Slide Máquinas Hidráulicas-2015 1

17/04/2015 1 Máquinas Hidráulicas Prof. Eduardo Puhl Máquina Hidráulica Máquina capaz de transformar a energia hidráulica (armazenada sob forma potencial ou cinética) em energia mecânica e vice-versa Energia Hidráulica Energia Mecânica Bomba Turbina Energia Hidráulica Energia Mecânica Turbina Energia Hidráulica Energia Mecânica Bomba Potência da Corrente Líquida AB B B B Máquina A A A hp g V p z H g V p z        2 2 2 2   • Hmáquina: Carga adicionada/retirada do escoamento pela Máquina Hidráulica • Potência da Corrente Líquida: A energia necessária para movimentar dada quantidade de água é quantificada através da potência da corrente líquida. QH P   em regime permanente: Turbinas de ação – Tipo Pelton Duplo Efeito Pelton Fluxo Helicoidal Ação Fluxo radial (Francis) Fluxo misto Fluxo axial (Hélice) Reação Turbinas 17/04/2015 2 Turbinas de reação - Tipo Francis Duplo Efeito Pelton Fluxo Helicoidal Ação Fluxo radial (Francis) Fluxo misto Fluxo axial (Hélice) Reação Turbinas Ref.: Máquinas Motrizes Hidráulicas, Macintyre, p. 57 Turbinas de reação - Tipo Francis • Eixo da Turbina Cada tubulação que leva água para as 20 turbinas de Itaipu tem 10 metros de diâmetro e uma vazão de 700 mil litros por segundo. http://autoracing.virgula.uol.com.br/forum/lofiversion/index.php/t50657.html Hidrelétrica de Itaipu Binacional Quantidade 20 Tipo Francis Potência nominal unitária 715 MW Velocidade de projeto – 50/60 Hz 90,9/92,3 rpm Queda líquida de projeto 118,4 m Vazão nominal unitária 645 m³/s Peça indivisível mais pesada – rotor 296 t Peso de cada unidade 3.360 t Turbinas de reação - Tipo Kaplan Duplo Efeito Pelton Fluxo Helicoidal Ação Fluxo radial (Francis) Fluxo misto Fluxo axial (Kaplan) Reação Turbinas Tipos de Turbinas Turbinas de reação - Turbinas sem carcaça Duplo Efeito Pelton Fluxo Helicoidal Ação Fluxo radial (Francis) Fluxo misto Fluxo axial (Hélice) Reação Turbinas Turbina eólica 17/04/2015 3 Classificação das Bombas Bombas De deslocamento Dinâmicas Efeitos Especiais De aletas Rotativas Recíprocas Centrífugas Diafragma Palhetas deslizantes Fluxo axial Engrenagens De vórtice Parafuso De jato De emulsão de ar Pistão simples Fluxo misto Pistão duplo efeito Pneumáticas Bombas de deslocamento - DIAFRAGMA • As bombas de diafragma são geralmente aplicadas para processo injeção e dosagem, onde se faz necessário a precisão da dosagem. Bombas de deslocamento - PISTÃO Bombas de deslocamento - ENGRENAGEM • As bombas de engrenagem tem a característica de bombeamento contínuo, uniforme e sem pulsação e a capacidade de bombeamento de fluidos com viscosidades elevadas. Bombas de deslocamento - PARAFUSO • As bombas de parafuso são capazes de bombear produtos de alta viscosidade e também produtos com elevada abrasividade. Bomba de engrenagens Bomba de rolos Bomba de palhetas Bomba de engrenagens Bombas de deslocamento rotativas 17/04/2015 4 Bomba centrífuga Bomba diagonal (mista) Bomba axial Classificação - BOMBAS DINÂMICAS w w w Bomba Centrífuga - (Fluxo Radial) www.ksb.com.br Bomba Centrífuga - (Fluxo Radial) Bomba Centrífuga Eixo Rotor Função: Conectar o rotor à fonte de energia mecânica. Transmitir o momento da fonte externa ao rotor. Eixo Função: Acelerar o fluido, transformando a energia mecânica em energia de pressão (bombas) ou cinética (ventiladores). Elementos Essenciais Eixo e Rotor: elementos essenciais as máquinas hidráulicas. Rotor Elementos de uma turbo-bomba Corpo da bomba Difusor Função: