gruppe i - EMC

Universidade Federal de Santa Catarina
Centro Tecnológico
Departamento de Engenharia Mecânica
Coordenadoria de Estágio do Curso de
Engenharia Mecânica
CEP 88040-970 - Florianópolis - SC - BRASIL
www.emc.ufsc.br/estagiomecanica
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RELATÓRIO DE ESTÁGIO – 1/3 (primeiro de três)
Período: de 09/08/2010 a 27/08/2010
Aluno: Alexandre Skrabe Guterres
Supervisor: Liziane Castegnaro
Orientador: Dylton do Valle Pereira Filho
Florianópolis, 27/09/2010
1. A empresa
O estágio está sendo realizado na ELETROSUL Centrais Elétricas S.A.
que é uma empresa subsidiária da Centrais Elétricas Brasileiras S.A. ELETROBRAS, vinculada ao Ministério de Minas e Energia. Foi constituída
em 23/12/1968 e autorizada a funcionar pelo Decreto nº. 64.395, de
23/04/1969. É uma sociedade de economia mista de capital fechado,
concessionária de serviços públicos de transmissão e geração de energia
elétrica.
Com sede em Florianópolis, estado de Santa Catarina e atuação
preponderante nos estados da região Sul e Mato Grosso do Sul, realiza
estudos e projetos, constrói e opera instalações de transmissão e de
geração de energia elétrica, investe em pesquisa e desenvolvimento,
fomenta o uso de fontes alternativas de energia, presta serviços de
telecomunicação e pratica outros atos de comércio decorrentes destas
atividades. Para isso, conta com um quadro funcional formado por mais de
1500 profissionais.
No segmento Transmissão, integra e interliga as fontes de energia
elétrica aos mercados consumidores, criando condições para a
competição. Viabiliza, com os demais países do MERCOSUL, a importação
e/ou exportação de energia elétrica e garante a qualidade da energia nos
pontos de suprimento. As atividades de operação do sistema elétrico sob
sua responsabilidade são coordenadas e controladas do Centro de
Operação do Sistema, localizado em sua sede, que atua de acordo com
procedimentos definidos pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico
(ONS).
No segmento Geração, dá continuidade às atividades para
implantação de empreendimentos hidrelétricos e de fontes alternativas,
que consolidarão seu retorno a este mercado. Há usinas sendo
implantadas em muitos locais do Brasil, e em breve estarão em
funcionamento.
A política de investimentos e a busca incessante da excelência na
gestão empresarial, com destaque para a qualidade e a confiabilidade do
sistema elétrico, estão alinhadas com as políticas públicas do Governo
Federal que tem dado suporte para o crescimento e desenvolvimento
continuado do País.
Neste particular, responsável por obras do Programa de Aceleração
do Crescimento (PAC), a ELETROSUL cumpre seu papel na expansão da
infra-estrutura eletro-energética, de suma importância para a manutenção
do forte ritmo de crescimento que o Brasil vive hoje.
2. Área de Atuação na Empresa
O estágio está voltado para área de geração de eletricidade, mais
especificamente a manutenção de usinas hidrelétricas. Como se trata de
uma área nova para empresa, que está voltando para este nicho de
mercado após 12 anos, e ainda não existem usinas da empresa em
funcionamento para manter, estão sendo feitos estudos com especialistas
da área para se obter um planejamento ótimo de como e quando devem
ser feitas as manutenções preventivas e preditivas das usinas.
Além disso outra função do SEMUS (setor de engenharia e
manutenção de usinas) é treinar técnicos para que as manutenções
ocorram com qualidade.
Para que todo esse trabalho seja feito da melhor maneira possível,
há um estudo aprofundado e específico do projeto de cada usina que está
sendo construída. Este estudo é feito por um grupo de engenheiros das
áreas mecânica, civil e elétrica, sendo dois especialistas em manutenção
de usinas.
Outra atividade importante que auxilia no planejamento das
manutenções e no treinamento dos técnicos são as visitas técnicas
constantes as usinas da empresa que estão sendo construídas para que
haja além do conhecimento teórico o conhecimento prático da montagem
das usinas para que se possa conhecer também os possíveis processos de
desmontagem caso sejam necessários. Além de dar uma noção das
dimensões das usinas que fogem do padrão de outras construções menos
complexas.
