Máquinas Hidráulicas Aplicadas à Engenharia Mecânica

Máquinas Hidráulicas Aplicadas à Engenharia Mecânica Claudio Monico Innocêncio 2 SUMÁRIO 1 HIDRÁULICA 3 2 MÁQUINAS HIDRÁULICAS 22 3 INDICADORES OPERACIONAIS 36 4 COMPONENTES MECÂNICOS HIDRÁULICOS 48 5 BOMBAS HIDRÁULICAS 70 6 TURBINAS HIDRÁULICAS 93 3 1 HIDRÁULICA Apresentação Data de tempos remotos a preocupação das empresas em sanear as necessidades do mercado por meio de soluções inteligentes possibilitando assim amenizar desafios trazidos pela história envolvendo a minimização de esforços e a melhor maneira de utilizar as leis da Física e do conhecimento A hidráulica é um destes bálsamos de alívio para muitas racionalizações de esforços e de processos na qual atinge vários ramos de atividade como as Engenharias Ambiental Química de Produção e principalmente a Engenharia Mecânica que traduziu e mitigou estas melhorias em vantagens individuais e coorporativas 11 Origem e histórico O manuseio da água pelo homem se deve à necessidade de irrigação na antiga sociedade agraria De que se tem conhecimento o primeiro projeto de irrigação aconteceu cinco mil anos atrás no Egito Logo se viu a necessidade do transporte de água realizado por meio de tubos Por volta de 200 ac os romanos já utilizavam tubos de bronze e de chumbo Foi por meio dos sistemas hidráulicos que os romanos mostraram sua capacidade como engenheiros sendo que durante 2000 anos seus famosos aquedutos ficaram em uso Os trabalhos científicos de Arquimedes contribuíram com a hidráulica sendo que em 250 aC ele publicou um trabalho escrito sobre hidrostatica que apresentou os princípios do empuxo Princípio de Arquimedes e da flutuação o que lhe rendeu o título de o pai da hidrostática Sabese que entre 500 ac e a Idade Média na China no Império Romano e na América tanto os sistemas de abastecimentos quanto o de irrigação foram edificados 4 Os romanos tinham dúvidas com relação ao conceito de velocidade e após 1500 dC houve o entendimento entre escoamento e precipitação Foi nesse período que a hidráulica começou a se desenvolver como ciência Em 1760 da Ecole des Ponts et Chaussees em Paris foi fundada com intuito de organizar os conhecimentos da engenharia a primeira escola de engenharia do mundo nos padrões atuais Daniel Bernoulli publicou por volta de 1738 uma valiosa equação isto é a equação de Bernoulli mostrando por meio de formulação a conservacao de energia na hidráulica Newton Descartes Pascal Boyle e Leibnitz contribuíram para o surgimento da Hidrodinâmica no século XVII A engenharia hidráulica possui como principais destaques Euler Clairaut e DAlembert e o já mencionado Bernoulli e teve muitos avanços nos séculos XVIII e XIX durante o período clássico da hidráulica No quadro 11 resumimos algumas contribuições de personalidades da Hidráulica na história 5 Quadro 11 Hidráulicos notáveis e suas contribuições Fonte JACOB 2015 12 Conceitos básicos Sabemos que Hidraulica significa conducao de agua Vem do grego hydor água e aulos tubo condução 6 Um significado mais atualizado para a Hidráulica é o estudo do comportamento da água e de outros líquidos estando em repouso ou em movimento Dividimos a Hidráulica em Hidráulica Geral ou Teórica Possui uma proximidade com a Mecânica dos Fluidos Hidrostática Estuda o comportamento dos fluidos em repouso ou em equilíbrio Hidrocinemática Trata a velocidades e trajetórias não considerando forças ou energia Hidrodinâmica Faz referência às velocidades às acelerações e às forças que atuam em fluidos em movimento Hidráulica Aplicada ou Hidrotécnica A Hidrodinâmica trabalha sobre a ótica do fluido perfeito isto é uma diminuição do atrito interno A praticidade da Hidrodinâmica é uma grande realidade visto a utilização dos recursos tecnológicos computacionais facilitando o manusear de sistemas de equações extremamente complexos Quando você aplica os conhecimentos práticos e científicos da Mecânica dos Fluidos temos a Hidráulica Aplicada ou Hidrotécnica em função dos fenômenos relacionados à água quer parada quer em movimento Os campos de atuação da Hidráulica Aplicada ou Hidrotécnica são Atuação na área Urbana Considerando os sistemas de abastecimento de água de esgotamento sanitário de drenagem pluvial e de Canais Atuação na área Rural Considerando os sistemas de drenagem os de irrigação os de água potável e de esgotos Atuação nas Instalações prediais Considerando instalações Industriais Comerciais Residenciais e Públicas 7 Engenharia Hidráulica ou Hidrotécnica possui acessórios materiais e estruturas práticas Estes são Aterros Barragens Bombas Cais de portos Canais comportas Diques Dragas Drenos Eclusas Enrocamentos Flutuantes Medidores Orifícios Poços Reservatórios Tubos e canos Turbinas Válvulas Vertedores Etc 13 Propriedades dos fluidos Estas propriedades fornecem sustentação conceitual para nosso estudo futuro 131 Fluidos Fluidos são substâncias ou corpos cujas moléculas ou partículas têm a propriedade de se mover umas em relação às outras sob a ação de forças de mínima grandeza Os fluidos podem ser divididos em líquidos e aeriformes gases vapores 8 Os líquidos têm uma superfície livre ou seja uma determinada massa de um líquido a uma mesma temperatura ocupa só um determinado volume de qualquer recipiente em que caiba sem sobras Eles são pouco compressíveis e resistem pouco a trações e muito pouco a esforços cortantes por isso se movem facilmente Os gases quando colocados em um recipiente ocupam todo o volume independentemente de sua massa ou do tamanho do recipiente Eles são altamente compressíveis e de pequena densidade em comparação aos líquidos 132 Massa específica densidade e peso específico A massa de um fluido em uma unidade de volume é denominada densidade absoluta também conhecida como massa específica kgm3 density O peso específico de um fluido é o peso da unidade de volume desse fluido Nm3 unit weight 133 Compressibilidade Quando falamos de compressibilidade estamos nos referindo a propriedade que os corpos têm de reduzir seus volumes sob a ação de pressões externas Considerandose a lei de conservação da massa um aumento de pressão corresponde a um aumento de massa específica ou seja uma diminuição de volume Assim temos a equação 11 dV α x V x dp Onde α é o coeficiente de compressibilidade V é o volume inicial dp é a variação de pressão 9 134 Elasticidade Em 1850 Berthelot descobriu uma propriedade que os líquidos têm de aumentar seu volume quando se lhes diminui a pressão Mais tarde provouse que o aumento de volume devido a uma certa depressão tem o mesmo valor absoluto que a diminuição do volume para uma compressão de igual valor absoluto Os gases dissolvidos afetam essa propriedade quando se trata de grandes pressões 135 ViscosidadeAtrito interno Este é um dos termos mais conhecidos na hidráulica pois o atrito interno ou viscosidade é a propriedade dos fluidos responsável pela sua resistência à deformação Definese a viscosidade como a capacidade do fluido em converter energia cinética em calor ou a capacidade do fluido em resistir ao cisalhamento esforços cortantes Conforme a Figura 11 mostra temos Fonte NETTO et al 2018 Figura 11 Representação para estudo da viscosidade Ao se considerarem os esforços internos que se opõem à velocidade de deformação podese partir do caso mais simples representado pela Figura 11 No interior de um líquido as partículas contidas em duas lâminas paralelas de área A se movem à distância Δn com velocidades diferentes v e v Δv 10 A segunda lâmina tenderá a acelerar a primeira e a primeira a retardar a segunda A força tangencial F decorrente dessa diferença de velocidade será proporcional ao gradiente de velocidade igual à velocidade de deformação angular Conforme mostramos na equação 12 também conhecida por Equação da Viscosidade de Newton μ Coeficiente de Viscosidade dinâmica ou viscosidade isto é coeficiente característico do fluido em determinada temperatura e pressão Exemplo Para a água a 20 oC e 1 atm temse μ 103 N sm2 1 centipoise Outro dado muito importante por meio da divisao do valor da viscosidade μ pela massa específica do fluido ρ encontramos a viscosidade cinematica Vcn conforme a equação 13 abaixo Vcn μ ρ Equacao 3 136 Atrito Externo Chamamos de atrito externo à resistência ao deslizamento de fluidos ao longo de superfícies sólidas Em função dos atritos e em exponencial da viscosidade o escoamento de um líquido em uma canalizacao só ocorre com certa perda de energia também chamada de perda de carga conforme identificamos na Figura 12 11 Fonte NETTO et al 2018 Figura 12 a Sem escoamento princípio dos vasos comunicantes b com escoamento perda de carga 137 Coesão adesão e tensão superficial A primeira propriedade coesão permite às partículas fluidas resistirem a pequenos esforcos de tensao tracao A formacao de uma gota dagua devese à coesão Quando um líquido está em contato com um sólido a atração exercida pelas moléculas do sólido pode ser maior que a atração existente entre as moléculas do próprio líquido Ocorre então a adesão conforme mostra a Figura 13 A tensao superficial τ tem dimensional MT2 no SI exprimese em Nm e varia com a temperatura 12 Fonte NETTO et al 2018 Figura 13 Adesão de uma gota de água a materiais Onde α é o ângulo de contato adesao 138 Solubilidade dos gases Os líquidos dissolvem os gases Em particular a água dissolve o ar em proporções diferentes entre o oxigênio e nitrogênio pois o oxigênio é mais solúvel 139 Tensão de vapor Todo líquido tem temperaturas de saturação de vapor tv quando entra em ebulição que correspondem a pressões de saturação de vapor ou simplesmente tensões de vapor pv 14 Hidroestática Relembrando sua lembrança a Hidrostática trata dos fluidos em repouso ou em equilíbrio Quando se considera a pressão p consideramos uma força à unidade de área sobre a qual ela atua 13 Então no interior de certa massa líquida temos uma porção de volume V limitada pela superfície A conforme mostra a Figura 14 e se dA representar um elemento de área nessa superfície e dF a força que nela atua perpendicularmente a pressão será de acordo com a equação 14 p dF dA Fonte NETTO et al 2018 Figura 14 Representação do conceito de pressão O termo empuxo é muito importante na hidroestática Considerandose toda a área o efeito da pressão produzirá uma força resultante que se chama empuxo ou pressão total Essa força é dada pela equação 15 Se a pressão for a mesma em toda a área o empuxo será E p A 141 Teorema de Stevin Para iniciar o teorema de Stevin vamos analisar a seguinte situação Digamos que exista uma cuba de vidro com certo líquido cuja densidade absoluta seja dada por ρ e que esse líquido esteja em equilíbrio 14 Agora vamos supor a existência de dois pontos contidos no líquido que está na cuba Para melhorar o entendimento veja a representação esquemática por meio da Figura 15 Fonte elaborado pelo autor Figura 15 Representação do Teorema de Stevin Estando os pontos A e B situados a uma distância hA e hB respectivamente da superfície do líquido observe que as pressões devidas à coluna de líquido nesses pontos são representadas pelas equações 16 e 17 Realizando a subtração das equações temos a equação 18 Portanto podemos gerar as equações 19 e 110 15 142 Princípio de Pascal Você sabia que o freio do seu carro se baseia no princípio de Pascal Note que ao pisar no pedal do freio você exerce uma pressão sobre um fluido que está contido no sistema Esse fluido digamos ideal multiplica a sua força que atua no sistema de freio das rodas Vamos começar pelo princípio de Pascal Observe que em um líquido ideal a pressão é transmitida igualmente em todas as direções devido à fluidez do líquido Para demonstrar o princípio de Pascal vamos verificar o esquema a seguir por meio da Figura 16 Fonte Elaborado pelo autor Figura 16 Representação do Princípio de Pascal Considere os pontos A e B no interior do líquido incompressível em equilíbrio de densidade absoluta ρ em um local de aceleração da gravidade dada por g A diferença de pressão entre os pontos A e B é dada pela equação 111 Aumentando a pressão nos pontos A e B por um processo qualquer eles sofrem um acréscimo de pressao A Δpa e B Δpb tal que as pressões passam a ser as equações 112 e 113 16 Uma vez que o líquido é incompressível a distância entre os pontos A e B continua a mesma Logo geramos as equações 114 e 115 Igualando as equações 111 e 115 temos a equação 116 15 Hidrodinâmica É importante lembrar que a Hidrodinâmica faz referência às velocidades