Minha Atv4 - Máquinas Hidráulicas

Pergunta 1\nGrande parte das curvas características de uma turbina hidráulica são geradas experimentalmente. A figura a seguir mostra o traçado de um gráfico diagrama que relaciona a potência de uma turbina Pelton com a sua rotação, evidenciando as linhas de isoeficiência. As curvas ilustradas foram obtidas mantendo-se constante a altura de queda líquida e variando a vazão:\n\nPotência\n\nFigura - Traçado da curva característica que relaciona a potência de uma turbina Pelton com a sua rotação.\nFonte: Elaborada pelo autor.\n\n#PraCegoVer: a figura apresenta um diagrama esquemático de potência em função da rotação das turbinas Pelton. O eixo vertical representa potência, e o eixo horizontal, a rotação. O gráfico ilustra quatro parábolas, com início na origem dos eixos. Iniciando de baixo para cima, a parábola menor intercepta o eixo horizontal na letra alfa 1. Um pouco acima, a segunda parábola intercepta o eixo das rotações em alfa 2. Mais acima, a terceira parábola intercepta o eixo horizontal em alfa 3, e a quarta parábola intercepta o eixo horizontal na sigla alfa 4. São traçadas, também, quatro curvas de isoeficiência ou isoeficiência n1, n2, n3 e n4. Na região central da figura, encontra-se a primeira curva de isoeficiência, em formato oval, chamada n4. A curva oval n4 está definida como a curva de escoirramento n3. A curva de escoirramento n2 é maior e engloba as duas curvas anteriores. Por último, observa-se, na região superior e inferior da figura, uma pequena parte da curva n1.\n\nCom base nas informações apresentadas, analise as assertões a seguir e a relação proposta entre elas:\n\nI. Todos os pontos de operação situados sobre uma mesma linha de isoeficiência apresentam o mesmo rendimento.\nPOIS\nII. Qualquer ponto sobre uma linha de isoeficiência ou isorendimento apresenta a mesma potência.\n\nAgora, assinale a alternativa correta:\nResposta Selecionada: A assertão I é uma proposição verdadeira, e a assertão II é uma proposição falsa.\n\nResposta Correta: Pergunta 2\nO projeto mais eficiente de uma turbina de impulso foi desenvolvido pelo engenheiro Pelton, em 1878, e, de maneira geral, consistiu em um local que convergia fluido em alta velocidade, ou seja, alta energia cinética sobre as pás que estavam acopladas a uma roda. A figura a seguir mostra que as pás foram projetadas para dividir o fluxo em duas metades, de modo que a máxima quantidade de movimento pudesse ser transferida:\n\nFigura - Vista lateral da turbina hidráulica de Pelton (a) e vista lateral da Pá sendo atingida por um jato de fluido.\nFonte: Çengel e Cimbala (2015, p. 689).\n#PraCegoVer: na parte inferior da figura, observa-se a vista lateral de um local, com um jato de fluido horizontal saindo da esquerda para a direita e colidindo contra uma pá. No centro da pá, há um divisor de fluxo. Na parte superior da figura, observa-se a vista lateral de outro bocal, com um jato de fluido horizontal saindo da esquerda para a direita e colidindo contra uma pá, a qual está acoplada a uma roda chamada \"roda de Pelton\". No centro da roda, há um círculo que representa o eixo de rotação da roda. Contornando o eixo no sentido anti-horário, há uma seta curva, que mostra o sentido de rotação. A distância Pergunta 3\nAs relações de semelhança são muito úteis para fazer previsões operacionais entre turbinas geometricamente semelhantes. As expressões a seguir mostram as relações envolvendo as grandeszas: diâmetro do rotor, altura de queda-d'água (carga líquida) e vazão volumétrica da turbina hidráulica, do protótipo e do rotor:\n\nDp = Dm· Hp/Hm\nQp = Qm· (Dp/Dm)³\n\nUm protótipo de uma turbina Francis é projetado para operar com carga líquida de 200 m e vazão de 10 m/s em uma hidrelétrica, a partir de um modelo com diâmetro de 160 mm.