MÁQUINAS DE FLUXO CADERNO DE LABORATÓRIO

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1 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina /75 MÁQUINAS DE FLUXO CADERNO DE LABORATÓRIO 3

2 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina /75 HOMENAGEM Esa é uma dição rcopilada plo rof. João Robro Barbosa d uma publicação inrna do ITA, iniulada Curso d MEC-36 MÁQUINAS DE FLUXO LHM. Em diçõs anriors foi dio qu as aposilas foram prparadas plos profssors Richard Bran, Danillo Csco Euclids Carvalho Frnands, mas, rcnmn, omamos conhcimno d qu o rof. Zulcy d Souza ambém paricipou do rabalho, razão pla qual su nom é agora incluído na lisa dos auors. Traa d Dinâmica dos Fluidos Aplicada às Máquinas d Fluxo Gnralidads sobr os Ensaios das Máquinas d Fluxo. Dsja-s qu sa dição sja uma homnagm aos colgas do anigo Dparamno d Enrgia (hoj Dparamno d Turbomáquinas) qu consruíram as bass do qu hoj mos. Espra-s qu o sudo das máquinas d fluxo, noadamn aquls ligados à par xprimnal, sja faciliado, prmiindo qu o aluno s dnha mais para analisar os concios nvolvidos nas máquinas d fluxo, uma vz qu a consrução dos Rlaórios d Laboraórios s ornará mais simplificada. Rvisão Gral do Laboraório Implanação d um Sisma d Aquisição d Dados A aquisição d dados d nsaios do Laboraório m sido ralizada manualmn. Em foi fia rvisão compla d odas as máquinas do Laboraório colocando odas las m opração. Em 3 foi fia rvisão compla do Laboraório d Caviação, colocando m opração bomba, urbina anqu d vácuo. Em 3 srá implanado um sisma d aquisição d raamno d dados d nsaios das bombas das urbinas, basado m sismas ipo LabViw, m daa ainda não acrada, srá. implanado sisma smlhan para o circuio d sudos d caviação. Os rcursos foram disponibilizados pla mprsa VSE, Val Soluçõs m Enrgia as obras ralizadas plo Eng. Sbasião Marimoo, formado m lrônica plo ITA m 97.

3 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina 3/75 INTRODUÇÃO Es Cadrno d Laboraório sá organizado da sguin manira: A primira par raz informaçõs grais sobr máquinas d fluxo os ipos d nsaios a qu gralmn são submidas. A sgunda par consa d Capíulos rfrns aos nsaios das divrsas máquinas insaladas no Laboraório d Máquinas Hidráulicas d Vniladors do ITA, conndo uma Inrodução órica, os Objivos do nsaio, uma Dscrição do Ensaio, os rocdimnos a srm sguidos duran os nsaios, a Rlação d Mariais para o nsaio, Tablas, Gráficos, c., os Rsulados a srm obidos as Conclusõs finais do nsaio. Capíulo Caracrísicas d bomba hidráulica radial Capíulo Campo básico d urbina lon Capíulo 3 Campo básico d urbina hélic Capíulo 4 Comporamno d urbina hélic ( Kaplan) sob alura d quda (rabalho spcífico) carga variávis: ransformação do diagrama Trabalho Espcífico Consan Roação Variávl m diagrama d Trabalho Espcífico Variávl Roação Consan Capíulo 5 Ensaio d rcpção d urbina Francis (roação consan) Capíulo 6 Anális da quação fundamnal para gradors sparação das prdas hidráulicas Capíulo 7 Drminação d rndimno inrno d vniladors Capíulo 8 - Caviação m Bomba Axial TIOS DE ENSAIOS Os nsaios d máquinas d fluxo, m gral, visam a 3 finalidads fundamnais.. Andimno d cláusulas conrauais. Os nsaios das máquinas podm sr fios ans (nsaios d garania), no ao (nsaios d rcpção) ou posriormn à sua insalação (nsaios priódicos). Formação d profissionais nas Escolas d Engnharia ou congênrs (nsaios d insrução). 3. Dsnvolvimno cinífico (nsaios ciníficos), visando à psquisa aravés da anális dimnsional da saísica d coficins qu prmim o prédimnsionamno saisfaório d máquinas smlhans, da comprovação da oria mprgada nos projos, da mlhoria dsss projos, bm como da psquisa d mlhors formas para os divrsos conjunos. Quano ao sado ao modo d xcução d nsaios, disingum-s classs:. Ensaios m sado d quilíbrio põm-s as máquinas m movimno um mpo suficin d adapação é aguardado, ans qu s inici o rgisro dos parâmros do nsaio. Dv-s consgui-los sm qu nnhum dls sofra variaçõs nss inrvalo d mpo. Toricamn, nrano, para al ocorrência, ss mpo é infinio. Na práica consgu-s aproximação do sado d quilíbrio quando os dsvios das grandzas a mdir form mnors qu a prcisão dos aparlhos.

4 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina 4/75 D forma gral o quilíbrio dv sr consguido m odos os snidos: Cinmáico variaçõs d vlocidad. Dinâmico variaçõs d força, momno, c. Quaniaivo variaçõs d quanidad d calor, d massa. Qualiaivo variaçõs d aspco. Na maioria dos casos apnas consgu-s saisfazr aproximadamn par das condiçõs ciadas.. Ensaios m sado ransiório, quando s procura analisar os procssos armaznadors qu aparcm nr os sados d quilíbrio. São bm mais difícis d srm ralizados, ncssiando-s d insrumnação d mdida capazs d rgisrarm ficinmn os parâmros do nsaio num pquno inrvalo d mpo (mpo d amosragm compaívl com a frqüência dos sinais).

5 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina 5/75 OBJETIVOS RINCIAIS A SEREM ALCANÇADOS Os objivos dos nsaios das máquinas d fluxo podm sr agrupados como sgu: - Lvanamno do Campo Básico Nos nsaios m sado d quilíbrio, para qualqur ipo d máquina, é fundamnal o raçado do gráfico do campo d funcionamno (diagrama opográfico ou diagrama d colina) Ess gráfico consis da rprsnação plana das variávis imporans da máquina, sndo qu rês dlas podm sr indpndns: Q vazão do fluido opran Y rabalho spcífico n roação da máquina rndimno oal da máquina h M poência hidráulica ou poência d fluido poência d ixo ou poência ficaz momno no ixo d máquina A drminação do campo d funcionamno é fia aravés d rês dsas variávis, convninmn scolhidas como variávis indpndns. Gralmn s dá prfrência a Q, Y n por srm d simpls drminação com os insrumnos d mdidas usuais. ara uma rprsnação plana é aqula d uma família d curvas no plano. Torna-s, porano, ncssário fixar-s uma dssas variávis (parâmro), variando as duas ouras. A scolha é arbirária, mas dv sr convnin; a dcisão d qual variávl srá fixada é omada considrando a modalidad d máquina. or xmplo: Bombas hidráulicas Y Q variávis; n consan. Turbinas hidráulicas Q n variávis; Y consan. ara mlhor sclarcr, admia-s como xmplo a modalidad TURBINA HÉLICE, para a qual s fixa Y = cons., variam-s Q n obém-s o diagrama da Fig. :

