Bombas e Turbinas

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INTRODUÇÃO
Quando tem-se a necessidade de converter energia de uma corrente liquida em energia mecânica pode-se capturar esta energia por um rotor e transmiti-la por um eixo, ou inversamente. As maquinas utilizadas para este tipo de conversão são denominadas maquinas hidráulicas. A energia mecânica que se retira ou se introduz em um sistema pode ser feita tanto por um eixo (bombas e turbinas centrifugas) como através de outros meios mecânicos, como por exemplo as primeiras maquinas hidráulicas de elevação de agua compostas por uma série de recipientes elevados em conjunto através de uma corda ou corrente. 
A necessidade de elevar agua de pontos mais baixos para locais mais altos é tão antiga quanto o surgimento da agricultura irrigada. Sendo a primeira máquina hidráulica desenvolvida para elevar agua foi o parafuso de Arquimedes, ainda usado até os dias de hoje em instalações que necessitam elevar grandes vazões a pequenas alturas manométricas, como em instalações de tratamento de água ou esgotos. O advento das turbo-maquinas permitiu que novos tipos de maquinas para a elevação de água surgissem. As bombas centrifugas foram desenvolvidas no século XVII mais so foram aperfeiçoadas e difundidas no final do século XIX e início do século XX com o aparecimento dos motores elétricos e de combustão.
Entretanto, na maioria das vezes para atender a demanda e altura de recalque necessária torna-se necessário e mais vantajoso o uso de associações de bombas. Sendo os tipos mais comuns de associação em serie e em paralelo, onde podemos aumentar (dobrar) a altura manométrica (associação em série) ou aumentar (dobrar) a vazão recalcada (associação em paralelo), sendo estes casos se tratando de duas bombas associadas. De maneira que ambos os tipos podem ser usados simultaneamente dependendo da situação.
OBJETIVOS
- Familiarizar-se com uma instalação de recalque a partir de uma bomba centrifuga;
- Identificar modelos de tipos de turbinas.
BASE TEÓRICA
3.1. Maquina hidráulica – Bombas
3.1.1. Principais Componentes de uma Bomba Hidrodinâmica 
 Rotor: órgão móvel que fornece energia ao fluido. É responsável pela formação de uma depressão no seu centro para aspirar o fluido e de uma sobrepressão na periferia para recalcá-lo.
 Difusor: canal de seção crescente que recebe o fluido vindo do rotor e o encaminha à tubulação de recalque. Possui seção crescente no sentido do escoamento com a finalidade de transformar a energia cinética em energia de pressão.
3.1.2. Bombas Radiais ou Centrifugas
O fluido entra no rotor na direção axial e sai na direção radial. Caracterizam-se pelo recalque de pequenas vazões em grandes alturas.
Figura 1: Esquema da bomba radial ou centrifuga.
3.1.3. Princípio de funcionamento de uma bomba centrífuga ou radial
	Imagine um vaso cilíndrico aberto, parcialmente cheio de água e submetido a uma força externa que provoca o seu giro em torno do eixo de simetria. Atingido o equilíbrio, a água sobe pelas pareces do vaso, compondo uma superfície livre chamada de paraboloide de revolução.
Figura 2: Vaso girante e o paraboloide de revolução.
Temos que:
Atingido o equilíbrio dinâmico, a pressão em pontos situados junto ao fundo do vaso será dada por:
Quando a velocidade angular for suficientemente grande, a água subirá nas paredes do vaso a ponto de descobrir sua região central.
Figura 3: Depressão e sobrepressão em um vaso girante.
A experiência revela que:
- Há sobreposição junto à periferia do vaso (pontos para os quais y é grande porque o termo: é grande);
- há depressão junto ao centro do vaso (pontos para os quais y é negativo porque h0 é negativo e é pequeno);
Assim, consideremos um vaso cilíndrico fechado e totalmente cheio de água, e interligado por tubulações a dois reservatórios: um inferior e ao qual se liga pelo centro, e outro superior e ao qual se liga pela periferia. Ao ser acionado o rotor, a depressão central aspira o fluido que, sob ação da força centrífuga, ganha na periferia a sobreposição que o recalca para o reservatório superior. Dessa forma, erá sido criada uma bomba centrífuga.
Figura 4: Princípio de funcionamento da bomba centrífuga.
	3.1.4. Altura Manométrica da Instalação
Figura 5: Instalação típica de um sistema de elevação de água.
A equação da energia aplicada entre os pontos 1 e 2, nos fornece:
Sendo, a perda de carga total.
Dessa forma temos que:
Ainda temos que a potência é dada por:
Onde temos:
Q – Vazão;
 – Altura manométrica;
n – Rendimento da bomba.
3.2. Maquina hidráulica – Turbinas	
As turbinas, são maquinas capazes de transformar a energia da água em energia mecânica, são divididas em duas classes: as turbinas de ação, que funcionam sem pressão excessiva e as turbinas de reação que funcionam com excesso de pressão.
Nas turbinas de ação, a água atua à pressão atmosférica, mediante um jato que atinge sucessivamente as pás do rotor, movimentando-o. As turbinas de ação não tem correspondência nas bombas roto-dinâmicas. Até o fim do século XIX havia uma diversidade dos tipos de turbinas de ação. No início do século XX, com o surgimento das turbinas Pelton, criada em 1880 pelo engenheiro Lester Pelton (1829-1908), elimina-se o uso de outros tipos de turbinas de ação, uma vez que este tipo de máquina apresentava um alto rendimento e algumas vantagens estruturais como a de não provocar um momento fletor no eixo de transmissão da turbina.
Figura 6: Classificação das turbinas.
	
