BANCADA DIDÁTICA DE ENSAIOS DE TURBOBOMBAS

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1 BANCADA DIDÁTICA DE ENSAIOS DE TURBOBOMBAS Carlos Barreira Martinez 1, Jair Nascimento Filho 2, Hersília de Andrade e Santos 1 Universidade Federal de Minas Gerais, Departamento de Hidráulica e Recursos Hídricos 1 Campus UFMG Pampulha - Av. Antônio Carlos CEP Belo Horizonte - MG - martinez@cce.ufmg.br Universidade Federal de Minas Gerais, Departamento Engenharia Mecânica 2 Campus UFMG Pampulha - Av. Antônio Carlos CEP Belo Horizonte - MG jair@demec.ufmg.br Resumo.. Esse trabalho trata da construção de uma bancada didática de ensaios de turbobombas de até 735,5W de potência. Bancadas de ensaios são utilizadas pelos fabricantes para levantar curvas características de bombas. Bancadas didáticas de ensaios, são equipamentos indispensáveis em atividades educacionais relativas ao estudo de bombas e instalações de bombeamento. Frente a necessidade dessas bancadas para estudo de turbobombas e ao alto custo da compra dos equipamentos disponíveis no mercado internacional, a bancada didática em questão foi concebida e construída dentro da filosofia de se dispor para utilização, de um equipamento versátil em termos de operação, de fácil instalação e de fácil transporte. Com ajuda dessa bancada é possível se realizar, por exemplo, estudo experimental de validação das equações de Rateau estudadas inicialmente na parte teórica do curso, ou, por exemplo, exploração das possibilidades de desempenho do equipamento em função de seus dados operacionais. Palavras-chave: Turbobombas, Bancada didática, Curvas características, Ensaios MTE - 162

2 1. INTRODUÇÃO Bancadas didáticas de ensaios (Armifield [1], A J. Macintyre [2], D.F. Carvalho [3], J. Salzard [4]), são equipamentos indispensáveis em atividades educacionais relativas ao estudo de bombas e instalações de bombeamento. Ó desenvolvimento de equipamentos didáticos compatíveis com a capacidade de investimento atual das universidades é uma alternativa viável para se minimizar a carência existente nos atuais cursos de engenharia. A partir de uma análise dos currículos dos cursos de engenharia Civil, Mecânica e Elétrica, foram identificadas as deficiências em termos de equipamentos laboratoriais ligados à área de máquinas hidráulicas. A partir desta análise optou-se por um projeto que permitisse a execução de ensaios de bombas centrifugas além de permitir o ensaio de arranjos de bombas. O projeto buscou uma série de soluções que minimizasse os custos de montagem e de aquisição de equipamentos e componentes, sem, no entanto, propor soluções simplificadas e que contivessem limitações de ordem operacional. Além disso, optouse por um equipamento que pelas suas dimensões pudesse se transportado com facilidade e que fosse suficientemente leve para poder ser manobrado por um indivíduo. O acionamento do equipamento pode ser feito em corrente alternada, em 127V e 220V e 60Hz, o que possibilita que o mesmo seja utilizado em todo território nacional 2. DETERMINAÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DA BANCADA DIDÁTICA Devido à necessidade de se projetar uma bancada que suprisse as demandas de três cursos de engenharia e que ainda pudesse admitir modernizações futuras, fez-se uma série de hipóteses que permitiram definir um elenco mínimo de equipamentos. Assim foram identificadas quais as demandas comuns dos três cursos envolvidos, e dentro destes, quais os ensaios mais importantes, portanto críticos no ensino da disciplina. A figura 1, a seguir, apresenta um esquema das demandas por ensaios para cada um dos cursos contemplados neste estudo. Cursos envolvidos Engenharia Civil Curso de hidráulica de condutos forçados Curvas carcterísticas de bombas Ensaio de colocação de bombas em série e paralelo Ensaio de cavitação; Engenharia Mecânica Curso de sistemas fluido mecânicos I Curvas carcterísticas de bombas Ensaio de colocação de bombas em série e paralelo Ensaio de cavitação. Verificação experimental das equações de Rateau Engenharia Elétrica Curso de máquinas hidráulicas Curvas carcterísticas de bombas Ensaio de colocação de bombas em série e paralelo Ensaio de cavitação. Ensaio de partida de bombas centrífugas Figura 1 Demandas existentes nos cursos de engenharia contemplados O resultado foi um elenco de ensaios comuns que seriam supridos pelo equipamento a ser projetado. Pode-se notar que os ensaios são basicamente os mesmos, sendo que as diferenças se dão no enfoque dado em cada curso. Assim para o curso de engenharia civil procura-se enfocar o aspecto ligado a caracterização das turbo-bombas mostrando qual a característica de funcionamento das mesmas e como se dá a variação da altura de recalque em função da variação da vazão. Procura-se neste curso enfocar a bomba sempre em função do sistema hidráulico ao qual a mesma está inserida. No curso de engenharia mecânica, o enfoque está mais direcionado para a caracterização do equipamento em si, ou seja, para o levantamento das curvas características das bombas, e do resultado de suas associações. Neste caso é importante que o aluno possa ter condições de avaliar o comportamento da máquina e que a partir desta observação a caracterize. O curso de engenharia elétrica apresenta uma demanda bastante diversa dos outros, pois o enfoque está mais ligado ao comportamento da turbo-bomba frente ao sistema elétrico. Desta forma enfoca-se sempre quais são as demandas exigidas do sistema elétrico para se manter um determinado regime de trabalho. Dá-se neste caso um enfoque bastante forte para a forma de partida das turbo-bombas em função da sua rotação específica. Desta forma é possível com um equipamento se cobrir boa parte das demandas dos cursos de engenharia. A seqüência dos ensaios para os três cursos é apresentada na figura 2. Pode-se notar que a metodologia de ensino se inicia com a caraterização de uma turbo-bomba a partir do levantamento da sua curva característica. Em seguida ensaia se a bomba funcionando-a em série e em paralelo, levantando-se as curvas das associações. Devido ao curto tempo MTE - 163