6 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina 6/75 a abruras do sisma diror curvas d rndimno consan Figura Campo básico d uma Turbina Hélic com pás do sisma diror variávis Dv- s obsrvar qu, fixados Q n nss diagrama, rmos qualqur oura variávl da máquina com su valor drminado, mbora s drmin os valors d rndimno aravés do nsaio d fragm, dada a dificuldad d s conhcr a função Q, Y, n. O campo básico é obido aravés dos nsaios prmi uma anális basan ampla das caracrísicas d funcionamno da máquina. - Condiçõs óimas d funcionamno da máquina Corrspondm aos valors das variávis qu indicam as condiçõs para as quais a máquina mlhor s adapa. Gralmn s procuram as condiçõs d poência máxima d rndimno máximo. Os valors das variávis corrspondns a sss ponos d máximo não ncssariamn são os msmos. No caso d srm coincidns, os ponos são chamados d pono d funcionamno óimo sá univocamn drminado. Caso conrário, scolh-s um pono d funcionamno óimo aravés d uma solução d compromisso. od-s opar pla scolha da poência máxima (m prjuízo d rndimno), dvndo-s convivr com os problmas d choqus, dsgas, c. ods ambém opar plo pono d máximo rndimno (m prjuízo da poência). É cosum scolhr como pono d funcionamno um pono inrmdiário nr o d máxima poência o d máxima ficiência s nnhuma xigência adicional (conômicas, alura d carga, c.) xisir. Fixado s pono d funcionamno óimo, as grandzas ou caracrísicas dl oriundas, são dnominadas grandzas ou caracrísicas nominais. 3- Curvas d rcpção curvas d funcionamno Do campo básico podm-s drminar as curvas d rcpção, qu dscrvm o comporamno da máquina sob condiçõs d rabalho spcífico (Y) roação (n)

7 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina 7/75 consans, gralmn rlaivas à roação do pono d rndimno máximo. Tais curvas comprndm rndimno oal ( ) poência ficaz ( ), vrsus vazão(q) ou Q vrsus parâmro adimnsional d vazão ( ), sndo Q a vazão rlaiva ao pono rndimno máximo. Ainda do campo básico, obêm-s ambém as curvas d funcionamno, qu dscrvm o comporamno da máquina sob as condiçõs d rabalho spcífico (Y) vazão (Q) consans, ainda gralmn rlaivas a rndimno máximo. Tais curvas comprndm vazão (Q), poência ficaz ( ), rndimno oal ( ) momno no n ixo (M) vrsus roação (n) ou vrsus o parâmro adimnsional d roação ( ), sndo n a roação rlaiva ao pono d rndimno máximo. Q n 4- Campos rlaivos adimnsionais A oria da smlhança, sob drminadas condiçõs, prmi o sudo a psquisa sobr as máquinas d fluxo a srm consruídas, uilizando modlos smlhans. O raçado do campo d funcionamno uilizando como variávis as grandzas adimnsionais podrá srvir ano para a máquina m sudo como ambém para odas as suas smlhans (aqulas m qu haja smlhança gomérica, cinmáica dinâmica). Os campos rlaivos adimnsionais são obidos a parir do campo básico são gralmn dfinidos aravés dos coficins adimnsionais sguins: Y Coficin d prssão (ou carrgamno) U Q D 4 Va 4Q Coficin d vazão (ou d volum) 3 U U D n / Q 3 / 4 Y Coficin d vlocidad (ou d ligirza) / Q / Y Coficin do diâmro

8 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina 8/75 ENSAIO I CARACTERÍSTICAS DE BOMBA HIDRÁULICA RADIAL Daa d ralização do nsaio: / /3 Nom do aluno: Daa d nrga do Rlaório: / /3 Dias úis d araso Noa do rabalho: Dscono: Noa final: INTRODUÇÃO Os nsaios d bombas hidráulicas m gral são os nsaios d garania (ou d rcpção), nsaios d formação profissional nsaios ciníficos. Dnominam-s, d forma gral, curvas caracrísicas d uma bomba hidráulica o diagrama composo plas grandzas rabalho spcífico (Y), rndimno oal, poência hidráulica ( h ) ou poência ficaz ( ) vrsus vazão (Q) da bomba, rabalhando sob roação consan (n). O lvanamno das curvas caracrísicas da bomba é d grand inrss, pois prmi anális basan ampla das caracrísicas opracionais da máquina, faciliando a localização d su pono d opração quando insalada. A scolha d uma bomba dv andr o rquisio: lvação ficin d uma vazão Q a uma alura H (qu corrspond a um rabalho spcífico da bomba Y = gh). Dv-s procurar spcificar uma bomba cujas curvas caracrísicas indiqum qu srá aingido um rndimno considrado saisfaório para o par (Q;Y), rqurido. A bomba é projada para lvar uma drminada vazão d fluido (gralmn água) a uma cra alura, m condiçõs d máximo rndimno, ou plo mnos m condiçõs próximas ao máximo rndimno, uma vz qu, à mdida qu s afasa das condiçõs óimas, o rndimno nd a diminuir considravlmn. Os squmas anxos mosram, d manira gral, como s aprsnam as caracrísicas das rês modalidads d bombas mais comuns na práica. O qu caracriza o ipo d bomba, indpndnmn das dimnsõs goméricas ou da roação, é a vlocidad spcífica ( n q ), dfinida por ond / Q n q n (adimnsional) 3 / 4 Y n vlocidad d roação da máquina, m rps m 3 Q vazão volumérica bombada pla máquina, m s Y rabalho spcífico passado para o fluido bombado, m J/kg Como o valor numérico d spcífica uilizando-s ouras grandzas. or xmplo Addison uiliza auors N n. q q n q é basan pquno, é cosum rdfinir a vlocidad N n ouros qa q

9 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina 9/75 Em palavras, a vlocidad spcífica n q corrspond ao númro d roaçõs por sgundo, da máquina idal, gomricamn smlhan à máquina considrada, capaz d forncr a unidad d vazão quando forncr ao fluido um rabalho spcífico ambém uniário. ara cada ipo d máquina, m paricular cada ipo d bomba, o valor d n q dv ficar comprndido nr drminados limis para s garanir qu la opr adquadamn. Caso conrário, su funcionamno srá prcário oprará com baixo rndimno. A vlocidad spcífica prmi dfinir a forma do roor. or xmplo, para uma drminada vazão volumérica, roors para grands aluras manoméricas usualmn aprsnam baixos valors d vlocidad spcífica, ao passo qum roors para aluras d lvação rduzidas, gralmn aprsnam alos valors d vlocidad spcífica. Com rlação às curvas caracrísicas das bombas obsrva-s qu nm smpr coincidm os ponos d máximo rndimno d máxima poência hidráulica. Sjam: Q vazão corrspondn ao pono d máxima poência Q vazão corrspondn ao pono d máximo rndimno Dfin-s o coficin d forma (E) da bomba pla rlação nr as vazõs corrspondns aos ponos d máxima poência hidráulica d máximo rndimno E Q Q Foram ralizados divrsos nsaios d bombas com vários ipos d roors raçada a curva E f, indicada na Fig.. n qa Obsrva-s qu ssa função f E n qa assum o valor, no pono qa n = 6, indicando qu somn para a class d bombas qu êm n qa = 6 os ponos d máximo rndimno máxima poência coincidm. Somn nss caso o pono d funcionamno sá univocamn drminado. ara as dmais bombas há ncssidad d uma solução d compromisso, por xmplo, aproviando-s ao máximo a poência m prjuízo do rndimno, aciando-s o aparcimno d choqus, dsgass, c. Oura opção sria rabalhar no pono d máximo rndimno, m prjuízo da poência hidráulica, rqurndo-s maior poência d nrada. Na maioria das vzs é omado como pono d funcionamno um pono inrmdiário as grandzas dl oriundas são dnominadas grandzas ou caracrísicas nominais. Curva E f n qa Bombas radiais E > Q > Bombas axiais E < Q < Bombas diagonais E Q E Q Q Q Q Q

