GRA0832 - Máquinas Hidráulicas (Atividade 4)

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Curso GRA0832 MÁQUINAS HIDRÁULICAS GR2203-212-9 - 202120.ead-
10038.11
Teste ATIVIDADE 4 (A4)
Iniciado 12/11/21 17:35
Enviado 16/11/21 19:20
Status Completada
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tentativa
10 em 10 pontos 
Tempo decorrido 97 horas, 45 minutos
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Pergunta 1
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
ilustrados a 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
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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:
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.
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 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 2
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,
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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:
A asserção I é uma proposição verdadeira, e a asserção II é uma
proposição falsa.
A asserção I é uma proposição verdadeira, e a asserção II é uma
proposição falsa.
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 3
As turbinas Francis são as mais adequadas para cargas hidráulicas
intermediárias. Em geral, uma Francis de grande porte apresenta, no mínimo, 16
pás de rotor, alcançando eficiência na faixa de 90-95%. A figura a seguir
apresenta um rotor de uma turbina Francis com escoamento radial na
hidrelétrica de Round Butte, em Madras, Oregon, EUA. O rotor possui 17 pás e
diâmetro externo de 11,8 pés (3,6 m). A turbina gira a 180 rpm (18,84 rad/s) e
produz 119 MW de potência a uma vazão de 127 m³/s e uma carga líquida de
105 m.
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Figura - Fotografia em preto e branco de uma turbina Francis de escoamento
radial
 Fonte: Çengel e Cimbala (2015, p. 693).
 #PraCegoVer : a figura apresenta uma fotografia em preto e branco de uma
turbina Francis com escoamento radial na hidrelétrica de Round Butte, em
Madras, Oregon, EUA. O rotor possui 17 pás e diâmetro externo de 11,8 pés (3,6
m). Na parte superior da turbina, há dois homens trabalhando.
 
 Sobre a turbina Francis descrita no enunciado, assinale a alternativa correta:
Nas condições de operação descritas no enunciado da questão, a turbina Francis
terá uma velocidade específica igual a, aproximadamente, 1,09.
Nas condições de operação descritas no enunciado da questão, a turbina
Francis terá uma velocidade específica igual a, aproximadamente, 1,09.
Resposta correta. A alternativa está correta. De fato, ao substituir os dados
fornecidos pelo enunciado da questão na equação de velocidade específica,
, temos que: 
 
 
= . Assim, a velocidade
específica para a turbina protótipo será de .
Pergunta 4
As turbinas hidráulicas também podem ser classificadasde acordo com a
direção do escoamento pelo rotor, a saber: radiais (Francis lenta), axiais (Bulbo),
tangenciais (Pelton) e diagonais (Francis rápida). As usinas hidrelétricas são
exemplos de locais que fazem uso das turbinas hidráulicas para extrair energia
do fluido e produzir energia elétrica.
Sobre as principais turbinas hidráulicas, bem como acerca dos processos de
transformação de energia, assinale a alternativa correta:
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A transformação de energia hidráulica em energia elétrica pode ser dividida em
três etapas, envolvendo as energias potencial gravitacional, cinética e elétrica.
A transformação de energia hidráulica em energia elétrica pode ser
dividida em três etapas, envolvendo as energias potencial gravitacional,
cinética e elétrica.
Resposta correta. A alternativa está correta, pois os processos de conversão de
energia hidráulica em energia elétrica podem ser divididos em três etapas: a
primeira ocorre por meio da conversão de energia potencial gravitacional da água
do reservatório em energia cinética; em seguida, essa energia cinética se
transforma em energia mecânica de rotação das pás da turbina, a qual está
acoplada a um gerador; por fim, o gerador elétrico, consiste em um eixo no qual
estão localizadas as espiras, que giram na presença de um campo magnético
produzido pelo estator, induzindo, assim, tensão e corrente elétrica.
Pergunta 5
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da resposta:
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:
V, V, F, V.
V, V, F, V.
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 6
As relações de semelhança são muito úteis para fazer previsões operacionais
entre turbinas geometricamente semelhantes. As expressões a seguir mostram
as relações envolvendo as grandezas: diâmetro do rotor, altura de queda-d’água
(carga líquida) e vazão volumétrica da turbina hidráulica, do protótipo e do rotor.
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Um protótipo de uma turbina Francis é projetado para operar com carga líquida
de 200 m e vazão de 10 m³/s em uma hidrelétrica, a partir de um modelo com
diâmetro de 160 mm.
No ponto de eficiência máxima, o modelo vai operar com Q M = 8 m³/s e H M =
100 m. O modelo e o protótipo terão a mesma rotação.
 
