Máquinas de Fluxo

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO OESTE DA BAHIA 
Professor: Paulo Fernando Figueiredo Maciel
Centro Multidisciplinar de Bom Jesus da Lapa 
Av. Manuel Novais, s/n, Centro. Tel: (77) 3481-9700
Máquinas de fluxo 
Máquinas Motrizes: transformam energia hidráulica em trabalho mecânico.Mais conhecidas: turbinas e as rodas hidráulicas. O escoamento de um fluido passa por pás movendo-as, produzindo um trabalho de eixo. Eixo giratório pode ser acoplado a um gerador que ransforma a sua rotação em energia elétrica. Turbinas mais conhecidas: Pelton, Francis, Kaplan 
 
Máquinas Geratrizes recebem trabalho mecânico (geralmente da rotação do eixo de um
motor) e o transformam em energia hidráulica (energia potencial de pressão e de energia cinética). Energia transferida ao fluido na forma de aumento de pressão do escoamento. 
Exemplos: bombas, ventiladores e compressores.
Máquinas Mistas: dispositivos que modificam o estado da energia que o líquido possui, transformando a energia hidráulica de uma forma em outra. Exemplos: Ejetores, propulsores, bombas de emulsão de ar e carneiros hidráulicos. 
Classificação geral 
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As rodas hidráulicas são dispositivos circulares montados sobre eixos, contendo na sua periferia caixinhas ou pás dispostas de modo a poder aproveitar a energia hidráulica. As rodas sobre-axiais energia potencial da água uma vez que faz o aproveitamento deslocamento da água de um ponto mais alto para um ponto mais baixo. Nas rodas do tipo sub-axial, energia cinética, uma vez que aproveita a velocidade da água.
Carneiro hidráulico
diferenças de pressão (do golpe de aríete) para bombear água Aproveita a energia de um curso de água para elevar a coluna do líquido. Eficiência muito pequena, baixo custo de instalação e de operação. Pode funcionar indefinidamente, desde que permaneça expressivo o volume da água corrente.Utilizado para irrigação na agricultura.
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Turbinas Pelton
Turbinas de ação (operam a pressão atmosférica).
Utilizam a velocidade do fluxo de água para provocar a rotação.
Rotor circular com conjunto conchas em sua periferia. Jatos dirigidos por injetores distribuídos de forma uniforme onde incidem, tangencialmente, no rotor. Podem ter de eixo vertical ou horizontal. Utilizadas em aproveitamentos hidrelétricos
caracterizados por grandes quedas úteis (250 a 2500m) e por operarem com um baixa rotação e vazão. 
Turbinas Francis
Turbinas de reação (queda de pressão na máquina).
Rotor formado por coroa de aletas fixas.
Rotor recebe a água radialmente libera axialmente.
Entrada na turbina ocorre simultaneamente por
múltiplas comportas de admissão ao redor do rotor.
Trabalho ocorre sobre todas as pás simultaneamente.
São utilizadas em quedas úteis superiores a 20m.
Em relação às Pelton, possuem um rendimento
máximo mais elevado e maiores velocidades.
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 Referências
 
Turbinas de reação Kaplan e propeler 
Operam com pequenas quedas e vazões elevadas.
Constituídas por uma câmara de entrada, por um
distribuidor e por um rotor com 4 ou 5 pás, em forma de hélice.
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Turbinas de reação. Operam com pequenas quedas e vazões elevadas. Constituídas por uma câmara de entrada, por um distribuidor e por um rotor com 4 ou 5 pás, em forma de hélice.
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 7.3 Bombas
 As bombas são máquinas geratrizes cuja finalidade é realizar o deslocamento de um líquido por um escoamento. Estas máquinas recebem trabalho mecânico e transformam esta energia em aumento de pressão e energia cinética. As bombas são divididas, basicamente, em três grupos: bombas de deslocamento positivo (sub-divididas em alternativas e rotativas), turbobombas (dinâmicas) e bombas especiais (utilizadas exclusivamente para fins especiais). 
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7.3.1 Bombas Alternativas de Deslocamento Positivo
As bombas alternativas podem ser do tipo de pistão (êmbolo) ou do tipo diafragma. Na bomba de êmbolo, o fluido enche o espaço no interior do cilindro e é expulso dele por meio da movimentação do pistão.
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As bombas alternativas apresentam desvantagens em relação às bombas rotativas: menor simplicidade de projeto e peças, fluxo descontínuo e vibrações, maior peso, maior dificuldade de controle de condições de descarga, necessidade maior de manutenção pela presença de válvulas e maior preço. Entretanto, são a melhor opção para grandes alturas manométricas (únicas opções para P>300atm) e descargas pequenas. O rendimento de bombas rotativas para fluidos de alta viscosidade é reduzido em relação às alternativas.