às acelerações e às forças que atuam em fluidos e em movimento Falar de líquidos em movimento nos leva a distinguir dois tipos de movimento Figura 17 a regime laminar tranquilo ou lamelar b regime turbulento agitado ou hidráulico Com o regime laminar as trajetórias das partículas em movimento são bem definidas e não se cruzam O regime turbulento caracterizase pelo movimento desordenado das partículas 17 Fonte NETTO 2018 Figura 17 Regime de escoamento Na Hidrodinâmica temos que mencionar a Equação de Bernoulli Para se concentrar nos princípios de Stevin e Pascal necessitase primeiramente focar na Equação de Bernoulli A equação de Bernoulli consegue de uma maneira prática lincar os fenômenos naturais a situações simples para o fluido como regime permanente sem perdas por atrito no escoamento do fluido ou fluido ideal propriedades uniformes nas seções fluido incompressível e sem trocas de calor Vamos analisar o esquema a seguir de uma tubulação de água que será elevada do ponto P0 C0 a uma altura h0 até o ponto P1 C1 a uma altura h1 Nesse caso não há perda de carga conforme a Figura 18 18 Fonte BRUNETTI 2008 Figura 18 tubulação de água A equação de Bernoulli equação 117 é dada por Para uma tubulação real com perda de carga a equação de Bernoulli é dada acrescentando o fator que há relativo à perda de carga pelo fluido conforme a Figura 19 Fonte BRUNETTI 2008 Figura 19 Escoamento com perda de carga 19 Neste caso a equação de Bernoulli Equação 118 fica Em que equação 119 Ha J x L Sendo que J perda de carga em mm L comprimento da tubulação em m O método preciso de cálculo da perda de carga unitária é dado pela equação de Darcy Weisbach conforme a equação 120 Em que as variáveis são J perda de carga unitária mm f coeficiente de atrito para o escoamento adimensional C velocidade de escoamento ms g aceleração gravitacional ms2 D diâmetro interno da tubulação m A velocidade de escoamento pode ser obtida pela equação da continuidade conforme a equação 121 20 Em que Q Vazão em m3s S área da seção transversal interna do tubo em m2 C velocidade de escoamento do fluido ms Hidrometria A Hidrometria é um subconjunto da Hidraulica porque lida com grandezas interessantes para análise e observação Por meio das medições dos fenômenos de interesse da hidráulica é que experimentos são analisados observados e homologados A mitigação é interessante a hidráulica quando se trata de grandezas como níveisprofundidades pressões velocidades de escoamento secões de escoamento area transversal tempos volumes vazões Conclusão Este bloco mostrou conceitos importantes dentro do universo da Hidraulica detalhando suas composições e apontando Leis princípios e teoremas que são as bases desta parte introdutória As propriedades dos fluidos foram expostas para melhor entendimento nos próximos blocos destes elementos textuais 21 REFERÊNCIAS BRUNETTI F Mecânica dos fluídos 2 ed São Paulo Pearson Prentice Hall 2008 JACOB A C P Um panorama histórico da engenharia hidráulica Aquafluxus 2015 Disponível httpsbitly3eQzvaL Acesso em 9 jul 2020 NETTO A et al Manual de hidráulica 9 ed São Paulo Blucher 2018 22 2 Máquinas Hidráulicas Apresentação Neste bloco veremos como o contexto de máquina e fluido se fundiram para estabelecer o centro de estudos de toda Mecânica Hidráulica partindo dos princípios de Mecânica e explorando o universo das grandezas de funcionamentos das máquinas hidráulicas 21 Mêcanica dos Fluidos Primeiramente precisamos entender progressivamente os termos que nos levam a Mecânica Hidráulica Que tal começarmos definindo o termo Mecânica A Mecânica é a ciência física que trata de corpos tanto estacionários como em movimento sob a influência de forças Dentro do ramo da mecânica existe a estática que estuda os corpos em repouso e a dinâmica que estuda os corpos em movimento Agora quando falamos de mecânica dos fluidos estamos nos referindo a uma ciência que trata do comportamento dos fluidos em repouso estática dos fluidos ou em movimento dinâmica dos fluidos e da interação entre fluidos e sólidos ou outros fluidos nas fronteiras Você sabia que a mecânica dos fluidos também é chamada de dinâmica dos fluidos Isso acontece porque consideramos os fluidos em repouso isto é com velocidade zero A análise do movimento dos fluidos que podem ser aproximados como incompressíveis tais como líquidos especialmente a água e gases em baixa velocidade é geralmente denominado hidrodinâmica Uma subcategoria da hidrodinâmica é a hidráulica que trata do escoamento dos líquidos em tubulações e canais abertos 23 O estudo sobre o escoamento dos fluidos mais em particular os gases que por motivo de sua dinâmica mudam de densidade é exemplificado pelo escoamento de gases em alta velocidade por meio de bocais A categoria aerodinâmica trata do escoamento de gases especialmente ar sobre corpos tais como aeronaves foguetes e automóveis em velocidades altas ou baixas A meteorologia oceanografia e hidrologia analisam escoamentos que ocorrem na natureza 22 Máquina de luido 221 Introdução Nosso contexto muda um pouco quando pensamos em máquina Podemos definir uma máquina como um transformador de energia Além disso podemos classificálas como ferramentas elétricas e de Fluido Tornos mecânicos plainas fresadoras etc são exemplos de máquinas ferramentas Já motores e geradores elétricos são exemplos de máquinas elétricas E as máquinas de fluido Quando temos um equipamento que promove a troca de energia entre um sistema mecânico e um fluido transformando energia mecânica trabalho em energia de fluido ou energia de fluido em energia mecânica temos uma Máquina de Fluido também chamada de fluid machinery As máquinas de deslocamento positivo e as máquinas de fluxo ou turbomáquinas são como se subdividem as Máquinas de Fluido Qual a diferença básica entre as máquinas de deslocamento positivo e as máquinas de fluxo As máquinas de deslocamento positivo possuem uma estrutura em que fluido fica confinado em alguma região do equipamento 24 Já nas máquinas de fluxo a estrutura anterior não ocorre havendo fluxo contínuo através da máquina 222 Máquinas de Fluido como se classificam As máquinas de fluido se dividem da seguinte maneira a De acordo com o sentido da transmissão de energia elas podem ser Máquina Geradora geratriz ocorre na máquina uma transformação de energia mecânica em energia de fluido ex bombas e ventiladores Máquina Motora operatriz ocorre na máquina uma transformação de energia de fluido em energia mecânica ex turbina gerador eólico moinho de vento e rodas dagua b De acordo com o envolvimento do tipo de energia no processo Máquinas de deslocamento positivo positive displacement machines Ocorre nestas máquinas um confinamento de um volume fixo de fluido operacional durante seu escoamento no interior da máquina sendo submetido a trocas de pressão em razão da variação no volume do recipiente em que se encontra contido O estado de energia do fluido muda Quando ocorrer a possibilidade da máquina parar de operar o fluido operacional ficará no seu interior indefinidamente Chamamos esta situação de máquina estática Nestas máquinas a energia transferida é substancialmente de pressão sendo muito pequena a energia cinética transferida podendo ser desprezada Podemos rotular como sendo máquinas rotativas rotary machines uma bomba de engrenagens e máquinas alternativas reciprocating machines como o compressor de pistão Máquinas de Fluxo ou Turbomáquinas turbomachiner a definição será vista no item 23 deste bloco 25 c De acordo com à direção do escoamento do fluido Figura 21 Axiais acontece um escoamento na direção do eixo Operacionalmente falando No rotor ocorre uma entrada e saída de fluido na direção axial Ocorre a geração de um recalque de grandes vazões em pequenas alturas Ocorre uma força de sustentação Radiais acontece um escoamento na direção radial Operacionalmente falando Ocorre a entrada de fluido no interior do rotor na direção axial e sai na direção radial Ocorre a geração de um recalque de pequenas vazões a grandes alturas Ocorre uma força centrífuga Mista ou diagonal acontece um escoamento na direção diagonal parte axial e parte radial Tangencial acontece um escoamento tangente ao rotor Fonte HENN 2006 Figura 21 Tipos quanto à direção do escoamento 26 d De acordo com a forma dos canais entre as pás do rotor Máquinas de Ação ou de impulsão Ocorre na máquina uma transformação de toda energia do fluido em energia cinética em um momento anterior antes da transformação em trabalho mecânico processado pela máquina Ao atravessar o rotor o fluido permanece com a pressão constante Se subdividem em Turbomáquinas motoras de ação turbinas Pelton tangencial e Michell duplo efeito radial Turbomáquinas geradoras de ação sem aplicação prática Máquinas de Reação ocorre na máquina uma transformação tanto na energia cinética quanto na de pressao em trabalho mecânico e viceversa Acontece uma transformação parcial da energia do fluido em energia cinética em um momento anterior ao da entrada do rotor durante sua passagem por perfis ajustáveis distribuidor e o restante da transformação ocorre no próprio rotor Durante a travessia no rotor a pressão do fluido varia Este tipo de máquina se subdivide em Turbomáquinas motoras de reação turbinas Francis radial ou diagonal Kaplan e Hélice axiais Turbomáquinas geradoras de reação bombas e ventiladores radiais diagonais e axiais e De acordo com o número de entradas para aspiração sucção Sucção Simples entrada unilateral apresenta uma única boca de sucção para entrada do fluido 27 Dupla Sucção apresenta duas bocas de sucção paralelamente ao eixo de rotação por onde entra o fluido São dois rotores simples montados em paralelo tendo como vantagem o possível equilíbrio dos empuxos axiais que ocasiona uma melhoria no rendimento da bomba restringindo a necessidade de rolamento de grandes dimensões para suporte axial sobre o eixo f De acordo com o número de rotores Simples estágio apresenta um único rotor dentro da carcaça da bomba Projetase uma bomba de simples estágio em variadas situações de altura manométrica e de vazão Múltiplo estágio apresenta dois ou mais rotores associados em série dentro da carcaça da bomba Possibilita a elevação do líquido à grandes alturas manométricas 100 mca g De acordo com o posicionamento do eixo Eixo horizontal é comum no formato construtivo Eixo vertical utilizada para extração de água de poços h De acordo com tipo de rotor Figura 22 Aberto utilizado para bombas de pequenas dimensões baixa resistência estrutural e baixo rendimento O rotor aberto dificulta o entupimento sendo utilizado para bombear líquidos sujos Semiaberto possui um único disco na qual as aletas são fixadas Fechado utilizado para bombear líquidos limpos 28 Fonte HENN 2006 Figura 22 Tipos de rotores Possui palhetas fixas em seus dois discos e evita o retorno da água à boca de sucção isto é a recirculação de água i De acordo com a do eixo da bomba em relação ao nível da água Não afogada sucção positiva o posicionamento do eixo da bomba se encontra acima do nível dagua do reservatório de sucção Afogada sucção negativa o posicionamento do eixo da bomba se encontra abaixo do nível dagua do reservatório de succao A Figura 23 mostra a classificação das Máquinas de Fluido de uma maneira mais ampla e visual 29 Fonte adaptado de BRASIL 2010 Figura 23 Classificação das máquinas de fluido 23 Máquinas de fluxo Máquinas de Fluxo ou Turbomáquinas turbomachinery ou máquinas dinâmicas Quando você não encontra em instante algum a existência de um fluido no interior da carcaça de uma máquina mas o que ocorre é um fluxo contínuo se caracteriza então uma máquina de fluxo Por meios de lâminas ou aletas solidárias a um elemento rotativo rotor ocorre a orientação do escoamento do fluido Por meio da variação da velocidade do fluido entre as pás desde a entrada até a saída do rotor a baixa pressão ou baixos diferenciais de pressão ocorre a uma transmissão de energia cinética 30 As turbinas hidráulicas e ventiladores centrífugos são excelentes exemplos deste tipo de máquinas 24 Máquinas Hidráulicas 241 Sistemas hidráulicos Existem um leque infinito de circuitos hidráulicos quando falamos de aplicabilidade podendo ser divididos nas seguintes partes a Sistema de geração podemos mencionar como alguns exemplos de geração os motores acumuladores bombas de reservatórios etc b Sistema de distribuição e controle podemos citar como exemplos as válvulas de diversas funções como as de