacuteticaPrime wwwturbina hidrocineacuteticacombr acesso em 18112002 World Enegy PrimeSituaccedilatildeo da Energia no MundoPrime wwwworldenegyorg acesso em 20102002

WATER CURRENT TURBINE

Sonia Magalhatildees dos Santos e-mail vnsantosmikruscombr

Jorge Alberto Almeida e-mail dfsjaafurgbr

Daniel Alves de Andrade e-mail kazoebolcombr

Leonardo Files Dias e-mail leonardofiles bolcombr Departamento de Fiacutesica ndash Fundaccedilatildeo Universidade Federal do Rio Grande (FURG) Av Itaacutelia km 8 - Campus Carreiros - Rio GrandeRS ndash Brasil ndash CEP 96201-900

Abstract This work had as goal to project build install and test an axial hydrokinetic turbine nominated water current turbine which uses the kinetic energy due to the water flow across the rotor eliminating big powerhouses ducts and dams because it does not require the existence of waterfalls decreasing the environmental impact A new procedure to calculate blade profile was developed based in wing turbine studies The turbine has an outside diameter of 14 m and a useful area of 147 m2 It has three blades and it operates at 1 kVA power with water speed ranging from 13 to 20 ms The environment conditions are those of the geographic area of Rio Grande RS Brazil The rotor was built using polyester resin and fiberglass The turbine was mounted in a mobile structure with four barrels of 200 liters linked by L-brackets Tests performed at the Patos Lake indicated a 150-rpm rotation and a 126 Nm torque in the transmission top axis Two torque transmission and rotation amplification systems were developed to acquire an alternator rotation of 2054-rpm with no charge and an alternator rotation of 1800-rpm at the desired charge The array turbine ndash structure ndash transmission system and alternator is robust and easy to install and repair

Keywords water current turbine micro central hydroelectric isolated electricity generation

12

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Figura 12 Turbina sendo rebocada pelo barco e mediccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo Os valores de torque encontrados estatildeo dentro da especificaccedilatildeo atribuiacuteda ao gerador jaacute que este necessita para gerar

o valor proposto no projeto 1 kVA um torque miacutenimo de 12 Nm Mas soacute o torque natildeo satisfaz pois eacute necessaacuteria uma rotaccedilatildeo miacutenima para que o gerador funcione Como a rotaccedilatildeo maacutexima obtida no eixo superior foi de 150 rpm entatildeo desenvolveu-se um sistema de ampliaccedilatildeo que transformaraacute a rotaccedilatildeo fornecida ao eixo superior pela turbina em uma rotaccedilatildeo maior que 1800 rpm

A Fig 13 apresenta a disposiccedilatildeo do sistema de ampliaccedilatildeo constituiacutedo de correias e polias

Figura 13 Disposiccedilatildeo do Sistema de Ampliaccedilatildeo A rotaccedilatildeo no eixo da polia 2 seraacute encontrada pela igualdade da velocidade tangencial de acordo com a Eq 35

2

112 r

rnn times= (35)

As Eqs 36 e 37 permitem encontrar a rotaccedilatildeo que eacute transmitida da polia 3 para a polia 4 obtendo-se assim a rotaccedilatildeo no eixo do gerador (36) 23 nn =

(37) 4433 rnrn times=times

A Tab 5 apresenta os resultados de rotaccedilatildeo obtidos com o sistema de transmissatildeo da Fig 13 A rotaccedilatildeo encontrada satisfaz as condiccedilotildees impostas pelo gerador tendo uma sobra de 955 rpm que daraacute seguranccedila

para o gerador realmente produzir 1 KVA alcanccedilando os objetivos do projeto

11

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Tabela 5 Rotaccedilotildees obtidas com o sistema de ampliaccedilatildeo Paracircmetro Descriccedilatildeo do Paracircmetro Valor Unidade

r1 Raio da polia 1 (ligada ao eixo do pinhatildeo) 0150 m n1 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 1 150 rpm r2 Raio da polia 2 0035 m n2 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 2 6429 rpm r3 Raio da polia 3 0150 m n3 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 3 6429 rpm r4 Raio da polia 4 (ligada ao eixo do gerador) 0035 m n4 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 4 2755 rpm

