Maquinas Hidraulicas

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1. Introdução
Neste capítulo irá se estudar sobre as máquinas hidráulicos, um dos exemplos mas práticos é a bomba hidráulica que é um dispositivo que adiciona energia aos líquidos, tomando energia mecânica de um eixo, de uma haste ou de um outro fluido, ar comprimido e vapor são os mais usuais. É geralmente aceite que o líquido possa ser uma mistura de líquidos e sólidos, nas quais a fase líquida prepondera. Outras máquinas destinadas a adicionar energia aos fluidos na forma de vapor e gases só são chamadas de bombas apenas. Como exemplos, há a bomba de vácuo, destinada a esgotar ar e gases, e a bomba de ar, destinada a encher peneus dos automóveis, bolas de futebol, brinquedos e botes infláveis, etc. As máquinas que se destinam a manusear ar, gases ou vapores são normalmente chamadas pelos técnicos de ventiladores ou ventoinhas, sopradores ou compressores. Outro grande exemplo das máquinas hidráulicas são as turbinas hidráulicas projectadas especificamente para transformar a energia hidráulica em trabalho mecânico (energia eléctrica), que desde o final do século XIX elas são usadas quase que exclusivamente para accionar geradores eléctricos — quer isoladamente, em fazendas e outros locais isolados, quer agrupadas em usinas ou centrais hidreléctricas.
2. Máquinas Hidráulicas
Máquinas Hidráulicas são máquinas que trabalham fornecendo, retirando ou modificando a energia do líquido em escoamento.
2.1. Classificação das Máquinas Hidráulicas
As máquinas hidráulicas podem ser classificadas em:
a) Máquinas Operatrizes - introduzem no líquido em escoamento a energia externa, ou seja, transformam energia mecânica fornecida por uma fonte (um motor eléctrico, por exemplo) em energia hidráulica sob a forma de pressão e velocidade (exemplo: bombas hidráulicas);
b) Máquinas Motrizes - transformam energia do líquido e a transferem para o exterior, isto é, transformam energia hidráulica em outra forma de energia (exemplos: turbinas, motores hidráulicos, rodas d’água);
c) Mistas - máquinas que modificam o estado da energia que o líquido possui (exemplos: os ejectores e carneiros hidráulicos).
2.2. Bombas Hidráulicas
2.2.1. Definição
Bombas são máquinas operatrizes hidráulicas que fornecem energia ao líquido com a finalidade de transportá-lo de um ponto a outro. Normalmente recebem energia mecânica e a transformam em energia hidráulica.
2.2.2. Constituição das Bombas
Existem três partes fundamentais na bomba:
a) Corpo (carcaça), que envolve o rotor, acondiciona o fluído, e direcciona o mesmo para a tubulação de recalque;
b) Rotor (impelidor), constitui-se de um disco provido de pás (palhetas) que impulsionam o fluído;
c) Eixo de accionamento, que transmite a força motriz ao qual está acoplado o rotor, causando o movimento rotativo do mesmo. Antes do funcionamento, é necessário que a carcaça da bomba e a tubulação de sucção estejam totalmente preenchidas com o fluído a ser bombeado.
2.2.3. Classificação das Bombas
As bombas podem ser classificadas em duas categorias, a saber:
· Turbo-Bombas, Hidrodinâmicas ou Rotodinâmicas - 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 directamente pela movimentação de um dispositivo mecânico da bomba, que induz ao líquido um movimento na direcção 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.
São exemplos de bombas rotodinâmicas as conhecidíssimas bombas centrífugas e de bombas volumétricas as de êmbolo ou alternativas e as rotativas.
 Figura 1: Esquemas de bombas volumétricas, fonte [Fonte: Alé, 2001]
Bombas Centrífugas
Bombas Centrífugas são bombas hidráulicas que têm como princípio de funcionamento a força centrífuga através de palhetas e impulsores que giram no interior de uma carcaça estanque, jogando líquido do centro para a periferia do conjunto girante.
Figura 2: Corte esquemático de uma bomba centrífuga típica, fonte [Fonte: Alé, 2001]
O princípio fundamental da bomba centrífuga foi demonstrado por Demour em 1730 em forma de dois tubos retos em forma de Tê; o qual é posto em rotação:
Figura 3: Tubo em T (Demour em 1730), fonte [Fonte: Alé, 2001]
A rotação do componente horizontal ao Tê gera uma força centrífuga, que é capaz de ultrapassar o peso do líquido. A teoria das bombas centrífugas se baseia no princípio da conservação da quantidade de momento angular.