10 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina /75 Figura Gráfico da função E f n qa OBJETIVOS - Obnção das curvas caracrísicas da bomba radial Wis Trabalho spcífico(y) vrsus vazão(q) para roação (n) consan;.- Rndimno oal vrsus vazão (Q);.3- oência hidráulica ( h ) vrsus vazão(q); - Drminação das condiçõs óimas d funcionamno rfridas ao pono d máximo rndimno máx dados plos valors rspcivos d poência hidráulica ( ), rabalho spcífico ( Y ) vazão ( Q ). 3- Drminação das condiçõs d funcionamno rfridas ao pono d poência máxima ( máx ), dados plos valors rspcivos d rndimno, rabalho spcífico (Y p ) vazão (Q p ). 4- Drminação das condiçõs nominais d funcionamno dadas plos valors d rndimno n, poência hidráulica ( n ), rabalho spcífico (Y n ) vazão Q n, odos omados m um pono inrmdiário nr os ponos d rndimno máximo d poência máxima. 5- Vrificação da class do roor da bomba (radial, diagonal ou axial) aravés do cálculo do coficin d vlocidad spcífica dado por / Q n qa n, com n mdido m rps. 3 / 4 Y 6- Vrificação da class do roor da bomba por mio do cálculo do coficin d forma E Q Q d sua posição na curva coficin d forma (E) vrsus coficin d vlocidad spcífica ( n qa ) DESCRIÇÃO DO ENSAIO A variação da vazão da bomba a sr nsaiada é consguida variando-s gradaivamn a abrura do rgisro da canalização d prssão da bomba a sr nsaiada. Em dcorrência, variam ambém odos os ouros parâmros do scoamno, ais como:prssão d nrada (vacuomérica,

11 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina /75 sucção), prssão d saída (dscarga), rabalho spcífico, poência hidráulica, ficiência. O moor qu aciona a bomba é gralmn um moor d indução, qu m roação consan, a mnos d uma pquna variação por causa do fnômno do dslizamno dos moors assíncronos, qu varia d,5% na condição sm carga aé 4% na condição d plna carga. Dfin-s dslizamno pla rlação Vsin cron Vmoor V sin cron O nsaio complo da bomba rqur ambém a variação da sua roação, o qu rqur o uso d moors léricos adquados. As mdiçõs dos divrsos parâmros, para cada abrura do rgisro (iso é, para cada vazão) prmim a obnção d odas as grandzas ncssárias para o nsaio. ROCEDIMENTO ara cada posição do rgisro da canalização d prssão da bomba, com a roação do moor n consan, procd-s as sguins drminaçõs. - Alura h do cnro do manômro qu md a prssão d saída da bomba aé o pono d omada da prssão (vácuo) na nrada dssa bomba. - rssão na nrada da bomba, indicada no manômro (vácuo). 3- rssão s na saída da bomba, indicada no manômro. 4- Cálculo do rabalho spcífico da bomba obido a parir da a Li da Trmodinâmica s al qu Y gh Vs V 5- Cálculo da poência hidráulica dada por h QY 6- oência lérica l consumida plo moor indicado plo waímro. 7- oência no ixo da bomba obido pla consula ao diagrama do moor lérico poência do ixo vrsus poência lérica. 8- h Cálculo do rndimno oal da bomba dado por 9- Difrnça d alura y nr os nívis das duas alças do manômro m U para a mdida da vlocidad da água no cnro do duo aravés d um udo d io. - Cálculo da vlocidad da água no cnro do duo, dada por V máx gy - Cálculo do N o VmáxD d Rynolds dado por R, ond ond D diâmro do duo dnsidad da água à mpraura do nsaio viscosidad dinâmica da água à mpraura do nsaio. - Cálculo da vlocidad média do scoamno dada mpiricamn por

12 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina /75 m R Vm V máx, sndo m 6 m 5 3- Cálculo da vazão dada por Q VmA, sndo A = ára da scção ransvrsal do duo, D dada por A 4 4- Liura da roação n do moor, por mio d acômro d conao. 5- Uma vz raçados os diagramas, drminar apuradamn o pono d funcionamno da bomba rlaivo às condiçõs d poência hidráulica máxima como a sguir indicado d Drminação d h, máx, sndo h QY, h QdY YdQ = no pono d dy Y poência máxima. Sgu-s qu QdY YdQ,, qu é o valor do dq Q coficin angular da ra angn à curva n = consan, cuja quação é dy Y Y Y a g. Como g, rsula Y a, porano, a = Q. dq Q Q Figura 4 Curva caracrísica d uma bomba a drminação do pono d poência hidráulica máxima Obsrvando-s a Fig. 4 vê-s qu os riângulos EBD ACB são congruns quando B é o pono d poência máxima. Conclui-s ambém qu o pono B, d máxima poência hidráulica, divid o comprimno do sgmno d ra angn à curva n = con m duas pars iguais. O pono B pod sr drminado graficamn, com cra facilidad, uilizando-s uma scala com zro no cnro, colocando-a angn à curva obsrvando quando as disâncias OD OC são iguais. A drminação do pono B analiicamn pod sr fia após a drminação da parábola qu ajusa os ponos da curva n = cons., da qual s pod calcular a drivada m função da vazão obr-s a quação da ra angn. As condiçõs Q = Y = são suficins para drminação dos ponos C D, raçagm da ra angn drminação do pono B

13 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina 3/75 sobr a curva. / Q 6- Coficin d vlocidad spcífica dado por n qa n 3 / 4 Y Q 7- Coficin da forma dado por E vazão no pono d poência máxima = Q vazão no pono d rndimno máximo RELAÇÃO DO MATERIAL - Bomba radial insalada m circuio complo para nsaio. - Tubo d io com manômro associado. 3- Manômros d Bourdon (prssão posiiva d vácuo) 4- Waímro 5- Diagrama poência lérica do moor vrsus poência no ixo. 6- Tacômro d conaco 7- Trmômro para mpraura ambin 8- Barômro TABELA DE DADOS rssão amosférica Tmpraura ambin T Dnsidad do mrcúrio rssão amosférica Tmpraura da água mm Hg am o C 3 Hg kg / m am N / m T o H C O Dnsidad da água 3 kg / m k Viscosidad dinâmica da água kg / ms Diâmro do duo D m Ára da scção ransvrsal duo A m Dsnívl do manômro h m TABELA DE MEDIDAS G D Origm n rpm acômro N / m Manômro (vácuo) s N / m manômro y m scala lérica W waímro V m/s gy máx R - V máx Vmáx D R

14 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina 4/75 m - m R 6 5 V m m/s m V m Q m 3 / s V m A Y J/kg s Y gh h W h QY W gráfico - h m V máx V s V ESQUEMA Figura 5 Esquma da insalação da bomba hidráulica

15 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina 5/75 RESULTADOS ) Curva Y = Y(Q) ) Curva h = h (Q) 3) Curva Q 4) Tabla d valors caracrísicos da bomba: arâmro Roação Vazão Trabalho Espcífico Eficiência oência Condição oência Máxima Eficiência Máxima Nominal 5) Coficin d vlocidad spcífica n qa 6) Coficin d forma 7) Class do roor da bomba E Q Q CONCLUSÕES