\nNo ponto de eficiência máxima, o modelo vai operar com Q = 8 m³/s e Hm = 100 m. O modelo e o protótipo terão a mesma rotação.\n\nDiante do exposto, assinale a alternativa correta sobre a vazão do protótipo:\nResposta Selecionada: 22,6 m³/s.\nResposta Correta: 22,6 m³/s. Comentário da resposta:\nDp = Dm* \nHe = \nHf \n\nDp = 160. \nDp = 226,3 mm. Em seguida, utiliza-se o diâmetro do protótipo para encontrar a vazão do protótipo:\nQp = 8.(226,3)³ = 22,6 m/s.\n\nPergunta 4\nAo utilizar os parâmetros vazão, queda útil e rotação, é possível ter uma boa orientação quanto à seleção de uma turbina hidráulica. Entretanto, para compreender de forma mais ampla a faixa de operação de uma turbina, é importante ter em vista as suas curvas características, que são obtidas experimentalmente. A figura a seguir mostra o traçado de três curvas características típicas de uma turbina Pelton: (a) potência x rotação; (b) rendimento x rotação; e (c) vazão x rotação.\n\nFigura – Traçado das principais curvas características de uma turbina Pelton.\nFonte: Elaborado pelo autor.\n\n#PraCegoVer: a figura mostra o traçado de três curvas características típicas de uma turbina Pelton. A primeira, mais à esquerda (a), relaciona a potência da turbina, em seu eixo vertical, com a rotação, em seu eixo horizontal. O gráfico é, aproximadamente, parabólico, com concavidade voltada para baixo, apontando da origem dos eixos, alcançando um máximo e decaindo até interceptar o eixo das rotações. A segunda curva, localizada na região central, mais à direita (b), relaciona o rendimento da turbina, em seu eixo vertical, com a rotação, em seu eixo horizontal. O gráfico é, aproximadamente, parabólico, com concavidade voltada para baixo, partindo da origem dos eixos, alcançando um máximo e decaindo até interceptar o eixo das rotações. Por fim, a terceira curva, mais à direita (c), mostra a vazão no eixo vertical e a rotação no eixo horizontal, em que o gráfico é uma reta horizontal que corta o eixo das vazões em um ponto central. Com relação às curvas características mais comuns das turbinas hidráulicas, analise as afirmativas a seguir e assinale V para Verdadeiro e F para Falso:\n\nI. ( ) é comum que as curvas características de uma turbina hidráulica sejam obtidas experimentalmente, por meio de modelos de menor porte.\nII. ( ) a curva (a) da figura indica que existe uma faixa de rotação que fornecerá valores ótimos de potência, na região próxima ao vértice da parábola.\nIII. ( ) a curva (c) da figura mostra que a vazão volumétrica de fluido aumenta conforme cresce a rotação da turbina.\nIV. ( ) a curva (b) da figura indica que existe uma faixa de rotação que fornecerá\n\npara Verdadeiro e F para Falso: Resposta Selecionada:\nV, V, F, V.\n\nResposta Correta:\nV, V, F, V.\n\nComentário\nResposta correta. A sequência está correta, pois, geralmente, as curvas características de uma turbina hidráulica são geradas experimentalmente, por meio de modelos de menor porte, tendo em vista a dificuldade em realizar simulações com protótipos de tamanho real. As curvas (a) e (b) indicam que existe uma faixa de rotação, em que é possível observar potências máximas, na região próxima ao vértice da curva parábola.\n\nPergunta 5\nOs tipos de turbinas hidráulicas comerciais mais utilizados são: as turbinas Pelton, para altas quedas e baixas vazões; as turbinas Kaplan, para baixas quedas, mas com grandes volumes de água; e as turbinas Francis, para aplicações que conciliam alturas de quedas e vazões médias. A figura a seguir mostra um gráfico que relaciona a altura de queda com a vazão volumétrica de fluido, considerando-se as linhas oblíquas de potência desenvolvidas para cada modelo de turbina hidráulica:\n\nFigura – Gráfico da queda bruta H versus a vazão volumétrica Q de fluido, usado para seleção de turbinas hidráulicas.