relatorio turbinas

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CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA
CURSO ENGENHARIA MECÂNICA
Pedro Henrique Ribeiro
Rafael Henrique de Souza
Rafael Henrique Ribeiro
Rafael Rodrigues da Silva
Richard Alvernaz dos Santos
Máquinas Hidráulicas
Curvas características de uma turbina Pelton
Belo Horizonte
2017
Pedro Henrique Ribeiro
Rafael Henrique de Souza
Rafael Henrique Ribeiro
Rafael Rodrigues da Silva
Richard Alvernaz dos Santos
Curvas características de uma turbina Pelton
Relatório Técnico apresentado ao curso de Engenharia Mecânica da faculdade de Engenharia, Arquitetura e Urbanismo, do Centro Universitário Newton Paiva, como requisito parcial para obtenção de aprovação na disciplina de Máquinas Hidráulicas, no Curso de Engenharia Mecânica, no Centro Universitário Newton Paiva.
Professor orientador: Handerson Correa Gomes
Belo Horizonte
2017
INDRODUÇÃO
As turbinas hidráulicas são definidas, como as máquinas que transformam energia de fluido em energia mecânica. Existem vários tipos de turbinas hidráulicas, cada uma com a sua particularidade, aplicação, eficiência e histórico. As turbinas são classificadas em dois tipos: turbinas de ação e turbinas de reação. Nas de ação, a energia hidráulica disponível é convertida em cinética e posteriormente se transforma em energia mecânica. Já nas de reação, o rotor é totalmente imerso na água e juntamente com o escoamento da água ocorre uma diminuição tanto da velocidade como da pressão entre a saída e a entrada do rotor.
Para o estudo deste relatório foi considerada somente a turbina de ação Pelton através de uma bancada para experimentos. Este equipamento oferece a possibilidade de o aluno ter um contato mais próximo com máquinas de fluxo, comumente encontradas na vida prática de um profissional de engenharia.
OBJETIVO
Descrever o procedimento adotado no experimento realizado em sala de aula.
Exibir e analisar os dados obtidos no experimento.
Apresentar a curva da bomba.
METODOLOGIA
A turbina Pelton foi desenvolvida pelo engenheiro norte-americano Lester Allen Pelton (1829 – 1908). Após iniciar experimentos com rodas d’água, por volta de 1878, Pelton conduziu um novo conceito de rodas d’água, baseado no conceito denominado “splitter”. Em 1880, de pois de ensaiar os variados tipos de pás, patenteou a turbina, vendendo seus direitos a uma empresa que fui fundada para fabrica-las. Em um intervalo de 15 anos, os rotores eram usados em usinas ao redor do mundo inteiro. Mais tarde, Pelton vendeu seus direitos para outras empresas, continuou a trabalhar como consultor até se aposentar (Hacker,2014). Por serem de fabricação, instalação, e regulagem relativamente simples, além de empregadas em usinas de grande potência, as turbinas Pelton são largamente utilizadas em micro usinas, em fazendas, sítios etc., aproveitando quedas e vazões bem pequenas, para gerar algumas dezenas de cv (Macintyre, 1983).
FUNCIONAMENTO
As turbinas Pelton, assim como toda turbina hidráulica, possuem um distribuidor (injetor) e um receptor. O distribuidor trata-se de um bocal, de geometria apropriada par a conduzir a água, proporcionando um jato cilíndrico sobre a pá do receptor, o que é conseguido por meio de uma agulha, denominada agulha de regularização (Macintyre, 1983). O receptor possui um certo número de p ás (ou copos) com formato de concha especial (uma espécie de “colher dupla”), igualmente espaçadas ao longo da periferia de um disco que gira, preso a um eixo. Este elemento é conhecido como a roda Pelton. Na vizinhança da roda existem um ou mais injetores, dispostos de tal modo que cada um dirige um jato segundo a tangente à circunferência cor respondente aos centros das pás.
Cada copo tem uma “aresta” ao meio, que divide o jato incidente em duas correntes iguais que, após escoarem sobre a superfície interna do copo (que, por sua vez, é lisa), se afastam com uma velocidade relativa de sentido quase que oposto ao do jato incidente.