16 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina 6/75 QUESTIONÁRIO - Explicar m 3 linhas o porquê dos nsaios d máquinas hidráulicas. - Qual é a vanagm d s rabalhar com coficins adimnsionais do ipo E (Coficin d Forma) n q (coficin d vlocidad spcífica) 3- Uma bomba gira a 75 rpm, com vazão Q = 6,4 l/s alura manomérica d 3 m, dm-s: a) o ipo d roor dssa bomba b) qual é a rlação provávl qu xis nr os valors d vazão para. poência máxima d vazão para rndimno máximo. 4- São dadas abaixo as duas curvas d uma bomba hidráulica. Essas curvas podriam rfrir a qual (ou quais) classs d roors? Figura 6 Curvas d oência hidráulica d ficiência d uma bomba 5- or qu razão a curva ípica Y x Q d uma bomba é dcrscn com vazão crscn? 6- No nsaio ralizado a poência no ixo é consan. or qu? 7- Qu ipo d moor lérico dá rpm consan? Qual a razão da pquna variação d rpm havida duran o nsaio? 8- or qu há valors nulos nas duas xrmidads da curva? 9- Numa bomba são conhcidos: dm-s: Q = 5 l/s Q = 6 l/s ; Y = J/Kg a. Qual o valor da vazão nominal Q n? b. Qual o valor do rabalho spcífico nominal Y n c. Qual o valor da poência hidráulica nominal n d. Qual o valor do rndimno nominal. n. Qual o valor da poência no ixo nominal n Y = 9 J/kg; =,6 n =,7. f. O roor dssa bomba pod sr radial? or qu? - Explicar as difrnças xisns nr as caracrísicas d rês modalidads d bombas: radiais, diagonais axiais.

17 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina 7/75 ENSAIO II CAMO BÁSICO DE UMA TURBINA ELTON Daa d ralização do nsaio: / /3 Nom do aluno: Daa d nrga do Rlaório: / /3 Dias úis d araso Noa do rabalho: Dscono: Noa final: INTRODUÇÃO Os nsaios com urbinas lon s nquadram dnro das finalidads já conhcidas qu andm aos chamados nsaios d garania ou d rcpção, a formação profissional nas Escolas do Engnharia ou congênrs ainda para fins ciníficos. No caso paricular da urbina lon, o sisma d alimnação é indpndn da roação do roor, rsulando numa indpndência rlaiva nr vazão vlocidad d roação. Assim sndo, uma vz fixada a alura d quda d água (H) a posição (a) da agulha do injor, a rprsnação da função vazão (Q) vrsus roação (n) s dá aravés d ras horizonais, qu podm rprsnar ambém a consância da poência hidráulica ( h ) do scamno. For mio d sisma d frio d rony drmina-s a poência ficaz do ixo da urbina assim o rndimno da msma. Traçando-s gráficos dssas grandzas vazão rndimno vrsus roação drmina-s o comporamno da urbina lon aravés do chamado campo básico d funcionamno. Do campo básico pod-s drminar as curvas d rcpção qu dscrvm o comporamno da urbina sob condiçõs d alura d quda (rabalho spcifico) roação consans rlaivas a rndimno máximo ( máx ) dados por rndimno ( ) poência ficaz ( ) vrsus parâmro adimnsional d vazão ( Q ) sndo Q a vazão corrspondn ao pono Q d rndimno máximo. Um xmplo dss ipo d curva dado na Fig., curva (l), ond s obsrva a xisência d um valor mínimo d vazão ( Q mín ) al qu rndimno ( ) =. (Essa vazão é rlaiva à poência hidráulica dpndida para vncr as prdas). Do msmo campo básico obém-s, ambém, as curvas d funcionamno, qu dscrvm o comporamno da urbina sob as condiçõs do quda (ou rabalho spcífico) abrura consans rlaivas ao rndimno máximo ( máx ) são dadas plas curvas vazão (Q), poência ficaz ( f ), rndimno ( ), momno no ixo (M), odos rlaivos ao parâmro n adimnsional d roação ( ), sndo n a roação corrspondn ao rndimno máximo. n A Fig. 3 rproduz ssas curvas. No Laboraório d Máquinas Hidráulicas do ITA, não havndo condiçõs d s alcançar alura d quda (H) consan, por causa d acionamno por mio d bomba hidráulica (a alura varia com a vazão) procd-s à sangria dssa bomba para simular as condiçõs d alura consan. Num pré-nsaio drmina-s ambém qual a mlhor posição do jao com rlação à pá.da urbina, d modo qu a ransfrência d nrgia do jao para a urbina sja a máxima. (No nsaio iso é praicamn acio para a posição do jao qu dá a máxima roação d mbalamno).

18 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina 8/75 OBJETIVOS - Drminação da alura d incidência óima do jao d água na pá da urbina lon. - Obnção do campo básico d funcionamno da urbina lon caracrizado plos diagramas d rndimno oal ( T ) vrsus roação (n), com indicação dos valors d vazão (Q), para cada pono dos diagramas. 3- Drminação das condiçõs óimas d funcionamno da urbina lon, dados plos valors d roação (n ), vazão ( Q ), momno do ixo ( M ) poência ficaz ( f ), odos rfridos ao pono d máximo rndimno máx. 4- Drminação das curvas d rcpção, ambos rfridos à roação do funcionamno ( n ) Q 4- Rndimno oal ( T ) vrsus parâmro adimnsional d vazão ( ) Q Q 4- oência ficaz ( f ) vrsus parâmro adimnsional d vazão ( ) 5-. Drminação das curvas d funcionamno, ambos rfridos à vazão consan d funcionamno ( Q ) n 5- Rndimno oal ( T ) vrsus parâmro adimnsional d roação ( ) n DESCRIÇÃO 5- oência ficaz ( f ) vrsus parâmro adimnsional d roação ( ( a ar) Drminação da alura d incidência óima ( z ) do jao na pá. Ess nsaio é ralizado simplsmn pré-fixando-s uma abrura (a) qualqur da agulha, do modo qu a vazão sja consan, acionando-s o volan do parafuso qu dsloca vricalmn o supor do injor, variando, porano, a posição do jao com rlação à pá. ara cada posição do jao md-s a vlocidad d roação d mbalamno do roor (roação qu o roor aing quando sivr sm carga no ixo). D uma forma gral obém-s o diagrama Q n ) n Figura Roaçõs d mbalamno m função da posição do injor Admiindo-s qu a vlocidad máxima d mbalamno corrsponda à máxima ransfrência d nrgia do jao para a urbina, a posição óima do jao é drminada pla

