O diagrama de colina é uma das ferramentas mais importantes na engenharia hidráulica de turbinas para compreender o comportamento e o rendimento das turbinas em diferentes condições operacionais. Também conhecido como Hill Chart ou Diagrama de Rendimentos da Turbina, ele é essencial para avaliar a eficiência energética e otimizar o desempenho de usinas hidrelétricas. Mais do que um gráfico, o diagrama de colina é um verdadeiro mapa da eficiência, mostrando de forma visual como a turbina reage à variação da vazão, queda e da rotação, permitindo aos engenheiros e operadores identificar a melhor faixa de operação e maximizar a geração de energia.
Tecnicamente, o diagrama de colina representa o rendimento hidráulico (η) da turbina em função de duas variáveis principais, que normalmente são a vazão e a queda líquida. A vazão (Q) é o volume de água que passa pelo equipamento por unidade de tempo; a queda líquida (hl) é a diferença no nível de montante e jusante da usina, descontada das perdas de energia do circuito e da saída do tubo de sucção da turbina.
Para facilitar a análise e a comparação entre diferentes condições de operação e até mesmo diâmetros e rotações de turbinas com semelhança geométrica, os eixos normalmente são tratados por coeficientes adimensionalizados que representam a energia (função da queda líquida) e a vazão (função da vazão). Esta adimensionalização é feita pelo diâmetro e rotação da turbina. Desta forma, turbinas com semelhança geométrica, mas de escalas completamente diferentes podem ser comparadas através de um mesmo gráfico, pois possuem um comportamento hidráulico semelhante, apenas diferenciado pelo impacto da escala dos equipamentos, que é contabilizado seguindo normas internacionais, como a IEC 60193.
A informação mais importante do diagrama de colina é o rendimento da turbina, que é representada por linhas que indicam níveis iguais de rendimento, e a forma que estas linhas assumem lembram o relevo de um mapa topográfico, como “colinas” que representam diferentes patamares de eficiência, daí a origem do nome. Além das curvas de rendimento, diversas outras informações também podem ser plotadas, como as aberturas do distribuidor, do rotor de turbinas Kaplan, além de informações sobre cavitação observada durante os ensaios de modelo reduzido. Na figura apresentada um diagrama esquemático pode ser observado. Um diagrama real é uma informação valiosa e estratégica para a empresa, então raramente é compartilhado.
Fonte da imagem acima: Hacker Industrial
O diagrama de colina é utilizado principalmente durante a etapa de dimensionamento da turbina, pois serve como ferramenta para definir qual será a rotação e o diâmetro do perfil hidráulico que posiciona a turbina em uma região do diagrama que fará com que o desempenho do equipamento esteja alinhado com os objetivos da instalação. Durante a operação o diagrama também pode oferecer informações valiosas que podem ser utilizadas pelos operadores para planejamento, de modo que a turbina opere sempre nas condições de melhor rendimento. Para turbinas Kaplan com elevada variação de queda em sua operação, o diagrama de colina pode ser utilizado para obter em qualquer ponto de operação a melhor relação de aberturas entre a pá do rotor e do distribuidor.
Cada tipo de turbina apresenta um comportamento específico de diagrama de colina. Turbinas Francis possuem uma faixa de alto rendimento mais concentrada em torno do ponto de melhor rendimento (BEP – Best Efficiency Point), estas turbinas são mais adequadas para médias e grandes quedas. As turbinas com rotores Kaplan, como os modelos Kaplan tradicionais, REVO e bulbo, apresentam níveis de maior rendimento semelhantes às turbinas Francis, mas as curvas são mais planas, mantendo alto rendimento em uma faixa mais ampla de vazões, estas turbinas são mais adequadas para baixas e médias quedas. As turbinas Pelton, dependendo do número de jatos, também podem apresentar um comportamento mais plano de rendimentos. Estas são aplicadas em altas quedas. Na figura abaixo, 4 colinas diferentes podem ser observadas, nota-se que os formatos e ranges dos eixos variam muito conforme o tipo de turbina.
Fonte da imagem: GIESECKE, Jürgen; MOSONYI, Emil. Wasserkraftanlagen: Planung, Bau und Betrieb. 5., aktualisierte und erweiterte Auflage. Berlin: Springer, 2009.
O uso e o domínio do diagrama de colina demonstram o compromisso de uma engenharia com a precisão e a excelência operacional. Na Hacker Industrial, o estudo detalhado das curvas de rendimento faz parte do desenvolvimento de cada turbina hidráulica. Cada projeto é analisado individualmente para alcançar o ponto ideal de operação, garantindo equilíbrio entre potência, confiabilidade e eficiência energética