3 disponível opta-se por fazer os ensaios de associação com bombas de características iguais. Devido a esta simplificação, faz-se sempre uma referência aos resultados que seriam obtidos para o caso dos equipamentos possuírem características diversas. Durante a execução dos ensaios procura-se chamar a atenção dos alunos, através de um watímetro, das potências máximas demandadas pelas turbobombas. Esta demonstração é apenas quantitativa, pois a medição da corrente de partida real é uma tarefa não trivial e portanto deve ser feita pelos alunos de engenharia elétrica na disciplina de máquinas elétricas. Ensaio de determinação do campo de funcionamento de uma turbo-bomba Ensaio de funcionamento de uma turbo-bomba centrífuga operando isoladamente Ensaio de funcionamento de duas turbobombas centrífugas de mesma característica funcionando em paralelo Verificação experimental das equações de Rateau Ensaio de funcionamento de duas turbobombas centrífugas de mesma característica funcionando em série Figura 2 Seqüência dos ensaios a serem efetuados. O projeto desta bancada partiu da hipótese que a mesma pode ser utilizada dentro de salas de aulas convencionais. Desta forma devido às limitações da maior parte dos sistemas elétricos existentes nas salas de aulas limitou-se a potência máxima de acionamento em 750W. Esta potência limite implicou na limitação da potência de cada turbobomba, e conseqüentemente, da vazão e da altura manométrica. Assim a potência individual das turbobombas foi limitada em 368W (½ cv). A partir desta potência escolheu-se um equipamento de série que permitisse a execução de um ensaio representativo de uma turbobomba típica. Assim projetou-se uma bancada bastante abrangente em termos de ensaios e montagens. Em termos de aulas práticas, poderão ser realizadas, por exemplo, as seguintes aulas: Levantamento de curvas características de turbobombas. Levantamento de curvas do tipo (H x Q) n (altura manométrica x vazão à rotação constante), (η x Q) n (rendimento x vazão à rotação constante), e (N x Q) n (potência x vazão à rotação constante). Levantamento das parábolas de iso-rendimento e estudo das equações de Rateau. Nessa bancada é possível variar a velocidade de rotação do motor de acionamento da turbobomba, portanto, é possível a realização de curvas (H x Q) n, e (η x Q) n, a várias rotações, proporcionando dados para o levantamento das parábolas de iso-rendimento. Com as curvas de iso-rendimento determinadas, é possível a realização de um estudo sobre similaridade hidrodinâmica, no caso, a verificação da validade das equações de Rateau. Com ajuda das parábolas de iso-rendimento, também será possível uma determinação da velocidade específica da bomba ensaiada a partir de suas curvas de desempenho. Estudo sobre associações de bombas em série e em paralelo. O circuito hidráulico da bancada é dotado de uma seção de teste projetada para receber uma só bomba, ou um conjunto associado em série, ou em paralelo. 3. A BANCADA A concepção do projeto e posterior construção da bancada foi realizada dentro do espírito de se obter uma solução em termos de lay-out que permitisse facilidade na modificação do arranjo das bombas no que diz respeito ao ensaio para levantamento das curvas características e aos ensaios de associação de bombas. A ênfase na pesquisa de um sistema ágil foi alicerçada pela experiência adquirida ao longo de 8 semestres letivos consecutivos onde se pôde notar que uma parte significativa do tempo era despendida em modificações do circuito hidráulico. Assim a partir de um trabalho criterioso de cronometragem dos tempos necessários para que grupos de alunos, após uma instrução básica, procedessem à modificação do arranjo, chegou-se uma demanda de tempos MTE - 164

