atividade 4 máquinas hidráulicas

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• Pergunta 1 
1 em 1 pontos 
 
O projeto mais eficiente de uma turbina de impulso foi desenvolvido pelo 
engenheiro Pelton, em 1878, e, de maneira geral, consistiu em um bocal 
que convergia fluido em alta velocidade, ou seja, alta energia cinética sobre 
as pás que estavam acopladas a uma roda. A figura a seguir mostra que as 
pás foram projetadas para dividir o fluxo em duas metades, de modo que a 
máxima quantidade de movimento pudesse ser transferida: 
 
 
 
Figura – Vista lateral da turbina hidráulica de Pelton (a) e vista lateral da Pá 
sendo atingida por um jato de fluido. 
Fonte: Çengel e Cimbala (2015, p. 689). 
#PraCegoVer : na parte inferior da figura, observa-se a vista lateral de um 
bocal, com um jato de fluido horizontal saindo da esquerda para a direita e 
colidindo contra uma pá. No centro da pá, há um divisor de fluxo. Na parte 
superior da figura, observa-se a vista lateral de outro bocal, com um jato de 
fluido horizontal saindo da esquerda para a direita e colidindo contra uma 
pá, a qual está acoplada a uma roda chamada “roda de Pelton”. No centro 
da roda, há um círculo que representa o eixo de rotação da roda. 
Contornando o eixo no sentido anti-horário, há uma seta curva, que mostra 
o sentido de rotação. A distância entre o centro do eixo e o centro das pás é 
denominada “raio”. 
 
Com base nas informações apresentadas e nos seus conhecimentos sobre 
o cálculo de potência em uma turbina Pelton, analise as asserções a seguir 
e a relação proposta entre elas: 
 
I. Ao derivar a equação em relação à velocidade linear da pá, ou 
seja, , temos que a potência máxima será atingida quando a velocidade 
linear da pá for igual à metade da velocidade do jato. Essa potência é 
chamada de potência teórica máxima. 
POIS 
II. A equação não inclui perdas devido ao atrito, à falta de alinhamento 
entre as pás e ao fluxo de fluido, dentre outros fatores que afetam a 
eficiência de uma turbina real. 
 
Agora, assinale a alternativa correta: 
 
Resposta 
Selecionada: 
 
As asserções I e II são proposições verdadeiras, e a II 
é uma justificativa correta da I. 
Resposta Correta: 
 
As asserções I e II são proposições verdadeiras, e a II 
é uma justificativa correta da I. 
Comentário 
da resposta: 
Resposta correta. A alternativa está correta, pois a 
asserção I, de fato, é verdadeira. Analisando a equação 
de potência para a turbina hidráulica e realizando sua 
derivação em relação à velocidade linear da pá, temos 
que a potência máxima é atingida para . Além disso, 
realmente, a asserção II também é verdadeira e justifica 
corretamente a I, pois a expressão citada não leva em 
consideração as perdas devido ao atrito, à falta de 
alinhamento entre as pás e ao fluxo de fluido, dentre 
outros fatores que afetam a eficiência de uma turbina 
real. 
 
• Pergunta 2 
1 em 1 pontos 
 
As válvulas são classificadas com base em sua função dentro da instalação. 
Podem ser de bloqueio, de regulagem, unidirecionais e de controle de 
pressão a montante ou a jusante. Elas possuem a importante finalidade de 
controlar e bloquear a vazão de fluido em uma instalação hidráulica. Sua 
presença afeta as perdas de carga, o custo e a manutenção de toda a 
instalação. 
 
Com relação aos tipos e aos princípios de funcionamento das válvulas, 
analise as afirmativas a seguir e assinale V para Verdadeiro e F para Falso: 
 
I. ( ) Os principais tipos de válvulas de controle a jusante são: as ventosas, 
as redutoras, as reguladoras e as quebra vácuo. 
II. ( ) As válvulas de controle de pressão a montante entram em ação assim 
que o valor de pressão na linha e a montante alcança o valor de referência. 
III. ( ) As válvulas de pressão a jusante 
têm como finalidade realizar o bloqueio ou estabelecer a vazão de fluido, ou 
seja, são totalmente fechadas ou abertas. 
IV. ( ) As válvulas unidirecionais invertem o sentido de escoamento do 
fluido, pois trabalham de acordo com a diferença de pressão da entrada com 
a saída. 
 
Agora, marque a alternativa que apresenta a sequência correta: 
 
Resposta Selecionada: 
V, V, F, V. 
Resposta Correta: 
V, V, F, V. 
 
