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1- MÁQUINAS HIDRÁULICAS:

São máquinas que trabalham fornecendo ou recebendo energia do líquido.

1.1- CLASSIFICAÇÃO GERAL DAS MÁQUINAS HIDRÁULICAS:

a) Máquinas Hidráulicas Geratrizes:

São máquinas que convertem energia mecânica fornecida por um motor em energia hidráulica.

Ex.: Turbobombas: centrífugas, axiais e mistas.Bombas volumétricas: alternativas de pistão; rotativas de engrenagens de dentes externos, etc.

Fig.1- Bomba centrífuga Fig.2- Bomba alternativa

b) Máquinas Hidráulicas Motrizes:

São máquinas que convertem a energia hidráulica advinda de um reservatório elevado (represa) em energia mecânica (potência mecânica) e esta em energia elétrica. São empregadas para o acionamento de outras máquinas, tais como geradores, moinhos e engenhos de serra.

Ex.: Turbinas hidráulicas.

Fig.3- Turbina Pelton de seis jatos.

c) Máquinas Hidráulicas Mistas:

São máquinas que transformam a energia hidráulica em energia hidráulica que recebem para seu funcionamento, em outra modalidade de energia hidráulica.

Ex.: Carneiro hidráulico.

Os carneiros hidráulicos funcionam em função de um transiente hidráulico, conhecido como golpe de aríete (sobrepressão), permitindo elevar uma parcela de água que nele penetra (aduzida) a uma altura superior àquela de onde veio, sem haver necessidade do auxílio de nenhum motor.

São usados em fazendas, sítios, granjas e casas de campo, para bombear a água a um reservatório para posterior uso, utilizando um pequeno desnível existente ou represa em rios, lagos e riachos.

Fig.4- Carneiro hidráulico.

2- ESTUDO DAS MÁQUINAS HIDRÁULICAS GERATRIZES:

a) Definição de Bombas:

São máquinas hidráulicas operatrizes ou geratrizes que conferem energia ao líquido com a finalidade de transportá-lo de um ponto a outro. As bombas recebem energia de um motor e transferem parte desta energia (uma parcela é perdida em atritos internos) ao líquido sob a forma de energia de pressão e cinética.

Bombear um líquido significa energizá-lo para transportá-lo de um ponto a outro.

b) Classificação Geral das Bombas Segundo O Hidraulic Institute:

Devido a grande variedade de tipos de bombas existentes, é difícil agrupá-las sob uma classificação geral e abrangente.

A classificação mais importante é a apresentada pelo Hidraulic Institute, onde as bombas são divididas em dois grupos:

- Turbobombas;

- Bombas volumétricas;

1) Turbobombas ou Bombas Hidrodinâmicas:

Possuem um rotor dotado de palhetas de pás que é energizado por uma fonte externa (motor), e por ação da força centrífuga e/ou da força de sustentação provocam uma depressão a entrada do rotor que aspira um líquido e uma sobrepressão a sua saída, originando o seu recalque.

Fig.5- Princípio básico de funcionamento de uma bomba centrífuga

Na Fig.5, as palhetas A e C obrigam o líquido a girar quando o cilindro transparente se movimenta no sentido anti-horário. A força centrífuga, gerada pela alta rotação da massa fluida, força o líquido para fora em direção às paredes do cilindro, e daí para cima, provocando elevação de nível (descarga).

Na parte central, observa-se a formação de um espaço vazio cônico, onde a água é forçada para baixo pela ação da pressão atmosférica, pois há a geração de vácuo no centro, decorrente da saída de líquido em direção à periferia. Se for acrescentado ao arranjo da Fig.5 um tanque de alimentação, uma canalização interligando-o ao cilindro e um receptáculo, dotado de m orifício coletor do líquido que extravasa do cilindro, tem-se construído uma bomba centrífuga elementar.

Fig.6- Princípio de funcionamento de uma bomba centrífuga

As bombas centrífugas transformam o trabalho mecânico recebido do motor em energia cinética e de pressão, que são cedidas ao líquido.

2) Bombas Volumétricas:

Podem ser alternativas ou rotativas. São caracterizadas por produzir variações volumétricas em câmaras internas, que provocam alterações de pressões, responsável pela aspiração (volume interno da câmara aumenta).

A variação de volume interno da câmara da bomba pode ser provocada por um movimento alternativo ou rotativo, razão pela qual essas bombas são conhecidas como bombas alternativas (de êmbolo ou pistão) e bombas rotativas (de engrenagens de dentes internos e externos, de palhetas, de lóbulos, de pistão axial e radial, etc.).

As bombas alternativas tiveram um grande emprego até o século XIX, tendo perdido terreno para as bombas centrífugas à medida que as vantagens dessa iam se evidenciando para os diversos campos de utilização, assim como evoluíam a técnica de projeto e sua fabricação.