pressão de vazão etc c Sistemas de aplicação de energia podemos citar como exemplos os motores hidráulicos atuadores etc Em termos mais funcionais podemos também mostrar os sistemas hidráulicos como Sistemas óleohidráulicos Quando a potência ou os movimentos são transmitidos usando o óleo como transmissor Sistemas óleohidráulicos estáticos Tratase de um tipo de óleo hidráulico na qual se utiliza uma energia potencial no fluido sob baixa velocidade e alta pressão Sistemas óleohidráulicos cinemáticos Nesta situação utilizase uma energia cinética isto é a velocidade do fluido pode variar entre 50 a 180 kmh 242 Máquinas Hidráulicas Máquinas hidráulicas são aquelas que funcionam com a ajuda de fluidos A força aplicada em um ponto é levada até outro e multiplicada neste processo o que torna estes equipamentos muito simples de operar mas bastante potentes e capazes de gerar bastante energia 31 Tudo isso gracas ao princípio de Pascal que afirma que o acréscimo de pressao em um ponto de líquido em equilíbrio transmitese integralmente a todos os pontos deste líquido As máquinas hidráulicas podem ter a seguinte classificação Máquinas operatrizes transformase uma energia mecânica em energia hidráulica por meio da pressão e velocidade isto é uma energia externa é exercida sobre o fluido em escoamento Exemplo Um motor elétrico acionando uma bomba hidráulica Máquinas motrizes transformamse uma energia hidráulica em outra forma de energia isto é transformase a energia do fluido e é transferida pra o exterior Exemplo motores hidraulicos rodas dagua e turbinas Máquinas mistas o estado de energia do fluido é modificado pela máquina Exemplo Ejetor 243 Funcionalidades e vantagens das Máquinas hidráulicas A utilização das máquinas hidráulicas está localizada em vários cenários como em diversos tipos de indústrias e locais públicos como shoppings parques de diversão teatros etc Como as principais vantagens das máquinas hidráulicas podemos salientar Fácil instalação e grande flexibilidade frente aos sistemas mecânicos Devido à baixa inércia permitem uma rápida e suave inversão de movimentos não o correndo o mesmo nos sistemas mecânicos e elétricos Possibilidade de variações micrométricas na velocidade São sistemas autolubrificados Possuem pequeno peso e tamanho com relação a potência consumida 32 São sistemas de fácil proteção O óleo é um excelente condutor de calor 244 Tipos de máquinas Máquinas hidráulicas podem exercer diversos tipos de funções Por isso a variedade destas ferramentas é bastante alta Vejamos a seguir algumas máquinas hidráulicas e suas funções São elas a prensa hidráulica guincho hidráulico macaco hidráulico etc 25 Grandeza de Funcionamento 251 O que vem a ser estas grandezas É de fundamental importância para o dimensionamento e estudo do comportamento das máquinas hidráulicas o conhecimento das grandezas que influenciam no seu funcionamento Estas máquinas têm seu funcionamento definido por meio de três grandezas básicas distintas consideradas como características fundamentais das máquinas hidráulicas a Vazão Q m3s Indica o fluxo de material líquido ou gasoso por meio da máquina b Variação de energia específica Indica a variação de energia específica do fluido por meio da máquina H Altura de queda turbinas mCA H Altura de elevação bombas mCA Δh Diferença de pressão ventiladores Nm2 c Rotação da máquinan RPM indica a característica cinemática da máquina d Potência e Rendimento 33 a Vazão Podemos definir a vazão como sendo o volume de fluido que passa por meio de uma seção qualquer na unidade de tempo e vazão em massa como sendo a quantidade de massa kg que passa na seção da unidade de tempo Esta é determinada com base no princípio da conservação da massa equação 21 Esta equação é simplificada se considerarmos uma velocidade média V uniforme e perpendicular à seção de área A e escoamento incompressível massa específica constante gerando equação 22 Calculamos com esta equação a velocidade normal à seção de escoamento quando conhecemos a vazão em volume e a área ou a vazão em função da velocidade média e da área perpendicular a esta velocidade b Variação de energia específica Os detalhamentos da altura da queda altura de elevação e pressão serão abordados mais detalhadamente nos blocos cinco e seis Neste momento nós abordaremos as demais grandezas de funcionamento das máquinas hidráulicas isto é a rotação e a potênciarendimento c Rotação Para máquinas motoras turbinas estas são correntemente acopladas a alternadores geradores de CA que devem trabalhar com rotações síncronas constantes Essa rotação síncrona depende do número de pares de polos do gerador e da frequência da rede elétrica que está ligada a máquina 34 Onde F frequência da rede Brasil 60 Hz P pares de pólos N rotação síncrona Para pequenas máquinas motoras turbinas instaladas em pequenas centrais hidrelétricas trabalhase normalmente com 1800 ou 1200 RPM utilizando alternadores de 2 ou 3 pares de polos que são mais baratos Neste caso para adequar a rotação da turbina ao gerador utilizase sistemas de transmissão com correia ou com maior eficiência por meio de engrenagens Para máquinas geradoras bombas e ventiladores a rotação é fornecida pelo motor de acionamento o qual se for elétrico de CA opera com rotações praticamente constantes A rotação síncrona do motor dependerá do número de pares de polos normalmente 3600 ou 1800 RPM dada pela mesma equação anterior mostrada para geradores Com o objetivo de se ter uma rotação na máquina diferente da rotação do motor utiliza se transmissão por correias comuns em ventiladores por engrenagens ou outro tipo de redutor ou amplificador de rotação d Potências e rendimento A potência é efetivamente a grandeza mais importante em termos de custos envolvidos em uma instalação Esta grandeza define a quantidade de energia por unidade de tempo gerada por máquinas motoras turbinas ou consumida por máquinas geradoras bombas e ventiladores 35 Conclusão Neste bloco estudamos conceitos importantes dentro do universo da mecânica dos fluidos detalhando suas composições e estendendose pela mecânica dos fluidos dos fluxos e das máquinas terminando com as grandezas de funcionamento mais importantes das máquinas hidráulicas REFERÊNCIAS BRASIL A N Máquinas termo hidráulicas de fluxo Itaúna Universidade de Itaúna 2010 HENN EA L Máquinas de fluido 2ª ed Porto Alegre UFSM 2006 36 3 INDICADORES OPERACIONAIS Apresentação Neste bloco veremos o contexto dos indicadores operacionais das máquinas hidráulicas mostrando de uma maneira genérica pois mais tarde entraremos em detalhes com turbinas e bombas Estes indicadores mostram performance perdas e informações importantes para outras áreas de atuação na empresa como projetos e manutenção 31 Perdas De um modo geral todos têm noção de uma perda Para entender as perdas nas máquinas hidráulicas precisamos considerar alguns conceitos importantes Quando falamos de turbinas hidráulicas temos que Energia hidráulica é equivalente a Trabalho Perdas Quando falamos de bombas e ventiladores temos que Trabalho é proporcional a Energia hidráulica Perdas Estas considerações serão melhor apuradas nos blocos respectivos que tratarão de perdas nas bombas e nas turbinas Máquinas hidráulicas possuem perdas divididas nos seguintes modelos Perdas hidráulicas Perdas volumétricas Perdas mecânicas a Perdas hidráulicas Atrito viscoso durante o escoamento no rotor no distribuidor na caixa espiral e no tubo de sucção o fluido apresenta um atrito viscoso Representadas por ℎℎ proporcionam uma perda de pressão no escoamento 37 Focando nas turbinas a altura de queda Hpá absorvida pela máquina e em parte transformada em energia mecânica é Hpá H 𝒉𝒉 Focando nas bombas a altura de elevação Hpá fornecida pela máquina e em parte transformada em potência hidráulica é H Hpá 𝒉𝒉 Atrito lateral devido ao atrito viscoso entre o rotor e a parcela de fluido que escoa entre o rotor e a carcaça ocorre uma perda de potência É simbolizado por Pa b Perdas por refluxo Ocorrem devido a variação de seção dos canais entre as pás principalmente em bombas em função ao escoamento desacelerado nos canais É representada por Pd c Perdas volumétricas Ocorrem por fuga principalmente nos labirintos perdas de fluido na gaxeta e em algumas construções perdas de fluido para compensação do empuxo axial Considerase que a vazão total de fuga é representada por Qf Quando temos por exemplo turbinas modelo Francis Figura 31 consideramos q1 perda por fuga no labirinto interno normalmente parcela desta vazão de fuga passa pela selagem do eixo e parte passa pelos furos de compensação de empuxo axial dependerá da construção q2 perda por fuga no labirinto externo 38 Fonte BRASIL 2010 Figura 31 Perdas volumétricas Turbinas Com isto teremos que a vazão que flui por meio do rotor é Qr Q Qf no caso de turbinas Qr Q Qf no caso de bombas Conforme a Figura 32 Fonte HENN 2006 Figura 32 Vazões nas bombas e turbinas 39 d Perdas mecânicas As perdas mecânicas são consideradas perdas internas em seu conjunto hidráulicas e volumétricas Elas podem acontecer em função ao atrito nos mancais e vedações 32 Potência Quando se fala em potência a primeira ideia que vem à mente é questão de força e realmente quando se fala de custos envolvidos em uma instalação a potência é efetivamente a grandeza mais importante Ela define a quantidade de energia por unidade de tempo gerada por máquinas motoras turbinas ou consumida por máquinas geradoras bombas e ventiladores Quando temos máquinas hidráulicas tomando por exemplo as bombas e as turbinas podemos classificalas em a Potência hidráulica Em função da aplicação da lei da conservação da energia podemos definir a potência hidráulica quando multiplicamos o peso de fluido que passa por meio da máquina por unidade de tempo pela altura de queda ou elevação Podemos concluir que a potência hidráulica é traduzida como sendo a potência energia hidráulica por unidade de tempo entregue a turbina ou a energia hidráulica por unidade de tempo entregue ao fluxo pela bomba hidráulica b Potência de eixo Quando temos uma potência entregue pela turbina ao gerador ou a potência consumida pela bomba ou ventilador entregue pelo motor estamos falando de uma potência de eixo A potência de eixo relacionase com a potência hidráulica por meio do rendimento total da instalação menor que 1 40 33 Rendimento Sabemos que as máquinas de uma maneira geral são transformadores de energia Um bom exemplo é uma locomotiva a vapor que transforma o calor obtido na queima do carvão ou lenha em energia cinética da locomotiva Outro exemplo seria um ventilador que transforma energia elétrica em energia cinética Vamos imaginar um ventilador elétrico como citado acima Sabemos que ele recebe energia elétrica Et que percorre o fio ligado à tomada na parede Sendo assim o ventilador nada mais é do que um transformador da energia elétrica recebida em energia cinética das pás Eu O ideal seria que toda energia recebida fosse transformada em energia cinética porém sabemos que isto não acontece pois pelo tato no corpo do ventilador veremos seu aquecimento Isso significa que parte da energia que ele recebe é transformada em calor A energia total Et é a energia recebida pelo ventilador e a energia útil Eu é a energia elétrica transformada na energia cinética das pás A potência elétrica recebida é a potência total Pt e a potência utilizada é a potência útil Pu Consideremos uma máquina qualquer que recebe uma potência total Pt Parte dessa potência é usada para a tarefa à qual a máquina foi destinada Pu e a outra parte é perdida chamada de potência dissipada Pd Com isto temos Pt Pu Pd O rendimento η dessa maquina é representado por 41 34 Curvas características 341 Introdução Temos nas curvas características um indicador muito importante pois a parte gráfica será montada e indicará uma performance A Curva do Sistema poderá definir a vazão e a pressão necessária de qualquer sistema Ela é adequada pelos fabricantes de bombas e dada pelo usuário que seleciona aquela que melhor atende às suas necessidades Um sistema de bombeamento opera no ponto de interseção da curva da bomba com a curva de resistência do sistema Quando temos uma interseção das duas curvas se concretiza o ponto operacional de ambos bomba e processo conforme Figura 33 Porém muitas das vezes é impossível que um ponto operacional atenda todas as condições operacionais desejadas Fonte OMEL SD Figura 33 Comparação de curva sistema e máquina hidráulica 