2. Classificação, Descrição e Elementos Construtivos. 2.1 Definição e Classificação de Máquinas de Fluido

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1 2. Classificação, Descrição e Elementos Construtivos 2.1 Definição e Classificação de Máquinas de Fluido Uma máquina pode ser definida como um transformador de energia. Nas máquinas de fluido ocorre a troca de energia entre um sistema mecânico e um fluido, ou seja, a transformação de energia mecânica em energia de fluido ou energia de fluido em energia mecânica. As máquinas de fluido podem ser divididas em dois grupos principais: máquinas de deslocamento positivo (MDP) e máquinas de fluxo (MF). Nas máquinas de deslocamento positivo, também, chamadas de máquinas estáticas, o processo é de um deslocamento positivo, com uma quantidade fixa de fluido de trabalho sendo confinada durante sua passagem através da máquina e submetida a trocas de pressão devido à variação no volume do recipiente, isto é, o fluido é obrigado a mudar seu estado devido ao movimento de uma fronteira. Exemplos de máquinas de deslocamento positivo são: bombas alternativas (Figura 2.1) e bombas de engrenagens (Figura 2.2). Em ambos os tipos, a pressão de saída é determinada pela pressão na canalização de descarga, podendo a pressão ser baixa, média ou alta. A regulagem da pressão, geralmente, é feita através de válvulas instaladas na tubulação de descarga. Nas máquinas de fluxo, denominadas de máquinas dinâmicas, o fluido nunca está confinado, mas sim em fluxo contínuo através da máquina e é submetido a trocas de energia principalmente devido a efeitos dinâmicos. Como exemplos de máquinas de fluxo têm-se turbinas hidráulicas, ventiladores, bombas centrífugas, turbinas a vapor, turbinas a gás, turbo compressores, etc. Ambos os tipos de máquinas podem ainda ser subdivididas em máquinas hidráulicas e máquinas térmicas. Esta classificação é em função da propriedade do fluido chamada de massa específica. Se esta não varia quando o fluido passa através da máquina, a máquina costuma ser denominada de máquina hidráulica (turbinas, bombas, ventiladores). Se a massa específica varia durante a passagem do fluido através da máquina, esta é denominada máquina térmica (turbo compressores, turbinas a vapor, turbinas a gás). Escoamentos sem variação da massa específica do fluido são denominados de incompressíveis; o contrário de escoamentos compressíveis. As principais máquinas, objeto do presente estudo são as máquinas de fluxo. A primeira parte do curso será dedicada ao estudo de máquinas de fluxo hidráulicas e a segunda parte dedicada ao estudo das máquinas de fluxo térmicas. 2.2 Elementos construtivos Os elementos construtivos principais de uma máquina de fluxo são o rotor e o sistema diretor. O rotor é órgão principal, no qual ocorre o intercâmbio de energia mecânica e de fluido. É constituído por certo número de pás giratórias que dividem o espaço ocupado em canais, por onde circula o fluido de trabalho. O rotor de uma bomba hidráulica do tipo semi-axial é mostrado na Figura 2.3. O rotor de uma turbina tipo Pelton está mostrado na Figura 2.4. O sistema diretor, também chamado de estator, tem como finalidade coletar o fluido e dirigi-lo para uma determinada direção. Muitas vezes parte da transformação da energia pode ocorrer já no sistema diretor. Na Figura 2.5 pode-se ver o sistema diretor ou injetor de uma turbina Pelton. Neste caso ocorre a transformação de energia potencial em energia cinética. No caso de uma bomba hidráulica, o sistema diretor, após o rotor, Figura 2.6, recupera a energia cinética do fluido na saída do rotor transformando-a em energia hidráulica ou de pressão.

