1. INTRODUÇÃO Máquina de Fluido (fluid machinery) é o equipamento que promove a troca de energia entre um sistema mecânico e um fluido, transformando energia mecânica (trabalho) em energia de fluido ou energia de fluido em energia mecânica. As máquinas de fluido podem ser divididas em dois grupos, as máquinas de deslocamento positivo e as máquinas de fluxo (ou turbomáquinas). A diferença entre estes dois grupos é que no primeiro o fluido fica confinado em alguma região do equipamento, enquanto no segundo grupo isto não ocorre, havendo fluxo contínuo através da máquina. Uma bomba de pistão, por exemplo, é uma máquina de deslocamento positivo, pois o fluido fica contido dentro do conjunto pistão/cilindro sendo submetido à variação de pressão pela variação do volume do recipiente. Já bombas centrífugas são máquinas de fluxo, pois o fluido escoa pelo rotor, onde recebe energia. No primeiro grupo, ao desligar o equipamento, o fluido fica confinado em seu interior, no segundo grupo isto só ocorrerá se houver algum sistema externo que o mantenha nesta condição, caso contrário escoará para fora da máquina. Tanto as máquinas de fluxo como as máquinas de deslocamento positivo podem ser divididas em duas classes, as máquinas hidráulicas e as máquinas térmicas. Nas máquinas hidráulicas o processo ocorre com variação pouco sensível da massa específica (volume específico) do fluido que está sendo usado, ou seja, processos que podem ser modelados como incompressíveis. Já nas máquinas térmicas o fluido tem variação significativa de sua massa específica durante o processo de troca de energia (ex. compressores, turbinas a gás, turbinas a vapor, etc) não possibilitando a hipótese de fluido incompressível. As máquinas hidráulicas trabalham geralmente com água, óleo, e outros líquidos, considerados como incompressíveis nas aplicações normais. Trabalham também com o ar, que será tratado como incompressível para pressões até 1 mca 1, sendo neste caso chamadas de ventiladores. Alguma variação pode ser encontrada nas classificações das máquinas de fluido dada pela literatura. A classificação mostrada na Figura 1.1 é a que será usada neste texto. A apostila tratará somente das máquinas de fluxo hidráulicas. Figura 1.1 Classificação das máquinas de fluido [adaptado de BRASIL, 2010, p.21] 1 mca metros de coluna d água. 1 1
Classificação das máquinas de fluido a) Quanto ao sentido da transmissão de energia, pode se classifica las como: Geradora (geratriz): a máquina transforma energia mecânica em energia de fluido (ex. bombas e ventiladores). Motora (operatriz): a máquina transforma energia de fluido em energia mecânica (ex. turbina, gerador eólico, moinho de vento e rodas d água). b) Quanto ao tipo de energia envolvido no processo pode se classificá las como Máquinas de deslocamento positivo (positive displacement machines): nestes equipamentos uma quantidade fixa de fluido de trabalho é confinada durante sua passagem através da máquina, sendo submetido a trocas de pressão em razão da variação no volume do recipiente em que se encontra contido. O fluido tem que mudar seu estado energético. Caso a máquina pare de funcionar, o fluido de trabalho permanecerá no seu interior indefinidamente. Também chamada máquina estática. Nestas máquinas a energia transferida é substancialmente de pressão, sendo muito pequena a energia cinética transferida, podendo ser desprezada. Podem ser máquinas rotativas (rotary machines) como a bomba de engrenagens, e máquinas alternativas (reciprocating machines) como o compressor de pistão. Máquinas de Fluxo ou Turbomáquinas (turbomachinery): ou máquinas dinâmicas, o fluido não se encontra em momento algum confinado dentro da carcaça da máquina, mas sim num fluxo continuo através dela, estando sujeito a variações de energia devido aos efeitos dinâmicos da corrente fluida. Nestas máquinas o escoamento do fluido é orientado por meio de lâminas ou aletas solidárias a um elemento rotativo (rotor). A energia transferida é substancialmente cinética, através da variação da velocidade do fluido entre as pás, desde a entrada até a saída do rotor, a baixa pressão ou baixos diferenciais de pressão. Como exemplo podem ser citadas as turbinas hidráulicas e ventiladores centrífugos. c) Quanto à direção do escoamento do fluido Axiais: escoamento predominantemente na direção do eixo. O fluido entra e sai do rotor na direção axial. Recalca grandes vazões em pequenas alturas. A força predominante é de sustentação. Radiais: escoamento predominante na direção radial. O fluido entra no rotor na direção axial e sai na direção radial. Tem como característica o recalque de pequenas vazões a grandes alturas. Sua força predominante é a centrífuga. Mista ou diagonal: escoamento predominantemente na direção diagonal, parte axial e parte radial Tangencial: escoamento tangente ao rotor. Figura 1.2 Tipos quanto à direção do escoamento 1 2