42 342 Curva do sistema A curva do sistema foi citada durante a introdução mas o que vem a ser ela Tratase da variação no fluxo relacionada à carga do sistema e representa a curva de resistência do sistema ou curva de carga do sistema Esta curva do sistema traduz uma relação entre a vazão e as perdas hidráulicas em um sistema de uma forma gráfica e como as perdas por fricção variam com o quadrado da taxa de fluxo a curva do sistema tem a forma parabólica As perdas por fricção no tubo válvulas cotovelos e outros acessórios as perdas de entrada e saída e as perdas por mudanças na dimensão do tubo compõem as perdas hidráulicas em sistema de tubulação em consequência de amplificação ou redução do diâmetro 35 Triangulo de velocidade Este indicador se faz necessário dentro da realidade de um rotor Vamos considerar premissas hipóteses para análise do triângulo de velocidades na qual o rotor é composto por um número infinito de pás infinitamente finas Neste caso consideramse as linhas de corrente congruentes com as pás e o escoamento como sendo unidimensional Quando temos todos os pontos localizados no mesmo diâmetro valida o triângulo de velocidades Dentre as seções de entrada e saída o escoamento deverá produzir o mínimo de perdas com a adoção de perfis ou formatos de pás mais adequados Quando temos um regime permanente vazão mássica constante os triângulos de velocidades na entrada e saída do rotor são representativos do escoamento e as velocidades na entrada e saída são uniformes nas seções O entendimento dos conceitos de velocidade absoluta e velocidade relativa do fluido servem para construção do triângulo de velocidades 43 351 Movimento relativo Quando um observador movendose com o rotor percebe o movimento da partícula estamos falando de um movimento relativo Nesta situação a trajetória relativa da partícula observa o perfil da pá como se o rotor estivesse parado em repouso e o fluido escoando por meio dos canais formados pelas pás A velocidade tangente a esta trajetória é conhecida por velocidade relativa e será representada por w Figura 34 Fonte CHAPALLAZ et al 1992 Figura 34 Movimentos relativo e absoluto 352 Movimento absoluto Quando um observador posicionado fora do rotor percebe o movimento da partícula temos um movimento absoluto A trajetória da partícula resulta da quando ocorre uma composição de dois movimentos um dentro dos canais do rotor e outro de rotação do rotor originados pela trajetória da partícula 44 A velocidade tangente a esta trajetória é denominada velocidade absoluta e será representado por c Figura 35 353 Formação dos Triângulos de velocidade A formação do triângulo de velocidades se dá em função das três velocidades vistas anteriormente e podem ser representadas na forma vetorial por A representação gráfica do triângulo de velocidades e seus componentes são demonstradas pela Figura 45 Fonte CHAPALLAZ et al 1992 Figura 35 Exemplo de triângulo de velocidades c velocidade absoluta ms do escoamento no ponto em estudo u velocidade tangencial ms do escoamento no ponto em estudo w velocidade relativa ms do escoamento no ponto em estudo Cm componente meridiana da velocidade absoluta projeção da velocidade absoluta C sobre o plano meridiano Cu componente tangencial da velocidade absoluta projeção da velocidade absoluta sobre a direção tangencial 45 α ângulo formado pela velocidade absoluta e a velocidade tangencial também chamado ângulo do escoamento absoluto β ângulo formado pela velocidade relativa e a tangencial também chamado ângulo do escoamento relativo ou ângulo construtivo da pá Maiores detalhamentos sobre o Triângulo de velocidade veremos no Bloco 5 quando falaremos sobre as bombas hidráulicas Cavitação Um indicador muito importante visto a indicação de possíveis anomalias na operação Uma análise na operação de turbinas mostrou que baixas pressões são criadas na saída do rotor o que também ocorre na seção de entrada das bombas hidráulicas O mecanismo da cavitação ocorre quando a pressão absoluta média no escoamento for igual ou um pouco maior que a pressão de vapor de água na temperatura do escoamento Após esta equalização envolvendo as pressões irão aparecer bolhas de vapor de água no escoamento turbulento devido a pressão absoluta em diversos pontos poderá ser igual ou menor que a pressão de vapor da água Nos pontos do escoamento em que a pressão absoluta aumenta novamente as bolhas implodirão violentamente e as partículas fluidas atingem as paredes fixas eou as pás causando solicitações mecânicas elevadas no material e consequente erosão por cavitação A figura 36 ilustra os níveis de desenvolvimento do fenômeno de cavitação em perfis de pás em condições de baixa pressão com escoamento com altos ângulos de incidência entrada com choque 46 Fonte CHAPALLAZ et al 1992 Figura 36 Cavitação em perfis de pás em vários níveis de desenvolvimento a Cavitação inicial Formação e implosão de núcleos os núcleos aparecem isolados b Cavitação zonal ocorre o aparecimento e implosão dos núcleos junto com vórtices pulsantes do fluxo c Cavitação separada ocorre a existência de uma cavidade separada do líquido d Supercavitação O espaço da cavidade é desenvolvido de um modo que fecha os contornos de saída da pá Temse as seguintes consequências sobre a máquina hidráulica com o fenômeno da cavitação tanto para bombas quanto para turbinas Queda do rendimento e da potência útil Ruídos e vibrações excessivas Erosão rápida e custos excessivos de manutenção Fatiga do material das pás em outros pontos 47 Conclusão Este bloco mostrou os indicadores operacionais que mostram como as máquinas hidráulicas podem ser monitoradas em seus resultados apontando não somente para resultados tais como os rendimentos mas também para as especificações como as potências e também as possíveis anomalias tais como a cavitação ou as perdas REFERÊNCIAS BRASIL A N Máquinas termo hidráulicas de fluxo Itaúna Universidade de Itaúna 2010 CHAPALLAZ J EICHENBERGER P FISCHER G Manual de motores de indução para geradores Braunschweig Vieweg 1992 HENN E A L Máquinas de fluido 2ª ed Porto Alegre UFSM 2006 OMEL Curva de desempenho Disponível em httpsbitly3hv6zH3 Acesso em 13 jul 2020 48 4 COMPONENTES MECÂNICOS HIDRÁULICOS Apresentação Neste bloco veremos o contexto dos componentes e equipamentos hidráulicos Neste universo todos estes elementos possuem uma simbologia que serve para projetar processos ou etapas Cada elemento hidráulico será apresentado mostrando suas aplicabilidades e tipos com o objetivo de entender aonde deve ser usado no circuito hidráulico 41 Simbologia Hidráulica Os símbolos servem para representar alguma coisa Quando falamos de simbologia estamos nos referindo ao estudo destes símbolos Assim como existe simbologia para muitas coisas a hidráulica não foi isenta deste estudo pois quando os engenheiros possuem a necessidade de expor seu projeto podem fazêlo por meio de um circuito ou esquema hidráulico compostos pela simbologia de tubulação equipamentos e componentes hidráulicos devidamente estabelecida pela ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas Neste caso a norma ABNT NBR 8896 8897 e 8898 é quem expõe esta simbologia Para você ver a funcionalidade segue abaixo um exemplo de circuito hidráulico Figura 41 ou esquema hidráulico aonde mostra a tubulação e componentes de um fluxo físico de processos 49 Fonte LUCIDCHART S D Figura 41 Circuito ou esquema hidráulico Segue abaixo a simbologia hidráulica conforme a ABNT BR 8896 8897 e 8898 divididas por funcionalidades 50 a Linhas e funcionalidades Fonte MELCONIAN 2014 Figura 42 Simbologia de linhas e funções 51 Fonte MELCONIAN 2014 Figura 43 Simbologia de bombas 52 Fonte MELCONIAN 2014 Figura 44 Simbologia de motores e cilindros 53 Fonte MELCONIAN 2014 Figura 45 Simbologia de outros equipamentos 54 Fonte MELCONIAN 2014 Figura 46 Simbologia de válvulas Fonte MELCONIAN 2014 Figura 47 Simbologia de acionamentos hidráulicos 55 Nos itens a seguir daremos exemplos figurativos de simbologia pertinentes aos equipamentos e ou componentes a serem estudados 42 Cilindros filtros e Fluidos hidráulicos Vamos verificar agora alguns componentes do mundo hidráulico 421 Cilindros Os cilindros hidráulicos possuem a propriedade de transformar trabalho hidráulico em energia mecânica linear A composição de um cilindro se resume a uma camisa de cilindro de um pistão móvel e de uma haste ligada ao pistão Os cabeçotes são presos ao cilindro por meio de roscas prendedores tirantes ou solda a maioria dos cilindros industriais usa tirantes Seu mecanismo funciona conforme a haste se move para dentro ou para fora ela é guiada por embuchamentos removíveis chamados de guarnições O lado para o qual a haste opera é chamado de lado dianteiro ou cabeça do cilindro O lado oposto sem haste é o lado traseiro Os orifícios de entrada e saída estão localizados nos lados dianteiro e traseiro Você sabe quais os tipos de Cilindros existem Temos a Cilindro de simples Um cilindro no qual a pressão de fluido é aplicada em somente uma direção para mover o pistão b Cilindro de simples ação e retorno por mola um cilindro no qual uma mola recua o conjunto do pistão conforme a figura 48 Fonte GOMES 2008 Figura 48 Cilindro simples 56 Cilindro de simples ação e retorno pela força da carga neste tipo de cilindro uma força externa recua o conjunto do pistão conforme figura 49 Fonte GOMES 2008 Figura 49 Cilindro de simples ação e retorno c Cilindro de dupla ação Neste tipo de cilindro a pressão do fluido é aplicada ao elemento móvel em qualquer uma das direções conforme figura 410 Fonte GOMES 2008 Figura 410 Cilindro de dupla ação Como é o mecanismo de funcionamento de um cilindro A figura 411 mostra os componentes do cilindro e suas funcionalidades individuais 57 Fonte GOMES 2008 Figura 411 Componentes do cilindro e suas funcionalidades individual 58 Mecanismo de funcionamento a Conforme o pistão do cilindro se aproxima do fim de seu curso o batente bloqueia a saída normal do líquido e obriga o fluido a passar pela válvula controle de vazão b Nesta altura algum fluxo escapa pela válvula de alívio de acordo com a sua regulagem c O fluido restante adiante do pistão é expelido por meio da válvula controle de vazão e retarda o movimento do pistão d A abertura da válvula controle de vazão determina a taxa de desaceleração e Na direção inversa o fluxo passa pela linha de bypass da válvula de controle de vazão onde está a válvula de retenção ligada ao cilindro f Como regra geral os amortecimentos são colocados em cilindros cuja velocidade da haste exceda 600 cmmin 422 Filtros Hidráulicos Todos os fluidos hidráulicos contêm certa quantidade de contaminantes A necessidade do filtro Figura 412 no entanto não é reconhecida na maioria das vezes pois o acréscimo deste componente particular não aumenta de forma aparente a ação da máquina Mas o pessoal experiente de manutenção concorda que a grande maioria dos casos de mau funcionamento de componentes e sistemas é causada por contaminação As partículas de sujeira podem fazer com que máquinas caras e grandes falhem Fonte GOMES 2008 Figura 412 Exemplos de filtros hidráulicos 59 A função de um filtro é remover impurezas do fluido hidráulico Isto é feito forçando o fluxo do fluido a passar por um elemento filtrante que retém a contaminação Os elementos filtrantes são divididos em tipos de profundidade e de superfície 423 Fluidos hidráulicos O fluido hidráulico é o elemento vital de um sistema hidráulico industrial Ele é um meio de transmissão de energia um lubrificante um vedador e um veículo de transferência de calor O fluido hidráulico à base de petróleo é o mais comum Tipos de Fluidos hidráulicos Fluido à Base de Petróleo O fluido à base de petróleo é mais do que um óleo comum Os aditivos são ingredientes importantes na sua composição Os aditivos dão ao óleo características que o tornam apropriado para uso em sistemas hidráulicos Fluidos Resistentes ao Fogo Uma característica inconveniente do fluido proveniente do petróleo é que ele é inflamável Não é seguro usálo perto de superfícies quentes ou de chama Por esta razão foram desenvolvidos vários tipos de fluidos resistentes ao fogo Fluido de ÁguaGlicol O fluido de águaglicol resistente ao fogo é uma solução de glicol anticongelante e água A mistura é geralmente de 60 de glicol e 40 de água Emulsão de Óleo em Água A emulsão de óleo em água resulta em um fluido resistente ao fogo que consiste de uma mistura de óleo em uma