19 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina 9/75 posição ( z ) corrspondn ao valor d vlocidad máxima ( máx ). (Obsrva-s porém qu nss caso não há poência ficaz no ixo da urbina porano su rndimno é nulo. A poência hidráulica é aproviada apnas para vncr as prdas do sisma). a ar) Drminação do campo básico da urbina osicionando-s o injor na posição ( z ), fixando-s a agulha do injor numa posição fixada (qu corrspond a uma vazão consan), aciona-s o sisma d frio d rony, aprando-s os parafusos da lona dss frio; ssa fragm simula uma carga d consumo no ixo da urbina, sndo facilmn obido o momno corrspondn aravés da mdida da forçaa na xrmidad do braço do sisma por mio d dinamômro. A poência ficaz é não obida aravés dos valors dss momno da roação do ixo. A vazão do scoamno obida por mio d vrdor ou d um ouro disposiivo (io, Vnuri, c.). A poência hidráulica fica, drminada pla obnção da liura da alura d quda d água. rndimno oal do sisma é obido plo quocin da poência ficaz a poência hidráulica rcbida,. Rpindo-s ssas opraçõs para novos valors d vazão (associada a cada posição da agulha do injor) obém-s o campo básico d funcionamno da urbina, qu por sua vz fornc as curvas d rcpção d funcionamno da urbina, m qu s êm as condiçõs óimas d funcionamno da urbina. ROCEDIMENTO a ar) Drminação da alura d incidência óima ( z ) do jao na pá. (para a máxima roação d mbalamno) - Abrir a válvula d agulha do injor numa posição fixa qualqur. - Ajusar a posição ( z ) do injor acionando o volan do parafuso d chamada. 3- Mdir a roação d mbalamno (urbina com carga úil no ixo) para a fixada posição ( z ) do injor. 4- Rpir as mdidas d roaçõs d mbalamno para ouras posiçõs { z ) do injor. 5- rnchr a abla I com os valors nconrados, obndo a posição óima. ( z ) do jao m rlação à pá. s ar) Drminação do campo básico da urbina - osicionar o injor na alura óima ( z ) anriormn drminada. - Rgular a abrura da agulha do injor, conform indicação da abla II. 3- Mdir a vazão do scoamno por mio d vrdor ou disposiivo d idênica finalidad. 4- Mdir a alura manomérica do scoamno no injor, por mio d manômro d Bourdon. 5- Acionar o sisma d fragm do roor da urbina para obnção d divrsos valors d momno no ixo, para a pré fixada vazão do scoamno. 6- Mdir, por mlo d dinamômro, a força na xrmidad do braço do frio, para cada acionamno do sisma d fragm.

20 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina /75 7- Mdir, por mio do acômro, a roação da urbina para cada acionamno do sisma d fragm. 8- Calcular a poência.hidráulica ( h ) do scoamno, dada por: h QY QgH 9- Calcular a poência ficaz da urbina ( f ), dada por n f (F. c.'.) 6 com (F) m kgf, (n) m rpm, l =,85 m 9,8,85 f F n,875 F n 6 f - Calcular o rndimno da insalação: T h - ara novos valors d vazão, obidos por rgulagm da abrura da válvula d agulha, procdr a rpição do oda a sqüência d opraçõs, d modo a cobrir odo o campo d funcionamno da urbina lon. - Traçar as curvas caracrísicas do campo básico dadas por vazão (Q) vrsus roação (n) com indicação dos rndimnos m cada pono. 3- A parir do campo básico, obr as curvas d rcpção, d funcionamno, bm como os valors óimos d funcionamno da urbina lon. RELAÇÃO DE MATERIAL. Turbina lon insalada m circuio complo para nsaio.. Sisma mdidor d vazão (vrdor, io, vnuri) 3. Manômro do Bourdon 4. Frio d rony 5. Dinamômro 6. Tacômro d conao 7. Trmômro. Figura Campo básico d Turbina lon

21 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina /75 Figura - Curvas d Rcpção Figura 3 Curvas d Funcionamno

22 ágina INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS Figura 4 Esquma d opração d uma Turbina lon TABELA DE DADOS TABELA DE MEDIDAS prssão amosférica a mmhg aclração da gravidad g m / s mpraura da água o C dnsidad da água 3 kg / m comprimno do braço do frio l m TABELA - DETERMINAÇÃO DA OSIÇÃO ÓTIMA DO JATO abrura da agulha indicador a - n o volas do parafuso indicador N - posição do injor scala Z mm vloc. mbalamno acômro n mbal rpm posição óima do jao Z mm alura d quda consan H m

23 ágina INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS rabalho spcífico Y J/kg n rpm mbal TABELA - DETERMINAÇÃO DA CURVA DE EMBALAMENTO a abrura - Q vazão m 3 / s n acômro rpm mbal

24 ágina TABELA 3 - CÁLCULOS INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS abr. da alura do vazão força na roação poência poência agulha vrdor balança hidráulica ficaz - scala abla dinamôm. acôm. QY,875En ficiência h a h Q F n h f - m m 3 / s kgf rpm W W -

25 ágina QUESTIONÁRIO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS - or qu razão no diagrama Q vrsus n m-s ras horizonais? - Qual é o significado d Q mín no diagrama vrsus Q, para n = consan? 3- Vrifiqu nas curvas d rcpção s os picos d máximo d coincidm ou não. Havria alguma jusificaiva para isso? 4- Idm para as curvas d funcionamno. Jusificar. 5- Explicar, aravés do diagrama H vrsus Q da bomba, como s consgu scoamno com alura H consan por mio da sangria dssa bomba. 6- Qual dv sr a rlação órica U V (vlocidad angncial da pá dividida pla vlocidad absolua do jao) para a máxima ransfrência d poência? U 7- Calcul a rlação no caso do prsn nsaio, confronando o valor nconrado com V o valor órico. Qual é a razão dssa discrepância? (Dado: raio da urbina = l6 cm) 8- Jusificar por qu razão, para uma dada vazão da urbina lon, o rndimno crsc com o aumno d roação dpois dcrsc. 9- Jusificar por qu razão, para uma dada roação da urbina lon, o rndimno crsc com o aumno da vazão dpois dcrsc. - Considr o problma ral qu ocorru no Esado do Rio d Janiro, quando a frqüência da rd lérica foi alrada d 5 Hz para 6 Hz, acarrando, porano, a mudança da rpm das urbinas gradoras d nrgia. Numa drminada usina do inrior, a urbina lon local forncia uma poência ficaz do 8 kw, rabalhando com rndimno global d,8. Com a mudança da roação nominal, ssa urbina passou a rabalhar com rndimno igual a apnas,7. Tomando-s o prço médio do kwh como, unidads da moda à época, calcular m quanos anos o prjuízo surgido sria igual ao cuso d uma nova insalação avaliada m 45., (unidads da moda à época), admiindo-s rgim d rabalho d 4 horas diárias.

26 ágina INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ENSAIO II CAMO BÁSICO DE UMA TURBINA ELTON Daa d ralização do nsaio: / /3 Nom do aluno: Daa d nrga do Rlaório: / /3 Dias úis d araso Noa do rabalho: Dscono: Noa final: INTRODUÇÃO Os nsaios com urbinas lon s nquadram dnro das finalidads já conhcidas qu andm aos chamados nsaios d garania ou d rcpção, a formação profissional nas Escolas do Engnharia ou congênrs ainda para fins ciníficos. No caso paricular da urbina lon, o sisma d alimnação é indpndn da roação do roor, rsulando numa indpndência rlaiva nr vazão vlocidad d roação. Assim sndo, uma vz fixada a alura d quda d água (H) a posição (a) da agulha do injor, a rprsnação da função vazão (Q) vrsus roação (n) s dá aravés d ras horizonais, qu podm rprsnar ambém a consância da poência hidráulica ( h ) do scamno. For mio d sisma d frio d rony drmina-s a poência ficaz do ixo da urbina assim o rndimno da msma. Traçando-s gráficos dssas grandzas vazão rndimno vrsus roação drmina-s o comporamno da urbina lon aravés do chamado campo básico d funcionamno. Do campo básico pod-s drminar as curvas d rcpção qu dscrvm o comporamno da urbina sob condiçõs d alura d quda (rabalho spcifico) roação consans rlaivas a rndimno máximo ( máx ) dados por rndimno ( ) poência ficaz ( ) vrsus parâmro adimnsional d vazão ( Q ) sndo Q a vazão corrspondn ao pono Q d rndimno máximo. Um xmplo dss ipo d curva é dado na Fig. 3, ond s obsrva a xisência d um valor mínimo d vazão ( Q mín ) al qu rndimno ( ) =. (Essa vazão é rlaiva à poência hidráulica gasa para vncr as prdas). Do msmo campo básico obém-s, ambém, as curvas d funcionamno, qu dscrvm o comporamno da urbina sob as condiçõs d quda (ou rabalho spcífico) abrura consans rlaivas ao rndimno máximo ( máx ) são dadas plas curvas vazão (Q), poência ficaz ( f ), rndimno ( ), momno no ixo (M), odos rlaivos ao parâmro n adimnsional d roação ( ), sndo n a roação corrspondn ao rndimno máximo. n A Fig. 4 rproduz ssas curvas. No Laboraório d Máquinas Hidráulicas do ITA, não havndo condiçõs d s alcançar alura d quda (H) consan, por causa d acionamno por mio d bomba hidráulica (a alura varia com a vazão) procd-s à sangria dssa bomba para simular as condiçõs d alura consan. Num pré-nsaio drmina-s ambém qual a mlhor posição do jao com rlação à pá.da urbina, d modo qu a ransfrência d nrgia do jao para a urbina sja a máxima. (No nsaio iso é praicamn acio para a posição do jao qu dá a máxima roação d mbalamno). OBJETIVOS