Há também integração com outras empresas do setor, sendo
algumas também subsidiárias da ELETROBRAS, para troca de
conhecimentos, onde se pode aproveitar as manutenções que estão sendo
feitas em outras usinas como aulas práticas para os técnicos e
engenheiros adquirirem experiência antes mesma de se ter as usinas da
ELETROSUL em funcionamento.
3. Atividades realizadas
3.1 Introdução
Durante a primeira semana de estágio foi feita uma apresentação
sem aprofundamentos sobre cada parte da usina para se ter uma visão
geral assunto, essa explanação envolveu não só a parte mecânica mas
também as partes civil, elétrica e até hidrológica das usinas. Essa
apresentação envolveu fotos, vídeos e textos e essa visão geral da usina
foi de grande importância para os ensinamentos mais aprofundados que
se seguiram nas semanas seguintes.
Na segunda semana foi dado aprofundamento nos ensinamentos da
parte mecânica da manutenção das usinas hidrelétricas, que dentro da
ELETROSUL está dividida em três partes:
 Turbinas hidráulicas e reguladores de velocidade: Tem como
responsável a Engª. Liziane Castegnaro e envolve o rotor, os mancais de
escora e guia, o distribuidor e pré-distribuidor, tubo de sucção caixa
espiral além de outros equipamentos auxiliares ao funcionamento destes.
 Equipamentos hidromecânicos: O responsável é o Eng. Luís
Eraldo Cassias Pereira, e envolve as comportas, as grades, os condutos e
os tubos e acessórios.
 Gerador: Tem como responsável a Engª Ana Paula e envolve o
gerador (rotor e estator) e seus sistemas de resfriamento.
Cada uma das partes foi explicada de forma individual entre o
estagiário e seu respectivo engenheiro responsável e abaixo será feita
uma descrição mais detalhada dos assuntos abordados.
3.2 Turbina
Definição: Turbinas são equipamentos instalados em usinas
hidrelétricas que transformam a potência hidráulica em energia mecânica.
Esta conversão ocorre quando há uma diferença de altura entre a entrada
e saída de um circuito hidráulico, onde a energia da água ao passar pela
roda da turbina é transmitida, por acoplamento de eixo, a um
hidrogerador.
3.2.1 Classificação
a) turbinas de ação: são aquelas em que a água é pressurizada ao
passar por um orifício e sua energia cinética é transferida para as pás da
roda, na forma de um jato de alta pressão.
O principal tipo é a turbina Pelton, mas há outras do tipo MichelBanki utilizada em máquinas de pequeno porte.
b) turbinas de reação: são aquelas que, ao passar pelas pás da roda, a
água cria um campo de pressão que provoca o movimento de rotação e a
transformação da energia.
São dividas em dois grupos: radiais quando a água passa radialmente ao
rotor (Francis) e axiais quando a água atinge axialmente o rotor (Kaplan,
Bulbo, Straflo e Tubular S).
3.2.2 Campo de aplicação
Tipo
Pelton
Queda
100 a 1.800
m
Francis
20 a 800 m
Kaplan e Hélice 5 a 70 m
Bulbo e Straflo 2 a 40 m
Tubular tipo S
2 a 25 m
3.2.3 Caixa espiral: é a estrutura externa envoltória da turbina que
promove a distribuição uniforme de água para o rotor da turbina. Para
turbinas (Kaplan) de baixa queda (aproximadamente 30 m) é constituída
de caixa de concreto com seção retangular e incorporada à barragem.
Para pressões superiores é fabricada em virolas circulares de chapas de
aço soldadas na forma de caracol (Francis).
A turbina Pelton possui um desenho próprio para distribuição tangencial
dos bicos injetores.
3.2.4 Pré-distribuidor: é a estrutura metálica imediatamente entre a caixa
espiral e a turbina e, é constituídos do anel superior e inferior e
interligados por palhetas verticais fixas. Sua função é estrutural na
medida em que suporta cargas da caixa espiral, a tampa da turbina e em
máquinas verticais, todo o peso do conjunto girante. Em sua concepção
de construção também é avaliada hidraulicamente a distribuição
equilibrada da água para evitar vibrações.
3.2.5 Distribuidor: também denominado como conjunto de palhetas
móveis ou diretrizes são pás retangulares com hastes encaixadas em
buchas, sendo a mais longa acoplada a alavancas e bielas. Normalmente
em número de 20 a 24, cuja finalidade é a regulação de vazão e
conseqüente rotação ou potencia da turbina.