quantidade de água A mistura pode variar em torno de 1 de óleo e 99 de água à 40 de óleo e 60 de água A água é sempre o elemento dominante 60 Emulsão de Água em Óleo A emulsão de água em óleo resulta em um fluido resistente ao fogo que também é conhecido como emulsão invertida A mistura é geralmente de 40 de água e 60 de óleo O óleo é dominante Este tipo de fluido tem características de lubrificação melhores do que as emulsões de óleo em água Sintético Os fluidos sintéticos resistentes ao fogo consistem geralmente de ésteres de fosfato hidrocarbonos clorados ou uma mistura dos dois com frações de petróleo Este é o tipo mais caro de fluido resistente ao fogo Os componentes que operam com fluidos sintéticos resistentes ao fogo necessitam de guarnições de material especial 43 Reservatórios hidráulicos 431 Introdução A função de um reservatório hidráulico é conter ou armazenar o fluido hidráulico de um sistema Os reservatórios hidráulicos consistem de quatro paredes geralmente de aço uma base abaulada um topo plano com uma placa de apoio quatro pés linhas de sucção retorno e drenos plugue do dreno indicador de nível de óleo tampa para respiradouro e enchimento tampa para limpeza e placa defletora Chicana conforme mostra a figura 413 Fonte GOMES 2008 Figura 413 Reservatórios hidráulicos 61 432 Mecanismo de funcionamento dos reservatórios hidráulicos À medida que o fluido volta ao reservatório a placa defletora impede que este fluido vá diretamente à linha de sucção Isto cria uma zona de repouso onde as impurezas maiores sedimentam o ar sobe à superfície do fluido e dá condições para que o calor no fluido seja dissipado para as paredes do reservatório Todas as linhas de retorno devem estar localizadas abaixo do nível do fluido e no lado defletor oposto à linha de sucção conforme mostra a figura 414 Fonte GOMES 2008 Figura 414 Mecanismo de um reservatório hidráulico 44 Prensas Hidráulicas 441 Introdução Prensas são equipamentos utilizados na conformação eou corte de materiais diversos tendo como princípio de atuação básica o movimento do martelo punção que é proveniente de um sistema hidráulicopneumático ou de um sistema puramente mecânico A prensa hidráulica é uma máquina na qual funcionam os Princípios da Lei de Pascal isto é a pressão exercida em um ponto qualquer de um líquido estático é a mesma em todas as direções e exerce forças iguais em áreas iguais ou analisando por outro foco dado um fluido contido quando ocorre um aumento de pressão em qualquer ponto deste fluido este incremento de pressão será exercido em todos os pontos os demais pontos de recipiente que o contém conforme a Figura 415 62 Segundo Santos A 2013 a prensa é uma maquinaferramenta que possui uma capacidade de fornecimento de força e energia para prover uma conformação plástica à uma chapa de modo a se obter uma peça com determinadas forma e dimensão B0TTO C V O et al 2016 Fonte GOMES 2008 Figura 415 Princípio da Prensa Hidráulica multiplicação de força 442 Estrutura de uma prensa hidráulica As prensas hidráulicas são uma das principais máquinas hidráulicas usadas principalmente nas indústrias automobilísticas ou pesadas Na figura 416 temos um exemplo de prensa hidráulica 63 Fonte Sorvino 2017 Figura 416 Exemplo de prensa moderna Tabela 41 Principais elementos e funções de uma prensa industrial Fonte SORVINO 2017 64 443 Classificação das prensas Depende da natureza do agente motor a Prensas Mecânicas depende do movimento da corrediça e é obtido por biela e manivela b Prensas Hidráulicas O responsável pelo acionamento é uma bomba hidráulica que o faz por meio de um motor que aciona os cilindros que são responsáveis pelo movimento de subida e descida As prensas hidráulicas se dividem em b1 Prensa hidráulica tipo C Fonte SORVINO 2017 Figura 417 Prensa Industrial tipo C b2 Prensa Hidráulica tipo 2 colunas Fonte SORVINO 2017 Figura 418 Prensa hidráulica tipo 2 colunas 65 B3 Prensa hidráulica tipo H Fonte SORVINO2017 Figura 419 Prensa hidráulica tipo H B4 Prensa Hidráulica tipo 4 colunas Fonte SORVINO 2017 Figura 420 Prensa hidráulica tipo 4 colunas 444 Mecanismo das prensas hidráulicas De maneira resumida uma prensa hidráulica funciona por meio de três processos principais Processo 1 Movimenta aceleradamente em direção ao material a ser manufaturado Processo 2 É efetuada a prensagem que faz a manufatura da formação do material 66 Processo 3 Ocorre o movimento de retorno para abrir o sistema e permitir a retirada da peça pronta e a colocação de uma nova peça a ser trabalhada A figura 421 mostra o funcionamento do cilindro da prensa hidráulica Fonte SORVINO 2017 Figura 421 Funcionamento do cilindro principal de prensa hidráulica 45 Motores Hidráulicos Assim como os cilindros os motores hidráulicos transformam a energia hidráulica em energia mecânica entretanto são atuadores rotativos Os motores hidráulicos fazem o inverso das bombas ou seja recebem o óleo a pressões superiores absorvem sua energia no eixo e o descarrega pressões inferiores Portanto algumas bombas podem funcionar também como motores hidráulicos são chamados de motorbomba Os motores hidráulicos podem ser classificados como Marcha rapida São motores de alta velocidade com uma rotação variando de 500 a 1000RPM 67 Marcha lenta São motores de baixa velocidade com uma rotação variando de 0 a 500RPM De uma maneira similar aos motores elétricos e motores de combustão interna os motores hidráulicos têm suas áreas de atuação Devese lembrar que o uso de um não exclui o uso do outro Pelo contrário a energia transformada por um motor hidráulico poderá ter sido gerada por um motor elétrico ou de combustão interna que girou o eixo de uma bomba hidráulica Enfim os motores hidráulicos encontram aplicação em situações que exigem elevado torque e potência com rotacões relativamente baixas reversões rapidas no sentido de rotacao controle apurado de velocidade em situacões em que o motor elétrico nao é adequado pois implicariam em grandes dimensões ou peso além do uso de redutores Os Motores Hidráulicos possuem rendimento entre 70 e 80 enquanto os Motores Elétricos entre 90 e 95 Um motor elétrico de corrente contínua precisaria de um reostato para controlar sua velocidade elevando o custo do projeto enquanto um de corrente alternada precisaria de um redutor cujas velocidades ficariam escalonadas e não variariam continuamente Em um motor hidráulico basta usar uma válvula reguladora de vazão Assim como nas bombas hidráulicas nos motores hidráulicos o deslocamento é uma propriedade importante Outras propriedades suas são rotação pressão de operação torque e potência Acumuladores Hidráulicos São elementos acumuladores de energia potencial por meio da compressão do fluido hidráulico para restituíla em momento oportuno e com a rapidez desejada O fluido entra no acumulador pressionando uma mola levantando um peso ou comprimindo um gás 68 Qualquer queda de pressão na abertura fará com o fluido saia do acumulador pela reação do elemento deslocado por ele A figura 422 mostra os três tipos básicos de acumulador Os acumuladores que utilizam gás podem ser divididos por terem ou não separação Quanto aos que têm separação podem ser do tipo pistão diafragma e tipo bexiga Fonte Ferreira 2013 Figura 422 Tipos de acumuladores O Acumulador tipo bexiga é o mais utilizado pois Garante uma perfeita separação entre a câmara de líquido e a de fluido O elemento separador bexiga de borracha não apresenta praticamente inércia alguma Como não existe nenhum deslizamento recíproco entre elementos mecânicos como nos tipos de mola de peso e de pistão não é necessário dado particular quanto ao mecanismo interno Alta eficiência volumétrica chegando a 75 do volume da garrafa A aplicabilidade dos acumuladores se concentra em Compensador de vazamentos Fonte de potência auxiliar 69 Compensador de expansão térmica Fonte de potência para emergência Compensador de volume Eliminador de pulsações e absorvedor de choques Fonte de potência em circuito de duas pressões Dispositivo de sustentação Conclusão Este bloco mostrou vários componentes hidráulicos e suas funcionalidades e modelos Definições e classificações foram abordadas considerando os cilindros as prensas os acumuladores os reservatórios os motores todos eles do contexto hidráulico REFERÊNCIAS BOTTO C V O et al Projeto de uma prensa hidráulica dimensionamento e seleção de componentes Monografia Universidade São Francisco 2016 Disponível em httpsbitly3f3PG4M Acesso em 24 jul 2020 FERREIRA D M B Noções de Hidráulica 2013 Disponível em httpsbitly2OS859T Acesso em 18 jul 2020 GOMES M R ANDRADE M FERRAZ F Apostila de Hidráulica Bahia Centro Federal e Educação Tecnológica da Bahia 2008 LUDIDCHAT O que é um circuito hidráulico Disponível em httpsbitly3jzI5hG Acesso em 18 jul 2020 MELCONIAN S Sistemas fluidomecânicos hidráulica e pneumática Sarkis Melconian 1 ed São Paulo Érica 2014 SORVINO G F Metodologia para aplicação de automação em equipamentos industrial hidráulicos de grande porte para melhoria da eficiência energética e ganhos de sustentabilidade 2017 70 5 BOMBAS HIDRÁULICAS Apresentação Neste bloco veremos o contexto das bombas hidráulicas desde a sua importância para o universo da hidráulica até o detalhamento de classificação e dos tipos por funcionalidades Os aspectos técnicos de dimensionamento e controle operacional serão abordados para total dimensão de sua praticidade no meio industrial e na Engenharia Mecânica 51 Itrodução e classificação 511 Introdução Temse como definição de bombas máquinas operatrizes hidráulicas que fornecem energia ao líquido com a finalidade de transportálo de um ponto a outro Ocorre um recebimento de energia mecânica e a transformam em energia hidráulica Utilizamse as bombas nos circuitos hidráulicos para converter energia mecânica em energia hidráulica A ação mecânica cria um vácuo parcial na entrada da bomba o que permite que a pressão atmosférica force o fluido do tanque por meio da linha de sucção a penetrar na bomba A bomba passará o fluido para a abertura de descarga forçando o por meio do sistema hidráulico Concluímos portanto que as bombas adicionam energia ao escoamento Na maioria das vezes um sistema hidráulico industrial a bomba está localizada sobre a tampa do reservatório que contém o fluido hidráulico do sistema A Figura 51 mostra a linha ou duto de sucção que conecta a bomba com o líquido no reservatório O líquido fluindo do reservatório para a bomba pode ser considerado um sistema hidráulico separado Entretanto neste sistema a pressão menor que a atmosférica é provocada pela resistência do fluxo A energia para deslocar o líquido é aplicada pela atmosfera 71 A atmosfera e o fluido no reservatório operam juntos como no caso de um acumulador Fonte FERREIRA 2013 Figura 51 Posicionamento de uma bomba no sistema hidráulico Como a velocidade influi na descarga muitas vezes avaliamse as bombas pelo deslocamento que é um conceito muito importante que irá impactar na classificação das bombas Podemos definir deslocamento como a quantidade de fluido que a bomba entrega por ciclo A resistência à vazão geralmente é causada por uma restrição ou obstrução no percurso do fluido seja está um cilindro de trabalho um motor hidráulico válvula conexão ou linha Quanto menor for a resistência fornecida menor será a pressão desenvolvida na saída da bomba No entanto a pressão na linha de recalque da bomba tem efeito negativo sobre sua vazão À medida que a pressão aumenta observase uma redução na descarga Esta redução é causada por um aumento da quantidade de vazamento interno ou seja da linha de recalque para a sucção da bomba 72 512 Como se classificam as bombas As bombas podem ser classificadas em duas categorias são elas TurboBombas Hidrodinâmicas Rotodinâmicas ou Deslocamento não Positivo são máquinas nas quais a movimentação do líquido é desenvolvida por forças que se desenvolvem na massa líquida em consequência da rotação de uma peça interna ou conjunto dessas peças dotada de pás ou aletas chamada de roto Volumétricas ou de Deslocamento Positivo são aquelas em que a movimentação do líquido é causada diretamente pela movimentação de um dispositivo mecânico da bomba que induz o líquido a um movimento na direção do deslocamento do citado dispositivo em quantidades intermitentes de acordo com a capacidade de armazenamento da bomba promovendo enchimentos e esvaziamentos sucessivos provocando assim o deslocamento do líquido no sentido previsto Nos exemplos de