Fig.7- Bomba alternativa de êmbolo com câmara de ar no recalque

Com a evolução da indústria de motores elétricos, as bombas centrífugas passam à dianteira das bombas alternativas como máquinas elevatórias. Isso se deve também aos seguintes aspectos:

1) simplicidade de projeto e construção devido ao uso de poucas peças;

2) pequeno espaço ocupado;

3) grande redução de peso, ocasionando menor custo de fabricação e exigindo menores fundações;

4) não provocam sobrepressões excessivas às tubulações, sendo dispensável o uso de válvulas de alivio de pressão (de segurança);

5) controle fácil da vazão entre limites amplos, pela manipulação do registro de descarga;

6) pela ausência de grande número de peças móveis (cruzeta, pistão ou êmbolo, válvulas de aspiração e de descarga, etc.);

7) podem bombear líquidos sujos, pastosos ou contendo sólidos em suspensão, pela escolha adequada do seu rotor;

8) apresentam vazão não pulsante.

Nas bombas alternativas, o êmbolo ou pistão é o responsável pela rarefação da bomba, provocando o enchimento do corpo da bomba (cilindro), e também pela sobrepressão que ocasiona a expulsão do mesmo para a descarga.

No curso de aspiração, o êmbolo tende a produzir vácuo no interior da bomba, provocando o escoamento do líquido do reservatório de captação para o interior da bomba, pois a pressão no reservatório é maior que a do interior do cilindro. Isso provoca, também, a abertura da válvula de aspiração e mantém fechada a de descarga.

No curso de descarga, o êmbolo exerce forças sobre o líquido, movimentando-o em direção ao tubo de descarga, provocando o fechamento da válvula de aspiração e a abertura da de descarga.

Observa-se pelo seu funcionamento, que as bombas alternativas possuem vazão intermitente ou variável ao longo do tempo, sendo bombas auto-escorvantes.

As bombas rotativas são empregadas em sistemas de lubrificação, processos químicos, comando e controles hidráulicos, transmissões hidráulicas, em queimadores de óleo, etc. Não podem funcionar com líquidos que tenham substâncias abrasivas ou corrosivas, pois operando, internamente, com folgas muito pequenas, ficam sujeitas a um rápido desgaste. Por serem bombas de deslocamento positivo (a vazão aspirada é aproximadamente igual a descarregada), exigem a utilização de válvula de alivio de pressão (de segurança), instalada na linha de recalque.

Elas evitam que a bomba se quebre quando a vazão recalcada éinterrompida, ficando a bomba ligada. Através de componentes internos, a válvula de alivio, sendo submetida ao excesso de pressão, causado pela interrupção da vazão, interliga a linha de descarga com o reservatório ou com a própria sucção da bomba. Seu principio de funcionamento se baseia na variação volumétrica de suas câmaras internas, que causam, também, modificações nas pressões.

Fig.8- Bomba de engrenagem de dentes externos com válvula de alivio de pressão

3) Componentes Fundamentais de uma Bomba Centrífuga:

Fig.9- Bomba centrífuga em corte com detalhe de seus componentes internos.

a) ROTOR:

É um elemento giratório dotado de pás que é fixado ao eixo da bomba e tem por função acelerar a massa liquida. Acionado por uma fonte externa motora, que energiza (acelera) o líquido, cria uma depressão em seu centro para aspirá-lo e uma sobrepressão na sua periferia para recalcá-lo.

TIPOS DE ROTORES:

a.1) ROTOR FECHADO:

O rotor possui dois discos, um dianteiro e outro traseiro entre os quais são alojadas as palhetas. São usadas para o bombeamento de líquidos limpos e de baixa viscosidade. Com esse tipo de rotor evita-se a recirculação de líquido da região de descarga à boca de sucção, havendo a necessidade, na maioria dos casos, do uso de anéis de desgastes.

Fig.10- Rotor fechado.

a.2) SEMI-ABERTO:

O rotor é constituído apenas pelo disco traseiro onde são fixadas as pás. São usados para o bombeamento de fluidos pastosos ou líquidos com sólido em suspensão.

Fig.11- Rotor semi-aberto.

a.3) ABERTO:

São eliminados os dois discos, dianteiro e traseiro, e as palhetas são fixadas no cubo do próprio rotor. Possui pequena resistência mecânica, obrigando a colocação de um anteparo traseiro, quando as palhetas forem muito largas. São usadas para bombeamento de líquidos abrasivos.

Fig.12- Rotor aberto.

NOMENCLATURA DOS ROTORES:

Fig.13- Principais partes constituintes de um rotor.

1- OLHAL DE SUCÇÃO: é a parte de entrada do rotor, localizada antes das pás.

