5. Ricardo_Santo Antonio_Comportas Vagpo

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COMPORTAS VAGÃO DE JUSANTE PARA PROTEÇÃO DE TURBINAS DE BAIXA

QUEDA

DOWNSTREAM FIXED WHEEL GATE FOR LOW HEAD TURBINES PROTECTION

Adailson Vieira de Paula, ALSTOM Hydro França,

Anselmo Monteiro Ilkiu, ALSTOM Hydro Brasil,

Benedito Sérgio Rodrigues, ALSTOM Hydro Brasil,

Gilvan César de Castro Correard, ALSTOM Hydro Brasil,

Jacques Brémond, ALSTOM Hydro França,

Ricardo Vasconcellos, ALSTOM Hydro Brasil.

Resumo

Este artigo apresenta a aplicação de comportas vagão de jusante, utilizadas como dispositivo de

proteção de turbinas de baixa queda.

Afim de melhor ilustrar a aplicação, são apresentados alguns detalhes de operação e também

construtivos da comporta vagão instalada a jusante da turbina Bulbo da UHE Santo Antonio.

Introdução

Com a diminuição da disponibilidade dos recursos hídricos na região centro-sul do Brasil,

estamos experimentando um crescente avanço dos aproveitamentos hidrelétricos em direção à

região norte, onde predominarão as usinas de baixa queda com máquinas do tipo Kaplan e

Bulbo.

Estas usinas caracterizam-se por operarem sob baixas quedas e grandes vazões e por

conseqüência tem turbinas de grande diâmetro e tubos de sucção de grandes dimensões.

Em geral, a casa de força e a tomada d’água destas usinas estão montadas em uma única

estrutura.

Normalmente estas usinas não possuem conduto forçado e válvulas de proteção. A proteção das

usinas com turbinas Kaplan é feita por comporta vagão colocada a montante ou a jusante destas,

enquanto que para usinas com máquinas Bulbo a comporta é sempre colocada à jusante.

Em turbinas Kaplan, dependendo das dimensões, a tomada d’água e o tubo de sucção são

divididos em dois ou três vãos. Já nas turbinas Bulbo, independente da dimensão do tubo de

sucção, se tem sempre um único vão.

A disposição da comporta a jusante da turbina proporciona um fechamento de emergência sem

instabilidade para a máquina, que pode ser parada em completa segurança. Além disto, esta

disposição pode permitir outras funções, desde que devidamente previsto na especificação do

cliente : comporta ensecadeira, dispositivo de controle da unidade e descarregador.

As condições operacionais da comporta de jusante envolvem requisitos específicos a serem

levados em consideração no projeto, dos quais citamos:

- Guiamento da comporta usando roda guia lateral com mola, para suportar os esforços

laterais induzidos pelo escoamento;

- Rodas principais montadas sob dois rolamentos autocompensadores de rolos, para

baixo atrito, bom alinhamento e resistência às cargas laterais;

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- Estas comportas têm grande largura e o projeto da vedação de frontal deve compensar

as deflexões da estrutura, para assegurar a vedação;

- Montagem das seções da comporta por tirantes, porcas esféricas e arruelas,

assegurando boa flexibilidade da conexão, para uma melhor distribuição da carga

sobre as rodas principais.[1]

Como marco no avanço dos empreendimentos hidrelétricos brasileiros para a região Norte,

podemos citar o complexo do Rio Madeira, formado pelas UHE Santo Antonio e UHE Jirau.

Na sequência deste artigo apresentam-se mais detalhes da comporta vagão a jusante da UHE

Santo Antônio.

Figura 1 - Tipica usina com turbina Kaplan Comporta Vagão a montante

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Figura 2 - Tipica usina com turbina Kaplan e Comporta Vagão a jusante

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Figura 3 – Tipica usina com turbina Bulbo e Comporta Vagão a jusante

Comporta Vagão de Jusante da UHE Santo Antonio

A UHE Santo Antonio localizada no Rio Madeira é dotada de 44 turbinas bulbo de potência

máxima 75,55 (MW) que operam sob queda líquida nominal de 13,9 (m) e vazão normal máxima

de 604,5 (m³/s).

Para proteção destas turbinas, cada unidade é dotada de uma comporta vagão de emergência de

jusante, de dimensões livres L x H = 13,88 x 13,88 (m), projetada para, em casos emergenciais,

interromper o fluxo correspondente à máxima vazão pela turbina, sob ação de seu peso próprio.

A comporta está dimensionada para uma carga de 31,9 (mca) como comporta vagão e 39,1 (mca)

como comporta ensecadeira.