Diante do exposto, assinale a alternativa correta sobre a vazão do protótipo:
22,6 m³/s.
22,6 m³/s.
Resposta correta. A alternativa está correta. De fato, aplicando-se a equação 
 , é possível encontrar o diâmetro do protótipo: 
 
= 226,3 mm. Em seguida, utiliza-se o diâmetro do protótipo
para encontrar a vazão do protótipo: = 22,6 m³/s.
Pergunta 7
Os tipos de turbinas hidráulicas comerciais mais utilizados são: as turbinas
Pelton, para altas quedas e baixas vazões; as turbinas Kaplan, para baixas
quedas, mas com grandes volumes de água; e as turbinas Francis, para
aplicações que conciliam alturas de quedas e vazões médias. A figura a seguir
mostra um gráfico que relaciona a altura de queda com a vazão volumétrica de
fluido, considerando-se as linhas oblíquas de potência desenvolvidas para cada
modelo de turbina hidráulica:
Figura – Gráfico da queda bruta H versus a vazão volumétrica Q de fluido, usado
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para seleção de turbinas hidráulicas.
Fonte: Henn (2006, p. 32).
#PraCegoVer : a figura apresenta um gráfico que relaciona a altura de queda
com a vazão volumétrica de fluido, levando-se em consideração as linhas
oblíquas de potência desenvolvidas para cada modelo de turbina hidráulica. O
eixo vertical mostra várias alturas em metros e apresenta, em ordem crescente,
de baixo para cima, os seguintes valores: 1, 3, 10, 60, 200, 700 e 1.800. O eixo
horizontal representa a vazão em metros cúbicos por segundo, com os
seguintes valores, em ordem crescente, da esquerda para a direita: 0,01, 0,1, 1,
10, 100 e 1.000. Há, também, seis retas pontilhadas, com inclinação negativa,
indicando a potência. Da esquerda para a direita, em ordem crescente, os
valores indicados em cada uma dessas retas são os seguintes: 10 kW, 100 kW,
1.000 kW, 10.000 kW, 100.000 kW e 1.000.000 kW. Por último, foram
delimitadas áreas de operação para cada turbina. Na região superior da figura,
em amarelo, estão as turbinas Pelton e, mais abaixo, levemente à direita, estão
as turbinas Francis, na área colorida com verde-claro. Embaixo, na região
colorida com verde-escuro, encontram-se as turbinas Dériaz e, imediatamente
abaixo destas e levemente à esquerda, atravessando as regiões alaranjadas e
rosas, estão as turbinas Michell-Banki. Um pouco abaixo e à direita, na região
colorida com azul-claro, estão as turbinas Hélice ou Kaplan.
 
Tendo em vista as principais turbinas hidráulicas, e por meio da análise do
gráfico anterior, assinale a alternativa correta:
Para uma altura de queda-d’água de 700 m e vazão volumétrica de 1 m³/s, a
turbina hidráulica mais indicada é a Pelton.
Para uma altura de queda-d’água de 700 m e vazão volumétrica de 1
m³/s, a turbina hidráulica mais indicada é a Pelton.
Resposta correta. A alternativa está correta, pois, com base no gráfico mostrado, é
possível observar que, para uma altura de queda-d’água de 700 m e vazão
volumétrica de 1 m³/s, a turbina hidráulica mais indicada é, de fato, a Pelton
(região em amarelo).
Pergunta 8
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 dividiro fluxo em duas metades, de modo que a máxima
quantidade de movimento pudesse ser transferida:
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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:
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As asserções I e II são proposições verdadeiras, e a II é uma justificativa
correta da I.
As asserções I e II são proposições verdadeiras, e a II é uma
justificativa correta da I.
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 9
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da resposta:
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:
0,86.
0,86.
Resposta correta. A alternativa está correta. De fato, substituindo-se os dados
fornecidos pelo enunciado da questão na equação de velocidade específica,
, temos que: 
 
 
= . Assim, a velocidade
específica para a turbina protótipo será de .
Pergunta 10
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.
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Agora, assinale a alternativa correta sobre a potência ideal gerada no eixo na
saída da turbina:
205,8 MW.
205,8 MW.
Resposta correta. A alternativa está correta, 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