Conduzir o fluido, acelerá-lo, receber o fluido do rotor e converter a energia Função: Reconduzir o fluido ao conduto de recalque, ampliando gradualmente a seção e minimizando a perda de carga na saída. Elementos Acessorios Tanto o corpo da bomba como o difusor não são elementos essenciais para caracterizar a existência de uma turbo-bomba (hélice de um barco ou de um avião). (recuperador de pressões ou bocal de saída ) (voluta, coletor, carcaça ou caracol ) Bocal de Saída Voluta ou coletor em caracol Entrada Elementos de uma turbo-bomba 17/04/2015 5 Rotor Fechado Para líquidos limpos, sem a presença de partículas em suspensão. Rotor Semi-aberto Incorpora uma parede no rotor para prevenir que matéria estranha se aloje no rotor e interfira na operação. Rotor Aberto Palhetas montadas sobre o eixo. Permite o uso de líquidos com sólidos em suspensão, porém sofre maior desgaste no rotor e voluta devido ao atrito. Classificação TIPO DE ROTORES Conceito de Semelhança O conceito de semelhança entre objetos e pessoas é mais ou menos intuitivo. Sabe-se que coisas ou seres são semelhantes quando guardam entre si uma identidade em comum que levam as pessoas a associá-los entre si No caso de máquinas ou estruturas hidráulicas, este conceito tem ligação com um comportamento físico semelhante entre elas: 1. Semelhança geométrica 2. Semelhança Cinemática 3. Semelhança Dinâmica L R1 R2 B l r1 r2 b Bomba A Bomba B Bombas Turbinas Rotação Específica Bombas Rotação Específica Curvas Características O comportamento hidráulico de bombas rotodinâmicas é contínuo, não havendo um ponto único de vazão e altura para descrevê- las, mas sim curvas contínuas. Elementos de Instalações de Recalque 17/04/2015 6 Bomba afogada Bomba não-afogada pext<pv pv pext>pv Formação da bolha Condensação da bolha Colapso da bolha (efeito centrípeto) Sobrepressão (efeito centrífugo) Fenômeno que consiste na formação de bolhas de vapor (vazios no meio fluido) que ocorre no interior de sistemas hidráulicos. Formação de cavidades macroscópicas em um líquido, a partir de núcleos gasosos microscópicos Cavitação Sendo: Pz: pressão atmosférica local [m] p0: pressão atmosférica ao nível do mar (4ºC), onde p0=10,33 m z: altitude [m] ) NPSHD ( fabricante  NPSH R v asp asp z P hp Z P     D  NPSH   8000 0 z z p e P   Verificação do funcionamento do sistema: cavitação Comparação do NPSH requerido e o NPSH disponível NPSHR é a pressão mínima para que não ocorra cavitação, portanto: NPSHD é equacionado por quatro termos: (Carga líquida positiva acima da pressão de vapor do líquido.) Net Positive Suction Head over the vapour pressure ) NPSHD ( fabricante  NPSH R v asp asp atm P hp Z P     D  NPSH Verificação do funcionamento do sistema: cavitação (Carga líquida positiva acima da pressão de vapor do líquido.) Zasp: diferença de cota entre o reservatório inferior (zri) e a bomba (zb) [m] b ri asp z z Z    hpasp: perda de carga na aspiração [m] gular linear asp hp hp hp sin   ZS hp R Y1 ZI H hpA Linha de Energia Y2 ZS hp R ZI H hpA Sistema afogado  Zasp positivo Sistema não-afogado  Zasp negativo Net Positive Suction Head over the vapour pressure ) NPSHD ( fabricante  NPSH R v asp asp atm P hp Z P     D  NPSH Verificação do funcionamento do sistema: cavitação (Carga líquida positiva acima da pressão de vapor do líquido.) Pv: pressão de vapor da água [m] Varia com a temperatura (fórmula empírica entre 4°C e 50°C) : temperatura da água [ºC]  3  6 2 5 3 2 ,6 591 10 ,2 372 10 ,5 867 10 ,5 834 