Cap 1_Introducao

Prévia do material em texto

1‐1 
 
1. INTRODUÇÃO	
Máquina de Fluido  (fluid machinery) é o equipamento que promove a  troca de energia entre um sistema 
mecânico e um  fluido,  transformando energia mecânica  (trabalho) em energia de  fluido ou energia de  fluido em 
energia mecânica. 
As máquinas  de  fluido  podem  ser  divididas  em  dois  grupos,  as máquinas  de  deslocamento  positivo  e  as 
máquinas de fluxo (ou turbomáquinas). A diferença entre estes dois grupos é que no primeiro o fluido fica confinado 
em alguma região do equipamento, enquanto no segundo grupo isto não ocorre, havendo fluxo contínuo através da 
máquina. Uma bomba de pistão, por exemplo, é uma máquina de deslocamento positivo, pois o fluido fica contido 
dentro do conjunto pistão/cilindro sendo submetido à variação de pressão pela variação do volume do recipiente. Já 
bombas centrífugas são máquinas de fluxo, pois o fluido escoa pelo rotor, onde recebe energia. No primeiro grupo, 
ao desligar o equipamento, o  fluido  fica confinado em  seu  interior, no  segundo grupo  isto  só ocorrerá  se houver 
algum sistema externo que o mantenha nesta condição, caso contrário escoará para fora da máquina. 
Tanto  as  máquinas  de  fluxo  como  as máquinas  de  deslocamento  positivo  podem  ser  divididas  em  duas 
classes, as máquinas hidráulicas e as máquinas térmicas. Nas máquinas hidráulicas o processo ocorre com variação 
pouco  sensível  da massa  específica  (volume  específico)  do  fluido  que  está  sendo  usado,  ou  seja,  processos  que 
podem  ser modelados como  incompressíveis.  Já nas máquinas  térmicas o  fluido  tem variação  significativa de  sua 
massa específica durante o processo de troca de energia (ex. compressores, turbinas a gás, turbinas a vapor, etc) não 
possibilitando a hipótese de fluido incompressível. 
As  máquinas  hidráulicas  trabalham  geralmente  com  água,  óleo,  e  outros  líquidos,  considerados  como 
incompressíveis nas aplicações normais. Trabalham também com o ar, que será tratado como  incompressível para 
pressões até 1 mca1, sendo neste caso chamadas de ventiladores. 
Alguma  variação  pode  ser  encontrada  nas  classificações  das  máquinas  de  fluido  dada  pela  literatura.  A 
classificação mostrada na Figura 1.1 é a que será usada neste  texto. A apostila  tratará somente das máquinas de 
fluxo hidráulicas. 
 
 
Figura 1.1 ‐ Classificação das máquinas de fluido [adaptado de BRASIL, 2010, p.21] 
                                                            
1 mca – metros de coluna d’água.  
1‐2 
 
	 Classificação	das	máquinas	de	fluido	
a) Quanto ao sentido da transmissão de energia, pode‐se classifica‐las como: 
 
 Geradora  (geratriz):  a  máquina  transforma  energia  mecânica  em  energia  de  fluido  (ex.  bombas  e 
ventiladores). 
 Motora  (operatriz):  a  máquina  transforma  energia  de  fluido  em  energia  mecânica  (ex.  turbina,  gerador 
eólico, moinho de vento e rodas d’água). 
 
b) Quanto ao tipo de energia envolvido no processo pode‐se classificá‐las como 
 
 Máquinas  de  deslocamento  positivo  (positive  displacement  machines):  nestes  equipamentos  uma 
quantidade  fixa  de  fluido  de  trabalho  é  confinada  durante  sua  passagem  através  da  máquina,  sendo 
submetido a trocas de pressão em razão da variação no volume do recipiente em que se encontra contido. O 
fluido  tem  que  mudar  seu  estado  energético.  Caso  a  máquina  pare  de  funcionar,  o  fluido  de  trabalho 
permanecerá  no  seu  interior  indefinidamente.  Também  chamada  máquina  estática.  Nestas  máquinas  a 
energia  transferida  é  substancialmente  de  pressão,  sendo muito  pequena  a  energia  cinética  transferida, 
podendo ser desprezada. Podem ser máquinas rotativas (rotary machines) como a bomba de engrenagens, e 
máquinas alternativas (reciprocating machines) como o compressor de pistão.  
 Máquinas de Fluxo ou Turbomáquinas (turbomachinery): ou máquinas dinâmicas, o fluido não se encontra 
em momento algum confinado dentro da carcaça da máquina, mas  sim num  fluxo  continuo através dela, 
estando sujeito a variações de energia devido aos efeitos dinâmicos da corrente fluida. Nestas máquinas o 
escoamento do fluido é orientado por meio de lâminas ou aletas solidárias a um elemento rotativo (rotor). A 
energia  transferida é  substancialmente cinética, através da variação da velocidade do  fluido entre as pás, 
desde  a  entrada  até  a  saída do  rotor,  a baixa pressão ou baixos diferenciais  de pressão. Como  exemplo 
podem ser citadas as turbinas hidráulicas e ventiladores centrífugos.  
 
c) Quanto à direção do escoamento do fluido 
 
 Axiais: escoamento predominantemente na direção do eixo. O fluido entra e sai do rotor na direção axial. 
Recalca grandes vazões em pequenas alturas. A força predominante é de sustentação. 
 Radiais:  escoamento  predominante  na  direção  radial.  O  fluido  entra  no  rotor  na  direção  axial  e  sai  na 
direção  radial.  Tem  como  característica  o  recalque  de  pequenas  vazões  a  grandes  alturas.  Sua  força 
predominante é a centrífuga.  
 Mista ou diagonal: escoamento predominantemente na direção diagonal, parte axial e parte radial 
 Tangencial: escoamento tangente ao rotor. 
 