A existência de um pequeno rasgo na extremidade exterior de cada copo impede que o jato do copo anterior seja interceptado prematuramente e impede também a deflexão do fluido em direção ao centro da roda, quando o copo encontra o jato. Por esse motivo, a pressão estática do fluído que sai dos injetores é a pressão atmosférica, ao longo de todo trajeto através da máquina (Massey, 2002). As turbinas Pelton são usadas quase que invariavelmente para acionamento de geradores elétricos que se montam sobre o mesmo eixo. Elas são projetadas para funcionar sob condições de máxima eficiência e a regulação da máquina tem que permitir a manutenção da eficiência, mesmo quando a potência exigida ao eixo varia. A regulação é feita sobre a vazão volumétrica de escoamento Q, porém não pode haver variação na velocidade do jato (Vo), pois isso implicaria na alteração da razão de velocidades u/Vo, desviando-se do seu valor ótimo cerca de 0,46 (Massey, 2002). Sendo a vazão volumétrica de escoamento dada pela equação: Q = AVo, a regulação só pode obtida por uma variação na seção reta, A, do jato. Tal variação é normalmente conseguida através da agulha de regularização, que se movimenta ao longo do eixo do injetor. A forma da agulha é tal que o fluido converge para dar origem a um jato circular.
Contudo, uma redução súbita da vazão Q pode vir a provocar sérios problemas de golpes de aríete e, por isso, é frequente a utilização de defletores em conjugação com a agulha de regularização. Tais defletores desviam temporariamente o jato, de modo que nem todo o fluido atinge às pás; a agulha de regularização pode então ser deslocada vagarosamente para a sua nova posição e assim, a vazão volumétrica de escoamento gradualmente reduzida.
Em aplicações de turbinas Pelton de potência elevada, faz-se necessário a utilização de um bocal de frenagem o qual faz incidir um jato nas costas das pás, contrariando o sentido rotação, freando, assim, a turbina rapidamente (Macintyre,1983).
CÁLCULO DA POTÊNCIA EFETIVA DA TURBINA PELTON
Para o cálculo da potência efetiva transmitida pelo eixo da turbina, pode-se considerar a seguinte equação:
Onde:
NEfet = potência efetiva transmitida pelo eixo da turbina em W;
M = torque exercido pela turbina sobre o eixo em kgf.m;
ω = rotação alcançada pelo eixo da turbina em rd/s.
O valor do torque exercido pela turbina sobre o eixo é obtido pela seguinte equação:
Onde:
M = momento da forca em kgf.m;
F = forca em kgf (valor indicado pelo display indicador da balança Lider instalado no painel de comando);
R = distancia que vai do centro do eixo da turbina até o centro do acionador da célula de carga em m (na bancada foi utilizado uma barra com 0,090 m).
	Força (Kgf)
	Distância (m)
	Momento (Kgf.m)
	13,1
	0,09
	1,179
	7,1
	0,09
	0,639
	12
	0,09
	1,08
	8,1
	0,09
	0,729
	9,2
	0,09
	0,828
	7,8
	0,09
	0,702
	8,9
	0,09
	0,801
	9,8
	0,09
	0,882
	18,2
	0,09
	1,638
	16,9
	0,09
	1,521
O valor da rotação alcançada pelo eixo da turbina e obtido através da leitura do display indicador do tacômetro presente no painel de comando e convertida para a devida unidade de acordo coma seguinte equação:
Onde:
ω = velocidade angular em rad/s;
n = rotação do eixo em rpm.
	Frequência (Hz)
	Rotação (Rpm)
	Velocidade angular (rad/s)
	7,324
	439,44
	46,01804919
	7,4
	444
	46,49557127
	7,6
	456
	47,75220833
	7,8
	468
	49,0088454
	8,2
	492
	51,52211952
	8,4
	504
	52,77875658
	9,9
	594
	62,20353454
	12,4
	744
	77,91149781
	15,0
	900
	94,24777961
	14,15
	849
	88,9070721
Efetuando os cálculos das constantes de (12) e (13) temos que:
	Momento (Kgf.m)
	Velocidade angular (rad/s)
	Potência efetiva (W)
	1,179
	46,01804919
	54,25527999
	0,639
	46,49557127
	29,71067004
	1,08
	47,75220833
	51,572385
	0,729
	49,0088454
	35,72744829
	0,828
	51,52211952
	42,66031496
	0,702
	52,7787565837,05068712
	0,801
	62,20353454
	49,82503117
	0,882
	77,91149781
	68,71794107
	1,638
	94,24777961
	154,377863
	1,521
	88,9070721
	135,2276567
CONCLUSÃO
REFERÊNCIAL BIBLIOGRÁFICO
SOUZA, Z.; BRAN, R. Máquinas de Fluxo: turbinas, bombas e ventiladores. Rio de Janeiro: ed. LTC, 1969.
FOX, R.W.; MACDONALD, A.T. Introdução à mecânica dos fluidos. 5ª Ed. Rio de Janeiro: Ed. LTC, 2001.
MACINTYRE, A. J., Máquinas Motrizes Hidráulicas. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1983.
MASSEY, B. S., Mecânica dos Fluidos. Lisboa: Fundação Calouste Gulbenkian, 2002