Comentário 
da resposta: 
Resposta correta. A sequência está correta, pois as 
válvulas dos tipos ventosa, redutora, reguladora e quebra 
vácuo fazem parte dos principais tipos de válvulas de 
controle a jusante. Além disso, realmente, as válvulas de 
controle de pressão a montante entram em ação assim 
que o valor de pressão na linha e a montante alcança o 
valor de referência. Por fim, de fato, as válvulas 
unidirecionais têm a capacidade de inverter o sentido de 
escoamento do fluido, já que são acionadas pela 
diferença de pressão entre a entrada e a saída. 
 
• Pergunta 3 
1 em 1 pontos 
 
A velocidade específica é definida como a relação entre o coeficiente de 
potência e o coeficiente de carga, como mostra a seguinte equação: 
 
A figura a seguir mostra a eficiência máxima como função da velocidade 
específica para os três tipos principais de turbina: 
 
Figura – Gráfico de rendimento das principais turbinas hidráulicas versus 
velocidade específica 
Fonte: Çengel e Cimbala (2015, p. 704). 
#PraCegoVer : a figura apresenta um gráfico que relaciona a eficiência 
máxima como função da velocidade específica para os três tipos principais 
de turbina. À esquerda, encontra-se o eixo vertical dos rendimentos, em 
ordem crescente, de baixo para cima, com os seguintes valores: 0,5, 0,6, 
0,7, 0,8, 0,9 e 1. Na região inferior, encontra-se o eixo horizontal, com as 
potências em ordem crescente, da esquerda para a direita, e os seguintes 
valores: 0,01, 0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1, 2, 5 e 10. Na região central do 
gráfico, da esquerda para a direita, são expostos os seguintes tipos de 
turbina: impulso, Francis e Kaplan. 
Com base nos seus conhecimentos sobre o assunto, na expressão 
matemática de velocidade específica e na análise da figura apresentada, 
leia as afirmativas a seguir e assinale V para Verdadeiro e 
F para Falso: 
 
I. ( ) Duas turbinas hidráulicas mecanicamente semelhantes possuem os 
mesmos valores de velocidade específica. 
II. ( ) As turbinas do tipo Kaplan operam com maiores velocidades 
específicas, quando comparadas às turbinas Francis e de impulso. 
III. ( ) A mudança na massa específica do fluido não alterna o cálculo de 
velocidade específica da turbina hidráulica. 
IV. ( ) As turbinas de impulso operam com menores velocidades 
específicas, quando comparadas às turbinas Francis e Kaplan. 
 
 
Agora, marque a alternativa que apresenta a sequência correta: 
Resposta Selecionada: 
V, V, F, V. 
Resposta Correta: 
V, V, F, V. 
Comentário 
da resposta: 
Resposta correta. A sequência está correta. De fato, 
quando duas turbinas hidráulicas são mecanicamente 
semelhantes, elas terão os mesmos valores de velocidade 
específica. Analisando-se a imagem, é possível notar que 
a turbina do tipo Kaplan se encontra localizada na região 
com maiores valores de velocidade específica. Já a 
turbina de impulso está localizada na faixa de 
velocidades específicas menores. 
 
 
• Pergunta 4 
0 em 1 pontos 
 
Um parâmetro importante que pode apoiar a seleção de uma turbina 
hidráulica é a velocidade específica. Sua definição tem como base a teoria 
da semelhança mecânica, e sua expressão matemática é fornecida a seguir: 
 
 
O fluido de operação é a água, com massa específica igual a 998 kg/m³, e a 
rotação do protótipo é de 160 rpm (16,75 rad/s). Ademais, no ponto de 
máxima eficiência, a queda bruta é de 200 m, e a potência é de 400 MW. 
 
Diante do exposto, assinale a alternativa correta sobre a velocidade 
específica para o referido protótipo de turbina hidráulica: 
 
Resposta Selecionada: 
86,2. 
Resposta Correta: 
0,86. 
Comentário da 
resposta: 
Sua resposta está incorreta. A alternativa está incorreta. 
Ao substituir os dados fornecidos pelo enunciado da 
questão na equação de velocidadeespecífica, , 
temos que: 
 
= . Assim, a velocidade específica para a 
turbina protótipo será de . 
 
 
• Pergunta 5 
1 em 1 pontos 
 
A figura a seguir mostra um rotor de cinco pás de uma turbina Kaplan 
utilizada na hidrelétrica de Warwick, em Cordele, GA. O rotor tem um 
diâmetro de 12,7 pés (3,87 m). A turbina gira a 100 rpm (10,46 rad/s) e 
produz 5,37 MW de potência, com uma vazão de 63,7 m³/s e carga líquida 
de 9,75 m. 
 