A potência gerada pela turbina pode ser calculada por:
Onde temos:
Q – Vazão;
 – Altura manométrica;
n – Rendimento da turbina.
MATERIAIS E PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
4.1. Materiais
Uma bomba centrifuga com instalações de recalque e sucção compõem o aparato experimental, com um reservatório para sucção e uma instalação de recalque. Foram mostradas duas turbinas: Pelton e a Francis.
4.2. Procedimento Experimental
Primeiramente estabeleceu-se um escoamento;
Foram retiradas as medidas de sucção e recalque juntamente com as singularidades e seus respectivos diâmetros.
Com a ajuda do balde aferido e com a utilização de um cronometro foi possível a obtenção da vazão pela seguinte formula:
Onde:
V- Volume 
t - tempo
	___________________
	SUCÇÃO
	RECALQUE
	
Singularidades
	
Válvula de pé com crivo;
Joelho 90º.
	Joelho 90º;
Registro de gaveta;
Curva 90º;
6 joelhos de 90º;
Tê com saída de lado.
	Comprimento L’ (m)
Singularidades
	15,4
	14,3
	Comprimento L (m)
	1,92
	25,38
	Diâmetro (pol)
	2”
	2”
	Vazão (m3/s)
	0,00356
	0,00356
Quadro1: Dados do experimento.
RESULTADOS E DISCUSSÕES 
5.1. Curva do sistema de tubulação alimentado por uma bomba tipo centrifuga
Gráfico 1: Curva característica da tubulação.
5.2. Principais tipos de turbinas 
Turbina Pelton 
Segundo norma NBR 6445, turbina de ação na qual o fluxo de água incide sob a forma de jato sobre o rotor que possui pás em forma de duas conchas. A direção dos jatos é paralela em relação ao plano do rotor. 
 
