INTRODUÇÃO ÀS MÁQUINAS HIDRÁULICAS
1. Definição
- MÁQUINA HIDRÁULICA: É uma máquina através da qual escoa
água, e que tem a finalidade de trocar energia hidráulica, do escoamento,
em energia mecânica, fornecida ou cedida por outra máquina.
O escoamento flui continuamente e opera transformações do tipo:
Emecânica ⇔ Ecinética ⇔ Epressão.
- BOMBA HIDRÁULICA: máquina hidráulica que recebe energia
de outra máquina (ex: motor).
- MÁQUINA HIDRÁULICA MOTRIZ OU TURBINA: máquina
hidráulica que fornece energia mecânica para ser transformada
em energia elétrica.
2. Conceito geral das Máquinas Hidráulicas
Esquema de máquina hidráulica
E2 – E1 = W
E2: energia hidráulica na saída
E1: energia hidráulica na entrada
W: energia mecânica no eixo
3. Bombas Hidráulicas
• Máquina através da qual escoa água
• Recebe energia mecânica fornecida por outra máquina e a transforma
em energia hidráulica
Emecânica ⇒ Ecinética ⇒ Ehidráulica
• Comunica ao fluido um acréscimo de energia com a finalidade de
transportá-lo de uma posição de menor energia potencial para outra
de maior energia potencial.
3.1. Tipos de Bombas Hidráulicas
•
As bombas hidráulicas são classificadas de acordo com o mecanismo
de transferência de energia em:
- BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO
OU ALTERNATIVAS
- BOMBAS HIDRODINÂMICAS OU TURBO-BOMBAS
- BOMBAS ESPECIAIS
• A transferência de energia pode se dar por:
Emecânica ⇒ Ecinética ⇒ Epressão
Emecânica ⇒ Epressão
BOMBAS ESPECIAIS
• Geralmente devem ser fabricadas com materiais especiais para
cada tipo de aplicação
• Exemplo: bomba peristáltica
• Aplicação da bomba peristáltica: dosadores de substâncias
químicas que não podem entrar em contato com metais ou
lubrificantes usados nas bombas.
BOMBAS ESPECIAIS
Bomba peristáltica
• O tubo flexível é amassado progressivamente pelo rolete, a pressão
aumenta e empurra o fluido no tubo.
BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO
O escoamento do fluido é causado pelo aumento de pressão
comunicado pela bomba através de elementos com movimento
alternativo ou rotativo.
• Exemplos de BOMBAS ALTERNATIVAS: bombas de pistão, ou
êmbolo, e bombas de diafragma.
• Exemplos de BOMBAS ROTATIVAS: A denominação genérica
Bomba Rotativa designa uma série de bombas volumétricas
comandadas por um movimento de rotação, daí a origem do nome.
As bombas rotativas podem ser de Engrenagens, Lóbulos ou Palheta.
• Aplicação das bombas de deslocamento positivo: casos onde é
necessário uma vazão constante independente de variação da carga
sobre a bomba, e também quando o volume deve ser medido com
precisão já que a vazão produzida pela bomba é função apenas da
sua rotação.
•
BOMBAS ALTERNATIVAS
Nas bombas de êmbolo, o órgão que produz o movimento do fluido é
um pistão que, em movimentos alternativos aspira e expulsa o fluido
bombeado.
Esquema de bombas alternativas. (a) de êmbolo, (b) de diafragma.
BOMBAS ROTATIVAS
Bomba de engrenagem
BOMBAS ROTATIVAS
Bomba de Lóbulos
BOMBAS ROTATIVAS
Bomba de palhetas
BOMBAS HIDRODINÂMICAS
• Conhecidas também como Bombas Hidráulicas de Fluxo
• Transfere quantidade de movimento para o líquido através da
aceleração provocada por um elemento rotativo dotado de pás
denominado rotor.
4. Turbinas Hidráulicas
• Transforma a energia hidráulica, do escoamento, em energia
mecânica que pode ser aproveitada para realizar trabalho.
Epressão ⇒ Evelocidade ⇒ Emecânica
4.1. Tipos de Turbinas Hidráulicas
•
As turbinas hidráulicas são classificadas de acordo com o processo
de conversão da energia hidráulica em energia mecânica como:
- TURBINAS DE AÇÃO
- TURBINAS DE REAÇÃO
TURBINAS DE AÇÃO
• Transformam energia cinética em energia mecânica à pressão
constante, normalmente à pressão atmosférica.
• Exemplo de turbinas de ação: Turbinas Pelton
TURBINAS PELTON
• Máquinas de ação, ou de impulso, escoamento tangencial.
Operam em altas quedas (maiores que 300m) e baixas vazões.
•
Podem ser de um (01) jato, dois (02) jatos, quatro (04) jatos,
(05 jatos) e seis (06) jatos.