d) Quanto à forma dos canais entre as pás do rotor Máquinas de Ação (ou de impulsão): nesta máquina toda energia do fluido é transformada em energia cinética, antes da transformação em trabalho mecânico processado pela máquina. A pressão do fluido, ao atravessar o rotor, permanece constante. Um exemplo são as turbinas Pelton, onde um ou mais bocais (separados do rotor), aceleram o fluido resultando em jatos livres (a pressão atmosférica) de alta velocidade, que transferem movimento para o rotor, que gira mesmo sem estar cheio de fluido. o Turbomáquinas de ação (motoras): turbinas Pelton (tangencial) e Michell (duplo efeito radial) o Turbomáquinas de ação (geradoras): não existe aplicação prática Figura 1.3 Turbina Pelton Máquinas de Reação: nesta máquina tanto a energia cinética quanto a de pressão são transformadas em trabalho mecânico e vice versa. Parte da energia do fluido é transformada em energia cinética antes da entrada do rotor, durante sua passagem por perfis ajustáveis (distribuidor), e o restante da transformação ocorre no próprio rotor. A pressão do fluido varia ao atravessar o rotor, que fica preenchido pelo líquido. o Turbomáquinas de reação (motoras): turbinas Francis (radial ou diagonal), Kaplan e Hélice (axiais) o Turbomáquinas de reação (geradoras): bombas e ventiladores (radiais, diagonais e axiais) Figura 1.4 Turbina Schwankrug 1 3
Figura 1.5 Turbina Kaplan Figura 1.6 Turbina Francis Figura 1.7 Bomba centrífuga 1 4
e) Quanto ao número de entradas para aspiração (sucção) Sucção Simples (entrada unilateral): há somente uma boca de sucção para entrada do fluido. Dupla Sucção: fluido entra por duas bocas de sucção paralelamente ao eixo de rotação. Como se fossem dois rotores simples montados em paralelo. Tem como vantagem a possibilidade de proporcionar equilíbrio dos empuxos axiais, que melhora o rendimento da bomba, eliminando a necessidade de rolamento de grandes dimensões para suporte axial sobre o eixo. f) Quanto ao número de rotores Simples estágio: bomba com um único rotor dentro da carcaça. Pode se teoricamente projetar uma bomba de simples estágio para qualquer situação de altura manométrica e de vazão, porém, dimensões excessivas e baixo rendimento fazem com que os fabricantes a limitem a alturas manométricas de 100 [mca]. Múltiplo estágio: a bomba tem dois ou mais rotores associados em série dentro da carcaça. Permite a elevação do líquido a grandes alturas manométricas (>100 [mca]), sendo o rotor radial o indicado para esta aplicação. Figura 1.8 Bomba múltiplo estágio g) Quanto ao posicionamento do eixo Eixo horizontal: é a forma construtiva mais comum. Eixo vertical: Usada, por exemplo, para extração de água de poços. h) Quanto ao tipo de rotor Aberto: para bombas de pequenas dimensões. Têm pequenas dimensões, baixa resistência estrutural e baixo rendimento. Como vantagem dificulta o entupimento, podendo ser usado para bombear líquidos sujos. Semi aberto: tem apenas um disco, onde são fixadas as aletas. Fechado: usado para bombear líquidos limpos. Possui dois discos com as palhetas fixadas em ambos. Evita a recirculação de água, ou seja, o retorno da água à boca de sucção. Rotor Aberto Rotor Semi aberto Rotor Fechado Figura 1.9 Tipos de rotores 1 5
i) Quanto à posição do eixo da bomba em relação ao nível da água Não afogada (sucção positiva): o eixo da bomba está acima do nível d água do reservatório de sucção. Afogada (sucção negativa): eixo da bomba está abaixo do nível d água do reservatório de sucção. Bomba afogada Bomba não afogada Figura 1.10 Tipo de instalação REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BRASIL, A.N. Máquinas termo hidráulicas de fluxo. Itaúna: Universidade de Itaúna, 2010. CARVALHO, D.F. Hidráulica Aplicada. Apostila UFRRJ. GUIMARÃES, L.B. Máquinas hidráulicas. Curitiba: UFPR, 1991. HENN, E.A.L. Máquinas de fluido. 2ª ed, Porto Alegre: UFSM, 2006. SOUZA, Z.; BRAN, R. Máquinas de Fluxo: turbinas, bombas e ventiladores. Rio de Janeiro: ed. LTC, 1969. 1 6