Capítulo 2 - Classificação Sumária das Máquinas Hidráulicas

UGF Máquinas Hidráulicas - MEC 234

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MÁQUINAS HIDRÁULICAS – MEC 234

= Capítulo 2 =

Classificação Sumária Das Máquinas Hidráulicas

Prof. Luiz Carlos de Moura Galves

JANEIRO / 2012

Universidade Gama Filho Vice-Reitoria Acadêmica Centro de Ciência Exatas e Tecnologia Departamento de Engenharia Mecânica


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SUMÁRIO Capítulo 2 – Classificação Sumária das Máquinas Hidráulicas 2.1. Máquinas Mistas

2.1.1. Definição 2.1.2. Ejetor Hidráulico 2.1.3. Carneiro Hidráulico

2.2. Máquinas Motrizes

2.2.1. Definição 2.2.2. Principais Componentes 2.2.3. Princípio de Funcionamento 2.2.4. Tipos de Fluxo 2.2.5. Turbinas de Ação e Reação 2.2.6. Tipos de Turbinas

2.3. Máquinas Geratrizes

2.3.1. Definição 2.3.2. Bombas de Deslocamento Positivo 2.3.3. Bombas Cinéticas

Referências Bibliográficas Anexos


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2.1 Máquinas Mistas

2.1.1. Definição

São dispositivos ou aparelhos hidráulicos que modificam o estado da energia que o líquido possui, isto é, transformam a energia hidráulica sob uma forma na outra.

2.1.2. Ejetor Hidráulico

Baseia-se numa aplicação imediata do Teorema de Bernoulli. Consta de um tubo aspirador e um bocal convergente – divergente (venturi).

Exemplo: Escorva de uma bomba: A água motriz proveniente de uma bomba auxiliar atravessa o bocal convergente e, em seguida, o venturi. Na passagem do bocal convergente para o venturi, na seção estrangulada, a velocidade é máxima, e por conseguinte, a pressão é baixa. A depressão que se forma no ejetor, aliada à velocidade considerável da veia líquida, produz o arraste do ar existente no encanamento e em seguida do próprio líquido que deve ser aspirado, seguindo ambos pelo tubo de recalque.


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2.1.3. Carneiro Hidráulico

Funciona pelo movimento da água através de válvulas, de modo que a única fonte de energia é a própria descarga e a altura da água disponível na captação. Funciona em decorrência do transiente hidráulico, conhecido como golpe de aríete, permitindo elevar uma parcela da água que nele penetra a uma altura superior àquela de onde a água proveio, sem necessitar do auxílio de qualquer motor externo.

O golpe de aríete é uma sobrepressão que ocorre em um líquido em escoamento, quando, por qualquer razão, a descarga é submetida a uma repentina variação ou mesmo impedida de se processar. A sobrepressão se transmite no próprio líquido e deste às paredes do encanamento e ao equipamento a ele ligado.

O carneiro hidráulico consta de um corpo “A” que é uma câmara na qual existe uma abertura que pode ser vedada por uma válvula v’, convenientemente equilibrada por pequenos pesos “p”, e uma câmara de ar “C”, que contém um volume de ar destinado a amortecer a onde de choque, absorver a energia da água e restituí-la.


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A água enche o corpo “A” e sai pelos orifícios “B”, pois a válvula v’ está aberta pela ação de seu peso. A água sai em pequenos esguichos, com descarga e velocidade crescentes. Quando esta atinge seu valor máximo pela diminuição da pressão resultante, a válvula v’ é arrastada bruscamente para cima, interrompendo o escoamento. Esta interrupção brusca do escoamento determina uma sobrepressão ao longo do corpo do carneiro provocando a abertura da válvula v da câmara de ar e nela penetrado (efeito do golpe de aríete). Uma parte da água sai então pelo tubo de recalque “R” com velocidade constante. Tão logo se tornem iguais as pressões nas câmaras “A” e “C”, a válvula da câmara de ar se fecha e a água volta a escoar pelos orifícios do corpo do carneiro, pois a válvula v’ baixa pela ação do seu próprio peso. E assim o ciclo é continuamente repetido.