bombas rotodinâmicas destacamse as bombas centrífugas as bombas volumétricas as de êmbolo ou alternativas e as rotativas Existem diversas classificações para as bombas na operação interna São elas Classificação quanto à direção do escoamento do líquido no interior da bomba Figura 52 Radial ou centrífuga pura quando o movimento do líquido é na direção normal ao eixo da bomba empregadas para pequenas e médias descargas e para qualquer altura manométrica porém caem de rendimento para grandes vazões e pequenas alturas além de serem de grandes dimensões nestas condições Diagonal ou de fluxo misto quando o movimento do líquido é na direção inclinada em relação ao eixo da bomba empregadas em grandes vazões e pequenas e médias alturas estruturalmente caracterizamse por serem bombas de fabricação muito complexa 73 Axial ou helicoidais quando o escoamento se desenvolve de forma paralela ao eixo especificadas para grandes vazões dezenas de m3s e médias alturas até 40 m Fonte FERREIRA 2013 Figura 52 Bombas de deslocamento nãopositivos Classificação quanto à estrutura do rotor Figura 53 Aberto para bombeamentos de águas residuárias ou bruta de má qualidade Semiaberto ou semifechado para recalques de água bruta sedimentada Fechado para água tratada ou potável 74 MELCONIAN 2014 Figura 53 Tipos de rotores Classificação quanto ao número de rotores Estágio único Múltiplos estágios este recurso reduz as dimensões e melhora o rendimento sendo empregadas para médias e grandes alturas manométricas como por exemplo na alimentação de caldeiras e na captação em poços profundos de águas e de petróleo podendo trabalhar até com pressões superiores a 200 kgcm2 de acordo com a quantidade de estágios da bomba 52 Tipos de bombas As bombas mais comumente utilizadas são a Bombas de engrenagens b Bomba de Engrenagem Externa c Bomba de Engrenagem Interna 75 d Bomba Tipo Gerotor e Bombas de Palheta f Bombas de Palheta de Volume Variável g Bombas de pistão h Bombas de Pistão Axial de Volume Variável i Bombas de Pistões Radiais Descrição das bombas a Bombas de engrenagens a bomba de engrenagem consiste basicamente de uma carcaça com orifícios de entrada e de saída e de um mecanismo de bombeamento composta de duas engrenagens Figura 54 Fonte GOMES 2008 Figura 54 Bomba de engrenagens b Bomba de Engrenagem Externa a bomba de engrenagem que foi descrita acima é uma bomba de engrenagem externa isto é ambas as engrenagens têm dentes em suas circunferências externas Estas bombas são às vezes chamadas de bombas de dentessobredentes Figura 55 76 Fonte GOMES 2008 Figura 55 Bomba de Engrenagem Externa c Bomba de Engrenagem Interna Uma bomba de engrenagem interna consiste de uma engrenagem externa cujos dentes se engrenam na circunferência interna de uma engrenagem maior O tipo mais comum de bomba de engrenagem interna nos sistemas industriais é a bomba tipo gerotor d Bomba Tipo Gerotor é uma bomba de engrenagem interna com uma engrenagem motora interna e uma engrenagem movida externa Figura 56 Fonte GOMES 2008 Figura 56 Bomba Tipo Gerotor e Bombas de Palheta as bombas de palheta produzem uma ação de bombeamento fazendo com que as palhetas acompanhem o contorno de um anel ou carcaça Figura 57 77 Fonte GOMES 2008 Figura 57 Bombas de Palheta f Bombas de Palheta de Volume Variável uma bomba de palheta de deslocamento positivo imprime o mesmo volume de fluído para cada revolução As bombas industriais são geralmente operadas a 1200 ou 1800 rpm Isso indica que a taxa de fluxo da bomba se mantém constante Fonte GOMES 2008 Figura 58 Bombas de Palheta de Volume Variável g Bombas de pistão as bombas de pistão geram uma ação de bombeamento fazendo com que os pistões se alterem dentro de um tambor cilíndrico Figura 59 78 Fonte GOMES 2008 Figura 59 Bombas de pistão h Bombas de Pistão Axial de Volume Variável o deslocamento da bomba de pistão axial é determinado pela distância que os pistões são puxados para dentro e empurrados para fora do tambor do cilindro Figura 510 Fonte GOMES 2008 Figura 510 Bombas de Pistão Axial de Volume Variável i Bombas de Pistões Radiais Neste tipo de bomba o conjunto gira em um pivô estacionário por dentro de um anel ou rotor Conforme vai girando a força centrífuga faz com que os pistões sigam o controle do anel que é excêntrico em relação ao bloco de cilindros Figura 511 79 Fonte GOMES 2008 Figura 511 Bombas de Pistões Radiais 53 Equações Fundamentais Quando se trata de máquinas hidráulicas dois métodos são utilizados para seus estudos e projetos O primeiro método tem como hipótese que o rotor tem um número infinito de pás que teriam de ser infinitamente finas O segundo método é realizado a partir da análise de uma única pá para daí então aproximar para o caso real 531 Equação de Euler Utiliza aqui o primeiro método que parte da hipótese de escoamento congruente nas pas A equação de Euler é a equação básica para o desenvolvimentoestudo de bombas ventiladores e turbinas Ela expressa o intercâmbio de energia entre o rotor e o fluido Para iniciar as análises são feitas as seguintes hipóteses simplificadoras considerando uma máquina ideal Número infinito de pás Espessura infinitesimal das pás Fluido incompressível Sem atrito fluido ideal 80 Isento de choque na entrada Regime permanente Considere agora o princípio da conservação da quantidade de movimento angular QMA aplicado ao volume de controle Figura 512 tendo como base o eixo do rotor Desconsiderando os torques devido às forças de superfície e de corpo do campo gravitacional e considerando o regime permanente temos Fonte Turton 1995 Figura 512 Volume de controle para rotor de máquina geradora 81 Assim o torque teórico para máquinas geradoras é expresso por De forma similar para máquinas motoras 532 Potência Esta é uma grandeza extremamente importante em termos de custos envolvidos em uma instalação tanto de máquinas geradoras como máquinas motoras A potência define a quantidade de energia por unidade de tempo taxa de energia consumida por máquinas geradoras bombas e ventiladores a Potência eficaz efetiva ou total Conforme já mencionado é natural que ocorram perdas hidráulicas no interior das máquinas hidráulicas e perdas mecânicas pelo atrito mecânico que ocorrem externamente entre as suas partes fixas e girantes Em conclusão nem toda energia cedida ou recebida pelo fluido pode ser transformada em trabalho mecânico no eixo da máquina tem se então que a potência eficaz ou efetiva é expressa pela potência entreguerecebida do fluido somadas às potências perdidas no processo Sendo que Pef é a potência eficaz no eixo da maquina Pi é a potência interna Ppm é a potência mecânica perdida 82 Para o caso de bombas a potência efetiva ou eficaz Pef é definida como sendo a potência entregue pelo motor no eixo da bomba Também conhecida por potência motriz e BHP Break Horse Power Todas as perdas internas e externas produzem uma perda de potência que reduz a entrega ou aumenta a necessidade de potência eficaz das máquinas b Potência interna Pi Considerando somente as perdas internas hidráulica e volumétrica obtêmse a potência interna que é a potência no eixo de entrada da bombaventilador ou a potência no eixo de saída da turbina Ela tm a propriedade de transmitir calor ao fluido de trabalho Caso sejam considerados o atrito nas paredes externas do rotor que gera uma potência de atrito no rotor Pr e a perda por troca de fluido que gera uma potência Pa então a potência interna é dada por A perda por troca ocorre devido à troca de fluido entre a região atrás do rotor e os canais das pás que ocorre devido à desaceleração do escoamento pois nesse caso a camada limite na região de saída deve fluir contra a pressão crescente Ocorre então o perigo do retorno da camada limite ao rotor ou seja a necessidade de ela ser novamente acelerada Esta perda ocorre somente nas bombas e não nas turbinas c Potência hidráulica Podemos definir a potência hidráulica como sendo o produto do peso de fluido que passa através da máquina na unidade de tempo pela altura de queda ou elevação Portanto este conceito é útil tanto para bombas como para turbinas hidráulicas 83 Assim podese escrever γ Peso específico em Nm3 Q Vazão em volume m3s H Altura de queda ou elevação m Ph Potência hidráulica W g Gravidade adotase nesta apostila o valor de 981 ms2 ρ Massa específica kgm3 Concluindo a potência hidráulica é a potência fornecida pela máquina geradora bomba para o fluido Esta potência difere da potência efetiva devido a perdas que ocorrem nas transformações de energia Considerando que a potência perdida interna é a produzida pelas perdas de pressão e por fuga de fluido Ph é a potência hidraulica Ppi é a potência perdida interna 54 Rendimento Hidráulico a Rendimento volumétrico Considera as perdas por fuga de fluido e para determinar isto usa o rendimento volumétrico volumetric efficiency 84 Sendo que Qt é a vazao teórica Q é a vazao considerada no calculo das alturas de queda e elevacao qi é a vazao perdida internamente b Rendimento mecânico Tratase do rendimento que considera as perdas externas e sua relação é dada por Seu valor varia de 092 a 095 nas bombas mais recentes sendo maiores nas de maior dimensão Quando trabalham no ponto de projeto as máquinas de fluxo têm rendimento mecânico na ordem de 099 c Rendimento Total A potência efetiva se relaciona com a potência hidráulica por meio do rendimento total total efficiency ou gross efficiency da instalação O rendimento passa de 85 em grandes bombas centrífugas Menos de 40 se concentram nas pequenas bombas 85 Um valor razoável para o caso de estimativas é 60 para bombas pequenas e 75 para bombas médias Entre 80 e 90 é o rendimento das máquinas de fluxo no ponto de projetos 55 Curvas Características 551 Curvas características do rotor da bomba São as curvas que representam as grandezas de funcionamento de um rotor Estas curvas variam conforme o tamanho a rotação específica e outros parâmetros construtivos do rotor espiral ou outros elementos da bomba ou ventilador Na figura 513 são apresentado estas características em função da rotação específica ns para bombas Para o traçado destas curvas a rotação foi tomada fixa Se o ensaio for repetido para outros valores da rotação obtémse a família de curvas da bomba Fonte Campos 2019 Figura 513 Curvas características do rotor de bomba CCR 86 A parte instável das curvas H fQ e P fQ em torno de 50 da vazão do ponto de projeto é típica para bombas axiais como resultado da separação da camada limite e turbulência geradas pelo ângulo de incidência do fluido nesta faixa de vazão Ao examinar os gráficos verificase que nas bombas radiais a potência é mínima em shutoff válvula de descarga fechada ocorrendo o inverso com as bombas axiais Isto impõe que a partida das bombas radiais se dê com a válvula de descarga fechada e a das bombas axiais com a válvula aberta No encerramento de uma operação basta desligar o motor das bombas axiais devendo se entretanto fechar a válvula de descarga previamente em se tratando de bomba radial Se a bomba radial for de alta pressão devese fechar parcialmente a válvula de descarga desligar o motor e fechar rapidamente a válvula de descarga Este procedimento evita a inversão de fluxo e atenua possíveis problemas decorrentes do golpe de aríete 552 Curvas de estrangulação O problema que você deve resolver é alcançar uma certa altura ou distância que o escoamento não teria energia para vencer naturalmente caso fosse movido apenas pela força da gravidade Para isso o primeiro passo é encontrar uma bomba que forneça essa carga que é dada em metros e será chamada altura H A altura que uma bomba fornece varia de acordo com A vazão que passa pela bomba O diâmetro do rotor A frequência desse rotor As bombas são fabricadas para atuar em uma faixa de vazão específica Quem indica como a altura se relaciona com a vazão é o fabricante por meio de um gráfico H x Q 87 Nesse gráfico os valores de H estão no eixo vertical e os valores de Q estão no eixo horizontal A curva de H fQ é denominada curva de estrangulação devido ao processo adotado para sua determinação experimental conforme a Figura 514 Fonte ESPARTEL 2017 Figura 514 Quadro com tipo de bombas por faixa de trabalho rotando a 1750 rpm Por exemplo se for necessário adicionar 40 mca no escoamento a uma vazão de 28 m3h é necessário instalar uma bomba do tipo 40315 E Agora se a necessidade for de apenas 10 mca mas a uma vazão de 200 m3h então a bomba mais indicada é a do tipo 100160E