2.2.4. Classificação Quanto à Direcção do Escoamento do Líquido no Interior da Bomba
a) O Radial ou Centrífuga Pura, quando o movimento do líquido é na direcção 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);
b) O Diagonal ou de Fluxo Misto, quando o movimento do líquido é na direcção inclinada em relação ao eixo da bomba (empregadas em grandes vazões e pequenas e médias alturas, estruturalmente caracterizam-se por serem bombas de fabricação muito complexa); o axial ou helicoidais, quando o escoamento desenvolve-se de forma paralela ao eixo (especificadas para grandes vazões - dezenas de m3/s - e médias alturas - até 40 m);
2.2.5. Classificação Quanto à Estrutura do Rotor
a) O aberto (para bombeamentos de águas residuárias ou bruta de má qualidade);
b) O semi-aberto ou semi-fechado (para recalques de água bruta sedimentada);
c) O fechado (para água tratada ou potável) .
Figura 4: Tipos de rotores, fonte [Fonte: Alé, 2001]
2.2.6. Classificação Quanto ao Número de Rotores
a) Estágio único;
b) O 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 kg/cm2, de acordo com a quantidade de estágios da bomba.
2.2.7. Velocidade Específica, Potência e Eficiência da Bomba
 s = velocidade específica, rpm
n = rotação, rpm
Q = vazão, m³/s
Hm = altura manométrica total, m
Fisicamente, a velocidade específica de uma bomba, representa a rotação que uma bomba semelhante deve ter para bombear uma vazão de 1m³/s, contra uma altura total de 1m.
Para uma mesma bomba, não varia com a rotação. O valor de calculado pela fórmula acima é independente do líquido bombeado. Os rotores destinados a grandes alturas manométricos têm geralmente, uma baixa velocidade específica. Para pequenas alturas geralmente ns é alto. A potência fornecida pela bomba ao sistema hidráulico é dada por:
Onde: é a carga total adicionada ao líquido na saída da bomba.
A eficiência da bomba é dada por:
Onde: Psaída motor = Pentrada bomba
Exemplo 1:
Uma bomba centrífuga impulsiona uma vazão de 2,5m³/s e adiciona uma carga de 20m ao sistema, se a bomba opera com 85% de eficiência, determine a potência na entrada da bomba:
2.2.8. Instalações de Recalque
O conjunto constituído pelas canalizações e pelos meios mecânicos de elevação denomina-se sistema de recalque: suas partes principais são:
· Tubulação de sucção
· Conjunto moto-bomba
· Tubulação de recalque
Figura 5: Esquema de elevação de um fluído, fonte [Fonte: Alé, 2001].
A altura de sucção (Hs) corresponde à distância na vertical do nível d’água no reservatório de onde se está bombeando até o eixo da bomba. Dependendo da posição do eixo da bomba em relação ao nível d’água do reservatório, Hs pode ser positiva:
Figura 6: Altura da sucção positiva [Fonte: Alé, 2001].
Ou negativa:
Figura 7: Altura da Sucção negativa, fonte [Fonte: Alé, 2001].
A altura de recalque (Hr) é a distância vertical do eixo dabomba ao ponto de descarga do recalque (se o recalque for afogado, tomamos como referência o nível d’água do reservatório superior).
Escorvamento de uma bomba: antes de por em funcionamento qualquer bomba, deve-se encher a canalização de sucção com o líquido a ser bombeado. As peças dentro da bomba dependem da lubrificação que lhes é fornecida pelo líquido a ser bombeado. A operação de substituição do ar por líquido é denominada escorvamento.
Uma bomba é denominada afogada ou submersa, quando é instalada com eixo abaixo do nível d’água do reservatório (altura de sucção negativa). Neste caso ela fica automaticamente escorvada. Quando não é o caso, deve-se usar mecanismos que induzam ao escorvamento tais como válvulas de pé, ejetores e bombas de vácuo.
A altura geométrica (HG), é dada por:
HG = Hr + Hs
Em operação, verificam-se perdas de carga distribuídas e localizadas nas tubulações de sucção e recalque. (ver figura 5).
A altura manométrica é dada por:
Hm = HG + Σhs + Σhr
Somatório das perdas de carga localizadas e distribuídas ao longa da canalização.
ou Hm = HG + hf + hL
A potência de um conjunto moto-bomba é dada por:
Onde: 
P = potência em C.V. ( o qual é praticamente igual a H.P).
 = peso específico do líquido em Kgf/m³.
Q = vazão a ser bombeada (em m³/s).
 = rendimento do conjunto moto-bomba.
 = motor x bomba 
2.3. Turbinas ou Geradores Hidráulicos
Turbinas são equipamentos que tem por finalidade transformar a energia de escoamento (hidráulica) em trabalho mecânico. Pela definição, inicialmente dada, são 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. Consiste basicamente de um sistema fixo hidráulico e de um sistema rotativo hidromecânico destinados, respectivamente, à orientação da água em escoamento e à transformação em trabalho mecânico.
