MÁQUINAS HIDRÁULICAS ATIVIDADE 4

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Pergunta 1
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Comentário
da resposta:
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.
 
 
 
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 2
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.
1 em 1 pontos
1 em 1 pontos
Resposta
Selecionada:
 
Resposta
Correta:
 
Comentário
da resposta:
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 3
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Comentário
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:
V, V, F, V.
V, V, F, V.
Resposta correta. A sequência está correta, pois as turbinas de deslocamento positivo, de fato,
1 em 1 pontos
da resposta: 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 4
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:
1 em 1 pontos
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Comentário
da resposta:
V, V, F, V.
V, V, F, V.
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 5
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Comentário
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 6
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
1 em 1 pontos
1 em 1 pontos
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Comentário
da resposta:
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 7
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
1 em 1 pontos
Resposta
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da resposta:
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 8
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Comentário
da resposta:
A análise dimensional, juntamente com as relações de semelhança, pode ser utilizada para
escalar duas turbinas geometricamente semelhantes e, também, para antever o
desempenho de determinada turbina operando em condições de carga manométrica,
vazões e velocidades diferentes.
 
A respeito da análise dimensional e da semelhança mecânica aplicada às turbinas
hidráulicas, analise as afirmativas a seguir e assinale V para Verdadeiro e F para Falso:
 
I. ( ) O parâmetro adimensional coeficiente de carga é dado por .
 
II. ( ) O parâmetro adimensional coeficiente de capacidade é dado por .
 
 
II. ( ) A expressão utilizada para fazer correção do rendimento entre protótipo e modelo é 
 
 
 
IV. ( ) O parâmetro adimensional coeficiente de potência é dado por .
 
 
Agora, marque a alternativa que apresenta a sequência correta:
V, V, F, V.
V, V, F, V.
Resposta correta. A sequência está correta, pois o parâmetro adimensional coeficiente de carga
é, de fato, dado por e representa a relação entre carga líquida e rotação de uma
turbina. Já o coeficiente de capacidade de carga e o coeficiente de potência, são,
respectivamente, e . Esses parâmetros adimensionais dão origem a
1 em 1 pontos
importantes relações matemáticas de semelhança mecânica, além de permitirem, até mesmo, a
dedução da expressão de velocidade específica de uma turbina.
Pergunta 9
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Comentário
da resposta:
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 rotaçãoda 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:
V, V, F, V.
V, V, F, V.
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
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(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.
Pergunta 10
Resposta
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da resposta:
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:
Nas condições de operação descritas no enunciado da questão, a turbina Kaplan terá uma
velocidade específica igual a, aproximadamente, 2,5.
Nas condições de operação descritas no enunciado da questão, a turbina Kaplan terá
uma velocidade específica igual a, aproximadamente, 2,5.
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, .
1 em 1 pontos