 
Figura 1.2 – Tipos quanto à direção do escoamento 
 
1‐3 
 
d) Quanto à forma dos canais entre as pás do rotor 
 
 Máquinas  de Ação  (ou  de  impulsão):  nesta máquina  toda  energia  do  fluido  é  transformada  em  energia 
cinética, antes da transformação em trabalho mecânico processado pela máquina. A pressão do  fluido, ao 
atravessar  o  rotor,  permanece  constante. Um  exemplo  são  as  turbinas  Pelton,  onde  um  ou mais  bocais 
(separados do rotor), aceleram o fluido resultando em jatos livres (a pressão atmosférica) de alta velocidade, 
que transferem movimento para o rotor, que gira mesmo sem estar cheio de fluido. 
o Turbomáquinas de ação (motoras): turbinas Pelton (tangencial) e Michell (duplo efeito radial) 
o Turbomáquinas de ação (geradoras): não existe aplicação prática 
 
           
Figura 1.3 – Turbina Pelton 
 
 Máquinas de Reação: nesta máquina  tanto a energia cinética quanto a de pressão são  transformadas em 
trabalho mecânico  e  vice‐versa.  Parte da  energia  do  fluido  é  transformada  em  energia  cinética  antes da 
entrada do rotor, durante sua passagem por perfis ajustáveis (distribuidor), e o restante da transformação 
ocorre no próprio rotor. A pressão do fluido varia ao atravessar o rotor, que fica preenchido pelo líquido.  
o Turbomáquinas de reação (motoras): turbinas Francis (radial ou diagonal), Kaplan e Hélice (axiais) 
o Turbomáquinas de reação (geradoras): bombas e ventiladores (radiais, diagonais e axiais) 
 
 
Figura 1.4 – Turbina Schwankrug  
 
1‐4 
 
                          
Figura 1.5 – Turbina Kaplan 
 
                     
Figura 1.6 – Turbina Francis 
 
Figura 1.7 – Bomba centrífuga 
1‐5 
 
e) Quanto ao número de entradas para aspiração (sucção) 
 
 Sucção Simples (entrada unilateral): há somente uma boca de sucção para entrada do fluido. 
 Dupla Sucção: fluido entra por duas bocas de sucção paralelamente ao eixo de rotação. Como se fossem dois 
rotores simples montados em paralelo. Tem como vantagem a possibilidade de proporcionar equilíbrio dos 
empuxos axiais, que melhora o rendimento da bomba, eliminando a necessidade de rolamento de grandes 
dimensões para suporte axial sobre o eixo. 
 
f) Quanto ao número de rotores 
 
 Simples estágio: bomba com um único rotor dentro da carcaça. Pode‐se teoricamente projetar uma bomba 
de simples estágio para qualquer situação de altura manométrica e de vazão, porém, dimensões excessivas e 
baixo rendimento fazem com que os fabricantes a limitem a alturas manométricas de 100 [mca]. 
 Múltiplo  estágio:  a  bomba  tem  doisou mais  rotores  associados  em  série  dentro  da  carcaça.  Permite  a 
elevação do líquido a grandes alturas manométricas (>100 [mca]), sendo o rotor radial o indicado para esta 
aplicação. 
 
Figura 1.8 – Bomba múltiplo estágio 
 
g) Quanto ao posicionamento do eixo 
 
 Eixo horizontal: é a forma construtiva mais comum. 
 Eixo vertical: Usada, por exemplo, para extração de água de poços. 
 
h) Quanto ao tipo de rotor 
 
 Aberto:  para  bombas  de  pequenas  dimensões.  Têm  pequenas  dimensões,  baixa  resistência  estrutural  e 
baixo  rendimento.  Como  vantagem  dificulta  o  entupimento,  podendo  ser  usado  para  bombear  líquidos 
sujos. 
 Semi‐aberto: tem apenas um disco, onde são fixadas as aletas. 
 Fechado: usado para bombear líquidos limpos. Possui dois discos com as palhetas fixadas em ambos. Evita a 
recirculação de água, ou seja, o retorno da água à boca de sucção. 
           
Rotor Aberto    Rotor Semi‐aberto     Rotor Fechado 
Figura 1.9 – Tipos de rotores 
1‐6 
 
i) Quanto à posição do eixo da bomba em relação ao nível da água 
 
 Não afogada (sucção positiva): o eixo da bomba está acima do nível d’água do reservatório de sucção. 
 Afogada (sucção negativa): eixo da bomba está abaixo do nível d’água do reservatório de sucção. 
 
              
Bomba afogada        Bomba não‐afogada 
Figura 1.10 – Tipo de instalação 
 
	
REFERÊNCIAS	BIBLIOGRÁFICAS	
BRASIL, A.N. Máquinas termo hidráulicas de fluxo. Itaúna: Universidade de Itaúna, 2010.  
CARVALHO, D.F. Hidráulica Aplicada. Apostila UFRRJ. 
GUIMARÃES, L.B. Máquinas hidráulicas. Curitiba: UFPR, 1991. 
HENN, E.A.L. Máquinas de fluido. 2ª ed, Porto Alegre: UFSM, 2006. 
SOUZA, Z.; BRAN, R. Máquinas de Fluxo: turbinas, bombas e ventiladores. Rio de Janeiro: ed. LTC, 1969.