4 necessários para a montagem dos sistemas a serem ensaiados. A tabela 1 mostra a relação dos tempos cronomentrados para a conversão dos arranjos de bombas durante aulas práticas. Pela análise da tabela 1 pode-se notar que os tempos demandados para montagem e modificação do sistema representam entre 16 e 18 % do tempo disponível para uma aula de 90 minutos. Este tempo é considerado muito elevado e acarreta um atraso no final das aulas que se constitui em um problema tanto para os alunos que estão executando os ensaios quanto para as turmas subseqüentes. Semestre letivo Curso Tabela 1 Relação dos tempos cronometrados em sala de aula Tempo de preparação para ensaio pelos alunos em minutos (médias cronometradas em sala) Curvas Colocação de Mudança de carcterísticas de bombas em série arranjo de série bombas para paralelo Máquinas hidráulicas Máquinas hidráulicas Máquinas hidráulicas Máquinas hidráulicas Sistemas fluido mecânicos I Máquinas hidráulicas Sistemas fluido mecânicos I Máquinas hidráulicas Hidráulica de condutos forçados Sistemas fluido mecânicos I Hidráulica de condutos forçados Máquinas hidráulicas Sistemas fluido mecânicos I Média 16,4 15,2 14,5 3.1 O circuito hidráulico de acoplamento O projeto do circuito hidráulico priorizou um conjunto de soluções que permitissem a redução do tempo de acoplamento das bombas a serem ensaiadas. Assim optou-se por mantê-las acopladas fisicamente ao circuito, isolandoas apenas por meio de registros. Esta solução apesar de bastante simples, possibilita uma grande agilidade, pois os equipamentos estão sempre disponíveis para ensaio, necessitando apenas de ajustes nos registros que definirão o arranjo a ser ensaiado. A figura 3 apresenta um esquema do circuito hidráulico projetado. Pela análise da figura 3 observa-se que a partir do acionamento dos registros (R) pode-se obter os arranjos em série e paralelo das bombas do sistema. A tabela 2 apresenta a seqüência de acionamentos dos registros e os respectivos arranjos obtidos. Após a execução do circuito hidráulico fez-se uma série de simulações com alunos e mediu-se o tempo necessário para se obter cada arranjo. Os tempos obtidos foram inferiores a um minuto para qualquer arranjo, o que mostra preliminarmente a eficácia do sistema de acoplamento. R1 R2 Reservatório1 Bomba 1 Bomba 2 R3 R4 Figura 3 Esquema do circuito hidráulico MTE - 165

5 Tabela 2 Seqüência dos acionamentos dos registros e respectivos arranjos obtidos Arranjo Registro aberto Registro fechado Bomba 1 isolada R1; R3 R2; R4 Bomba 2 isolada R1; R2;R4; R6 R2; R3 Bomba 1em série com bomba 2 R3; R2 R4; R1 Bomba 1 em paralelo com bomba 2 R1; R3; R4 R2 3.2 O sistema de medição de pressão O sistema de medição de pressão foi concebido de forma a permitir que os ensaios sejam efetuados de forma rápida e eficiente. Figura 4 Vista do circuito hidráulico do sistema de medição de pressão. Os equipamentos utilizados foram dois manômetros 0 a 6x10 5 Pa (0 a 6kgf/cm 2 ), e dois manovacuômetros a 10 5 Pa (-1 a 1kgf/cm 2 ). Todos manômetros utilizados foram especificados com glicerina de modo a reduzir os efeitos de vibração oriundos do funcionamento das bombas. A figura 4 apresenta uma vista do circuito hidráulico após a sua implantação na bancada, bem como os manômetros e manovacuômetros instalados. 3.3 O sistema de medição de vazão Tradicionalmente os sistemas de determinação de vazão utilizados em equipamentos didáticos utilizam caixas de taragem para determinação da vazão escoada. Este sistema apresenta uma série de vantagens, dentre as quais a simplicidade e precisão. Entretanto devido ao fato dos ensaios demandarem um elevado elenco de vazões, tem-se uma demanda de tempo elevado durante as aulas somente para determinação de vazões. Apesar da determinação de vazão com caixa de taragem ser uma atividade de laboratório, portanto necessária à formação básica de engenharia, a determinação de um grande elenco de vazões acarreta a dispersão da atenção dos alunos e em um gasto de tempo elevado. Assim a partir da cronometragem dos tempos demandados para cada determinação de vazão com caixa de taragem chegou-se a um levantamento dos tempos dispendidos. Estes tempos estão apresentados na tabela 3. Tabela 3 Determinação de vazão com caixa de taragem cronometrados em sala de aula Período Curso Tempo de determinação de uma vazão efetuada por alunos em minutos (médias cronometradas em sala) Máquinas hidráulicas 1, Máquinas hidráulicas 2, Máquinas hidráulicas 1, Máquinas hidráulicas 1, Sistemas fluido mecânicos I 1, Máquinas hidráulicas 1, Sistemas fluido mecânicos I 2, Máquinas hidráulicas 1, Hidráulica de condutos forçados 2, Sistemas fluido mecânicos I 1, Hidráulica de condutos forçados 1, Máquinas hidráulicas 1, Sistemas fluido mecânicos I 1,7 Média 1,3 MTE - 166