\nFonte: Henn (2006, p. 32).\n\n#PraCegoVer: a figura apresenta um gráfico que relaciona a altura de queda com a vazão volumétrica de fluido, levando-se em consideração as linhas oblíquas de potência desenvolvidas para cada modelo de turbina hidráulica. O eixo vertical mostra várias alturas em metros e apresenta, em ordem crescente, de baixo para cima, os seguintes valores: 1, 3, 1, 10, 60, 200, 700 e 1.800. O eixo horizontal representa a vazão em metros cúbicos por segundo, com os seguintes valores, em ordem crescente, da esquerda para a direita: 0,01, 0,1, 1. Tendo em vista as principais turbinas hidráulicas, por meio da análise do gráfico anterior, assinale a alternativa correta:\n\nResposta Selecionada:\nPara uma altura de queda d'água de 200 m e vazão volumétrica de 1 m³/s, a turbina hidráulica mais indicada é a Pelton.\n\nResposta Correta:\nPara uma altura de queda d'água de 700 m e vazão volumétrica de 1 m³/s, a turbina hidráulica mais indicada é a Pelton.\n\nComentário da resposta:\nA resposta está incorreta. A análise do gráfico, é possível observar que, para a altura de 200 m, a turbina hidráulica mais indicada é a Kaplan. Por outro lado, em relação à altura de 700 m, a turbina hidráulica mais indicada é a Pelton. Resposta Correta:\n\nV, V, F, V.\n\nComentário Resposta correta. A sequência está correta, pois as válvulas dos tipos ventosa, redutora, reguladora e quebra-vácuo fazem parte dos principais tipos de válvulas de controle a jusante. Além disso, realmente, as válvulas de controle de pressão a montante entram em ação assim que o valor de pressão na linha e a montante alcançam o valor de referência. Por fim, de fato, as válvulas unidirecionais têm a capacidade de inverter o sentido de escoamento do fluido, já que são acionadas pela diferença de pressão entre a entrada e a saída.\n\nPergunta 7\n\nA figura a seguir mostra um rotor de cinco pás de uma turbina Kaplan utilizada na hidrelétrica de Warwick, em Cordele, GA. O rotor tem um diâmetro de 12,7 pés (3,87 m). A turbina gira a 100 rpm (10,46 rad/s) e produz 5,37 MW de potência, com uma vazão de 63,7 m³/s e carga líquida de 9,75 m.\n\nFigura - Foto de um rotor com cinco pás de uma turbina Kaplan\n\nFonte: Cengel e Cimbala (2015, p. 694).\n\n#PraCegoVer: a figura apresenta uma fotografia em preto e branco de um rotor com cinco pás e um diâmetro de 12,7 pés (3,87 m) de uma turbina Kaplan utilizada na hidrelétrica de Warwick, em Cordele, GA. À direita da fotografia, temos um homem trabalhando.\n\nSobre a turbina Kaplan descrita no enunciado, assinale a alternativa correta:\n\nResposta Selecionada:\n\nNas condições de operação descritos no enunciado da questão, a turbina Kaplan terá uma velocidade específica igual a, aproximadamente, 2,5.\n\nResposta Correta:\n\nNas condições de operação descritas no enunciado da questão, a turbina Kaplan terá uma velocidade específica igual a, aproximadamente, 2,5.\n\nComentário da resposta:\n\nResposta correta. A alternativa está correta. De fato, ao substituir os dados fornecidos pelo enunciado da equação de velocidade específica, obtemos:\n\nNst = ω(bhp)2 \n / \n (ρ)2(g.Hj)4\n \n\ntemos o seguinte:\n\nNst = 10,46 rad/s (5,37.106 w)2 \n Assum, a velocidade específica para a turbina será de, aproximadamente, Nst = 2,5.