Máquinas Hidráulicas I 4 0

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MÁQUINAS HIDRÁULICAS
Atividade 4
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:
a.
As asserções I e II são proposições falsas.
b.
A asserção I é uma proposição falsa, e a asserção II é uma proposição verdadeira.
c.
A asserção I é uma proposição verdadeira, e a asserção II é uma proposição falsa.
d.
As asserções I e II são proposições verdadeiras, e a II é uma justificativa correta da I.
e.
As asserções I e II são proposições verdadeiras, mas a II não é uma justificativa correta da I.
Questão 2
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 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.
Na imagem (a), nota-se que o fluido entra no rotor, sem cobertura, de maneira axial, então, o nome recebido será "turbina de propulsor axial".
b.
A imagem (d) representa um rotor com cobertura e de fluxo misto, ou seja, tem-se uma turbina de propulsor misto.
c.
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.
d.
A imagem (b) representa um rotor sem cobertura e de fluxo misto, ou seja, uma turbina de propulsor misto.
e.
Na imagem (c), observa-se que o fluido entra no rotor de maneira perfeitamente axial, então, o nome recebido será "turbina de propulsor axial".
Questão 3
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:
a.
V, F, V, V.
b.
V, V, F, F.
c.
F, V, F, V.
d.
V, V, F, V.
e.
F, V, F, F.
Questão 4
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:
a.
As turbinas Kaplan são projetadas para operar somente em baixasvazões e grandes quedas-d'água.
b.
As turbinas Kaplan são inadequadas para quaisquer usinas hidrelétricas por não suportarem grandes vazões volumétricas de fluido.
c.
Nas condições de operação descritas no enunciado da questão, a turbina Kaplan terá uma velocidade específica igual a, aproximadamente, 2,5.
d.
Nas condições de operação descritas no enunciado da questão, a turbina Kaplan terá uma velocidade específica igual a, aproximadamente, 2.500.000.
e.
As turbinas Kaplan de grande porte operam com uma rotação máxima de 80 rpm, sendo sua potência máxima de operação em torno de 500 kW.
Questão 5
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:
a.
F, F, V, F.
b.
V, V, F, V.
c.
F, F, V, V.
d.
F, V, V, V.
e.
F, V, V, F.
Questão 6
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.
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:
a.
As turbinas do tipo Francis possuem baixo rendimento, geralmente, menor que 70%, por apresentarem poucas pás acopladas ao rotor.
b.
As turbinas do tipo Francis são inadequadas para quaisquer usinas hidrelétricas por não suportarem médias e grandes cargas brutas.
c.
As turbinas do tipo Francis são projetadas para operar somente em baixas vazões e pequenas quedas-d'água.
d.
Nas condições de operação descritas no enunciado da questão, a turbina Francis terá uma velocidade específica igual a, aproximadamente, 1,09.
e.
Nas condições de operação descritas no enunciado da questão, a turbina Francis terá uma velocidade específica igual a, aproximadamente, 109.000.
Questão 7
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:
a.
0,00086.
b.
0,86.
c.
86,2.
d.
862.000.
e.
0,0086.
Questão 8
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:
a.
V, V, F, V.
b.
F, V, F, F.
c.
F, V, F, V.
d.
V, V, F, F.
e.
V, F, V, V.
Questão 9
Em uma represa hidrelétrica que faz uso de uma turbina de reação Francis para produção de energia elétrica, a carga bruta Hbrutaé 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:
a.
205.800 MW.
b.
205,8 MW.
c.
205,8 W.
d.
20,6 MW.
e.
205,8 kW.
Questão 10
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 pequenaparte 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.
As asserções I e II são proposições verdadeiras, e a II é uma justificativa correta da I.
b.
A asserção I é uma proposição verdadeira, e a asserção II é uma proposição falsa.
c.
A asserção I é uma proposição falsa, e a asserção II é uma proposição verdadeira.
d.
As asserções I e II são proposições falsas.
e.
As asserções I e II são proposições verdadeiras, mas a II não é uma justificativa correta da I.