Nas bombas de diafragma (Figura 7.9), um êmbolo atua sobre óleo contido em uma câmara com diafragma, deformando o diafragma. No curso de compressão, o diafragma se deforma reduzindo o volume da câmara com o liquido a ser bombeado. A válvula de recalque se abre e o fluido é bombeado. No curso de expansão, o óleo se movimenta promovendo movimentação do diafragma no sentido oposto, aumentando o volume da câmara onde o líquido é bombeado (abrindo a válvula de aspiração e fechando a de recalque).
Deslocamento Positivo: Alternativas
As bombas alternativas podem ser do tipo de pistão
(êmbolo) ou do tipo diafragma.
Desvantagens em relação às bombas rotativas: menor
simplicidade de projeto e peças, fluxo descontínuo e
vibrações, maior peso, maior dificuldade de controle de
condições de descarga, necessidade maior de manutenção
pela presença de válvulas e maior preço.
Entretanto, são a melhor opção para grandes alturas
manométricas (únicas opções para P>300atm) e descargas
pequenas. O rendimento de bombas rotativas para fluidos de
alta viscosidade é reduzido em relação às alternativas
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 Bombas Rotativas de Deslocamento Positivo
As bombas rotativas de deslocamento positivo são aplicadas no bombeamento convencional e nos sistemas de lubrificação, nos comandos, nos controles e transmissões hidráulicas e nos sistemas automáticos de válvulas de seqüência. São empregadas para líquidos de alta viscosidade, que geralmente são aquecidos para redução de viscosidade (reduzindo perdas de carga nas tubulações). As bombas rotativas são, em geral, auto-escorvantes e adequadas a serviços com grande altura de aspiração.
Os principais tipos de bombas rotativas de deslocamento positivo são as bombas de palhetas, bombas de parafuso, bombas de engrenagens e bombas de lóbulos.
As bombas de palhetas deslizantes são muito utilizadas para alimentação de caldeiras. São auto-aspirantes e podem ser empregadas como bombas de vácuo. As palhetas deslocam-se no interior de rasgos de um cilindro giratório excêntrico em relação ao centro da câmara de bombeamento (Figura 7.10a). 
As bombas de parafuso simples são compostas de um rotor no formato de parafuso. A Figura 7.10b é apresentada uma bomba de parafuso com estator tronco-cônico.
As bombas de lóbulos possuem dois rotores compostos de lóbulos. Elas são utilizadas para o bombeamento de produtos químicos e líquidos lubrificantes e não lubrificantes de quaisquer viscosidades.
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As bombas de engrenagens são destinadas ao bombeamento de substâncias líquidas viscosas que não contenham particulados ou sólidos granulados. As engrenagens podem ser dispostas de forma externa (engrenamento convencional) ou interna.
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Turbobombas ou Bombas Dinâmicas
As turbobombas (Figura 7.12), conhecidas também como bombas dinâmicas, são caracterizadas por possuírem um órgão rotatório dotado de pás (rotor), que exerce uma aceleração centrípeta sobre o fluido. Esta aceleração, ao contrário das bombas de deslocamento positivo, não possui a mesma direção e sentido do movimento do líquido em contato com as pás. As partes fixas de uma bomba são conhecidas como estator. As turbobombas transformam o trabalho mecânico da rotação de um eixo em energia cinética, acelerando o fluido pela ação das pás. Por este motivo, as bombas centrífugas necessitam de um órgão denominado difusor (recuperador ou voluta), que transforma a energia cinética do fluido ao sair do rotor em energia potencial de pressão. 
Os difusores possuem o formato de um caracol, tendo sua área aumentada
da saída do rotor até a saída da bomba. Com o aumento da área da seção, existe um gradativo aumento de pressão e redução de velocidade do escoamento
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Compressores, Ventiladores e Exaustores
Da mesma forma que as bombas são máquinas geratrizes destinadas a aumentar a energia de pressão e cinética de líquidos, os compressores, os ventiladores e os exaustores são destinados a atuar aumentando energia dos gases.
O compressor é um equipamento industrial concebido para aumentar a pressão de um fluido em estado gasoso (geralmente ar, vapor de água, hidrogênio ou fluidos refrigerantes). Como as bombas, os compressores podem ser divididos em compressores de deslocamento positivo (alternativos ou rotativos) ou turbocompressores (dinâmicos).
Nos compressores alternativos (Figura 7.14), a compressão do gás é feita em uma câmara de volume variável por um pistão, ligado a um mecanismo biela-manivela similar ao de um motor alternativo. Quando o pistão comprime o gás, a válvula de recalque se abre deixando o gás escapar, praticamente com pressão constante. Ao final do movimento de ascensão, a válvula de exaustão se fecha e a de admissão se abre, preenchendo a câmara à medida que o pistão se move aumentando o volume do cilindro.