2- CUBO DO ROTOR: parte que serve de alojamento ao eixo, onde éfixada a chaveta que tem por função evitar o giro do motor sobre o eixo.

3- PORCA DO ROTOR: é uma porca que se acopla no parafuso da ponta do eixo, que impede que o rotor se desloque axialmente.

4- CUBO EXTERNO DO ROTOR: superfície que serve de apoio aos anéis de desgastes.

SENTIDO DE ROTACAO DE UM ROTOR:

Fig.14- Sentido correto e incorreto de rotação de um rotor.

DIFUSOR:

É um canal de seção transversal crescente, que tem por função coletar o líquido que é expelido pelo rotor e direcioná-lo à tubulação de descarga. O líquido ao sair do rotor com grande energia cinética (grandes perdas de carga) édirecionado ao difusor que transforma parte da energia cinética em energia de pressão necessária ao bombeamento.

TIPOS DE DIFUSORES:

b.1) DIFUSOR DE CAIXA ESPIRAL, VOLUTA OU CARACOL:

É a própria carcaça da bomba, sendo constituído por um canal de seção crescente que envolve o rotor. São empregados em bombas de eixo horizontal e de um estágio. Podem ser de dois tipos:

- SIMPLES VOLUTA:É o caso mais comum nas turbobombas. A velocidade adquirida pelo

líquido ao passar pelo rotor é convertida em pressão na folga entre a superfície externa do rotor e o interior da carcaça, que é um canal de seção crescente. Este, coleta o líquido que é expelido pelo rotor e o encaminha até a saída da bomba. É o tipo mais comum de carcaça, sendo empregada, principalmente, nas bombas de simples estágio (um único rotor).

Com esse tipo de difusor, quando se opera fora da vazão de projeto, aparece um esforço radial que é transmitido ao eixo e, conseqüentemente, aos mancais e ao sistema de selagem.

Fig.15- Difusor de simples voluta, com a indicação do esforço radial, causado pelo desbalanceamento de pressões ao longo da periferia do rotor.

Fig.16- Fluxo de líquido numa bomba centrífuga de simples voluta.

-DUPLA VOLUTA:

É empregada quando o diâmetro do rotor e a altura manométrica são muito grandes, originando o surgimento de uma força radial sobre o rotor, pois a pressão ao longo do difusor não é uniforme. A caixa espiral de dupla voluta possui uma parede divisória, que divide o canal em duas partes, igualando as pressões e eliminando a força radial sobre o rotor.

Fig.17- Carcaça tipo dupla voluta.

Fig.18- Distribuição de pressões na carcaça de dupla voluta (esforço radial anulado).

b.2) DIFUSOR DE PÁS DIRETRIZES:

São usados em bombas de simples e múltiplos estágios. Nas bombas de simples estágio (um só rotor), tem como funções transformar a energia cinética em pressão e evitar que o líquido se choque perpendicularmente à parte interna da carcaça, quando expelido pelo rotor; quando usado nas bombas de múltiplos estágios (mais de um rotor), encaminham o líquido de um rotor para o outro a baixas velocidades com o mínimo de perdas de energia.

Nesse caso, na saída de cada rotor é instalado um difusor de pás guias e um diafragma, também fixo à carcaça, cuja função é separar os estágios e encaminhar o líquido para o olhal do rotor do estágio subseqüente. Apesar de aumentarem o ganho de energia de pressão, apresentam os seguintes inconvenientes:

1- a transferência do líquido das pás do rotor para as do difusor só é sem choque quando a bomba opera com vazão de projeto;

2- o campo de emprego da bomba é reduzido, pois a redução do diâmetro do rotor por torneamento não pode exceder a 10%, pois as perdas hidráulicas (recirculações internas entre o rotor e o difusor) são muito altas.

Fig.19- Difusor de pás guias em uma bomba de simples estágio.

Fig.20- Difusor de pás guias usado em bombas de múltiplos estágios.

Fig.21- Diagrama de uma bomba de múltiplos estágios.

b.3) DIFUSOR TRONCO-CÔNICO:

Empregados em bombas verticais, sendo constituído de palhetas fundidas na carcaça da bomba. Nas bombas horizontais, é a parte final da caixa espiral, onde é acoplada a linha de recalque.

Fig.22- Bomba centrífuga horizontal com difusor tronco cônico na sua saída.

c) EIXO:

O eixo é, normalmente, usinado escalonado, ou seja, ele é constituído de várias seções transversais que recebem vários componentes mecânicos: porca de fixação do rotor, chaveta do rotor, luva de eixo, estojo de gaxetas, rolamento dianteiro, anéis de lubrificação (bombas lubrificadas a óleo), rolamento traseiro, chaveta do acoplamento e a meia luva do acoplamento. Suas funções principais são suportar o peso do rotor, as cargas aplicadas a este e transmitir potência do motor ao rotor.