10                vP tensão de vapor T ( °C ) (A) Equação R (%) 0 0,062 0,052 6,5 20 0,239 0,238 0,4 60 2,033 1,919 6 100 10,333 7,473 28 Net Positive Suction Head over the vapour pressure 17/04/2015 7 • Queda do rendimento; • Aumento da potência de eixo (bombas); • Queda da potência de eixo (turbinas); • Marcha irregular, trepidação e vibração das máquinas, pelo desbalanceamento que acarreta; • Ruído, provocado pelo fenômeno de implosão das bolhas. Características de uma Bomba em Cavitação Modelo típico com escoamento Modelo típico de danificação Cavitação Cavitação Cavitação Alterando o NPSH requerido: 1. Alterações mecânicas no rotor 2. Substituir o rotor por um maior (mais lento) 3. Utilizar bombas em paralelo 4. Utilizar bombas em série Alterando o NPSH disponível: 1. Elevando o tanque 2. Elevando nível do tanque 3. Baixando a bomba 4. Pressurizar o tanque 5. Esfriar o líquido 6. Diminuir as perdas • Aumentando o diâmetro dos tubos • Diminuindo o comprimento dos tubos • Alterando as conexões/válvulas • Diminuindo o número de válvulas v asp asp atm P hp Z P     D  NPSH ) NPSHD ( fabricante  NPSH R Curva característica do sistema. Q H Ponto de funcionamento do Sistema Curva característica da canalização Curva característica da bomba Y Q1 Q2 QS H1 H2 hp1 hp2 hps HS Vazão menor (do que a do ponto de funcionamento, vazão Q1) => menor energia do sistema. (Y+hp1<HS, logo a vazão tende a aumentar). Vazão maior (do que a do ponto de funcionamento, vazão Q2) => maior energia do sistema. (Y+hp2<HS, logo a vazão tende a diminuir). Só existe um ponto de equilíbrio possível => QS (o sistema exige a mesma energia do que a bomba disponibiliza pela bomba (Y+hp=H) Logo (HS;QS ) é o Ponto de funcionamento do Sistema. 17/04/2015 8 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 H(m) Q(m3/s) Curva da Instalação ou do Sistema Curva da bomba ou de Estrangulação Ponto de Funcionamento Determinação Gráfica de Funcionamento de uma Bomba Determinação Gráfica do Ponto de Operação da Bomba PF(QF,HF) Determinação Gráfica do Ponto de Operação da Bomba PF(QF,HF) Determinação Gráfica do Ponto de Operação da Bomba PF(QF,HF) Determinação Gráfica do Ponto de Operação da Bomba PF(QF,HF) Determinação Gráfica do Ponto de Operação da Bomba PF(QF,HF) 17/04/2015 9 Alterar a frequência da bomba • Utilizar a bomba em outra situação • Antigamente: cortava-se o rotor • Atualmente: Muda-se a rotação da bomba com um inversor de frequência!! • Cuidado com a refrigeração  verificar junto ao fabricante Aplicação Variação da Rotação Equação do tipo 𝐻 = 𝑓(𝑄, 𝑁) • A partir da curva da bomba: • Ajusta-se uma equação do tipo “Pol. 2ª grau”: Equação do tipo 𝐻 = 𝑓(𝑄, 𝑁) Bombas em série: 2 1 2 1 B B B B H H H Q Q Q     B1 B2 Associação de Bombas em Série 17/04/2015 10 Associação de Bombas em Paralelo Bombas em série: Bombas em paralelo: ASSOCIAÇÃO ENTRE BOMBAS 2 1 2 1 B B B B H H H Q Q Q     2 1 2 1 B B B B H H H Q Q Q     B1 B2 B1 B2 1 bomba 2 bombas em série Hy Hy T1 Q H Hest QE D E H1+H2=H Q Q Associação de Bombas em Série e Paralelo QF F 1 bomba Qx Qx T2 2 bombas em paralelo Q H Hest QA QC A C QB B Q Q Q1 Q1 H C A 2Q Q  Associação de Bombas em Série e Paralelo Bombas em Série Perigo de cavitação na segunda bomba Utilizar bombas de múltiplos estágios Bombas de Múltiplos Estágios 17/04/2015 11 Disposição de sistema em paralelo - Diâmetro variável para Velocidade constante - 45° para diminuir as perdas - Válvula de retenção para evitar o refluxo - Alternar a bomba reserva