2.2 Máquinas Motrizes

2.2.1. Definição

São máquinas que transformam a energia hidráulica em trabalho mecânico, fornecido geralmente sob a forma de conjugado que determina um movimento praticamente


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uniforme. Pode-se dizer que, de um modo geral, se destinam a acionar outras máquinas, principalmente os geradores de energia elétrica.

2.2.2. Principais Componentes

- Distribuidor: Peça fixa que direciona o líquido para o receptor. - Receptor: Peça móvel dotada de superfícies curvas (pás).

2.2.3. Princípio de funcionamento

O líquido em contato com as pás do receptor é obrigado a descrever uma trajetória curvilínea. Devido à parcela de energia cinética, o líquido irá imprimir uma força sobre as pás, dando origem ao movimento rotativo do receptor.

2.2.4. Tipos de fluxo

2.2.4.1. Radial

É aquela em que a partícula líquida, na sua ação sobre o receptor, se mantém num plano normal ao eixo da turbina.


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- Centrífuga ou Exterior (receptor externo) - Centrípeda ou Interior (receptor interno)

2.2.4.2. Axial

As partículas líquidas percorrem trajetórias contidas em superfícies cilíndricas de revolução em torno do eixo da turbina (Propeller e Kaplan).

2.2.4.3. Tangencial

A direção da água é tangencial ao receptor, sendo lançada diretamente ao receptor.

2.2.4.4. Misto

A trajetória das partículas no receptor passam progressivamente da direção radial para a direção axial. (Francis).

2.2.45. Jato

A água sai do distribuidor sob a forma de jato, em contato com o ar e assim continua quando em contato com alguns canais do receptor.

2.2.4.6. Escoamento Forçado


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A água atravessa o receptor e enche completamente os canais formados pelas pás, mantendo contato com todas as pás simultaneamente.

2.2.5. Turbinas de Ação e de Reação

2.2.5.1. Turbinas de Ação ou Ação Parcial

A água atua a cada instante sobre um número restrito de pás. (Roda Pelton, Michel-Banki)

2.2.5.2. Turbinas de Reação ou Ação Total

A água entra simultaneamente sobre todas as pás do receptor. (Francis, Propeller, Kaplan)

2.2.5.3. Quadro Comparativo

Turbinas de Ação ou Ação Parcial Turbinas de Reação ou Ação Total

• Entre as partes superior e inferior do receptor atua a mesma pressão (geralmente Patm).

• Entre as partes superior e inferior do receptor existe um diferencial de pressão.

• A água ao entrar no receptor possui apenas energia cinética.

• A água ao entrar no receptor possui energia cinética e energia de pressão.

• O receptor não está em contato com o canal de fuga.

• O receptor está em contato com o canal de fuga através do tubo de sucção.

• Aproveita-se apenas a altura “Hd”. • Aproveita-se toda a altura “H”.

• Utilizada em grandes quedas. • Utilizada em pequenas e médias quedas.


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2.2.6. Tipos de Turbinas

2.2.6.1. Francis

- Turbina de ação total ou reação tipo centrípeta (receptor interno).

- Fluxo radial ou misto com escoamento forçado.

- A regulagem é feita através das pás do distribuidor.

2.2.6.2. Kaplan

- Turbina de ação total ou reação com fluxo axial.

- O receptor tem a forma de uma hélice.

- Aplicável a pequenas quedas e grandes vazões.

- A regulagem é feita através das pás do receptor.


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2.2.6.3. Roda Pelton

- Turbina de ação parcial (simples efeito) com fluxo tangencial. - O distribuidor tem a forma de um bocal. - Aplicável a grandes quedas. - A regulagem é feita através do bocal do distribuidor.

2.2.6.4. Michel Banki

- Turbina de ação (duplo efeito) com fluxo tangencial. - O receptor tem a forma de um tambor. - Aplicável a pequenas ou grandes vazões (depende do comprimento do

tambor). - A regulagem é feita através da comporta.