Fig.23- Eixo de uma bomba centrífuga.

d) LUVA DE EIXO:Tem por finalidade evitar o desgaste do eixo na região localizada no interior

da caixa da gaxeta, protegendo-o, também, da corrosão e da erosão. Assim, quando as gaxetas são apertadas, o eixo fica isento do atrito – e o conseqüente desgaste –devido ao efeito da compressão das gaxetas com a luva de eixo, que o recobre. Havendo qualquer desgaste este ocorrerá na luva e não no eixo que é, normalmente, mais caro. A superfície externa da luva deve ser lisa, dura e concêntrica com o eixo. Luvas com superfícies arranhadas provocam excessos de vazamentos e desgastes acelerados das gaxetas. Sua fixação ao eixo é feita por rosca ou através de chavetas.

Quando aplicadas em bombas de múltiplos estágios, têm a função de fazer o espaçamento correto ente os vários rotores. Neste caso, são chamadas de luvas espaçadoras ou distanciadoras.

Fig.24- Bucha ou luva de eixo.

Fig.25- Bucha ou luva espaçadora.

e) ANEL DE DESGASTE:

São juntas de vedações colocadas entre o olhal de sucção do rotor e a carcaça da bomba, que têm a finalidade de evitar que o rotor e/ou a carcaça venham a se desgastar quando ocorrer o contato físico entre os mesmos.

Fig.26- Recirculação entre o rotor e a carcaça.

Fig.27- a) Esquema sem anel de desgaste; b) Esquema com anel de desgaste.

f) CAIXA DE GAXETAS:É uma das partes mais importantes de uma bomba, tendo por função

impedir o vazamento do líquido do interior da bomba para o meio ambiente, na região onde o eixo penetra na carcaça da bomba, bem como evitar a entrada de ar na bomba quando uma pressão interna é inferior à atmosférica. É um cilindro oco, onde são colocados os anéis de gaxetas, que são regulados até o vazamento ideal, por uma peça chamada de aperta-gaxetas ou sobreposta.

Fig.28- Anéis de desgastes instalados em uma bomba de dupla sucção.

g) GAXETAS:

Os anéis de gaxetas são elementos pré-formados e moles, usados para vedar o líquido na caixa de gaxetas. Apesar de sua função ser a de vedação, deixam escapar um leve vazamento (de 30 a 60 gotas por minuto) que tem a finalidade de refrigerar e lubrificar a superfície em contato com o eixo.

As principais características das gaxetas são:

1- bastantes flexíveis para se ajustarem facilmente;

2- não causarem abrasão ou corrosão ao eixo ou luva de eixo;

3- não possuírem contente solúvel ou atacável pelo líquido.

Os materiais normalmente usados na fabricação das gaxetas são o asbesto, alumínio, chumbo, latão, nylon, teflon, algodão, etc., que são embebidos de sebo, óleo, parafina, graxa, silicone, grafite, etc., como intuito de tornar as gaxetas auto-lubrificadas.

Fig.29- Gaxetas.

Quando a bomba operar acima do reservatório de sucção (vácuo na sucção), com líquidos abrasivos ou sólidos em suspensão, recomenda-se o uso de líquido de selagem. Para guarnecer a entrada do líquido de selagem e distribuí-lo circunferencialmente ao longo da caixa de gaxetas, é instalado o anel de lanterna.

Este, normalmente é colocado no meio da caixa de gaxetas, podendo ser colocado visinho à bucha da garganta (inicio da caixa de gaxetas) ou próximo à sobreposta. Usa-se o anel de lanterna visinho à bucha de garganta com a alimentação do líquido de selagem feita externamente, quando o líquido é abrasivo ou possua sólidos em suspensão. Com isso, evita-se contaminar a caixa de gaxetas com o produto bombeado.

Quando houver incompatibilidade ou impossibilidade do uso de outros líquidos para selagem, pode-se empregar graxas.

Fig.30- Anel de lanterna.

h) ANEL DE LANTERNA OU CADEADO HIDRÁULICO OU CASTANHA BIPARTIDA:

O anel de lanterna éusado vizinho à sobreposta com líquido vindo de fonte externa, quando se deseja minimizar a diluição do líquido de selagem com o bombeamento.

Fig.31- Anéis de gaxeta e de lanterna.

Fig.32- Posicionamento do anel de lanterna.

i) SOBREPOSTA:

Tem a função de regular o aperto nos anéis de gaxetas, através do uso de porcas. Isso se faz necessário, pois com o uso continuado da bomba, aumentam os vazamentos pelas gaxetas, sendo necessário regulá-las, apertando alternadamente as porcas dos parafusos de ajuste que a prendem. Essa regulagem deve ser executada com a bomba em funcionamento.