27 ágina INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS - Drminação da alura d incidência óima do jao d água na pá da urbina lon. - Obnção do campo básico d funcionamno da urbina lon caracrizado plos diagramas d rndimno oal ( T ) vrsus roação (n), com indicação dos valors d vazão (Q), para cada pono dos diagramas. 3- Drminação das condiçõs óimas d funcionamno da urbina lon, dados plos valors d roação (n ), vazão ( Q ), momno do ixo ( M ) poência ficaz ( f ), odos rfridos ao pono d máximo rndimno máx. 4- Drminação das curvas d rcpção, ambos rfridos à roação do funcionamno ( n ) Q 4- Rndimno oal ( T ) vrsus parâmro adimnsional d vazão ( ) Q Q 4- oência ficaz ( f ) vrsus parâmro adimnsional d vazão ( ) 5-. Drminação das curvas d funcionamno, ambos rfridos à vazão consan d funcionamno ( Q ) n 5- Rndimno oal ( T ) vrsus parâmro adimnsional d roação ( ) n DESCRIÇÃO 5- oência ficaz ( f ) vrsus parâmro adimnsional d roação ( ( a ar) Drminação da alura d incidência óima ( z ) do jao na pá. Ess nsaio é ralizado simplsmn pré-fixando-s uma abrura (a) qualqur da agulha, do modo qu a vazão sja consan, acionando-s o volan do parafuso qu dsloca vricalmn o supor do injor, variando, porano, a posição do jao com rlação à pá. ara cada posição do jao md-s a vlocidad d roação d mbalamno do roor (roação qu o roor aing quando sivr sm carga no ixo). D uma forma gral obém-s o diagrama: Q n ) n Figura Roaçõs d mbalamno m função da posição do injor Admiindo-s qu a vlocidad máxima d mbalamno corrsponda à máxima ransfrência d nrgia do jao para a urbina, a posição óima do jao é drminada pla posição ( z ) corrspondn ao valor d vlocidad máxima ( máx ). (Obsrva-s porém qu nss caso não há poência ficaz no ixo da urbina porano su

28 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina rndimno é nulo. A poência hidráulica é aproviada apnas para vncr as prdas do sisma). ( a ar) Drminação do campo básico da urbina osicionando-s o injor na posição ( z ), fixando-s a agulha do injor numa dada posição (qu corrspond a uma vazão consan), aciona-s o sisma d frio d rony, aprando-s os parafusos da lona dss frio; ssa frnagm simula uma carga d consumo no ixo da urbina, sndo facilmn obido o momno corrspondn aravés da mdida da força na xrmidad do braço do sisma por mio d dinamômro. A poência ficaz é não obida aravés dos valors dss momno da roação do ixo. A vazão do scoamno é obida por mio d vrdor ou d um ouro disposiivo (io, Vnuri, c.). A poência hidráulica fica não drminada pla vazão pla obnção da liura da alura d quda d água. rndimno oal do sisma é obido plo quocin da poência ficaz a poência hidráulica rcbida. Rpindo-s ssas opraçõs para novos valors d vazão (associada a cada posição da agulha do injor) obém-s o campo básico d funcionamno da urbina, qu por sua vz fornc as curvas d rcpção d funcionamno da urbina, m qu s m as condiçõs óimas d funcionamno da urbina. ROCEDIMENTO ( a ar) Drminação da alura d incidência óima ( z ) do jao na pá. (para a máxima roação d mbalamno) 6- Abrir a válvula d agulha do injor numa posição fixa qualqur. 7- Ajusar a posição ( z ) do injor acionando o volan do parafuso d chamada. 8- Mdir a roação d mbalamno (urbina sm carga úil no ixo) para a fixada posição ( z ) do injor. 9- Rpir as mdidas d roação d mbalamno para ouras posiçõs ( z ) do injor. - rnchr a abla I com os valors nconrados, obndo a posição óima. ( z ) do jao m rlação à pá. ( a ar) Drminação do campo básico da urbina - osicionar o injor na alura óima ( z ) anriormn drminada. - Rgular a abrura da agulha do injor, conform indicação da abla II. 3- Mdir a vazão do scoamno por mio d vrdor ou disposiivo d idênica finalidad (io). 4- Mdir a alura manomérica do scoamno no injor, por mio d manômro d Bourdon. 5- Acionar o sisma d frnagm do roor da urbina para obnção d divrsos valors d momno no ixo, para a pré-fixada vazão do scoamno. 6- Mdir, por mlo d dinamômro, a força na xrmidad do braço do frio, para cada acionamno do sisma d frnagm. 7- Mdir, por mio do acômro, a roação da urbina para cada acionamno do sisma d frnagm.

29 ágina INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS 8- Calcular a poência.hidráulica ( h ) do scoamno, dada por: h QY QgH 9- Calcular a poência ficaz da urbina ( f ), dada por n f ( F. L c. L'. L`) 6 com (F) m kgf, (n) m rpm, L =,85 m ( c pso do conra-pso; pso do braço do frio) 9,8,85 f F n,875 F n 6 f - Calcular o rndimno da insalação: T h - ara novos valors d vazão, obidos por rgulagm da abrura da válvula d agulha, procdr a rpição do oda a sqüência d opraçõs, d modo a cobrir odo o campo d funcionamno da urbina lon. - Traçar as curvas caracrísicas do campo básico dadas por vazão (Q) vrsus roação (n) com indicação dos rndimnos m cada pono. 3- A parir do campo básico, obr as curvas d rcpção, d funcionamno, bm como os valors óimos d funcionamno da urbina lon. RELAÇÃO DE MATERIAL 8. Turbina lon insalada m circuio complo para nsaio. 9. Sisma mdidor d vazão (vrdor, io, vnuri). Manômro do Bourdon. Frio d rony. Dinamômro 3. Tacômro d conao 4. Trmômro. Figura Campo básico d Turbina lon

30 ágina INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS Figura 3 - Curvas d Rcpção Figura 4 Curvas d Funcionamno

31 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina 3/75 Figura 5 Esquma d opração d uma Turbina lon TABELA DE DADOS TABELA DE MEDIDAS prssão amosférica a mmhg aclração da gravidad g m / s mpraura da água o C dnsidad da água 3 kg / m comprimno do braço do frio l m TABELA - DETERMINAÇÃO DA OSIÇÃO ÓTIMA DO JATO abrura da agulha indicador a - n o volas do parafuso indicador N - posição do injor scala Z mm vloc. mbalamno acômro n mbal rpm posição óima do jao Z mm