Depois que você identificou o tipo de bomba que satisfaz as condições de H x Q você deve procurar a curva de estrangulação específica do tipo de bomba escolhido que também é fornecida pelo fabricante 88 553 Curva do NPSH NSPH é a sigla do termo em inglês Net Positive Suction Head Sua tradução significa Altura Positiva Líquida de Sucção que é a altura ou pressão necessária na entrada da bomba para evitar a cavitação da bomba A entrada da bomba é a região onde a pressão é mais baixa pois ela precisa succionar o fluido por isso é onde a cavitação ocorrerá primeiro O último passo para escolher uma bomba é conferir se existe NPSH suficiente para que a bomba não cavite Para isso precisamos comparar o NPSH disponível NPSHd com o NPSH requerido NPSHr do NPSH pelo fabricante Ya diferença entra a cota do reservatório inferior e a cota do eixo da bomba medido em m Hpa perda de carga na canalização de aspiração medido em m Patmγ pressao atmosférica dividida pelo peso específico do fluido medido em m hv pressão de vapor medida da tendência de evaporação de um líquido valor geralmente tabelado nesta equação entra em m A bomba só poderá ser utilizada caso a condição de NPSHD seja satisfeita NPSHR Ponto de Funcionamento É importante que você saiba quais são os elementos básicos de instalação de recalque Quando tratamos exclusivamente de bombas existe uma série de aparatos e denominações para sua correta instalação Veja na Figura 515 algumas dessas denominações 89 Fonte ESPARTEL 2017 Figura 515 Desenho esquemático de uma instalação de bomba centrífuga A carga hidráulica H de uma instalação é a altura que o escoamento necessita atingir sendo 90 Y é o desnível geométrico entre os reservatórios e hp é a soma de todas as perdas lineares e singulares nas tubulações de recalque e sucção Como a perda de carga varia de acordo com a vazão é possível criar uma curva característica da canalização mostrando H em função de Q sendo que se Q 0 H Y Fonte ESPARTEL 2017 Figura 516 Exemplo de curva de Ponto de Funcionamento Na Figura 516 a temos a curva de instalação de um sistema qualquer No eixo vertical está a carga hidráulica Já a vazão está no eixo horizontal Na figura 516 b temos a Intersecção da curva de instalação com a curva de estrangulamento Os pontos marcados são os possíveis pontos de funcionamento para esse sistema 91 O ponto de funcionamento do sistema é onde a curva de instalação e a curva de estrangulação se interseccionam A curva de estrangulação aponta a variação da energia cedida ao sistema pela bomba A curva da canalização mostra a demanda de energia necessária para que a canalização consiga conduzir uma certa vazão O ponto de funcionamento é quando a energia fornecida é igual à necessária para que dada vazão seja bombeada Conclusão Neste bloco nós exploramos o universo das bombas hidráulicas começando pela sua classificação seus tipos suas equações fundamentais para cálculo do torque potência e rendimento suas curvas características e seu ponto de funcionamento Todos estes aspectos proporcionam um projeto e uma operação de Hidráulica Industrial com bastante balanceamento e eficiência REFERÊNCIAS CAMPOS M C Apostila de Máquinas de Fluidos 2019 Disponível em httpswwwdocsitycomptapostilademaquinasdefluido4983983 Acesso em 18 jul 2020 ESPARTEL L Hidráulica aplicada recurso eletrônico Porto Alegre SAGAH 2017 FERREIRA D M B Noções de Hidráulica 2013 Disponível em httpsbitly332NAQ3 Acesso em 18 jul 2020 GOMES M R ANDRADE M FERRAZ F Apostila de Hidráulica Bahia Centro Federal e Educação Tecnológica da Bahia 2008 MELCONIAN S Sistemas fluidomecânicos hidráulica e pneumática 1 ed São Paulo Érica 2014 92 FERREIRA D M B Noções de Hidráulica 2013 Disponível em httpsbitly2DceqKA Acesso em 18 jul 2020 TURTON R K Principles of turbomachinery 2th ed London Chapman Hall 1995 93 6 TURBINAS HIDRÁULICAS Apresentação Neste bloco veremos o contexto das turbinas hidráulicas desde a sua importância para o universo da hidráulica até o detalhamento de classificação e dos tipos por funcionalidades Os aspectos técnicos de dimensionamento e controle operacional serão abordados para total dimensão de sua praticidade no meio industrial e na Engenharia Mecânica 61 Introdução e classificação 611 Introdução Diretamente falando turbinas são equipamentos que tem por finalidade transformar a energia de escoamento hidráulica em trabalho mecânico máquinas motoras É uma máquina com a finalidade de transformar a maior parte da energia de escoamento contínuo da água que a atravessa em trabalho mecânico Resumidamente seria um sistema fixo hidráulico e um sistema rotativo hidromecânico destinados respectivamente à orientação da água em escoamento e à transformação em trabalho mecânico A parte rotativa de uma bomba se chama impulsor e a parte rotativa de uma turbina se chama rotor Quando o fluido de trabalho é a água as turbomaquinas são chamadas de turbinas hidráulicas Quando o fluido de trabalho é o ar e a energia é extraída do vento a máquina é chamada apropriadamente de turbina eólica Estes equipamentos são compostos por um distribuidor um rotor um tubo de sucção e a carcaça ou voluta 94 Como parte da instalação de uma máquina destas podese destacar ainda o reservatório a tubulação forçada e o canal de fuga O distribuidor é um elemento estático que tem a função de acelerar o fluxo de água transformando a energia dirigir a água para o rotor e regular a vazão O rotor é o elemento fundamental de transformação de energia formado por uma série de palhetas ou álabes O tubo de sucção só existe nas turbinas de reação e tem forma de duto divergente e é localizado após o rotor Sua função é recuperar a altura entre a saída do rotor e o nível de água na descarga recuperar parte da energia cinética da velocidade residual da água na saída do rotor a partir do desenho do tipo de difusor E finalmente a voluta ou carcaça é o elemento que contêm todos os componentes da turbina Nas turbinas Francis e Kaplan tem a forma de uma espiral Externamente à turbina temse o reservatório que armazena o fluido que passará pela turbina A tubulação forçada tem por função encaminhar o fluido do reservatório para a entrada da turbina E o canal de fuga que recebe o fluido que entregou energia hidráulica para a turbina 612 Como se classificam as turbinas Os principais tipos de turbina são aquelas de impulso e de reação O tipo predominante de máquina de impulso é a roda Pelton inventada por Lester Allen Pelton que é apropriada para um range de alturas de 1502000 m As turbinas de reação são de dois tipos principais 1 Turbinas de escoamento radial ou misto 2 Turbinas de escoamento axial 95 Dos tipos de escoamentos radiais predominam a turbina Francis patenteada por Samuel Dowd e aperfeiçoada por James Bicheno Francis As turbinas Dériaz são similares às turbinas Francis rápidas mas com um mecanismo que permite variar a inclinação das pás do rotor Os tipos principais de máquinas axiais são turbinas de hélice Propeller cujas pás do rotor são fixas e as turbinas Kaplan com as pás do rotor ajustáveis Outros tipos de máquinas axiais são as turbinas Tubulares Bulbo e Straflo Podese classificar as turbinas conforme a direção do fluxo através do rotor podendo ser de fluxo tangencial ex Pelton fluxo radial semiaxial ex Francis e fluxo axial ex Kaplan Ou então de modo geral como sugere a Figura 61 Fonte MAGALHÃES 2019 Figura 61 Classificação das turbinas hidráulicas 96 As turbinas podem ser classificadas em turbinas de ação ou impulso e em turbinas de reação Esta forma de classificação leva em conta a variação de pressão estática No primeiro grupo a pressão estática permanece constante entre a entrada e saída do rotor Exemplos do primeiro grupo são as turbinas Pelton Turgo e Michell Blanki conforme mostra a Figura 62 Fonte Alé 2001 Figura 62 Turbinas Pelton esquerda Turgo centro e MichellBlanki direita Já no segundo grupo ocorre redução da pressão estática ao atravessar o rotor Exemplos são as turbinas Francis Kaplan e Hélice conforme a Figura 63 Fonte Alé 2001 Figura 63 Turbinas Francis esquerda Kaplan centro e Hélice direita 97 62 Tipos de turbinas hidráulicas Você vai perceber e comprovar que cada tipo de turbina recebeu o nome de seu inventor Segue abaixo o detalhamento de perfis de alguns tipos de turbinas a Turbinas Francis Essa turbina recebe o nome do engenheiro inglês James Bicheno Francis 18151892 que a concebeu em 1848 Foi resultado do aperfeiçoamento da turbina Dowd patenteada em 1838 por Samuel Dowd 18041879 É uma turbina de reação com eficiência na faixa de 90 Utilizada para alturas de 20 a 700 m essa ampla faixa de aplicação a faz o tipo de turbina mais usada no mundo Nas turbinas Francis o rotor fica internamente ao distribuidor de modo que a água ao atravessar o rotor aproximase do eixo São vários os formatos possíveis para rotores desse tipo de turbina e dependem da velocidade específica da turbina podendo ser classificadas em lenta normal rápida ou extrarrápida O distribuidor tem um conjunto de pás dispostas em volta do rotor e que podem ser orientadas durante a operação assumindo ângulos adequados às descargas de modo a reduzir a perda hidráulica As pás do distribuidor têm um eixo de rotação paralelo ao eixo da turbina podendo ao girar maximizar a seção de escoamento ou fechála totalmente É o tipo de turbina mais utilizada pois pode trabalhar de forma eficiente em uma ampla faixa de condições de operação Isto porque a altura de queda e a vazão são os dois fatores mais importantes para o desempenho de turbinas e estão sujeitos a variações sazonais sendo que a turbina Francis consegue se adaptar bem a esta sazonalidade Sua faixa de operação vai de 45 a 400 m de carga e de 10 a 700 m3s 98 b Turbinas Kaplan Essa turbina recebe o nome do engenheiro austríaco Victor Kaplan 18761934 que a concebeu em 1912 Ela foi resultado do aperfeiçoamento da turbina Hélice Ao contrário das turbinas Hélice cujas pás são fixas no sistema de Kaplan elas podem ser orientadas variando a inclinação das pás com base na descarga c Turbinas Pelton Também chamada de roda Pelton recebeu o nome do engenheiro estadunidense Lester Allen Pelton 1829 1908 que a patenteou em 1880 Tem sua forma muito similar às antigas rodas dagua utilizadas em moinhos Possui como distribuidor um bocal que tem forma apropriada a guiar a água até as pás do rotor As turbinas podem ter um dois quatro e seis jatos Internamente o bocal possui uma agulha para ajuste da vazão O rotor tem uma série de pás em formato de conchas dispostas na periferia que fazem girar o rotor Tem ainda um defletor de jato que intercepta o jato desviandoo das pás quando ocorre diminuição violenta da potência demandada pela rede de energia Nesses casos a atuação do defletor deve ser considerada ao invés da redução da vazão pelo uso da agulha pois a ação rápida da agulha pode causar uma sobre pressão no bocal nas válvulas e ao longo da tubulação forçada Além do defletor algumas turbinas Pelton de elevada potência têm um bocal direcionado para o dorso das pás de forma a atuar na frenagem d Turbinas Tubulares Bulbo e Straflo O aproveitamento de certos desníveis hidráulicos muito reduzidos pode não ser possível nem com turbinas Kaplan de eixo vertical o que levou ao desenvolvimento de turbinas de hélice com eixo horizontal ou com pequena inclinação Esse tipo de turbina é aplicado em usinas a fio dagua e em usinas marémotrizes 99 Turbina tubular o rotor de pás fixas ou orientáveis é colocado em um tubo por onde a água escoa O eixo horizontal ou inclinado aciona um alternador externo ao tubo Turbina de bulbo Tratase de uma evolução da tubular onde o rotor tem pás orientáveis e existe um bulbo câmara blindada colocado no interior do tubo adutor de água que contêm um sistema de transmissão de engrenagens que transmite movimento do eixo da hélice ao alternador Turbina Straflo Tratase de uma turbina de escoamento retilíneo straight flow de volume reduzido Adequadas para quedas de até 40m e rotor de até 10m de diâmetro Reduz bastante o custo das obras de construção civil 63 Velocidade Especifica das Turbinas Quando vimos o conteúdo de bombas definimos outro parâmetro adimensional útil a velocidade específica de bomba NSp com base em CQ e CH Poderíamos usar a mesma definição de velocidade especifica para turbinas mas como CP e não CQ é o parâmetro adimensional independente para as turbinas nós definimos a velocidade especifica de turbina NSt de modo diferente ou seja em termos de