Fig.33- Sobreposta da gaxeta ou aperta gaxeta.

j) SELO MECÂNICO:

Em algumas condições de serviço de uma bomba centrífuga, éimpraticável o uso de gaxetas como elemento de vedação, como no caso de líquidos corrosivos, muito caros ou tóxicos. Para se obter uma vedação mais eficiente, emprega-se os selos mecânicos, que são constituídos de duas superfícies polidas que deslizam uma sobre a outra (entre elas há líquido), estando uma fixa ao eixo e outra à carcaça da bomba.

As superfícies polidas dos anéis (sede e anel de selagem) são de materiais diferentes (materiais iguais tendem a se unir e aumentar o atrito), sendo pressionadas, uma contra a outra, através de mola, conectada ao anel de selagem. A combinação de materiais mais freqüentes é:

- Carvão grafite e ferro fundido;- Carvão grafite e carbureto de tungstênio;- Carvão grafite e cerâmica.

Os vários métodos de montagem têm como conseqüência uma grande variedade de selos mecânicos, que requerem um espaço livre entre as faces dos anéis sede e de selagem, onde é introduzida uma película líquida. Essa película ajuda na refrigeração e na lubrificação. Quando comparados com as gaxetas, a relação de vazamentos dos selos mecânicos é de 1 para 100.

Fig.34- Selo mecânico completo instalado.

De acordo com as pressões atuantes nas faces seladoras, os selosmecânicos são classificados em balanceados e desbalanceados. Nosdesbalanceados, a pressão da mola e a pressão hidráulica atuam contra as faces seladoras, enquanto que nos balanceados somente a força da mola atua contra as faces seladoras.

Do ponto de vista de aplicação, os desbalanceados são limitados pela pressão no interior da caixa de gaxeta, geralmente em torno de 10 Kgf/cm2 e líquidos com densidade acima de 0,65. Já os selos balanceados podem ser usados para pressões até 85 Kgf/cm2.

Os selos mecânicos não devem funcionar a seco, pois o calor gerado pelas faces devido ao atrito ocasiona falhas e desgaste prematuro. Para evitar esse inconveniente, deve-se fazer circular pela caixa de gaxetas um líquido adequado com a finalidade de penetrar entre as faces seladoras e mantê-las afastadas entre si, substituindo o atrito sólido pelo fluido, onde o líquido lubrifica e refrigera o selo.

Os principais fatores agressivos para um selo mecânico são alta temperatura e os abrasivos, que devem ser controlados para não penetrarem entre as superfícies seladoras, enquanto a temperatura deve ser controlada e mantida dentro de valores aceitáveis. Isso é possível graças ao emprego de sistemas auxiliares que mantém o selo operando dentro de condições satisfatórias.

Os principais sistemas auxiliares são:

1) Refrigeração ou aquecimento da caixa de gaxeta: é feita pela introdução de um líquido circulante em câmaras ou camisas projetadas para essa finalidade.

Fig.35- Selo com refrigeração ou aquecimento na caixa de gaxetas.

2) Refrigeração da sede estacionaria do selo: o líquido circulante envolve a sede estacionaria, conforme a Fig.36.

Fig.36- Selo com refrigeração da sede.

3) Lubrificação das faces seladoras: o lubrificante chega até as faces seladoras através dos orifícios existentes na sobreposta e na face estacionaria.

Fig.37- Selo com lubrificação das faces seladoras.

4) Lavagem ou circulação: consiste em injetar um líquido no interior da caixa de gaxeta, sendo o jato dirigido para as faces seladoras, podendo ser de fonte externa ou interna, quando é retirado da própria descarga da bomba.

Fig.38- Selo mecânico com lavagem.

5) Recirculação com anel bombeador: consiste de um circuito fechado onde o líquido sai da caixa de gaxeta forçado pela ação de bombeamento de um anel dentado montado sobre o eixo, passa por um permutador de calor, alimentado com água para refrigeração, e retorna à caixa de gaxeta com fluxo incidente sobre as faces seladoras.

Fig.39- Sistema de recirculação com anel bombeador.

6) Selo duplo: a montagem é constituída de dois selos montados em sentidos opostos, onde se recircula um líquido secundário limpo e lubrificante.

Fig.40- Montagem de selo duplo.

7) Abafamento: consiste em injetar líquido no lado oposto à face seladora da sede e, posteriormente, drená-lo. As sobrepostas têm construção especial, sendo dotadas de uma câmara anelar e dois orifícios diametralmente opostos. Emprega-se água, óleo, vapor d’água, etc.

Fig.41- Selo mecânico com arranjo abafamento.

8) Suspiro e dreno: no caso de líquidos perigosos (tóxicos, inflamáveis, etc.) o selo pode incorporar uma conexão para suspiro e outra para dreno, independente de outros dispositivos auxiliares utilizados.