32 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina 3/75 alura d quda consan H m rabalho spcífico Y J/kg n rpm TABELA - DETERMINAÇÃO DA CURVA DE EMBALAMENTO a abrura - Q vazão m 3 / s n acômro rpm mbal mbal

33 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina 33/75 TABELA 3 - CÁLCULOS abr. da alura do vazão força na roação poência poência agulha io balança hidráulica ficaz - scala abla dinamôm. acôm. QY,875.F.n rndimno h a y Q F n h f - mm m 3 / s x kgf rpm W W - -3

34 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina 34/75 QUESTIONÁRIO - or qu razão no diagrama Q vrsus n m-s ras horizonais? - Qual é o significado d Q mín no diagrama vrsus Q, para n = consan? 3- Vrifiqu nas curvas d rcpção s os picos d máximo d f coincidm ou não. Havria alguma jusificaiva para isso? 4- Idm para as curvas d funcionamno. Jusificar. 5- Explicar, aravés do diagrama H vrsus Q da bomba, como s consgu scoamno com alura H consan por mio da sangria dssa bomba. U 6- Qual dv sr a rlação órica (vlocidad angncial da pá dividida pla V vlocidad absolua do jao) para a máxima ransfrência d poência? U 7- Calcul a rlação no caso do prsn nsaio, confronando o valor nconrado com V o valor órico. Qual é a razão dssa discrpância? (Dado: raio da urbina = l6 cm) 8- Jusificar por qu razão, para uma dada vazão da urbina lon, o rndimno crsc com o aumno d roação dpois dcrsc. 9- Jusificar por qu razão, para uma dada roação da urbina lon, o rndimno crsc com o aumno da vazão dpois dcrsc. - Considr o problma ral qu ocorru no Esado do Rio d Janiro, quando a frqüência da rd lérica foi alrada d 5 Hz para 6 Hz, acarrando, porano, a mudança da rpm das urbinas gradoras d nrgia. Numa drminada usina do inrior, a urbina lon local forncia uma poência ficaz do 8 kw, rabalhando com rndimno global d,8. Com a mudança da roação nominal, ssa urbina passou a rabalhar com rndimno igual a apnas,7. Tomando-s o prço médio do kwh como, unidads da moda à época, calcular m quanos anos o prjuízo surgido sria igual ao cuso d uma nova insalação avaliada m 45., (unidads da moda à época), admiindo-s rgim d rabalho d 4 horas diárias.

35 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina 35/75 ENSAIO IV ar A) COMORTAMENTO DE TURBINA HÉLICE (E KALAN) SOB ALTURA DE QUEDA (TRABALHO ESECÍFICO) E CARGA VARIÁVEIS Daa d ralização do nsaio: / /3 Nom do aluno: Daa d nrga do Rlaório: / /3 Dias úis d araso Noa do rabalho: Dscono: Noa final: INTRODUÇÃO Turbinas hélics são urbinas axiais, d pás do roor fixas (ângulos consans). As urbinas Kaplan são urbinas hélics d pás do roor d passo variávl (ângulos variávis), possibiliado aravés do movimno giraório das bass das pás do roor o conrol da vazão. Turbinas hélics Kaplan são ípicas d baixa alura d quda (baixo rabalho spcífico) d grands vazõs, o qu s raduzm m alos valors rlaivos do coficin d vlocidad spcífica n qa. As urbinas dos ipos lon o Francis rabalham sob qudas rlaivamn mais alas. Dss modo, a variação da alura do nívl da água, nas usinas d acumulação, rprsna apnas uma pquna prcnagm da alura oal d quda para sss ipos d urbina. ara as urbinas hélics ( Kaplan) ssa variação pod sr basan significaiva, já qu as aluras d quda são baixas. Turbinas Kaplan são ainda insaladas m rsrvaórios d rgulagm anual d vazão d rios, qu acumulam água no príodo das nchns, svaziando-s no príodo da sca. Nsss casos, a variação d nívl do rsrvaório é bm pronunciada. Turbinas hélics Kaplan são forçadas, não, a rabalhar sob qudas basan variávis, O dimnsionamno dssas urbinas é fio, usualmn, com bas no rabalho spcífico rlaivo à quda máxima, ou próximo do máximo. Somn m condiçõs spciais ssas urbinas são dimnsionadas para uma poência corrspondn a um rabalho spcifica mnor, acarrando nsõs lvadas nos mariais (ixo, parafusos, carcaça c.) d qu são fias. Quando o nívl do rsrvaório sob, a vazão na urbina é rduzida por mio d um disposiivo apropriado, o qu, m dcorrência, limia a poência produzida pla urbina. ANÁLISE DAS INFLUÊNCIAS NAS TURBINAS HÉLICE a) Comporamno sob condiçõs d soliciação d poência variávis As urbinas m gral são ajusadas para rabalharm nas condiçõs d rndimno máximo, ou plo mnos próximas do rndimno máximo, condiçõs ssas qu são dadas plas indicaçõs corrspondns da abrura do sisma diror dos valors d vazão roação, A roação da urbina dv prmancr imuávl, já qu sá diramn associada à frqüência da rd lérica. A variação da soliciação d carga do consumo d nrgia lérica ocasionaria nrano a variação da roação, o qu não é lvada a fio graças à auação d um rgulador auomáico d roação, qu aua diramn na abrura das

36 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina 36/75 pás do saor, variando convninmn a vazão, para qu, msmo com nova carga, a roação prmança a msma. A mudança d vazão, manida a roação consan, acarra porém um afasamno das condiçõs óimas d funcionamno, consqünmn com quda do rndimno, para valors muias vzs muio baixos inadmissívis. b) Comporamno sob condiçõs d alura d quda (rabalho spcífico) variávis ara dois valors d Y difrns, mosrou-s a smlhança xisn nr os dois campos básicos corrspondns. S o campo básico das condiçõs (K) s rfrm ns condiçõs óimas d funcionamno da máquina ( Yk Y r ojo ), a roação ( n k ) é scolhida dfiniivamn, não podndo sr variada plas já ciadas razõs d frqüência da rd lérica. O fio d Y diminuir, por xmplo, s faria snir pla ndência d a máquina mudar sua roação para ( n ) vazão para ( Q ) sgundo as fórmulas d ransposição da smlhança, como mosra a Fig. l. Como o rgulador aua no snido d não prmiir a variação da roação, s dvrá ajusar uma abrura al qu dix disponívl a poência soliciada, como mosra as curvas Figura Curvas d dsmpnho d urbinas hélic

37 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina 37/75 Figura Curvas d dsmpnho d urbinas hélic Figura 3 Curvas d dsmpnho d urbinas hélic Figura 4 Curvas d dsmpnho d urbinas hélic