Figura – Foto de um rotor com cinco pás de uma turbina Kaplan 
Fonte: Çengel e Cimbala (2015, p. 694). 
#PraCegoVer : a figura apresenta uma fotografia em preto e branco de um 
rotor com cinco pás e um diâmetro de 12,7 pés (3,87 m) de uma turbina 
Kaplan utilizada na hidrelétrica de Warwick, em Cordele, GA. À direita da 
fotografia, temos um homem trabalhando. 
 
Sobre a turbina Kaplan descrita no enunciado, assinale a alternativa correta: 
 
Resposta 
Selecionada: 
 
Nas condições de operação descritas no enunciado da 
questão, a turbina Kaplan terá uma velocidade 
específica igual a, aproximadamente, 2,5. 
Resposta 
Correta: 
 
Nas condições de operação descritas no enunciado da 
questão, a turbina Kaplan terá uma velocidade 
específica igual a, aproximadamente, 2,5. 
Comentário 
da resposta: 
Resposta correta. A alternativa está correta. De fato, ao 
substituir os dados fornecidos pelo enunciado da 
questão na equação de velocidade específica, , 
temos o seguinte: 
 
= . Assim, a velocidade específica para a turbina 
será de, aproximadamente, . 
 
 
• Pergunta 6 
0 em 1 pontos 
 
Em uma represa hidrelétrica que faz uso de uma turbina de reação Francis 
para produção de energia elétrica, a carga bruta H bruta é de 200 m, e a 
vazão volumétrica de água na turbina é de 100 m³/s. Considere, ainda, a 
massa específica da água sendo igual a 1.050 kg/m³ e g = 9.8 m/s². 
Agora, assinale a alternativa correta sobre a potência ideal gerada no eixo 
na saída da turbina: 
 
Resposta Selecionada: 
205,8 W. 
Resposta Correta: 
205,8 MW. 
Comentário 
da resposta: 
Sua resposta está incorreta. A alternativa está incorreta, 
pois a expressão matemática para calcular a potência 
ideal gerada pela turbina é a seguinte: 
 
Onde: 
W = potência de eixo na saída da turbina em (w). 
= massa específica do fluido em (kg/m³). 
 = vazão em (m³/s). 
= altura ou carga bruta total em (m). 
Substituindo os dados fornecidos pelo enunciado da 
questão na equação, temos: 
W = 1.050 x 9,8 x 100 x 200 = 205,8 MW 
 
• Pergunta 7 
1 em 1 pontos 
 
Grande parte das curvas características de uma turbina hidráulica são 
geradas experimentalmente. A figura a seguir mostra o traçado de um 
gráfico diagrama que relaciona a potência de uma turbina Pelton com a sua 
rotação, evidenciando as linhas de isoeficiência. As curvas ilustradas foram 
obtidas mantendo-se constante a altura de queda líquida e variando a 
vazão: 
 
Figura - Traçado da curva característica que relaciona a potência de uma 
turbina Pelton com a sua rotação. 
Fonte: Elaborada pelo autor. 
#PraCegoVer : a figura apresenta um diagrama esquemático de potência 
em função da rotação das turbinas Pelton. O eixo vertical representa 
potência, e o horizontal, rotação. O gráfico ilustra quatro parábolas, com 
início na origem dos eixos. Iniciando de baixo para cima, a parábola menor 
intercepta o eixo horizontal na letra alfa 1. Um pouco acima, a segunda 
parábola intercepta o eixo das rotações em alfa 2. Mais acima, a terceira 
parábola intercepta o eixo horizontal em alfa 3, e a quarta parábola 
intercepta o eixo horizontal na sigla alfa 4. São traçadas, também, quatro 
curvas de isorrendimento ou isoeficiência n1, n2, n3 e n4. Na região central 
da figura, encontra-se a primeira curva de isoeficiência, em formato oval, 
chamada n4. A curva oval n4 está dentro da curva de isorrendimento n3. A 
curva de isorrendimento n2 é maior e engloba as duas curvas anteriores. 
Por último, observa-se, na região esquerda e inferior da figura, uma 
pequena parte da curva n1. 
 
 
Com base nas informações apresentadas, analise as asserções a seguir e a 
relação proposta entre elas: 
 
I. Todos os pontos de operação situados sobre uma mesma linha de 
isoeficiência apresentam o mesmo rendimento. 
POIS 
II. Qualquer ponto sobre uma linha de isoeficiência ou isorrendimento 
apresenta a mesma potência. 
 
