5 09 ET Bombas hidráulicas

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Máquinas Hidráulicas Aplicadas à 
Engenharia Mecânica 
Claudio Monico Innocêncio 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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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. 
5.1 Itrodução e classificação 
5.1.1 Introdução 
Tem-se como definição de bombas máquinas operatrizes hidráulicas que fornecem 
energia ao líquido com a finalidade de transportá-lo de um ponto a outro. 
Ocorre um recebimento de energia mecânica e a transformam em energia hidráulica. 
Utilizam-se 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 5.1 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. 
 
 
 
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A atmosfera e o fluido no reservatório operam juntos, como no caso de um acumulador. 
 
Fonte: FERREIRA, 2013 
Figura 5.1 - Posicionamento de uma bomba no sistema hidráulico 
Como a velocidade influi na descarga, muitas vezes, avaliam-se 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, observa-se 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. 
 
 
 
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5.1.2 Como se classificam as bombas 
As bombas podem ser classificadas em duas categorias, são elas: 
 Turbo-Bombas, 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, destacam–se 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 5.2): 
 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 caracterizam-se por serem 
bombas de fabricação muito complexa). 
 
 
 
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 Axial ou helicoidais, quando o escoamento se desenvolve de forma paralela 
ao eixo (especificadas para grandes vazões - dezenas de m3/s - e médias 
alturas - até 40 m). 
 
Fonte: FERREIRA, 2013 
Figura 5.2 – Bombas de deslocamento não-positivos 
 Classificação quanto à estrutura do rotor (Figura 5.3): 
 Aberto (para bombeamentos de águas residuárias ou bruta de má qualidade). 
 Semi-aberto ou semi-fechado (para recalques de água bruta sedimentada). 
 Fechado (para água tratada ou potável). 
 
 
 
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MELCONIAN, 2014 
Figura 5.3 – 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 kg/cm2, de acordo com a quantidade de estágios da bomba. 
5.2 Tipos de bombas 
As bombas mais comumente utilizadas são: 
a) Bombas de engrenagens; 
b) Bomba de Engrenagem Externa; 
c) Bomba de Engrenagem Interna; 
 
 
 
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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 5.4). 
 
Fonte: GOMES, 2008 
Figura 5.4 – 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 dentes-sobre-dentes (Figura 5.5). 
 
 
 
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Fonte: GOMES, 2008 
Figura 5.5 - 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 5.6). 
 
Fonte: GOMES, 2008 
Figura 5.6 – 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 5.7). 
 
 
 
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Fonte: GOMES, 2008 
Figura 5.7 - 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 1.200 ou 1.800 rpm. Isso indica 
que a taxa de fluxo da bomba se mantém constante. 
 
Fonte: GOMES, 2008 
Figura 5.8 - 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 
5.9). 
 
 
 
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Fonte: GOMES, 2008 
Figura 5.9 – Bombas de pistão 
h) Bombas de Pistão Axial de Volume Variável: o deslocamentoda bomba de 
pistão axial é determinado pela distância que os pistões são puxados para dentro 
e empurrados para fora do tambor do cilindro (Figura 5.10). 
 
Fonte: GOMES, 2008 
Figura 5.10 - 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 5.11). 
 
 
 
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Fonte: GOMES, 2008 
Figura 5.11 - Bombas de Pistões Radiais 
5.3 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. 
5.3.1 Equação de Euler 
Utiliza aqui o primeiro método, que parte da hipótese de “escoamento congruente nas 
pás”. A equação de Euler é a equação básica para o desenvolvimento/estudo 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); 
 
 
 
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 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 5.12), 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 5.12 - Volume de controle para rotor de máquina geradora 
 
 
 
 
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Assim, o torque teórico para máquinas geradoras é expresso por: 
 
De forma similar, para máquinas motoras: 
 
5.3.2 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 entregue/recebida do fluido somadas às potências perdidas no 
processo. 
 
Sendo que: 
 “Pef“ é a potência eficaz no eixo da máquina. 
 “Pi“ é a potência interna. 
 “Ppm” é a potência mecânica perdida. 
 
 
 
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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), obtêm-se a 
potência interna, que é a potência no eixo de entrada da bomba/ventilador, 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. 
 
 
 
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Assim, pode-se escrever: 
 
 
γ: Peso específico em [N/m3] 
Q: Vazão em volume [m3/s] 
H: Altura de queda ou elevação [m] 
Ph: Potência hidráulica [W] 
g: Gravidade (adota-se nesta apostila o valor de 9,81 m/s2) 
ρ: Massa específica [kg/m3] 
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 hidráulica. 
“Ppi” é a potência perdida interna. 
5.4 Rendimento Hidráulico 
a) Rendimento volumétrico 
Considera as perdas por fuga de fluido e, para determinar isto, usa o rendimento 
volumétrico (volumetric efficiency). 
 
 
 
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Sendo que: 
 “Qt“ é a vazão teórica. 
 “Q” é a vazão considerada no cálculo das alturas de queda e elevação. 
 “qi” é a vazão perdida internamente. 
 
b) Rendimento mecânico: Trata-se 
 do rendimento que considera as perdas externas e sua relação é dada por: 
 
 
Seu valor varia de 0,92 a 0,95 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 0,99. 
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. 
 
 
 
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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. 
5.5 Curvas Características 
5.5.1 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 5.13 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, obtém-se a família de curvas da bomba. 
 
Fonte: Campos, 2019 
Figura 5.13 - Curvas características do rotor de bomba (CCR) 
 
 
 
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A parte instável das curvas H = f(Q) e P = f(Q) 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, verifica-se que, nas bombas radiais, a potência é mínima em 
shut-off (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, deve-se fechar parcialmente a válvula de descarga, 
desligar o motor e fechar rapidamentea válvula de descarga. 
Este procedimento evita a inversão de fluxo e atenua possíveis problemas decorrentes 
do golpe de aríete. 
5.5.2 – 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. 
 
 
 
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 Nesse gráfico, os valores de H estão no eixo vertical e os valores de Q estão no eixo 
horizontal. A curva de H = f(Q) é denominada curva de estrangulação devido ao processo 
adotado para sua determinação experimental, conforme a Figura 5.14. 
 
Fonte: ESPARTEL, 2017. 
Figura 5.14 - 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 
m3/h, é necessário instalar uma bomba do tipo 40-315 (E). 
Agora, se a necessidade for de apenas 10 mca, mas a uma vazão de 200 m3/h, então a 
bomba mais indicada é a do tipo 100-160(E). 
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. 
 
 
 
 
 
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5.5.3 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]. 
Patm/γ: pressão 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 5.15 algumas dessas denominações. 
 
 
 
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Fonte: ESPARTEL, 2017. 
Figura 5.15 - Desenho esquemático de uma instalação de bomba centrífuga. 
A carga hidráulica (H) de uma instalação é a altura que o escoamento necessita atingir, 
sendo: 
 
 
 
 
 
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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 5.16 - Exemplo de curva de Ponto de Funcionamento 
Na Figura 5.16. (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 5.16 (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. 
 
 
 
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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: 
<https://www.docsity.com/pt/apostila-de-maquinas-de-fluido/4983983/>. 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: 
<https://bit.ly/332NAQ3>. 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. 
https://www.docsity.com/pt/apostila-de-maquinas-de-fluido/4983983/
 
 
 
92 
 
FERREIRA, D. M. B. Noções de Hidráulica. 2013. Disponível em: 
<https://bit.ly/2DceqKA>. Acesso em: 18 jul. 2020. 
TURTON, R. K. Principles of turbomachinery. 2th ed. London: Chapman & Hall, 1995.