Fig.42- Selo mecânico com suspiro e dreno.

A escolha do tipo de sistema mais adequado, depende das condições operacionais e do tipo de selo usado, mas pode-se fazer a seguinte orientação genérica:

1- líquido abrasivo:- lavagem com líquido da bomba: deve-se instalar na linha de injeção filtro

“Y” ou um separador centrífugo tipo ciclone para limpeza do líquido;- lavagem com líquido secundário;- lubrificação das faces seladoras;- selo duplo.

2- controle de temperatura do selo:- lavagem com líquido da bomba;- lavagem com líquido secundário;- recirculação com anel bombeador;- refrigeração da caixa de gaxeta;- refrigeração da sede;- abafamento;- selo duplo.

3- líquido inflamável, tóxico ou sujeito a cristalização ou a solidificação:- abafamento;- suspiro e dreno.

l) MANCAIS:

Os mancais têm a função de suportar o conjunto rotativo eixo-rotor-luva, bem como o posiciona corretamente em relação às partes estacionarias da bomba. Podem ser classificadas de duas maneiras:

quanto à direção da carga:

- radiais: absorvem cargas radiais;- axiais: absorvem cargas axiais;- mistos: absorvem cargas radiais e axiais.

Quanto ao tipo de atrito predominante:

- de deslizamento;- de rolamento.

Fig.43- Mancal bipartido e casquilho.

As bombas centrífugas empregam uma grande variedade de mancais, sendo mais comum o emprego de rolamentos de esfera e de rolos.

Os mancais de deslizamento radiais são empregados quando as cargas transmitidas pelo munhão são elevadas e o eixo gira em altas rotações, sendo normalmente bipartidos, quando usados em bombas centrífugas. São ajustados com uma folga sobre o eixo, para compensar dilatação, introdução e distribuição de lubrificante e para compensar pequenos desalinhamentos.

Fig.44- Folga nos mancais de deslizamento radiais.

Os mancais de deslizamento axiais suportam as cargas axiais provenientes da operação de bombeamento. Éconstituído de um colar preso ao eixo e de varias sapatas pivotadas que podem se acomodar em diferentes inclinações de acordo com a película de óleo.

Fig.45- Mancal axial tipo Kingsbury.

Os mancais de rolamento têm como principio o rolamento de um elemento (esferas, rolos cilíndricos ou cônicos, agulhas) sobre outra superfície. São constituídos por um anel externo, anel interno, corpos rolantes e separador. As regiões dos anéis onde giram os corpos rolantes são as pistas; o separador mantém os corpos rolantes uniformemente afastados entre si.

Fig.46- Componentes dos rolamentos.

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Os rolamentos de esfera da série métrica são especificados por um número, cujo o algarismo da centena indica a série de larguras e de diâmetros externos e a dezena a série de diâmetros internos. O diâmetro interno dos rolamentos de esferas pode ser facilmente determinado, multiplicando a dezena por 5(cinco). Exceção a essa regra se faz com os quatro menores tamanhos: 6200, 6201, 6202 e 6203.

LUBRIFICAÇÃO DOS MANCAIS:

A lubrificação, em qualquer componente, tem a função de minimizar os atritos provocados por superfícies que têm movimento relativo entre si. Um dos inconvenientes do atrito é a geração de calor que produz o aquecimento das máquinas, podendo ocasionar a paralisação dos componentes e até a fusão por superaquecimento. Assim, torna-se necessário a introdução de uma película de lubrificante, que tem a função de minimizar a geração de calor, o desgaste das peças, a proteção das superfícies contra a corrosão e a remoção das partículas abrasivas, oriundas do desgaste das peças.

Os lubrificantes podem ser gasosos (ar), líquidos (óleos), semi-sólidos (graxas) e sólidos (grafite, mica). O óleo e a graxa são os lubrificantes mais utilizados, sendo caracterizados, respectivamente, pela viscosidade e pela consistência. A viscosidade é uma propriedade responsável pela resistência oferecida pelos líquidos ao movimento. Já a consistência indica o grau de dureza da graxa.

A lubrificação dos mancais de deslizamentos é baseada na formação de uma cunha de óleo entre o munhão e o mancal, onde se desenvolve uma pressão hidrodinâmica (bombeamento) gerada pela rotação do eixo. Os métodos mais usados na lubrificação a óleo são o de anel em banho de óleo e o forçado. No primeiro caso, anéis de diâmetro maior que o do eixo ficam com a parte inferior mergulhada no óleo. Com o eixo em rotação, o anel gira e arrasta o óleo do cárter para o munhão e, daí, para o mancal.

Fig.47- Lubrificação de anel em banho de óleo.

Na lubrificação forçada, uma bomba succiona o óleo do cárter e o introduz nos vários pontos de lubrificação, havendo, posteriormente, o retorno do óleo, por gravidade, ao cárter.