Agora, assinale a alternativa correta: 
Resposta 
Selecionada: 
 
A asserção I é uma proposição verdadeira, e a 
asserção II é uma proposição falsa. 
Resposta Correta: 
A asserção I é uma proposição verdadeira, e a 
asserção II é uma proposição falsa. 
Comentário 
da resposta: 
Resposta correta. A alternativa está correta, pois a 
asserção I, de fato, é verdadeira. Todos os pontos de 
operação situados sobre uma mesma linha de 
isoeficiência terão o mesmo rendimento ou eficiência. 
Por sua vez, a asserção II é falsa, já que, com base na 
análise do gráfico, é possível notar que pontos diferentes 
sobre uma mesma linha de isoeficiência poderão 
apresentar valores diferentes de potência. 
 
 
• Pergunta 8 
1 em 1 pontos 
 
As turbinas hidráulicas são dispositivos que consistem em uma carcaça, um 
rotor, um distribuidor e um tubo. Esses equipamentos convertem a energia 
hidráulica do fluido em energia mecânica para que o gerador acoplado a 
transforme em energia elétrica. A voluta (ou carcaça) é o elemento que 
abriga os componentes da turbina, o rotor é o componente responsável 
pelas transformações de energia, e o distribuidor ajuda a direcionar o fluxo, 
contribuindo com os processos de transformação de energia. As turbinas 
hidráulicas podem ser classificadas como de deslocamento positivo ou 
turbinas dinâmicas. 
 
A respeito das turbinas hidráulicas e suas classificações, analise as 
afirmativas a seguir e assinale V para Verdadeiro e F para Falso: 
 
I. ( ) As turbinas de deslocamento positivo, geralmente, são utilizadas para 
medir vazão ou volume de fluido. 
II. ( ) As turbinas dinâmicas podem ser utilizadas tanto para medir vazão 
quanto em processos de geração de energia, sendo classificadas em dois 
 
subtipos: turbinas de ação (impulso) ou de reação. 
III. ( ) Nas turbinas de ação, a pressão estática aumentará dentro do rotor. 
Alguns exemplos são: turbinas Kaplan, turbinas Francis e turbinas Hélice. 
IV. ( ) Nas turbinas de reação, verifica-se uma redução na pressão estática 
do fluido ao passar pelo rotor. Três bons exemplos são: turbinas Kaplan, 
turbinas Francis e turbinas Hélice. 
 
Agora, marque a alternativa que apresenta a sequência correta: 
Resposta Selecionada: 
V, V, F, V. 
Resposta Correta: 
V, V, F, V. 
Comentário 
da resposta: 
Resposta correta. A sequência está correta, pois as 
turbinas de deslocamento positivo, de fato, podem ser 
utilizadas para medir vazão ou volume de um fluido. Já as 
turbinas dinâmicas, além dessa função, podem operar 
em processos de geração de energia, sendo classificadas 
como de ação (impulso) ou de reação. Também é correto 
afirmar que, nas turbinas de reação, haverá uma redução 
na pressão estática do fluido ao passar pelo rotor, sendo 
três bons exemplos, realmente, as turbinas Kaplan, as 
turbinas Francis e as turbinas Hélice. 
 
 
• Pergunta 9 
1 em 1 pontos 
 
As turbinas de reação apresentam subclassificações com base no ângulo 
pelo qual o fluido entra em direção ao rotor. Na turbina Francis radial, o 
fluido entra no rotor radialmente. Quando o fluido escoa em direção ao rotor 
com um ângulo entre o radial e o axial, a turbina Francis é classificada como 
de escoamento misto, sendo o modelo mais utilizado. Caso o rotor não 
tenha cobertura e seja, ao mesmo tempo, de fluxo misto, a denominação 
recebida será turbina de propulsor misto. Por último, caso o fluido entre no 
rotor de maneira axial, o nome recebido será turbina de propulsor axial. 
Todos os tipos apresentados estão ilustradosa seguir: 
 
Figura -(a) escoamento em turbina Francis radial; (b) escoamento em 
turbina Francis mista; (c) escoamento em turbina de propulsor misto; e (d) 
escoamento em turbina de propulsor axial. 
Fonte: Çengel e Cimbala (2015, p. 692). 
#PraCegoVer : a figura apresenta, esquematicamente, as seguintes 
imagens: (a) escoamento em turbina Francis radial; (b) escoamento em 
turbina Francis mista; (c) escoamento em turbina de propulsor misto; e (d) 
escoamento em turbina de propulsor axial. Na região superior esquerda (a), 
são identificados os seguintes elementos: coroa, aleta ajustável, aleta fixa e 
cobertura. Na região superior direita (b), são mostradas a coroa e a 
 
cobertura. Na região inferior esquerda (c), tem-se o desenho de outro rotor, 
com o nome “cubo” indicado. Por fim, na região inferior direita, encontra-se 
uma turbina de propulsor axial, com o nome “coroa” escrito. As regiões 
estão coloridas de cinza, com setas em vermelho encontrando-se pelas 
laterais e saída na região inferior, com objetivo de identificar o sentido do 
fluxo do fluido dentro do rotor. 
Com base nas informações apresentadas, assinale a alternativa correta: 
Resposta 
Selecionada: 
 