6 Conclusotildees

O projeto executado faz parte das atividades do grupo de pesquisa em Fontes Alternativas de Energia do Departamento de Fiacutesica da FURG que estuda a produccedilatildeo de energia dentro de seu ecossistema costeiro As condiccedilotildees locais de Rio GrandeRS numa regiatildeo sem quedas daacutegua poreacutem com mananciais abundantes de correntes de aacutegua de baixa velocidade motivou a realizaccedilatildeo deste projeto O desafio proposto de projetar construir e instalar uma turbina hidrocineacutetica axial foi plenamente atingido A turbina desenvolvida apresentou condiccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo que permitem gerar 1 kVA num alternador com carga instalada O conjunto eacute de faacutecil instalaccedilatildeo manutenccedilatildeo e acesso para obtenccedilatildeo das variaacuteveis envolvidas durante a sua operaccedilatildeo

Referecircncias Bibliograacuteficas Blue Energy Canada Inc PrimeDavis Hydro Turbine PrototypesPrime wwwbluenergycom acesso em 1811 2002 Deutschaman A D PrimeMachine Design Theory and PracticePrime USA Macmillam Publishing Co Inc 1990 Eggleston D M Stoddard F S rdquoWind Turbine Engineering Designrdquo New York Ed Van Nostrand Reinhold 1987 Marine Current Turbines Ltd Energy derived from the oceans currents wwwmarineturbinescom acesso em 18112002 Souza Z PrimeDimensionamento de Maacutequinas de FluxoTurbinas Bombas VentiladoresPrime SP Edgar Bluumlcher Ltda 1991 Thropton Energy ServicesPrimeAmazon AquacherPrime wwwthroptonenergycom acesso em 18112002 Universidade de Brasiacutelia PrimeProjeto Turbina HidrocineacuteticaPrime wwwturbina hidrocineacuteticacombr acesso em 18112002 World Enegy PrimeSituaccedilatildeo da Energia no MundoPrime wwwworldenegyorg acesso em 20102002

WATER CURRENT TURBINE

Sonia Magalhatildees dos Santos e-mail vnsantosmikruscombr

Jorge Alberto Almeida e-mail dfsjaafurgbr

Daniel Alves de Andrade e-mail kazoebolcombr

Leonardo Files Dias e-mail leonardofiles bolcombr Departamento de Fiacutesica ndash Fundaccedilatildeo Universidade Federal do Rio Grande (FURG) Av Itaacutelia km 8 - Campus Carreiros - Rio GrandeRS ndash Brasil ndash CEP 96201-900

Abstract This work had as goal to project build install and test an axial hydrokinetic turbine nominated water current turbine which uses the kinetic energy due to the water flow across the rotor eliminating big powerhouses ducts and dams because it does not require the existence of waterfalls decreasing the environmental impact A new procedure to calculate blade profile was developed based in wing turbine studies The turbine has an outside diameter of 14 m and a useful area of 147 m2 It has three blades and it operates at 1 kVA power with water speed ranging from 13 to 20 ms The environment conditions are those of the geographic area of Rio Grande RS Brazil The rotor was built using polyester resin and fiberglass The turbine was mounted in a mobile structure with four barrels of 200 liters linked by L-brackets Tests performed at the Patos Lake indicated a 150-rpm rotation and a 126 Nm torque in the transmission top axis Two torque transmission and rotation amplification systems were developed to acquire an alternator rotation of 2054-rpm with no charge and an alternator rotation of 1800-rpm at the desired charge The array turbine ndash structure ndash transmission system and alternator is robust and easy to install and repair

Keywords water current turbine micro central hydroelectric isolated electricity generation