FIGURA 7: Turbina Pelton .
Estas turbinas podem ser de eixo vertical ou horizontal e são utilizadas em aproveitamentos hidroelétricos caracterizados por pequenos caudais e elevadas quedas úteis (250 a 2500 m). São turbinas caracterizadas por terem um baixo número de rotações, possuindo assim um rendimento de até 93%.
São acionadas por um o mais jatos livres de alta velocidade. 
A velocidade e a pressão se mantém praticamente constante quando atravessam as pás do rotor. 
A expansão do fluido de alta para baixa pressão ocorre em bocais externos ao rotor da turbina. 
O rotor trabalha parcialmente submerso no fluido.
As turbinas Pelton possuem um distribuidor e um receptor.
As partes principais da turbina são:
Distribuidor: O distribuidor é um bocal de forma apropriada a guiar a água, proporcionadoum jato cilíndrico sobre a pá do receptor, o que é conseguido por meio de uma agulha.
Rotor: O rotor consta de um certo número de pás com forma de concha especial, dispostas na periferia de um disco que gira preso a um eixo.
FIGURA 8: Esquema de uma turbina Pelton de apenas um jato.
A pá possui um gume médio, que fica sobre o plano médio da roda, e que divide simetricamente o jato e o desvia lateralmente.
Defletor de jato: O defletor intercepta o jato, desviando-o das pás, quando ocorre uma diminuição violenta na potência demandada pela rede de energia.
Bocal de frenagem: O bocal de frenagem faz incidir um jato nas costas das pás, contrariando o sentido de rotação, quando se desejar frear a turbina rapidamente.
A topografia Brasileira não favorece uma turbina Pelton de grande porte, entretanto é a turbina mais eficiente do mercado possuindo também um custo elevado.
	5.2.1. Principal tipo de turbina utilizada no Brasil
 Turbina Francis
Segundo norma NBR 6445, turbina de reação na qual o fluxo de água penetra radialmente no distribuidor e no rotor, no qual as pás são fixas.
FIGURA 9: Turbina Francis – ITAIPU.
Esta turbina é caracterizada por ter uma roda formada por uma coroa de aletas fixas, as quais constituem uma série de canais hidráulicos que recebem a água radialmente e a orientam para a saída do rotor numa direção axial. A entrada na turbina ocorre simultaneamente por múltiplas comportas de admissão dispostas ao redor da roda, e o trabalho exerce-se sobre todas as aletas ao mesmo tempo para fazer rodar a turbina e o gerador. 
Os outros componentes desta turbina são a câmara de entrada, a qual pode ser aberta ou fechada com uma forma espiral, o distribuidor constituído por uma roda de aletas fixas ou móveis que regulam o caudal e o tubo de saída da água. Estas turbinas utilizam-se em quedas úteis superiores aos 20 metros, e possuem uma grande adaptabilidade a diferentes quedas e caudais.
Quanto às velocidades do rotor, as turbinas Francis podem ser: 
Lentas (55<ns<120 rpm);
Normais (120<ns<200 rpm);
Rápidas (200<ns<300 rpm);
Extra rápidas (300<ns<450 rpm).
A altura de queda da Francis varia de 45 a 750 metros. E grande parte da eletricidade gerada no brasil provem desta turbina.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Por meio do experimento pode-se construir a curva do sistema de tubulação, através do conhecimento da altura manométrica para diferentes valores de vazão, onde estes foram arbitrados partindo do zero e oscilando para mais e para menos da vazão obtida experimentalmente. Por não estar disponível a curva característica da bomba não foi possível a determinação do ponto de operação da bomba, entretanto cálculos poderiam ter sido realizados para determinar a curva se não fossem um pouco complexos. Ainda foi feito um desenho esquemático do sistema de elevação de água do laboratório a fim de descobrir qual o valor de Hg e traçar a linha piezométrica do sistema. Como foi visto outro exemplo de máquina hidráulica é a turbina que funciona de modo inverso a bomba. Pode-se perceber a diferença entre as duas principais tipos de turbinas fabricadas a Pelton e a Francis, onde vimos que as turbinas de ação são mais eficazes pois podem levar até quedas de 2500 m, entretanto um dos impasses da sua não utilização no Brasil se da a topografia não favorável. Dessa forma conclui-se que a turbina mais utilizada no Brasil é a Francis que possui altura de queda de até 750 m e um custo mais baixo. 
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
NETO, J.M.A. Manual de Hidráulica – 8ª Edição da editora Edgard Blucher LTDA – 1998
PORTO, R.M. Hidráulica Básica – 4ª Edição da editora EESC-USP - 2006 
FOX, R.W. Introdução a mecânica dos fluidos – 7ª Edição da editora Gen, LTC 
Acessado em: http://sites.poli.usp.br/d/pmr2481/Aula04-Tur.pdf ás 10:30 de 20 de maio de 2015.
Acessado em: http://www.dem.feis.unesp.br/intranet/capitulo8.pdfpdf ás 11:00 de 20 de maio de 2015.
Acessado em: http://www.estgv.ipv.pt/PaginasPessoais/vasco/turbinas.pdf ás 23:53 de 19 de maio de 2015.
ANEXO