Seu dimensionamento é adequado para manter um fluxo sem turbulência
e suportar o esforço de sobrepressão quando do fechamento brusco da
vazão. A usinagem possui tolerância precisa de forma a garantir um
mínimo de vazamento entre as faces na posição fechada.
As palhetas são interligadas a um aro comum denominado anel de
regulação que como um volante acionado por servomotores produz o
movimento de giro para o comando de abertura ou fechamento das
palhetas móveis (distribuidor). Está apoiado sobre patins de bronze ou
ptfe (politetrafluoretileno – vulgo teflon) ou outro elemento, normalmente
autolubrificante na superfície superior da tampa da turbina.
3.2.6 Roda: é o elemento mais importante da turbina e que suporta os
esforços hidráulicos e, efetivamente transforma a energia da água(
cinética ou potencial) em energia mecânica, e conectado ao gerador por
meio de um eixo. Os tipos mais comuns são Francis, Hélice, Kaplan e
Pelton.
Francis: constituída de cinta com pás ligadas a uma coroa e, tendo sob a
coroa um cone para direcionar a vazão para o centro da cinta. Na
circunferência externa da cinta e coroa, são incorporados faixas de inox
denominadas de anéis de desgaste, cuja função é de promover a mínima
folga entre o rotor girante e o anel de descarga fixo.
O projeto da roda depende da queda e, em geral para alta pressão a roda
é “achatada” e para pressões menores é mais alta( menos achatada) e
com diâmetro da cinta maior que a coroa.
Hélice: é fabricado normalmente com 3 a 7 pás fixas ao cubo da roda. É
tipo empregado em usinas de baixa queda e vazão axial.
Kaplan: tem a mesma configuração da hélice, porém suas pás não são
fixas ao cubo da roda, ou seja, as pás são móveis e permite a variação do
ângulo das mesmas. O interior do cubo possui um único pistão hidráulico
que ligadas a alavancas e bielas promove o movimento das pás,
possibilitando o melhor rendimento para as condições de variação de
carga.
A alimentação do óleo é realizada por meio de tubo que passa por dentro
do eixo que acopla a roda ao gerador, e no topo do gerador está instalado
o cabeçote Kaplan. Este componente recebe o óleo pressurizado do
sistema de regulação e distribui por tubulação giratória para alimentação
do servomotor das pás da roda.
Pelton: é constituído de um disco que no seu diâmetro externo incorpora
diversas pás em forma de concha. Estas conchas serão atingidas por jatos
d’água que saem de injetores e que transforma esta energia em altas
rotações da roda. Em geral são conchas de inox não muito afetadas por
corrosão, porém vulneráveis à cavitação devido às grandes velocidades do
fluxo. Esta roda é característica de usinas de altas quedas.
3.3 Equipamentos hidromecânicos
3.3.1 Tomada d’água: tem a finalidade de captação e direcionamento da
vazão de água para turbinas. Sendo constituída pelas grades, comporta
vagão (emergência) e comporta ensecadeira (stop-logs).
As grades são fabricadas em chapas de aço verticais e travadas com
travessas horizontais sendo o vão entre elas de acordo com o tipo de
turbina, em média:
Pelton = 1/5 do diâmetro do injetor
Kaplan e Francis de médio porte = 5 a 8 cm
Kaplan de grande porte = 8 a 15 cm
A limpeza é uma rotina importante para manter o rendimento da turbina e
eliminar o risco de acidentes quando obstruída com excesso de detritos.
3.3.2 Adução: é o canal que interliga a tomada d’água até a casa de força
onde estão alojadas as turbinas. Em trechos longos são escavados
diretamente no maciço rochoso e blindados internamente com
revestimento metálico na desembocadura.
Em trechos mais curtos é constituído de tubulação metálica embutida ou
exposto conhecido como conduto forçado.
Em usinas de baixa queda, normalmente a casa de força é uma estrutura
integrante da barragem sendo a adução conectada diretamente à tomada
d’água (Kaplan).
No caso de turbinas para alta queda e longa distância entre tomada
d’água a solução empregada é construção de um único canal com
bifurcações na aproximação da casa de força para alimentação de cada
máquina.
Neste caso há necessidade de instalar grandes válvulas borboletas na
entrada de cada turbina.