Para permitir uma manutenção mais complexa da comporta, em que haja a necessidade de retirar

a mesma da ranhura, a UHE Santo Antonio conta com comportas ensecadeiras que utilizam a

mesma ranhura da comporta vagão, permitindo ensecar o tubo de sucção para que a turbina possa

ser reparada simultaneamente.

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Devido às grandes dimensões da comporta, sua execução demandou o estudo e aplicação de

soluções de engenharia, fruto da experiência e dos avanços tecnológicos do fabricante.

O desafio foi construir um equipamento seguro o suficiente para cumprir sua função de proteção

de emergência e ao mesmo tempo ser economicamente viável.

Figura 4 – Desenho de implantação de UHE Santo Antonio

Principais Características da Comporta

A comporta vagão do tubo de sucção da UHE Santo Antonio foi calculada, projetada e

construída com os seguintes dados técnicos:

Vão Livre: 13880 (mm)

Altura Livre: 13880 (mm)

Vão Vedado como Comporta Ensecadeira: 14270 (mm)

Vão Vedado como Comporta Vagão: 14030 (mm)

Vão entre rodas principais: 14992 (mm)

Altura vedada como Comporta vagão: 14250 (mm)

Altura vedada como Comporta Ensecadeira: 14370 (mm)

Elevação da soleira: 26.41 (m)

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Nível d’Agua Máximo Normal de Montante: 70,00 (m)

Nível d’Agua Máximo Maximórum de Montante: 72,00 (m)

Nível d’Agua Mínimo de Jusante: 44,94 (m)

Nível d’Agua Máximo Normal de Jusante: 55,80 (m)

Nível d’Agua Máximo Maximórum de Jusante: 65,26 (m)

Critérios de Projeto

O equipamento foi projetado conforme critérios de projeto e funcionamento estabelecidos pelas

especificações do cliente e dimensionado conforme a norma NBR 8883.

Detalhes Construtivos

Figura 5. Tabuleiro da Comporta Vagão da UHE Santo Antonio

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Tabuleiro

O tabuleiro da comporta é composto de cinco painéis.

O painel inferior da comporta tem um perfil especial para se assentar sobre a soleira, que

tem as extremidades mais elevadas, para evitar o depósito de detritos. Adicionalmente a

instalação tem um sistema de limpeza do fundo das ranhuras.

A escolha por esta concepção, objetiva ter uma estrutura onde cada painel é uma estrutura

isostática e temos a garantia da distribuição da carga igualmente pelas rodas. Além disto,

este número de painéis foi selecionado estudando-se as necessidades de fabricação,

transporte, montagem, carga nas rodas, etc.

Considerando que a comporta tem dupla função, como comporta vagão, cada painel tem

quatro rodas montadas bi-apoiadas nas vigas de cabeceira. Como comporta ensecadeira,

as cabeceiras laterais descarregarão a carga do painel sobre o caminho de deslizamento.

Figura 6. Vista de jusante da comporta vagão de jusante da UHE Santo Antonio

Vedação

O sistema de vedação da comporta foi concebido de forma a garantir a estanqueidade de

montante para jusante, com a comporta operando como vagão e de jusante para montante,

com a comporta operando como ensecadeira.

Para cumprir estas funções, a vedação lateral da comporta é composta de nota musical de

duplo bulbo.

A vedação frontal, do tipo duplo bulbo e dupla haste é fixada ao paramento do painel

superior.

Entre os painéis a vedação é assegurada por borrachas chatas.

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Rodas Principais

Cada comporta é dotada de vinte rodas principais, sendo quatro por cada um dos cinco

painéis. Cada roda principal é montada com dois rolamentos autocompensadores de rolos

em eixo de aço inoxidável. As rodas têm a superfície de rolamento abaulada com raio de

abaulamento de 15 vezes o raio da roda.

Esta concepção foi selecionada pelo fabricante para ter uma maior garantia de que não

haverá travamento das mesmas durante os movimentos da comporta, especialmente no

fechamento de emergência, onde se tem uma velocidade mais elevada.

Roda Guia Lateral

Cada comporta é dotada de quatro rodas guia lateral com mola. A roda guia lateral tem a

função primordial de absorver as cargas laterais impostas pelo escoamento.

Figura 7 – Detalhe das rodas e vedação lateral

da Comporta vagão da UHE Santo Antonio

Ligação entre Elementos

Os painéis da comporta são ligados entre si por meio de sapatas articuladas e tirantes de

aço inoxidável.

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Ligação com o Cilindro Hidráulico

Cada Comporta é ligada ao cilindro hidráulico através de um conjunto de hastes

intermediárias, que se acoplam ao tabuleiro por meio de um olhal no painel inferior.