A imagem (a) mostra que, na turbina Francis radial, o 
fluido entra no rotor radialmente, percorre o interior e 
sai paralelamente em relação ao eixo. 
Resposta 
Correta: 
 
A imagem (a) mostra que, na turbina Francis radial, o 
fluido entra no rotor radialmente, percorre o interior e 
sai paralelamente em relação ao eixo. 
Comentário 
da resposta: 
Resposta correta. A alternativa está correta, pois a 
imagem (a) mostra que, na turbina Francis radial, de fato, 
o fluido entra no rotor radialmente. Além disso, pode-se 
observar que este mesmo fluido saí do rotor na direção 
axial, ou seja, na mesma direção do eixo. 
Como as subclassificações para as turbinas de reação 
têm como base o ângulo pelo qual o fluido entra em 
direção ao rotor, então, o subtipo de turbina Francis que 
possuir este rotor será classificado como turbina Francis 
radial. 
 
 
• Pergunta 10 
1 em 1 pontos 
 
Ao utilizar 
os parâmetros vazão, queda útil e rotação, é possível ter uma boa 
orientação quanto à seleção de uma turbina hidráulica. Entretanto, para 
compreender de forma mais ampla a faixa de operação de uma turbina, é 
importante ter em vista as suas curvas características, que são obtidas 
experimentalmente. A figura a seguir mostra o traçado de três curvas 
características típicas de uma turbina Pelton: (a) potência x rotação; (b) 
rendimento x rotação; e (c) vazão x rotação. 
 
 
Figura – Traçado das principais curvas características de uma turbina 
Pelton. 
Fonte: Elaborada pelo autor. 
#PraCegoVer : a figura mostra o traçado de três curvas características 
típicas de uma turbina Pelton. A primeira, mais à esquerda (a), relaciona a 
potência da turbina, em seu eixo vertical, com a rotação, em seu eixo 
 
horizontal. O gráfico é, aproximadamente, parabólico, com concavidade 
voltada para baixo, partindo da origem dos eixos, alcançando um máximo e 
decaindo até interceptar o eixo das rotações. A segunda curva, localizada 
na região central, mais à direita (b), relaciona o rendimento da turbina, em 
seu eixo vertical, com a rotação, em seu eixo horizontal. O gráfico é, 
aproximadamente, parabólico, com concavidade voltada para baixo, 
partindo da origem dos eixos, alcançando um máximo e decaindo até 
interceptar o eixo das rotações. Por fim, a terceira curva, mais à direita (c), 
mostra a vazão no eixo vertical e a rotação no eixo horizontal. O gráfico é 
uma reta horizontal que corta o eixo das vazões em um ponto central. 
Com relação às curvas características mais comuns das turbinas 
hidráulicas, analise as afirmativas a seguir e assinale V 
para Verdadeiro e F para Falso: 
 
I. ( ) É comum que as curvas características de uma turbina hidráulica 
sejam geradas experimentalmente, por meio de modelos de menor porte. 
II. ( ) A curva (a) da figura indica que existe uma faixa de rotação que 
fornecerá valores ótimos de potência, na região próxima ao vértice da 
parábola. 
III. ( ) A curva (c) da figura mostra que a vazão volumétrica de fluido 
aumenta conforme cresce a rotação da turbina. 
IV. ( ) A curva (b) da figura indica que existe uma faixa de rotação que 
fornecerá valores ótimos de rendimento, na região próxima ao vértice da 
parábola. 
 
Agora, marque a alternativa que apresenta a sequência correta: 
Resposta Selecionada: 
V, V, F, V. 
Resposta Correta: 
V, V, F, V. 
Comentário 
da resposta: 
Resposta correta. A sequência está correta, pois, 
usualmente, as curvas características de uma turbina 
hidráulica são geradas experimentalmente, por meio de 
modelos de menor porte, tendo em vista a dificuldade em 
realizar simulações com protótipos de tamanho real. As 
curvas (a) e (b) indicam que existe uma faixa de rotação, 
em que é possível observar potências e rendimentos 
máximos, na região próxima ao vértice de cada parábola.