2 Figura 2.1. Bomba alternativa de pistão Figura 2.2. Bomba de engrenagens. Figura 2.3. Rotor de uma bomba semi-axial

3 Figura 2.4. Rotor de uma turbina Pelton Figura 2.5. Sistema injetor de uma turbina Pelton. Figura 2.6 Bomba centrífuga em corte

4 2.3 Classificação de Máquinas de Fluxo Outros critérios são usados para classificar as máquinas de fluxo; entre eles podem ser citados os seguintes: 1) Classificação segundo a direção da conversão de energia; 2) Classificação segundo a forma dos canais entre as pás do rotor; 3) Classificação segundo a trajetória do fluido no rotor. 1) Segundo a direção da conversão de energia Segundo a direção da conversão de energia as máquinas de fluxo classificam-se em motoras e geradoras. As máquinas de fluxo motoras transformam energia de fluido em trabalho mecânico, ocorrendo uma diminuição da energia do fluido em sua passagem pela máquina; enquanto que nas máquinas de fluxo geradoras, o trabalho mecânico fornecido ao eixo da máquina é transformado em energia de fluido, ou seja, ocorre um aumento da energia do fluido ao passar pela máquina. Exemplos de máquinas de fluxo motoras ou motrizes são: - as turbinas hidráulicas (Figura 2.4); - as turbinas a vapor (Figura 2.7); - as turbinas de vento (eólicas), etc. Entre as máquinas de fluxo geradoras têm-se: - as bombas centrífugas (Figura 2.6); - os ventiladores (Figura 2.8); - os turbo compressores, etc. 2) Segundo a forma dos canais entre as pás do rotor Em relação à forma dos canais entre as pás do rotor, as máquinas de fluxo são classificadas em máquinas de ação e em máquinas de reação. Nas máquinas de fluxo de ação, os canais do rotor simplesmente servem como desviadores do fluxo, não ocorrendo aumento ou diminuição da pressão do fluido ao passar através do rotor. Como exemplos tem-se a turbina Pelton (Figura 2.4) e a turbina a vapor do tipo Curtis (Figura 2.7). Nas máquinas de fluxo de reação, os canais formados pelas pás do rotor têm a forma de injetores (em turbinas) ou a forma de difusores (em bombas, ventiladores, turbo compressores). No caso de turbinas ocorre diminuição da pressão do fluido em sua passagem pela máquina, enquanto que no caso de máquinas geradoras ocorre um aumento da pressão do fluido ao passar pela máquina. Como, em geral, o objetivo de uma máquina de fluxo geradora é aumentar a pressão do fluido, não teria sentido construir estas máquinas como sendo de ação. Como máquinas de reação têm-se as bombas centrífugas, os ventiladores, as turbinas hidráulicas do tipo Francis e Kaplan, etc. 3) Segundo a trajetória do fluido no rotor Segundo a trajetória do fluido no rotor, as máquinas de fluxo podem ser classificadas em: - radiais; - diagonais ou semi-axiais ou mistas; - axiais; - tangenciais.

5 Figura 2.7. Turbina a vapor do tipo Curtis Figura 2.8. Ventilador centrífugo. Nas máquinas de fluxo radiais as partículas de fluido percorrem trajetórias num plano transversal ao eixo da máquina de forma que a componente de velocidade absoluta meridiana do fluido está na direção radial. Neste caso pode-se imaginar o escoamento como normal à superfície de um cilindro. Alguns exemplos são as bombas e os ventiladores centrífugos e turbinas Francis lenta (Figura 2.9). Nas máquinas de fluxo axiais as partículas de fluido percorrem trajetórias nas superfícies de cilindros imaginários coaxiais com o eixo da máquina. Como exemplos deste tipo têm-se as bombas axiais (Figura 2.10), as turbinas a vapor (Figura 2.7) e as turbinas hidráulicas do tipo hélice e Kaplan. Nas máquinas diagonais ou mistas as trajetórias percorridas pelas partículas de fluido formam superfícies cônicas, ou seja, o fluxo está numa direção intermediária entre a radial pura e a axial. Uma bomba semi-axial está mostrada na Figura 2.11.

6 Numa máquina de fluxo tangencial o fluxo se dá num plano tangencial à circunferência que passa pelos centros das pás como numa turbina tipo Pelton. Figura 2.9. Turbina Francis lenta. Figura Bomba Axial Figura Bomba de fluxo misto.