38 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina 38/75 Enrano, como s pod obsrvar, a máquina funciona sob condiçõs d baixo rndimno. A) TURBINA KALAN Os problmas d baixos rndimnos rlacionados com as variaçõs d carga ou d rabalho spcífico são solucionados saisfaoriamn com a urbina Kaplan. Nssas urbinas a alração da posição das pás do roor (dvida à variação d carga) dv sr fia ao msmo mpo m qu são r-posicionadas as pás do saor, d al manira qu as posiçõs das pás do saor do roor fornçam um rndimno máximo. O conrol das posiçõs das pás do saor do roor é fio plo um rgulador d roação da máquina. Ess valors máximos d rndimno são nconrados frando a urbina (ou modlo da urbina) sucssivamn, m posiçõs consans das pás do roor ( ) roação (n) consan, dsd vazio aé plna carga, raçando-s finalmn a curva-invólucro sobr as difrns curvas d rndimno, das várias urbinas hélics qu consium a Kaplan (Fig. ). A rgulagm acima ciada, dnominada Rgulagm Dupla, pod sr obida conform o indicado no squma abaixo. O ixo d cam, qu acopla os dois rguladors, dsmpnha papl imporan nssa rgulação. É imporan rssalar qu a coordnação acima rfrida s faz para um drminado valor Y = consan, porano, dv xisir para cada Y um carn. Comumn s nconram, por xmplo, rês dss cams convninmn monados, para as coordnaçõs. Em funcionamno normal, quando nd a cair o rndimno d uma drminada urbina hélic (das inúmras qu consium a Kaplan), o rgulador dv auar no snido d fazr variar o ângulo das pás, simulando uma nova urbina hélic qu possui, para a roação ( k n ), rndimnos plo mnos próximo do máximo. Rsula assim, como curva d rndimno da urbina Kaplan, a nvolória dos picos d máximo rndimno das inúmras urbinas hélic qu consium a urbina Kaplan, como mosra a Fig.. Figura 5 Curva d rndimno d uma urbina Kaplan

39 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina 39/75 REGULAGEM DULA DA KALAN ) REGULADOR DE ROTAÇÃO A "alma" dss rgulador é um pêndulo cnrífugo (ou d Wa) ou não um pquno moor lérico apropriado. Variação d soliciação d carga, por par do consumo, nd a variar a roação (o qu não pod sr prmiido por causa da consância da frqüência da rd lérica). Essa ndência d variação snida plo pêndulo, qu não aciona o srvomcanismo, d modo a manr a roação consan. Sja dada, por xmplo, uma siuação m qu há uma soliciação xcssiva d consumo. Em sqüência aconc o sguin:. a roação nd a cair.. as massas do pêndulo ndrão a s aproximar do ixo. 3. a xrmidad da has d comando é mpurrada d A para A. 4. a has d comando gira m orno do pono B. 5. a oura xrmidad da has passa da posição d C para C. 6. o pisão do piloo slor s dsloca para a diria, abrindo uma passagm para o ólo da bomba d ngrnagm fchando a oura passagm. 7. o ólo sob prssão pnra no inrior do cilindro, dslocando o pisão (srvo-moor), para a squrda. 8. o ólo da oura câmara do cilindro é mpurrado d vola ao rsrvaório. 9. a has do pisão ao dslocar-s movimna o anl d Fink no snido d abrir as pás diroras (saor), dixando passar mais vazão.. o aumno d vazão acarra um aumno da poência corrspondn à soliciação rqurida. A roação vola, pois, ao original.. ao msmo mpo, uma oura has puxa o cilindro do rrocsso para squrda, sndo qu o ólo no su inrior mpurra o pisão nss msmo snido, acarrando o dslocamno do fulcro da posição B para B' acionando as duas molas do sisma.. a has d comando mpurra, não, o pisão do piloo slor para a squrda, fchando a passagm d ólo aliviando, pois, a bomba d ngrnagns 3. O sisma d molas, comprimido d um lado racionado do ouro, dsloca o pono B para B = B, no qu é auxiliada plo dslocamno do pêndulo cnrífugo dvido ao aumno d roação, aé o valor inicial. 4. O pisão no inrior do rrocsso s dsloca para a diria, mpurrando o ólo para a câmara fronal aravés d um duo d passagm. 5. Tudo vola, porano, à posição m qu sava ans da soliciação xcssiva d carga, a não sr as posiçõs da has do anl d Fink da has do comando do rrocsso lásico. ) REGULADOR DAS ÁS DO ROTOR Esá associado no primiro rgulador por mio d um comando d cam apropriado. A sqüência d funcionamno similar à daqul rgulador. A sua finalidad é a d variar o ângulo das pás do roor, dixando-as mais "abras" para soliciaçõs d cargas maiors, invrsamn para soliciaçõs mnors.

40 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina 4/75 Figura 6 - Esquma da insalação da urbina Kaplan

41 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina 4/75 INTRODUÇÃO ENSAIO IV ar B) TRANSFORMAÇÃO DO DIAGRAMA TRABALHO ESECÍFICO CONSTANTE E ROTAÇÃO VARIÁVEL EM DIAGRAMA DE TRABALHO ESECÍFICO VARIÁVEL E ROTAÇÃO CONSTANTE. O comporamno da urbina hélic, sob condiçõs d rabalho spcifico variávl o roação consan, pod sr obido a parir d nsaios d laboraório. Na impossibilidad d srm ralizados nsaios, pod sr prviso a parir do campo básico, sob condiçõs d Y k = cons prviamn lvanado, procdndo-s a ransformação do diagrama d Y k consan n variávl m diagrama d Y variávl n consan, aravés da oria da smlhança. Es novo diagrama prmi uma anális basan ampla do funcionamno da máquina sob condiçõs d Y variávl, manida a roação consan, bm como possibilia a dlimiação d uma faixa d rabalho na qual rsulm valors d rndimno saisfaórios. OBJETIVOS - Obnção do diagrama rabalho spcifico (Y) vrsus abrura das pás diroras (a), com indicação das curvas d vazão (Q) consan d rndimno ( ) consan, sndo manida consan a roação ( n k ). - Obnção do diagrama rndimno ( ), poência no ixo ( ) vazão (Q) vrsus rabalho spcífico (Y), manndo-s consan a roação d projo ( n k ) a abrura das pás diroras ( a ), qu corrspond a rndimno máximo. DESCRIÇÃO DA EXERIÊNCIA Apôs o nsaio d fragm qu prmi o lvanamno do campo básico, fixam-s as caracrísicas nominais qu podm rfrir-s, por xmplo, ao rndimno máximo. O problma s rsum m: - conhcndo-s o funcionamno da máquina sob condiçõs d Y k = cons., drminar o comporamno sob condiçõs d n = n k = cons., para Y Yk. Figura 7 - Smlhança

42 DEARTAMENTO DE TURBOMÁQUINAS ágina 4/75 Sgundo a oria da smlhança., são válidas as xprssõs: / Yk k n k Yk n Q k Q k Y Y Tais rlaçõs fixam a corrspondência nr dois funcionamnos quaisqur. O prsn nsaio consis m arbirarm-s valors para Y, bm como valors da abrura (a), calculandos m sguida a roação ( n k ) corrspondn ao campo básico Y k, = consan, lndo-s, nss campo básico, a vazão Q k corrspondn, na abrura pré-fixada, o rndimno. Com ss valor d vazão calcula-s a vazão qu corrspond ao campo básico d Y = cons arbirado. rocdndo-s analogamn para vários valors d Y simulam-s qudas variávis. ROCEDIMENTO Com o campo básico para rabalho spcífico ( Y k ) já consruído, procd-s como o indicado na sqüência abaixo:. Arbirar várias abruras (a). ara cada abrura, arbirar vários valors d rabalho spcífico (Y), simulando qudas variávis. 3. ara cada abrura para cada Y, calcular a roação ( n k ) do campo básico Y k =cons, qu corrspond a roação ( n k ) a sr manida consan, aravés da oria da smlhança. 4. Com a roação n k calculada a abrura pré-fixada, drmina-s, no campo básico Y k =cons, a vazão Q k o rndimno corrspondns. 5. Com o valor da vazão Q k drminada anriormn, calcula-s a vazão Q qu corrspond ao campo básico Y = con, considrando-s a oria da smlhança. 6. Calcular a poência no ixo, QY. 7. Consrom-s, com os valors obidos, os diagramas pdidos. RESULTADOS Diagramas indicados plos objivos CONCLUSÕES /