O controle da vazão é realizado na agulha e injetor.
TURBINAS PELTON
Turbina Pelton, de dois (02) jatos e eixo horizontal
Turbina Pelton
com seis (06) jatos
TURBINAS PELTON
•
A roda Pelton é constituída por um rotor dotado de pás igualmente
espaçadas pela sua periferia. As pás são de formato especial para
receberem um jato d’água e defleti-lo de 180°.
Roda Pelton de 60.000cv, para um desnível de 320m.
Exemplos de Centrais Hidrelétricas com Turbinas Pelton:
CENTRAL HIDRELETRICA SÃO BERNARDO
Cidade: Piranguçu – MG, Empresa: CEMIG
Q
H
n
Pe
[m3/s]
[m]
[rpm]
[kW]
0,286
599
1200
1345
0,286
599
1200
1345
0,860
599
1200
4043
CENTRAL HIDRELÉTRICA CUBATÃO 2
Cidade: Cubatão – SP, Empresa: ELETROPAULO
Q
H
n
Pe
[m3/s]
[m]
[rpm]
[MW]
12,7
684
450
65
Obs: São seis (06) grupos geradores e cada turbina possui quatro (04) jatos.
TURBINAS DE REAÇÃO
•
A água tem a pressão variando desde a entrada da turbina até a saída,
havendo a seguinte conversão de energia:
Ecinética ⇒ Epressão ⇒ Emecânica
•
Podem ser de dois tipos:
- AXIAL: fluxo da água é paralelo ao eixo do rotor.
- MISTA: fluxo na entrada do rotor é radial e após interagir com
ele sofre um desvio e passa a ser axial na saída.
• Exemplo de turbinas de reação: Turbinas Francis, Turbinas Hélice,
Bulbo e Kaplan.
TURBINAS FRANCIS
•
Máquinas de reação do tipo misto.
•
Podem ser utilizadas em desníveis desde 20 m até 600 m e
médias vazões
•
O controle da vazão é realizado no distribuidor ou sistema de pás
móveis.
TURBINAS FRANCIS
Partes principais da turbina Francis.
TURBINAS FRANCIS
Rotor Francis, de alta potência, para desnível médio.
TURBINAS FRANCIS
Rotores Francis lento, normal e rápido.
Exemplos de Centrais Hidrelétricas com Turbinas Francis
C E N T R A L H ID R E L É T R IC A L U ÍZ D IA S
C idade: Itajubá – M G
Q
H
n
Pe
[m 3 /s]
[m ]
[rpm ]
[kW ]
3,75
28
720
900
3,75
28
720
900
3,75
28
720
900
O bs.: O rotor de cada turbina é duplo (gêmeo)
C E N T R A L H ID R E L É T R IC A IT A IP Ú
C idade: F oz do Iguaçu – P R , E m presa: F U R N A S
Q
H
n
Pe
[m 3 /s]
[m ]
[rpm ]
[M W ]
680
118,4
91,6
715
O bs.: 20 máquinas iguais, com cada gerador tendo potência 700 [M W ]
TURBINAS HÉLICE, BULBO E KAPLAN
•
Operam grandes vazões e baixas quedas.
•
Turbinas do tipo hélice: máquinas com pás fixas.
•
Turbinas do tipo Kaplan: pás móveis, posicionadas para o melhor
rendimento.
•
Turbinas do tipo Bulbo: integra a turbina e o gerador em um só
invólucro.
TURBINAS HÉLICE, BULBO E KAPLAN
Rotor Kaplan, com as pás em ângulo de 30o.
Rotor Hélice - Axial de simples regulagem (foto à direita), rotor
Kaplan - Axial de dupla regulagem
Turbina Kaplan:
Central Hidrelétrica de
Machicura, Chile;
(duas) 02 máquinas de
36,7 m; 144,2 m3/s e 48,4 MW.
Arranjo da Central Hidrelétrica Liga III, Suécia; uma (01) máquina
com 39 m, 516 m3/s e 182,6 MW.
Turbina axial, tipo tubular S, rotor Kaplan e eixo horizontal.
Exemplos de Centrais Hidrelétricas com Turbinas Axiais
C E N T R A L H ID R E L É T R IC A JO SÉ T O G N I (B O R T O L A N )
C idade: P oços de C aldas – M G , E m presa: D M E
Q
H
n
Pe
[m 3 /s]
[m ]
[rpm ]
[kW ]
7
12
450
556
O bs.: A turbina é do tipo tubular S
C E N T R A L H ID R E L É T R IC A T A Q U A R U Ç Ú
E m presa: C E SP
Q
H
n
Pe
[m 3 /s]
[m ]
[rpm ]
[M W ]
511
21,9
85,7
103
O bs.: cinco (05) máquinas iguais