12

Proceedings of ENCIT 2004 -- ABCM Rio de Janeiro Brazil Nov 29 -- Dec 03 2004

Tabela 5 Rotaccedilotildees obtidas com o sistema de ampliaccedilatildeo Paracircmetro Descriccedilatildeo do Paracircmetro Valor Unidade

r1 Raio da polia 1 (ligada ao eixo do pinhatildeo) 0150 m n1 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 1 150 rpm r2 Raio da polia 2 0035 m n2 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 2 6429 rpm r3 Raio da polia 3 0150 m n3 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 3 6429 rpm r4 Raio da polia 4 (ligada ao eixo do gerador) 0035 m n4 Rotaccedilatildeo do eixo da polia 4 2755 rpm

6 Conclusotildees

O projeto executado faz parte das atividades do grupo de pesquisa em Fontes Alternativas de Energia do Departamento de Fiacutesica da FURG que estuda a produccedilatildeo de energia dentro de seu ecossistema costeiro As condiccedilotildees locais de Rio GrandeRS numa regiatildeo sem quedas daacutegua poreacutem com mananciais abundantes de correntes de aacutegua de baixa velocidade motivou a realizaccedilatildeo deste projeto O desafio proposto de projetar construir e instalar uma turbina hidrocineacutetica axial foi plenamente atingido A turbina desenvolvida apresentou condiccedilotildees de torque e rotaccedilatildeo que permitem gerar 1 kVA num alternador com carga instalada O conjunto eacute de faacutecil instalaccedilatildeo manutenccedilatildeo e acesso para obtenccedilatildeo das variaacuteveis envolvidas durante a sua operaccedilatildeo

Referecircncias Bibliograacuteficas Blue Energy Canada Inc PrimeDavis Hydro Turbine PrototypesPrime wwwbluenergycom acesso em 1811 2002 Deutschaman A D PrimeMachine Design Theory and PracticePrime USA Macmillam Publishing Co Inc 1990 Eggleston D M Stoddard F S rdquoWind Turbine Engineering Designrdquo New York Ed Van Nostrand Reinhold 1987 Marine Current Turbines Ltd Energy derived from the oceans currents wwwmarineturbinescom acesso em 18112002 Souza Z PrimeDimensionamento de Maacutequinas de FluxoTurbinas Bombas VentiladoresPrime SP Edgar Bluumlcher Ltda 1991 Thropton Energy ServicesPrimeAmazon AquacherPrime wwwthroptonenergycom acesso em 18112002 Universidade de Brasiacutelia PrimeProjeto Turbina HidrocineacuteticaPrime wwwturbina hidrocineacuteticacombr acesso em 18112002 World Enegy PrimeSituaccedilatildeo da Energia no MundoPrime wwwworldenegyorg acesso em 20102002

WATER CURRENT TURBINE

Sonia Magalhatildees dos Santos e-mail vnsantosmikruscombr

Jorge Alberto Almeida e-mail dfsjaafurgbr

Daniel Alves de Andrade e-mail kazoebolcombr

Leonardo Files Dias e-mail leonardofiles bolcombr Departamento de Fiacutesica ndash Fundaccedilatildeo Universidade Federal do Rio Grande (FURG) Av Itaacutelia km 8 - Campus Carreiros - Rio GrandeRS ndash Brasil ndash CEP 96201-900

Abstract This work had as goal to project build install and test an axial hydrokinetic turbine nominated water current turbine which uses the kinetic energy due to the water flow across the rotor eliminating big powerhouses ducts and dams because it does not require the existence of waterfalls decreasing the environmental impact A new procedure to calculate blade profile was developed based in wing turbine studies The turbine has an outside diameter of 14 m and a useful area of 147 m2 It has three blades and it operates at 1 kVA power with water speed ranging from 13 to 20 ms The environment conditions are those of the geographic area of Rio Grande RS Brazil The rotor was built using polyester resin and fiberglass The turbine was mounted in a mobile structure with four barrels of 200 liters linked by L-brackets Tests performed at the Patos Lake indicated a 150-rpm rotation and a 126 Nm torque in the transmission top axis Two torque transmission and rotation amplification systems were developed to acquire an alternator rotation of 2054-rpm with no charge and an alternator rotation of 1800-rpm at the desired charge The array turbine ndash structure ndash transmission system and alternator is robust and easy to install and repair

Keywords water current turbine micro central hydroelectric isolated electricity generation

12