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Compressores, Ventiladores e Exaustores
Ventiladores e exaustores são compressores axiais, nos quais a compressão é obtida por aceleração axial do fluido. Os ventiladores e exaustores podem ser classificados como helicoidais ou tubo-axiais. Os compressores axiais helicoidais são constituídos por uma hélice simples, enquanto os compressores tubo-axiais são providos de um envoltório que permite canalização do escoamento. Finalmente, os exaustores fazem a sucção do escoamento, enquanto os ventiladores promovem a propulsão
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Rotor de uma das Turbinas da  Estação Hidroelétrica de Itaipu. Tipo Francis 
Ação Radial 
Ação axial 
Q ‐ (m3/s) ‐ vazão 
HM ‐ (m) – Altura manométrica
Altura Manométrica 
Embora a bomba possa trabalhar dentro de sua curva, sua operação é  dependente das condições do sistema (Hg, Perda de carga). Determinação Gráfica de Funcionamento de  uma Bomba
Determinação Gráfica de Funcionamento de  uma Bomba
Bombas em paralelo Quando uma só bomba não atende a vazão
Bombas em série Para se obter uma altura manométrica desejada 
Associação de Bombas 
Determinação diâmetros e potências
Determinação dos diâmetros de recalque e  sucção  
 Cálculo Hm
 2.1 Perdas de carga contínua e localizada sucção 
 2.2 Perdas de carga contínua e localizada recalque 
 2.3. Somar as perdas de carga (Perda de carga total) 
 2.4 Calcular Hm 
 2.5. Calcular Potência 
 2.6 Escolher bomba
Cavitação
Formação de cavas ou cavidades em um liquido
Condição: Pressão reinante  < Pressão de vapor
Consequências:
Queda do rendimento – Aumento da potência de eixo em bombas – Marcha irregular, trepidação e vibração das máquinas, pelo  desbalanceamento que acarreta; – Ruído, provocado pelo fenômeno de implosão das bolhas. – Desgaste precoce da carcaça e rotor
A vaporização do líquido no interior da bomba causada por uma perda de  carga na sucção ou um aumento na temperatura de sucção. 
Uma velocidade muito alta de sucção causará problemas de recirculação  interna, resultando em cavitação.  
Uma turbulência do fluido que libera gases que são arrastados para a  tubulação de sucção. 
Redução rápida do NA do reservatório da sucção, causada por vezes por  velocidade alta de sucção 
Alteração da densidade do fluido 
Presença de vácuo no tanque de sucção 
Presença de sólidos em excesso
Causas de cavitação
Medidas anti‐cavitação
Escorvamento ‐ Escorvar uma bomba é encher de líquido sua carcaça e toda a tubulação de sucção, de modo que ela entre em funcionamento sem possibilidade de bolhas de ar em seu interior. • No caso de bombas com sucção positiva, este escorvamento é mantido com a utilização das válvulas de pé, principalmente em sucções com diâmetros inferiores a 400mm, sendo o enchimento executado através do copo de enchimento para pequenas bombas e de by pass na válvula de retenção no recalque. Para grandes instalações recorrem‐se às bombas de vácuo ou ejetores. • tubulação de sucção a mais curta possível; • escorvamento completo; • limitação da velocidade máxima de aspiração em função do diâmetro (Tabela); • indicação clara da posição de abertura e de fechamento das peças especiais; • ligeira inclinação ascendente em direção à entrada da bomba nos trechos horizontalizados (para facilitar o deslocamento das bolhas de ar na fase de escorvamento); • conexão da sucção com a entrada da bomba através de uma redução excêntrica (também para facilitar o escorvamento);não projetar registros nas sucções positivas; • emprego de crivos ou telas na entrada da sucção; • emprego de válvula de retenção nas sucções positivas
Referencias Básicas: 
AZEVEDO NETTO, J. M. de et al. Manual de hidráulica. 8. ed. São Paulo: E. Blücher, 1998. Introdução à mecânica dos fluidos. 6. ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2006. 
MACINTYRE, A. J. Bombas e instalações de bombeamento. 2. ed. rev. Rio de Janeiro: LTC, 1997. 782 p. 
 Macyntire, A.J. Bombas e Instalações de Bombeamento, Editora Guanabara Dois S.A. 
WHITE, F.M. Mecânica dos Fluidos, 4a Ed. McGraw-Hill Interamericana do Brasil Ltda., 2002. (Livro Texto)
BRAN, R. SOUZA Z. Máquinas de Fluxo Turbinas, Bombas e Ventiladores, 2ª Ed. Ao livro Técnico S A.1984.
PFLEIDERER, C. PETERMANN, H. Máquinas de Fluxo 4ª Ed. Livros Técnicos e Científicos. Editora S A 1979.
CARVALHO, Djalma Francisco. Instalações elevatórias e Bombas. FUNARC, Belo Horizonte, 1992.
Notas de Aulas de Maquinas de Fluxo ITA