Figura 8. Comporta vagão da UHE Santo Antonio durante apresentação em fábrica

Peças Fixas de 2ª Concretagem

As peças fixas de 2ª concretagem são compostas de caminho de rolamento a jusante,

caminho de deslizamento a montante, soleira, frontal e guia lateral.

O caminho de rolamento é composto de um perfil tipo I com pista de aço inoxidável

temperado e revenido.

O caminho de deslizamento é composto de chapa para apoio da comporta na função

ensecadeira e pista de inox para apoio da vedação lateral e cabeceira da comporta.

A peça de soleira é composta de uma parte plana central e duas partes inclinadas laterais.

A face da soleira em contato com a vedação inferior da comporta será de aço inoxidável.

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A peça frontal, posicionada a montante, abriga a chapa de inox de apoio da vedação

frontal.

A peça fixa de guia lateral, onde se apóia a roda guia lateral da comporta é composta de

um perfil tipo U de aço inoxidável.

Cilindro Hidráulico

Cada comporta é manobrada por um cilindro hidráulico de simples efeito a tração, de

diâmetro 480 x 170 (mm) e curso 14750 (mm).

O cilindro hidráulico é apoiado sobre a viga suporte através de flange intermediário no

corpo do mesmo.

Figura 9. Montagem do cilindro hidráulico

Esta comporta tem as seguintes funções:

Em caso de emergência, sob ação de seu peso próprio, operar como comporta vagão para

interromper o fluxo pela turbina. Neste caso é imposta sobre a comporta uma carga

correspondente à diferença entre os níveis de montante e de jusante, acrescida de uma

sobrepressão decorrente do fechamento de emergência da comporta. O fechamento de

emergência é realizado sem paradas intermediarias no fluxo, obedecendo a uma lei de

manobra pré-estabelecida.

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Em caso de manutenção da turbina, operar como comporta ensecadeira para permitir o

esvaziamento do tubo de sucção.

Esta comporta opera sob as seguintes condições operacionais:

Abertura

A abertura da comporta é obtida pela aplicação de óleo sob pressão na câmara inferior do

cilindro hidráulico. Cada Comporta é acionada por um cilindro hidráulico e respectiva unidade

hidráulica, que tem capacidade para operar duas comportas. A comporta é aberta após a parada

da turbina, sob pressões equilibradas. O equilíbrio de pressões é obtido pela abertura da válvula

de enchimento do tubo de sucção e confirmado por um sistema detector, que habilita a abertura

da comporta.

O movimento de abertura estará intertravado com a posição das palhetas diretrizes da turbina.

A abertura somente é autorizada estando ambas, as palhetas e as portas de inspeções

fechadas.

Fechamento Normal

Esta operação é realizada com a turbina hidráulica parada.

O movimento de fechamento normal estará intertravado com a posição das palhetas diretrizes

da turbina. O fechamento normal somente é autorizado estando as palhetas fechadas.

O comando de fechamento é dado a partir do quadro elétrico da sala de operação.

Fechamento de Emergência

O cilindro hidráulico suportará todas as forças hidráulicas e de gravidade, quando do

fechamento da comporta sob o fluxo máximo através das turbinas.

O fechamento de emergência será iniciado automaticamente pelo acionamento das válvulas

solenóides para fechamento das comportas. As válvulas são acionadas por:

1. Sinal de comando do SDSC;

2. Botoeira no painel de comando local da unidade;

3. Dispositivos de detecção de comporta à deriva;

4. Bloqueio hidráulico ou sobrevelocidade.

Dado a ordem de “fechamento de emergência da comporta”, as operações serão realizadas na

seguinte condição:

1º estágio – comporta 100 % aberta até 30% de abertura: Velocidade = 10,0 m/min;

2º estágio – comporta 30 % aberta até 5% de abertura: Velocidade = 3,0 m/min;

3º estágio – comporta 05 % aberta até 0% de abertura: Velocidade = 0,5 m/min;

O fechamento de emergência é continuo, sem paradas intermediarias sob fluxo.

Reposição de posição da Comporta

Quando a comporta descer involuntariamente abaixo da posição pré-determinada, 100 ou 200

(mm) desta posição, dois fins de curso (reposição 1 e reposição 2 respectivamente),

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independentes, serão atuados, acionando o grupo moto-bomba, reconduzindo a comporta a sua

posição inicial de abertura.

Quando houver falha na recuperação da posição da comporta, um terceiro fim de curso (deriva)

atuará comandando a parada da respectiva unidade geradora e o fechamento em emergência da

comporta vagão, caracterizando a condição de comporta em deriva.