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2.3 Máquinas Geratrizes

2.3.1. Definição

São as que têm a finalidade de realizar o deslocamento de um líquido por escoamento. Sendo uma máquina geratriz, ela transforma o trabalho mecânico que recebe para seu funcionamento em energia, que é transmitida o líquido sob a forma de energia de pressão e energia cinética.

2.3.2. Bombas de Deslocamento Positivo

2.3.2.1. Bombas Alternativas

2.3.2.1.1. Princípio de Funcionamento

A ação direta dos pistões ou êmbolos conferem energia de pressão ao líquido. As bombas alternativas são máquinas do tipo em que a cada ciclo elas deslocam um volume fixo de líquido, sem permitir o seu retorno. A operação de uma bomba alternativa se processa em duas fases: aspiração ou sucção e descarga.


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Na fase de aspiração o movimento do pistão tende a produzir vácuo no interior do cilindro provocando o escoamento do líquido para dentro do mesmo, pois a pressão na linha de sucção é superior à existente no cilindro da bomba. Essa diferença de pressão provoca a abertura da válvula de sucção e mantém a válvula de descarga fechada.

Na fase de descarga o pistão exerce força sobre o líquido, empurrando-o para a linha de descarga provocando a abertura da válvula de descarga e mantendo a válvula de sucção fechada.

2.3.2.1.2. Classificação das Bombas Alternativas

• Quanto ao tipo de acionador: - Bombas de ação direta: quando o acionador é uma máquina a vapor

atuando diretamente no pistão do cilindro - Bombas de força: quando o acionador é um motor elétrico ou de

combustão interna atuando através de um sistema biela / manivela.

• Quanto ao número de cilindros: - Simplex – um cilindro. - Duplex – dois cilindros. - Triplex – três cilindros. - Quintuplex – cinco cilindros

• Quanto à posição do cilindro:

- Horizontal - Vertical

• Quanto ao tipo da peça propulsora do líquido: - Êmbolo - Pistão - Diafragma


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• Quanto à extensão do curso do pistão: - De curso fixo. - De curso variável (bombas dosadoras)

• Quanto à ação de bombeamento:

- Simples efeito: aspiração e descarga de um só lado do pistão. Para cada rotação da árvore de manivela, há uma admissão e uma descarga.

- Duplo efeito: há aspiração de um lado e descarga de outro lado simultaneamente. Para cada rotação da árvore de manivela tem-se duas sucções e duas descargas.

2.3.2.1.3. Elementos Mecânicos Básicos

• Pistão e êmbolo: - São os órgãos principais de uma bomba alternativa juntamente com o

cilindro e as válvulas. O pistão ou êmbolo, impulsionado por um acionador ou pelo sistema biela / manivela, se movimenta no interior do cilindro transmitindo energia ao líquido. O pistão é curto e dotado de ranhuras para instalação dos elementos de vedação. O êmbolo é alongado (comprimento maior do que o curso) e não possui ranhuras. O elemento de vedação é instalado na extremidade do cilindro. Os êmbolos são mais empregados em serviços de alta pressão e em bombas verticais.

• Válvulas: - Controlam a entrada e saída de líquido no cilindro, ou seja, têm a função

de impedir ou dar passagem ao líquido. As válvulas de sucção são aquelas que permitem a passagem do líquido para dentro do cilindro e impedem sua saída. As válvulas de descarga permitem a saída do líquido para fora da bomba e impedem sua passagem para o cilindro.


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2.3.2.1.4. Aplicação das Bombas Alternativas

- Líquidos muito viscosos (> 500cP). - Altura de sucção superior a 6 metros. - Líquidos com alto teor de sólidos em suspensão. - Onde o escoamento pulsátil seja tolerado.

2.3.2.1.5. Vantagens e desvantagens das bombas alternativas:

• Vantagens: - Aspirações mais fáceis. - Não há necessidade de escorva. - Mais adequada para altas pressões e baixas vazões

• Desvantagens:

- Vazão pulsátil. - Ocupam grande espaço. - Funcionam a baixa velocidade. - Requerem fundações mais rígidas. - Apresentam grandes vibrações - Exigência de válvula de alívio na descarga. - Custo de manutenção elevado.