2.3.1. Características Construtivas
Estes equipamentos são compostos por um distribuidor, um rotor, um tubo de sucção e a carcaça (ou voluta). Como parte da instalação de uma máquina destas pode-se destacar ainda o reservatório, a tubulação forçada e o canal de fuga. O distribuidor é um elemento estático que tem por funções: 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 a 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 tem-se o reservatório, que armazena o fluido que passará pela turbina. A tubulação forçada que 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.
2.3.2. Tipos de Turbinas
As turbinas podem ser classificadas em turbinas de ação (ou impulso) e em turbinas de reação. Este 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 (Fig.8)
Figura 8 – Turbinas Pelton (esquerda), Turgo (centro) e Michell-Blanki (direita) [Fonte: Alé, 2001]
Já no segundo grupo ocorre redução da pressão estática ao atravessar o rotor. Exemplos são as turbinas Francis, Kaplan e Hélice (Fig.9). 
Figura 9 – Turbinas Francis (esquerda), Kaplan (centro) e Hélice (direita) [Fonte: Alé, 2001]
Pode-se classificar as turbinas conforme a direção do fluxo através do rotor, podendo ser de fluxo tangencial (ex. Pelton), fluxo radial semi-axial (ex. Francis) e fluxo axial (ex. Kaplan). Ou então, de modo geral, como sugere a Figura 9.
Figura 9 – Classificação das turbinas hidráulicas [Fonte: Alé, 2001]
2.3.3. Turbinas Francis
Essa turbina recebe o nome do engenheiro inglês James Bicheno Francis (1815-1892) que a concebeu em 1848. Foi resultado do aperfeiçoamento da turbina Dowd, patenteada em 1838 por Samuel Dowd (1804-1879). 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, aproxima-se 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 extra-rápida.
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 m3/s.
2.3.4. Turbinas Kaplan
Essa turbina recebe o nome do engenheiro austríaco Victor Kaplan (1876-1934) que a concebeu em 1912. 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.
2.3.5. 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 d’água 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 ao 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, desviando-o 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 sobrepressão 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.
2.3.6. 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 d’água” e em usinas maré-motrizes.
· Turbina tubular: o rotor, de pás fixas ou orientáveis, é colocado num tubo por onde a água escoa. Oeixo, horizontal ou inclinado, aciona um alternador externo ao tubo;
· Turbina de bulbo: é 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 detransmissão de engrenagens, que transmite movimento do eixo da hélice ao alternador; e
· Turbina Straflo: é uma turbina de escoamento retilíneo (straight flow) de volume reduzido. Adequadas para quedas de até 40 m e rotor de até 10 m de diâmetro. Reduz bastante ocusto das obras de construção civil.
Figura 10 – Turbinas Pelton (A), Francis (B) e Kaplan (C), [Fonte: Alé, 2001]
3. Conclusão
Uma máquina hidráulica é um dispositivo capaz de converter energia hidráulica em energia mecânica, eles podem ser motores (turbinas) ou geradores (bombas), modificando a energia total da veia do fluido que os cruza. No estudo de turbomáquinas hidráulicas, os efeitos do tipo térmico não são levados em conta, embora às vezes haja a necessidade de recorrer a certos conceitos termodinâmicos; todos os fenómenos estudados estarão em regime permanente, caracterizado por uma velocidade de rotação da máquina e um fluxo, constantes. Em uma máquina hidráulica, a água troca energia com um dispositivo mecânico de revolução que gira em torno de seu eixo de simetria; este mecanismo transporta uma ou várias rodas (impulsores ou rotores), providas de palhetas, de modo que entre elas existam espaços ou canais livres, através dos quais água Os métodos utilizados para o seu estudo são análise analítica, experimental e dimensional. O método analítico é baseado no estudo do movimento do fluido através das lâminas, de acordo com os princípios da Mecânica dos Fluidos. O método experimental é baseado na formulação empírica de hidráulica e experimentação. A análise dimensional oferece grupos de relações entre as variáveis ​​que intervêm no processo, confirmando os coeficientes de operação das turbomáquinas, bem como os diferentes números sem dimensões que fornecem informações sobre a influência das propriedades do fluido em movimento através dos órgãos que as compõem.
4. Referências Bibliográficas
Al-Jazari, The Book of Knowledge of Ingenious Mechanical Devices : Kitáb fí ma'rifat al-hiyal al-handasiyya, translated by P. Hill (1973). Springer. 
Edson Ezequiel de Mattos e Reinaldo de Falco, Bombas Industriais - 2a. ed. - Rio de Janeiro: Interciência, 1998.
Epaminondas Pio Correia Lima, Mecânica das Bombas, 2ª edição, Rio de Janeiro: Interciência, 2003.
Stephanie Dalley and John Peter Oleson (January 2003). "Sennacherib, Archimedes, and the Water Screw: The Context of Invention in the Ancient World", Technology and Culture 44 (1).
 
QUITELA, A (2007) "Hidráulica". Fundação Gulbenkian, Lisboa.
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