Mencione os tipos de turbina hidráulica de acordo com a altura do fluido.

Passo 1

O enunciado pede que eu mencione os tipos de turbina hidráulica classificados de acordo com a altura do fluido (ou “queda” / “head”). Informações dadas (implícitas na pergunta): quero a classificação baseada em valores de altura (queda) e quais turbinas são adequadas para cada intervalo de altura. Não há figura nem dados numéricos específicos além da própria ideia de “altura do fluido”.

Passo 2

Primeiro, preciso explicar claramente o que é “altura do fluido” (ou head), porque isso determina quais turbinas funcionam bem. A “altura” é a energia potencial por unidade de peso disponível para gerar energia hidráulica. Em termos práticos, a potência hidráulica disponível é dada por:
P=\rho g Q H \eta
onde:
  • \rho é a densidade do fluido (água), em \mathrm{kg/m^3};
  • g é a aceleração da gravidade, em \mathrm{m/s^2};
  • Q é a vazão volumétrica, em \mathrm{m^3/s};
  • H é a altura (head) efetiva, em \mathrm{m};
  • \eta é a eficiência global da turbina (adimensional).
    Resumo prático: quanto maior \,H (para mesma vazão Q), maior a potência por metro cúbico de água. Por isso, turbinas são projetadas para faixas de H.

Passo 3

É importante dizer que as faixas de cabeça (altura) não têm limites únicos na literatura: autores e fabricantes usam intervalos ligeiramente diferentes. Vou usar faixas típicas frequentemente usadas em cursos de hidráulica:
  • “Queda baixa”: H \lesssim 30\\ \mathrm{m} (alguns autores usam H\lesssim 10\\ \mathrm{m} para “muito baixa”);
  • “Queda média”: 30\\ \mathrm{m} \lesssim H \lesssim 300\\ \mathrm{m};
  • “Queda alta”: H \gtrsim 300\\ \mathrm{m}.
    Estas são aproximações para guiar a seleção — repito: valores exatos variam conforme a fonte.

Passo 4

Agora uma aula curta e prática sobre os tipos básicos de turbina e por que elas se encaixam em certas faixas:
  • Turbina de ação (impulso): jato de água incide nas pás; a energia é convertida principalmente pela variação de velocidade do jato (pressão atmosférica na roda). Ex.: Pelton. Funcionam bem em altas quedas e vazões relativamente pequenas.
  • Turbina de reação: a água passa por pás imersas e há variação de pressão ao longo da passagem; exigem o rotor cheio (ou quase) e conduto de pressão. Ex.: Francis (fluxo misto radial-axial), Kaplan (fluxo axial). Funcionam bem em quedas médias a baixas e em vazões maiores.
  • Turbina de fluxo cruzado (Banki-Michell): jato atravessa o rotor duas vezes; versátil para pequenas centrais e quedas baixas a médias.

Passo 5

Turbinas para queda alta (tipicamente H \gtrsim 300\\ \mathrm{m}):
  • Turbina Pelton. Explicação didática: Pelton é turbina de ação; a água sai por bicos formando jatos de alta velocidade. A potência por unidade de vazão cresce com H porque a velocidade do jato é aproximadamente \sqrt{2gH}. Pelton tem ótimo rendimento em alturas elevadas com vazões relativamente pequenas — por isso é a escolha clássica para quedas altas e pequenas vazões.

Passo 6

Turbinas para queda média (tipicamente 30\\ \mathrm{m} \lesssim H \lesssim 300\\ \mathrm{m}):
  • Turbina Francis (fluxo misto, reação). Explicação: Francis trabalha com uma combinação radial e axial do fluxo; é adequada para larga faixa de quedas e vazões, sendo muito usada em usinas hidrelétricas convencionais com quedas médias. É eficiente porque converte pressão e velocidade gradualmente dentro do rotor e difusor.

Passo 7

Turbinas para queda baixa (tipicamente H \lesssim 30\\ \mathrm{m}):
  • Turbina Kaplan (ou hélice com pás reguláveis) e Turbina Hélice (propeller): são turbinas de reação, fluxo axial, projetadas para grandes vazões e pequenas quedas. Explicação: o fluxo axial limita a velocidade do fluido, então para obter potência é preciso grande Q quando H é pequeno; Kaplan permite ajustar o ângulo das pás para manter bom rendimento em variações de vazão.
  • Turbinas tipo “bulbo” ou turbinas tubulares (instalações de eixo horizontal em conduto): variação da Kaplan/propeller para situações de baixo head com grandes vazões e montagem compacta.

Passo 8

Turbinas para pequenas centrais e quedas baixas a médias:
  • Turbina de fluxo cruzado (Banki, Michell): muito usada em pequenas centrais e aplicações rurais. Explicação: é robusta, simples e mantém eficiência razoável em variações de vazão; adequada para H baixos a médios e potências menores.
  • Turgo: turbina do tipo ação parecida com Pelton, mas projetada para vazões um pouco maiores com quedas médias.

Passo 9

Observações práticas importantes para a prova e seleção:
  • Além da altura H, a escolha depende fortemente da vazão Q, do regime de operação (vazão variável ou constante), da potência desejada e de aspectos construtivos (custo, manutenção).
  • Em termos práticos: se tiver alta queda e pouca água → Pelton; se tiver queda média e água moderada → Francis; se tiver baixa queda e muita água → Kaplan/propeller/bulbo. Se for projeto pequeno e variável → considerar Cross-flow (Banki) ou Turgo.
  • Sempre que você vir um enunciado com valores numéricos de H e Q, aplique a ideia de combinar H com o tipo de turbina conforme as características acima.

Passo 10

Resumo rápido para decorar (útil para a prova): associe “alta queda → ação/Pelton”, “queda média → reação mista/Francis”, “baixa queda → axial/Kaplan ou hélice e turbinas tubulares”, e lembre-se de Cross-flow para pequenas centrais.

Resposta

Alta queda (tipicamente H\gtrsim 300\\ \mathrm{m}): Turbina Pelton (turbina de ação/impulso).
Queda média (tipicamente 30\\ \mathrm{m}\lesssim H\lesssim 300\\ \mathrm{m}): Turbina Francis (turbina de reação, fluxo misto).
Baixa queda (tipicamente H\lesssim 30\\ \mathrm{m}): Turbina Kaplan, Turbina Hélice/Propeller, Turbinas tubulares/bulbo (turbinas de reação, fluxo axial).
Pequenas centrais / baixa a média queda: Turbina de fluxo cruzado (Banki-Michell) e Turgo (para quedas médias com maiores vazões).

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