CP e CH Então calculamos a velocidade especifica de turbina como A velocidade especifica de turbina também é chamada de velocidade especifica de potência Comparando as definições da velocidade especifica de bomba e da velocidade especifica da turbina temos 100 Em pratica a turbinabomba pode operar com vazões e rotações diferentes quando atua como uma turbina em comparação com a situação em que atua como uma bomba uma vez que o ponto de eficiência ótima da turbina não é necessariamente igual àquele da bomba Porém quando em caso simples em que a vazao e a rotacao sao iguais para as operacões de bomba e turbina temos 64 Perdas Potência e Rendimento Hidráulico 641 Perda de carga Vamos considerar o fluxo de energia transferido da queda da água para a turbina e depois para o gerador Existem diversas formas de dissipação de energia desde a energia inicial fornecida pela queda de água até a energia final fornecida para o gerador pela turbina O desnível topográfico da água desde o reservatório superior até a localização da turbina nos fornece a queda bruta da água H b Para chegar até a turbina a água escoa por uma tubulação onde ocorrem perdas de cargas na tubulação H p Segundo Alé 2001 a energia disponível Hd antes de chegar na turbina é dada por HdHbHp Quando o fluido entra na turbina ocorrem perdas de energia devido as perdas por atrito no interior da turbina Essas são denominadas perdas hidráulicas Jh 101 A energia disponível após as perdas hidráulicas é denominada energia motriz Hm ALÉ 2001 HmHdJh Onde a energia motriz é dada pela diminuição das perdas hidráulicas da energia disponível Então a energia na saída da turbina no eixo denominada de altura útil Hu é dada pela diminuição da energia motriz nas perdas mecânicas Jm ALÉ 2001 HuHmJm O rendimento global da turbina ηt quantifica a relacao entre toda a energia útil Hu do sistema e a energia disponível pela queda da água Hd A Figura 64 mostra a relação da energia e perdas Fonte ALÉ 2001 Figura 64 Relações entre rendimento e queda de água em turbinas hidráulicas 102 a Altura ou Queda Bruta Representada pela diferença de cotas entre o nível mais elevado da turbina e o nível onde a turbina se encontra ALÉ 2001 Hbz1z0 b Altura da Perda de Carga Conforme Alé 2001 a perda de carga do sistema pode ocorrer pelos acessórios e tubulação No caso de centrais hidrelétricas a perda de carga por tubulação é obtida utilizando a equação de HazenWilliams definida como Onde Q Vazão m³s λ Coeficiente de HazenWilliams ver tabela 1 D Diâmetro interno da tubulação m L Comprimento da tubulação Tabela 61 Coeficiente de HazenWilliams λ Fonte ALÉ 2001 103 c Altura ou Queda Disponível Representa a altura disponível na entrada da turbina ALÉ 2001 HHbHp d Altura ou Queda Motriz Representa a energia hidráulica realmente fornecida para a turbina HmHJh As perdas hidráulicas podem ser compostas por perdas de atrito perdas por vazamento entre o rotor e a carcaça da turbina dentre outras ALÉ 2001 e Altura ou Queda Útil Energia na saída da turbina É avaliada como a altura de queda motriz menos as perdas mecânicas Jm dissipada pelos mancais e equipamentos auxiliares acoplados a árvore da turbina por exemplo ALÉ 2001 642 Potência de uma turbina a Potência eficaz total As perdas hidráulicas ocorrem no interior das máquinas hidráulicas e as perdas mecânicas acontecem devido ao atrito mecânico que ocorre externamente entre as suas partes fixas e girantes Assim nem toda energia cedida ou recebida pelo fluido pode ser transformada em trabalho mecânico no eixo da máquina temse então a potência eficaz ou efetiva que é expressa pela potência entreguerecebida do fluido somadas às potências perdidas no processo 104 Pef é a potência eficaz no eixo da máquina Pi é a potência interna Ppm é a potência perdida mecânica A potência efetiva ou eficaz Pef é definida como sendo a potência entregue pela turbina Todas as perdas internas e externas produzem uma perda de potência que reduz a entrega ou aumenta a necessidade de potência eficaz das máquinas Unidades 1 HP10138 CV 7457 W 1 CV 09863 HP 7355 W b Potência interna Pi Considerando somente as perdas internas obtêmse a potência interna c Potência hidráulica Definindo a potência hidráulica temos o produto do peso de fluido que passa através da máquina na unidade de tempo pela altura de queda ou elevação portanto este conceito é útil tanto para bombas como para turbinas hidráulicas Assim podese escrever 105 γ peso específico em Nm3 Q vazão em volume m3s H altura de queda ou elevação m Ph potência hidráulica W g gravidade adotase nesta apostila o valor de 981 ms2 ρ massa específica kgm3 Então potência hidráulica é a potência entregue à máquina motora turbina pelo fluido Esta potência difere da potência efetiva devido à perdas que ocorrem nas transformações de energia d Potência bruta Conceito utilizado para turbinas é a potência contida no desnível topográfico da instalação sendo uma função da queda bruta e Potência no gerador elétrico O conceito utilizado para turbinas é a potência elétrica nos terminais do gerador É a potência hidráulica multiplicada pelo rendimento da turbina ηt rendimento de transmissao ηTR e rendimento do gerador ηge O produto dos três rendimentos é o rendimento global ηG 106 643 Rendimento de uma turbina a Rendimento total A potência efetiva se relaciona com a potência hidráulica por meio do rendimento total da instalação que é sempre menor que 1 Como é difícil a determinação das perdas é usual adotarse outra grandeza denominada de rendimento total a qual permite avaliar estas perdas A tabela 62 mostra os rendimentos orientativos para turbinas Tabela 62 Rendimentos orientativos para turbinas Fonte Alé 2001 b Rendimento do gerador ηge Tem a relação mostrada a seguir e fica na faixa de 90 a 97 107 c Rendimento da transmissão ηTR O rendimento da transmissão diz respeito às perdas provocadas pela potência entregue pelo eixo da turbina e a potência recebida pelo gerador Neste processo podem ocorrer perdas caso a transmissão seja feita por polias e correias ou outro elemento de transmissão que possam ser usados d Rendimento de geração ηG O rendimento de geração está relacionado com as perdas no gerador que fazem com que a potência elétrica entregue pelo gerador seja diferente da potência recebida por este conforme a tabela 63 Tabela 63 Rendimento global ηG de geração de turbinas hidráulicas Fonte Alé 2001 65 Curvas Características Assim como as bombas as turbinas hidráulicas são constituídas de um rotor formado por pás e um sistema de guias O distribuidor que pode ser constituído de um sistema de pás móveis em torno do rotor ou de um ou mais injetores O distribuidor tem por finalidade direcionar e conduzir a água até o rotor Ao contrário do que ocorre na bomba a água ao deslocarse dentro da turbina com uma certa velocidade e energia de pressão transforma sua energia em trabalho motor da turbina 108 Parte da pressão provinda da água é responsável pelo seu aumento de velocidade dentro do distribuidor de modo que ela ainda possua energia de pressão quando em contato com as pás do rotor Durante a passagem da água pelo rotor a pressão da água é reduzida e consequentemente sua velocidade aumenta ainda mais Esse acréscimo de velocidade em contato com as pás é responsável pela rotação do eixo da turbina A Figura 65 apresenta as curvas características de uma bomba mantendose uma velocidade constante sendo todos os seus parâmetros H P η e Q apresentados em porcentagem em relação ao seu ponto de operação ótimo Ponto de ocorrência do maior rendimento da máquina Fonte Adaptado de Monterrey 1974 Figura 65 Curvas características de uma bomba centrífuga em função da Vazão 109 O projeto de uma turbina deve ser levado em conta sua potência e ponto de operação para que seja definida a curvatura das pás e seu dimensionamento tornando seu rendimento o maior possível Essas curvas são mostradas nas Figuras 66 67 68 69 e 610 Como pode ser notado na Figura 66 a turbina lenta é mais apropriada quando há maiores variações em sua velocidade A Fig 67 mostra que a potência é diretamente proporcional à vazão enquanto que o rendimento após o seu ponto ótimo à medida que a vazão aumenta é reduzido Por meio desta figura concluise que a partir da potência ótima da máquina à medida que esta aumenta o rendimento diminui A Figura 69 apresenta a variação da potência da turbina com a sua velocidade A Figura 610 apresenta a vazão em função da velocidade da turbina Para o caso de turbina Francis lenta observase que à medida que a velocidade da turbina aumenta a sua vazão diminui Com essas figuras podese concluir a importância de um bom projeto da turbina para que ela sempre opere em seu estado ótimo não ocorrendo queda no rendimento da mesma 110 Fonte BARBOSA 2006 Figura 66 Curva característica de uma turbina Francis Rendimento η x Velocidade angular n Fonte BARBOSA 2006 Figura 67 Curva característica de uma turbina Francis Rendimento e Potência x Vazão 111 Fonte BARBOSA 2006 Figura 68 Curva característica de uma turbina Francis Rendimento x Potência Fonte BARBOSA 2006 Figura 69 Curva característica de uma turbina Francis Potência x Velocidade angular 112 Fonte BARBOSA 2006 Figura 610 Curva característica de uma turbina Francis Vazão x Velocidade angular Cavitação nas turbinas Lembrando sobre cavitação Como falamos no conteúdo sobre bombas a cavitação é a formação de bolhas de vapor no líquido que flui através de qualquer turbina hidráulica Ela ocorre quando a pressão estática do líquido cai abaixo da sua pressão de vapor É mais provável que ocorra perto das lâminas de movimentação rápida das turbinas e na região de saída das turbinas Quais as causas da cavitação O líquido entra nas turbinas hidráulicas em alta pressão Esta pressão é uma combinação de componentes estáticos e dinâmicos A pressão dinâmica do líquido é dada pela virtude da velocidade do fluxo e do outro componente a pressão estática é a pressão real que o fluido aplica e que é atuada sobre ele A pressão estática governa o processo de formação de bolhas de vapor ou de ebulição Assim a cavitação pode ocorrer perto das lâminas de movimentação rápida da turbina onde a cabeça dinâmica local aumenta devido à ação das lâminas que faz com que a pressão estática caia 113 A cavitação também ocorre na saída da turbina pois o líquido perde a maior parte de sua pressão e qualquer aumento na pressão dinâmica levará a queda na pressão estática causando cavitaçã Como evitar a cavitação Levantar o problema é importante mas saber resolvêlo é melhor ainda Desta forma para evitar a cavitação durante o funcionamento os parâmetros das turbinas hidráulicas devem ser configurados de modo que em qualquer ponto de fluxo a pressão estática não caia abaixo da pressão de vapor do líquido Os parâmetros para controlar a cavitação são a pressão a vazão e a pressão de saída do líquido Os parâmetros de controle para operação livre de cavitação de turbinas hidráulicas podem ser obtidos por meio da realização de testes nos protótipos da turbina a ser usado Quando a cavitação começa a subir a eficiência da turbina cai significativamente Por esta razão ela deve ser evitada durante o funcionamento das turbinas hidráulicas A separação do fluxo na saída da turbina no tubo de descarga causa vibrações que podem danificar o tubo de descarga Para amortecer a vibração e estabilizar o fluxo de ar é injetado no tubo de descarga Para evitar totalmente a separação do fluxo e a cavitação no tubo de descarga ele é submerso abaixo do nível da água na tração de cauda Conclusão Este bloco mostrou o universo das turbinas hidráulicas começando pela sua classificação seus tipos suas equações para cálculo da velocidade específica perdas potência e rendimento suas curvas características e sua cavitação Todos estes aspectos proporcionam um projeto e uma operação de Hidráulica Industrial com bastante balanceamento e eficiência 114 REFERÊNCIAS ALÉ J V Turbinas Hidráulicas In Sistemas Fluidomecâmicos PUCRS 2001 BARBOSA B H Instrumentação Modelagem Controle e Supervisão de um Sistema de bombeamento de Água e Módulo TurbinaGerador 2006 Disponível em httpsbitly2WYnsSH Acesso em 18 jul2020 MAGALHÃES H Entendendo as turbinas Zona da Elétrica 2019 Disponível em httpsbitly39yD4Bm Acesso em 18 jul 2020 MECÂNICA INDUSTRIAL Cavitação em turbinas hidráulicas causas e efeitos Disponível em httpsbitly3g9mH0r Acesso em 18 jul 2020 MONTERREY N L Turbomáquinas Hidráulicas princípios fundamentales 1974