\n Pergunta 8\n\nA velocidade específica é definida como a relação entre o coeficiente de potência e o coeficiente de carga, como mostra a seguinte equação:\n\nNst = 1 / (C)3 (ω(bhp)2 / (ρ)2(g)Hj)\n\nA figura a seguir mostra a eficiência máxima como função da velocidade específica para os três tipos principais de turbina:\n\nFigura - Gráfico de rendimento das principais turbinas hidráulicas versus velocidade específica\n\nFonte: Cengel e Cimbala (2015, p. 704).\n\n#PraCegoVer: a figura apresenta um gráfico que relaciona a eficiência máxima como função da velocidade específica para os três tipos principais de turbina. A esquerda, encontra-se o eixo vertical dos rendimentos, em ordem crescente, de baixo para cima, com os seguintes valores: 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 e 1. Na região inferior, encontra-se o eixo horizontal, com as potências em ordem crescente, da esquerda para a direita, e os seguintes valores: 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5 e 10. Na região central do gráfico, da esquerda para a direita, são expostos os seguintes tipos de turbina: impulso, Francis e Kaplan. Com base nos seus conhecimentos sobre o assunto, na expressão matemática de velocidade específica e na análise da figura apresentada, leia as afirmativas a seguir e assinale V para Verdadeiro e F para Falso:\n\nI. ( ) Duas turbinas hidráulicas mecanicamente semelhantes possuem os mesmos valores de velocidade específica.\nII. ( ) As turbinas do tipo Kaplan operam com maiores velocidades específicas, quando comparadas às turbinas Francis e de impulso.\nIII. ( ) A mudança na massa específica do fluido não altera o cálculo de velocidade específica da turbina hidráulica.\n Pergunta 9\n\nEm uma represa hidrelétrica que faz uso de uma turbina de reação Francis para produção de energia elétrica, a carga bruta H bruta é de 200 m, e a vazão volumétrica de água na turbina é de 100 m³/s. Considere, ainda, a massa específica da água sendo igual a 1.050 kg/m³ e g = 9.8 m/s².\n\nAgora, assinale a alternativa correta sobre a potência ideal gerada pela turbina é a seguinte: W = p . g . H bruta\n\nOnde:\n\nW = potência de eixos na saída da turbina em (w).\nρ = massa específica do fluido em (kg/m³).\nQ = vazão em (m³/s).\n\nH bruta = altura ou carga bruta total em (m).\n\nSubstituindo os dados fornecidos pelo enunciado da questão na equação, temos:\n\nW = 1.050 x 9.8 x 100 = 205,8 MW.\n\nResposta Selecionada:\n\n205,8 MW.\n\nResposta Correta:\n\n205,8 MW.\n\nComentário Resposta correta. A alternativa está correta, pois a expressão matemática para calcular a potência ideal gerada pela turbina é a seguinte: W = p . g . H bruta.\n Figura - Fotografia em preto e branco de uma turbina Francis de escoamento radial\nFonte: Cengel e Cimbala (2015, p. 693).\n#PraCegoVer : a figura apresenta uma fotografia em preto e branco de uma turbina Francis com escoamento radial na hidrelétrica de Round Butte, em Madras, Oregon, EUA. O rotor possui 17 pás e diâmetro externo de 11,8 pés (3,6 m). Na parte superior da turbina, há dois homens trabalhando.\n\nSobre a turbina Francis descrita no enunciado, assinale a alternativa correta:\nResposta\nSelecionada: Nas condições de operação descritas no enunciado da questão, a turbina Francis terá uma velocidade específica igual a, aproximadamente, 1,09.\n\nResposta\nCorreta: Nas condições de operação descritas no enunciado da questão, a turbina Francis terá uma velocidade específica igual a, aproximadamente, 1,09.\n\nComentário Resposta correta. A alternativa está correta. De fato, ao substituir os dados fornecidos pelo enunciado da questão na equação de velocidade específica,\n\nNSt = \\( \\frac{\\omega (bhp)^{\\frac{1}{2}}}{(\\rho)^{\\frac{3}{4}}(2)(g)(H)^{\\frac{1}{4}}} \\)\n\ntemos que:\n\nNSt = \\( \\frac{18,84 \\ rad}{s} \\ (119.106)^{\\frac{1}{2}} \\)\nAssim, a velocidade específica para a turbina protótipo será de NSE = 1,09.