6 Se considerarmos que para cada determinação de vazão final devem ser feitas em média três medições na caixa de taragem, e que cada ensaio demanda no mínimo 6 conjuntos de determinação de vazão / pressão, tem-se um tempo de medição total médio de 23,4 minutos que representa aproximadamente 25% do tempo em uma aula de 90 minutos. Assim optou-se por instalar um sistema de medição de vazão com uma placa de orifício que permite uma redução no tempo de ensaio, pois as medições de vazão são instantâneas. O tempo de anotação das vazões em uma planilha passou dos 23,4 minutos para 3 minutos considerando-se uma média 6 medidas. Esta redução de tempo, sem redução de da qualidade do ensaio é fundamental para se permitir um maior tempo de reflexão sobre a análise dos resultados. A figura 5 apresenta o sistema de medição de vazão da bancada: uma placa de orifício e sensores eletrônicos do tipo piezo-resistivos acoplados a uma placa de aquisição de dados. Figura 5 Sistema de medição de vazão utilizado na bancada de ensino. Para a execução do ensaio de determinação do campo de funcionamento de uma turbobomba é necessário se proceder a variação da velocidade de rotação de seu eixo. Figura 6 -Inversor de freqüência e turbobomba utilizados nesta instalação. Assim optou-se por utilizar um inversor de freqüência que permite a variação da velocidade da bomba e fornece como dado de saída em um "display" acoplado ao equipamento, a tensão, corrente e freqüência que é fornecida ao motor de acionamento da bomba. Para se obter o dado de potência bruta fornecida à bomba é necessário se levar em MTE - 167

7 consideração a curva de rendimento do motor. Esta curva foi levantada no laboratório de máquinas elétricas da EEUFMG. Utilizou-se um inversor SIEMENS de 1,1x10 3 W nesta bancada. A figura 6 apresenta uma vista do o inversor de freqüência e da bomba utilizados nesta instalação. 3.4 Montagem da bancada A concepção do arranjo da bancada levou em consideração a capacidade de mobilidade da mesma. Desta forma foram instalados rodízios que permitem seu deslocamento dentro de salas de aulas. Além disso, optou-se por deixar todos os equipamentos expostos de forma a permitir uma visualização bastante ampla dos equipamentos e componentes da mesma. A figura 7 apresenta o arranjo da bancada. 4. COMENTÁRIOS FINAIS Figura 7 Vista geral da bancada de ensaios de bomba modelo EEUFMG. O desenvolvimento deste trabalho foi iniciado em 1997 quando foram feitas as primeiras medições de tempo para a execução de ensaios em salas de aulas de graduação. A partir do banco de dados levantado pode-se identificar quais os pontos críticos nos ensaios e estudar soluções que contemplassem a solução deste problema. A pesquisa de materiais e equipamentos nacionais e de custo acessível foi um dos pilares do desenvolvimento dos trabalhos. Além disso, o envolvimento de alunos de graduação (programa PAE) foi muito compensadora, pois permitiu desenvolver um trabalho com apoio do usuário em potencial. A bancada está em uso na EEUFMG e já existe um programa de acompanhamento do seu desempenho visando adapta-la e melhora-la a partir de observações e medições feitas em sala de aulas. Agradecimentos Os autores agradecem a colaboração dos estudantes bolsistas do Programa PAE Sistemas Hidráulicos, à PRPq e à PROGRAD da UFMG e aos departamentos de Engenharia Hidráulica e de Recursos hídricos, de Engenharia Mecânica, de Engenharia Elétrica e de Engenharia Eletrônica pelo apoio recebido neste projeto. 5. REFERÊNCIAS [1] ARMIFIELD Catalogo Técnico Bridge House, West Street, England, [2] A J. Macintyre, Máquinas Motrizes Hidráulicas, Editora Guanabara Dois, Rio de Janeiro, [3] D.F. Carvalho, Usinas Hidroeletricas. Turbinas. FUMARC/UCMG, Belo Horizonte, [4] J. Salzard, Hydraulique Apliquee a l'exploitation des Usines Hydroelectriques, Dunod, Paris, MTE - 168