Fig.48- Sistema de lubrificação forçado.

A escolha da viscosidade do óleo é função das seguintes características:

a) das dimensões do mancal:

maior diâmetro � óleo mais viscoso

b) da velocidade circunferencial do munhão:

maior velocidade � óleo menos viscoso

c) da carga no mancal:

maior carga � óleo mais viscoso

d) da folga munhão/mancal:

maior folga � óleo mais viscoso

e) da temperatura do mancal:

temperatura mais elevada � óleo mais viscoso

De uma maneira geral, deve-se seguir as recomendações do fabricante da bomba.

Nos rolamentos, o lubrificante reduz o atrito, dissipa o calor gerado, protege as superfícies contra a corrosão e forma um selo protetor contra a entrada de materiais estranhos. Podem ser lubrificados a óleo e a graxa. A lubrificação a óleo é mais eficiente, mas nem sempre é possível seu emprego. A graxa é mais indicada para ambientes empoeirados, com gases corrosivos e locais de difícil acesso. Quando se utiliza óleo, o método mais empregado para lubrificação é o banho. O óleo é colocado na caixa de mancais até a sua metade ou no máximo a ¾ das esferas ou rolos.

Fig.49- Rolamento lubrificado a óleo.

Quando se faz uso da graxa, a sua aplicação é feita por intermédio de pistola que é conectada ao pino graxeiro.

Fig.50- Pinos graxeiros.

Os fabricantes das bombas devem fazer a indicação dos óleos mais adequados à lubrificação dos rolamentos.

Caso isso não seja feito ou essa informação tenha se perdido ao longo do tempo, a tabela a seguir pode ser utilizada para seleção da viscosidade do óleo em função da rotação e da temperatura de operação.

Tabela 1- Escolha do óleo lubrificante para rolamento de bombas.

O período de troca do óleo usado na lubrificação dos rolamentos depende da temperatura de operação e da contaminação com partículas estranhas. Já os rolamentos lubrificados a graxa, o intervalo de renovação depende da temperatura operacional, da rotação da bomba e do diâmetro interno do rolamento. A tabela a seguir dá uma orientação para os períodos de relubrificação.

Tabela 2- Intervalos de lubrificação dos rolamentos.

Nunca se deve encher os rolamentos de graxa além de 2/3 de sua capacidade. O espaço restante deve ser deixado para a graxa se expandir. A quantidade de graxa necessária a uma boa lubrificação num rolamento é calculada por:

Q = 0,005.D.Londe:Q : quantidade de graxa (g)D : diâmetro externo do rolamento (mm)L : largura do rolamento (mm)

Obs.: Esta fórmula não é válida para graxas à base de silic one. Para estas, aplicar apenas alguns gramas.

TIPOS DE MANCAIS MAIS EMPREGADOS EM BOMBAS:

1- Mancal de carreira simples de esfera e pista profun da: são os mais usados exceto nas bombas de grande porte. Suportam cargas axiais e radiais, exigindo um alinhamento cuidadoso entre o eixo e a carcaça.

As graxas indicadas para lubrificação de rolamentos de bombas centrífugas são as fabricadas à base de lítio e de sódio (temperaturas menores que 90 ºC). As graxas à base de cálcio só devem ser usadas em ambientes muito úmidos e a temperatura menor que 50 ºC. Para operações acima de 90 ºC empregam-se graxas de alta temperatura (contendo silicone ou argila ou bissulfeto de molibdênio).

Fig.51- Rolamento de carreira simples de esferas e pista profunda.

2- Mancal de carreira dupla de esferas e pista profund a: é formado por dois mancais de carreira simples posicionados lado a lado, tendo maior capacidade de suportar cargas axiais e radiais.

Fig.52- Rolamento de carreira dupla de esferas e pista profunda.

3- Mancal de carreira dupla de esferas autocompensador es: usados para altas velocidades, tendo pouca capacidade de suportar cargas axiais.

Fig.53- Rolamento de carreira dupla de esferas autocompensado.

4- Mancal de esferas de contato angular: usados para suportar cargas axiais. Os de simples carreiras, são formados de esferas em apenas uma direção, enquanto os de dupla carreira, de esfera em ambas direções.

Fig.54- Rolamento de esferas de contato angular.

5- Mancal de rolos: são pouco empregados, com exceção de bombas com eixos grandes, onde ocorre limitação na escolha dos rolamentos de esferas. São usados para suportar esforços radiais.