Amortecimento de fim de curso

Quando a comporta, em sua operação de fechamento normal ou de emergência, estiver a 200

(mm) da soleira, a saída principal de óleo do cilindro hidráulico será bloqueada pelo êmbolo do

mesmo, obrigando, com isso, o óleo a ser escoado através da válvula de controle de fluxo

embutida no cilindro, a qual reduzirá a velocidade de descida da comporta.

Conclusão

As novas usinas brasileiras que estão em fase de estudo e que num futuro próximo se tornarão

realidade são em sua maioria destinadas às regiões norte-nordeste do país, e são do tipo baixa

queda. Todas estas usinas serão muito provavelmente equipadas com turbinas do tipo Kaplan ou

Bulbo e consecutivamente protegidas por comportas do tipo vagão, sejam elas instaladas a

montante ou a jusante.

As comportas vagão de emergência a jusante possuem um importante papel nas usinas de baixa

queda e exigem do fabricante contínuos estudos e inovações.

Para ambos os tipos de turbinas (Kaplan ou Bulbo), a escolha de um único fornecedor para

projetar e fornecer ambos os equipamentos (turbina e comporta) é certamente um meio

importante para evitar riscos devido a difícil interface entre estes produtos.

No momento da redação deste artigo, as primeiras comportas vagão de jusante da UHE Santo

Antônio já se encontram em operação, consolidando este importante desafio, uma vez que se

trata de uma das maiores comportas deste tipo atualmente em operação no mundo.

Referências Bibliográficas

[1] Magno J., Cardis M. , Paula A. V. , Choulian O. “Operational Performance and Safety

Requirements for Hydro-Mechanical Equipment” – Hydropower & Dams – Issue five, 2009

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Autores

Adailson VIEIRA DE PAULA graduated as Industrial Mechanical Engineer from UNIMEP and

MBA as a Project Manager from FGV. He joined Alstom Hydro Brazil, Taubaté, in 2000 as

responsible for lifting equipment designs. He held various engineering positions and today leads

the product development activities for the hydro-mechanical and lifting equipment (Hydro-

mechanical Technology Centre). He joined Alstom Hydro France, Grenoble, in 2010,

accumulating the hydro-mechanical and lifting product conception supervision.

Anselmo Monteiro ILKIU graduated as Mechanical Engineer from UNITAU and Master and

Doctor in Materials Science from ITA. He joined Alstom Hydro Brazil in 1987, from 1987 to

1991 coordinating a production machining team. From 1991 to 1994, he worked with forming

process. From 1994 to 1997, he worked with design of mechanical structures. From 1998 to

2011, he worked as Technical Consultant. In 2011, he joined Alstom Hydro Brazil again as a

Specialist Engineer.

Benedito Sérgio RODRIGUES graduated as Mechanical Engineer from EFEI. He joined Alstom

in 1991 as a Calculation Engineer in hydro-mechanical design office. From 1991 to 2003, he was

a Project Engineer in charge of different executive and tendering projects including Nova Ponte,

Itá, Machadinho, Barra Grande, Tucurui (phase II), Itaipu (phase II), among others. In 2009, he

joined Alstom again as a coordinator engineer at tendering department in charge of hydro-

mechanical equipments.

Gilvan César de Castro CORREARD graduated as Mechanical Engineer from UNITAU and

Master of Science in Mechanical Engineer from UNESP. He joined Alstom in 1992 as a

Calculation Engineer in hydro-mechanical design office. From 1992 to 2008, he was a Project

Engineer and Mechanical Calculation Engineer in charge of different executive projects. In 2009

he was nominated as Principal Engineer for the hydro-mechanical equipment and joined to the

technical marketing and tendering team.

Jacques BREMOND is an Engineering graduate of ENSAM (France). He joined Alstom in 1980

as a calculation engineer in the mechanical turbine design office. From 1985 to 1999, he was a

project engineer in charge of different projects, including the Three Gorges left bank, involving

Bulb, Kaplan, Francis and Pump turbines. Since 2000, he is a mechanical design supervisor in

charge of project validation. He is also a mechanical turbine design expert.

Ricardo VASCONCELLOS graduated as Mechanical Engineer from EFEI and holds a MBA at

FGV. He joined Alstom in 1995 as an engineer in the mechanical turbine design office. From

1996 to 2011, he worked in many positions in technical tendering activities. Since 2011, he is the

head of Global Technology center in Latin America.

Alstom Hydro France, 82, Avenue Léon Blum, 38041, Grenoble, France

Alstom Hydro Brazil, s/n, Avenue Charles Schneider, 12040-001, Taubaté, Brazil