3.3.3 sistemas auxiliares mecânicos: são todos os sistemas fundamentais
para o funcionamento da usina é de longe o que mais exige manutenção.
Dentre os vários sistemas podemos citar como principais os seguintes:
Ar comprimido de serviço: é o sistema que fornece ar comprimido para
funcionamento do regulador de velocidade, do sistema de frenagem do
gerador, da vedação de parada e acionamentos pneumáticos em geral.
Ar de rebaixamento: é o sistema de ar comprimido com grande volume de
armazenamento que permite o rebaixamento do nível de água na turbina
(quando parada), deixando a câmara da roda livre para trabalhar como
motor consumidor de potência reativa do sistema.
Água de resfriamento: é o sistema que filtra a água bruta e distribui para
todos os trocadores de calor do gerador e turbina para resfriamento do
óleo ou ar.
Drenagem e esgotamento: são sistemas de bombas individuais que fazem
drenagem no ponto mais baixo da casa de força e o esgotamento da água
do circuito hidráulico para eventual manutenção interna da turbina.
Regulação: é o sistema composto de reservatório, bombas, válvulas,
cilindros pressurizadores de óleo para movimentação das palhetas móveis
do distribuidor ou pás Kaplan no controle de vazão na turbina,
e
conseqüente rotação.
Gerador de emergência: é o sistema composto de motor diesel e gerador
independente da usina para suprimento de energia elétrica quando
eventualmente houver corte de fornecimento externo de energia elétrica,
aliada a todas as unidades geradoras da usina paralisadas.
Centrais hidráulicas dos hidromecânicos: são conjuntos hidráulicos que
operam a abertura/fechamento das comportas da tomada d’água e
vertedouro.
3.3 Gerador
Geradores elétricos, grupo de aparelhos utilizados para converter a
energia mecânica em elétrica. Chama-se gerador, alternador ou dínamo a
máquina que converte energia mecânica em eletricidade.
O princípio básico é a indução eletromagnética descoberta por Michael
Faraday. Se um condutor se move através de um campo magnético, de
intensidade variável, induz-se naquele uma corrente. O princípio oposto
foi observado por André Marie Ampère. Se uma corrente passa através de
um condutor dentro de um campo magnético, este exercerá uma força
mecânica sobre o condutor.
Os motores e geradores têm duas unidades básicas: o campo magnético,
que é o eletromagneto com suas bobinas, e a armadura - a estrutura que
sustenta os condutores que cortam o campo magnético, e transporta a
corrente induzida em um gerador, ou a corrente de excitação, no caso do
motor. Em geral, a armadura é um núcleo de ferro doce laminado, ao
redor do qual se enrolam, em bobinas, os cabos condutores.
Geradores de Corrente Contínua
Se uma armadura gira em um campo fixo, a corrente induzida se move
em uma direção durante a metade de cada revolução; e em outra direção
durante a outra metade. Para produzir um fluxo constante da corrente em
uma direção, ou contínuo, utilizam-se retificadores, por exemplo, de
diodos.
Geradores de Corrente Alternada (alternadores)
Um gerador simples sem comutadores retificadores produzirá uma
corrente elétrica que muda de direção à medida em que a armadura gira.
Como a corrente alternada apresenta vantagens na transmissão da
energia elétrica, são desse tipo a maioria dos geradores elétricos. A
freqüência da corrente fornecida por um alternador é igual à metade do
produto do número de pólos e o número de revoluções por segundo da
armadura.
Esse tipo de corrente se chama corrente alternada monofásica. Quando se
agrupam três bobinas de armadura em ângulos de 120°, produz-se uma
corrente em forma de onda tripla, conhecida como corrente alternada
trifásica.
4 Conclusão
O Estágio além da parte básica como introdução dos ensinamentos para
dar base para posteriormente se ter mais responsabilidades realizei junto
aos engenheiros uma revisão dos projetos das usinas além de realizar
cálculos para transformar os dados do modelo reduzido da turbina para o
protótipo.
O trabalho vem sendo realizado com bastante acompanhamento dos
engenheiros da empresa que possuem bastante habilidade ao ensinar e ao
tirar dúvidas. Há também uma grande variedade de filmes e fotos e
esquemas sobre o assunto que não podem ser anexados ao relatório
devido ao limite de espaço para download no site.