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2.3.2.2. Bombas Rotativas

Nas bombas rotativas a transformação da energia se realiza por meio de deslocamento do líquido impulsionado pela ação de um ou vários órgãos girantes.

2.3.2.2.1. Classificação das Bombas Rotativas

As bombas rotativas são classificadas de acordo com o elemento que transmite energia ao líquido:


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• Bombas de Engrenagens: - Consiste de duas engrenagens, sendo uma motriz

acionada pelo eixo, e outra movida, montadas numa carcaça com placas laterais (chamadas placas de desgaste ou de pressão). As engrenagens giram em sentidos opostos criando uma depressão na câmara de entrada da bomba. O fluido introduz-se nos vãos dos dentes e é transportado junto à carcaça até a câmara de saída. Ao se engrenarem novamente, os dentes forçam o líquido para a abertura de saída.

Tipos de Engrenagens: → De dentes retos → De dentes helicoidais → De dentes tipo espinha de peixe


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• Bombas de lóbulos: - Opera pelo mesmo princípio das bombas de engrenagens, porém possui

um deslocamento maior.

• Bombas de fusos

• Bombas de palhetas


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• Bombas de excêntrico

• Bombas de pistão circunferencial

• Bombas de tubo flexível.

Embora cada um dos elementos transmissores de energia seja diferente quanto ao projeto, o seu princípio de operação é o mesmo. A bomba rotativa apanha o líquido, leva-o por volta da carcaça e o expulsa através da descarga.

2.3.2.3. Bombas de Cavidade Progressiva

São bombas de deslocamento positivo que geram pressões a qualquer velocidade, não necessitando de forças centrífugas ou alta velocidade para operar.

2.3.2..3.1. Principais componentes / Princípio de funcionamento:

Os principais componentes de uma bomba de cavidade progressiva são: rotor e estator. O rotor é um parafuso helicoidal simples que gira excentricamente dentro de um estator (cilindro com cavidades), normalmente fabricado em materiais resilientes (borracha natural,


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nitrilo, viton, etc.). A combinação destas duas peças abre e fecha a cavidade por onde o líquido passa do lado da sucção para o lado da descarga da bomba. Assim, como nas bombas rotativas, o deslocamento de um volume de líquido de uma cavidade para outra cria uma depressão no líquido fazendo com que ele entre para dentro da bomba. O movimento excêntrico do rotor dentro do estator é acomodado por uma junta universal ou um eixo flexível. Atendem vazões de até 350 m³/h, pressões de até 30 Bar e temperaturas de até 180 °C. A vazão é proporcional à velocidade enquanto que a pressão independe da velocidade.

2.3.3. Bombas Cinéticas

São máquinas que tem a finalidade de realizar o deslocamento de um líquido por escoamento. Ela transforma o trabalho mecânico que recebe para o seu funcionamento em energia que é transferida ao líquido através das formas de energia de pressão e cinética.

2.3.3.1. Bombas Centrífugas Horizontais

Monobloco

Com Rotor Acoplamento (simples ou de duplo estágio) Em Balanço (Overhung) Sealless

Canned Motor Mag Drive

Monobloco Acoplamento (simples estágio)


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Bipartida Radial

Com Rotor Simples Estágio Entre Mancais Bipartida Axial (Between Bearings)

Bipartida Radial Múltiplos Estágios Bipartida Axial

Acoplamento (duplo estágio) Mag Drive

Bipartida Axial de simples estágio Com sucção tipo bottom Vertical

Sealless


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2.3.3.2. Bombas Centrífugas Verticais

Monobloco In Line

Poço Seco In Line

Acoplamento Bipartida Radial

Bipartida Axial

Montada na Linha de Centro Bipartida Axial de Múltiplos Estágios

Bipartida Radial de Múltiplos Estágios

Monobloco Acoplamento (simples estágio) Mag Drive


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Fluxo Radial Simples Estágio

Fluxo Axial ou Misto

Poço Molhado VTP

Múltiplos Estágios CAN

Simples estágio, dupla sucção, dupla voluta Simples estágio

Múltiplos estágios Bomba CAN

Acoplamento (duplo estágio)

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