Fig.55- Rolamento de rolos cilíndricos.

m) ANEL DE RESPINGO OU DEFLETOR:

É um anel metálico ou de borracha fixo ao eixo que fica localizado entre a sobreposta e a caixa de rolamento quando a bomba possui vedação por gaxeta. Sua função é evitar que o líquido que vaze da caixa de gaxeta venha penetrar na caixa de rolamento, provocando sua contaminação. Ao escoar da caixa de gaxeta o líquido é submetido, inicialmente, à ação centrífuga pelo próprio eixo. O restante de líquido que fica aderido ao eixo é, finalmente, centrifugado quando entra em contato com a superfície do anel.

Fig.56- Bomba em corte com detalhe de seus componentes.

n) FUROS DE COMPENSAÇÃO:São orifícios dispostos radialmente ao longo do disco traseiro do rotor, que

têm a função minimizar o esforço axial gerado pela operação da bomba. O rotor tem uma construção especial com anel de desgaste na parte traseira, formando câmaras onde atua a pressão de descarga. Os furos de compensação fazem a comunicação da câmara traseira do rotor com o seu interior, produzindo o alívio da pressão a um valor quase igual à pressão da sucção, reinante na sua parte central. A desvantagem deste sistema é que o retorno de líquidos pelos furos de compensação se opõe ao fluxo principal, gerando turbulências.

Fig.57- Distribuição de pressões no rotor com furo de compensação.

o) ACOPLAMENTOS:

O eixo da bomba e do motor é conectado através do acoplamento, sendo exceção a bomba monobloco ou projeto compacto (bombas de pequenas dimensões) onde o rotor é montado na extensão do eixo do motor. Unindo o eixo da bomba ao do motor, o acoplamento transmite a potência do motor até a bomba.

Podem ser rígidos ou flexíveis.

Fig.58- Acoplamento rígido.

-ACOPLAMENTOS RÍGIDOS:

Não permite qualquer movimento relativo entre os eixos, sendo equivalentes a flanges, interligando rigidamente os eixos. São usados em bombas de baixas rotações e em bombas verticais.

- ACOPLAMENTOS FLEXÍVEIS:

São capazes de absorver pequenos desalinhamentos quando em operação. Apresentam, de um modo geral, os seguinte componentes:

- cubos ou luvas que são enchavetadas ao eixo;

- peça amortecedora;

- capa externa de proteção onde, internamente, fica o lubrificante quando os acoplamentos são lubrificados.

PRINCIPAIS TIPOS DE ACOPLAMENTOS FLEXÍVEIS:

1- ACOPLAMENTO COM PINOS AMORTECEDORES:

Uma das luvas possui furos e a outra possui vários pinos revestidos de uma capa amortecedora de material flexível (normalmente borracha). O ajuste dos pinos no interior dos furos dá flexibilidade ao acoplamento.

Fig.59- Acoplamento com pinos amortecedores.

2- ACOPLAMENTO COM RESSALTOS AMORTECEDORES (TIPO LOVEJOY):

As luvas possuem ressaltos que se encaixam e, entre eles, é colocada a peça amortecedora.

Fig.60- Acoplamento tipo Lovejoy.

3- ACOPLAMENTO DE ENGRENAGENS:

Possui dois cubos dotados de engrenagens de dentes externos que se engrenam com os dentes de engrenagens internos usinados nas capas de proteção. A flexibilidade é dada pelos dentes, sendo necessário o uso de lubrificantes.

Fig.61- Acoplamentos de engrenagens.

4- ACOPLAMENTO DE DISCOS FLEXÍVEIS:

A flexibilidade é obtida pelo uso de um conjunto de discos de aço, colocados na sua parte central.

Fig.62- Acoplamento de discos flexíveis.

5- ACOPLAMENTO DE GRADE E RANHURA:

É um dos mais utilizados. As luvas possuem ranhuras feitas radialmente, onde se encaixa a grade de aço que é responsável pelo amortecimento. A tampa de proteção retém a graxa, usada como lubrificante.

Fig.63- Acoplamento de grade e ranhura e seu comportamento quando submetido a esforços leve, sobrecarga e normal.

3- CLASSIFICAÇÕES DAS TURBOBOMBAS:

3.1- CLASSIFICAÇÃO DAS TURBOBOMBAS QUANTO À TRAJETÓRIA DO LÍQUIDO DENTRO DO ROTOR:

a) Bombas radiais ou centrífugas: o líquido penetra axialmente no rotor, sendo sua trajetória bruscamente desviada para a direção radial. São empregadas pequenas vazões em grandes alturas manométricas. Nestas bombas, chamadas de centrífugas, toda a energia cinética é obtida através do desenvolvimento de forças puramente centrífugas sobre a massa líquida, devido a rotação do rotor. O líquido penetra no rotor na direção do eixo e o abandona em uma direção normal ao eixo.

Fig.64- Rotor de bomba radial.

b) Bombas axiais: a trajetória do líquido se desenvolve, em relação ao rotor, na direção axial. Assim, o líquido penetra no rotor e o abandona, também, na própria direção e do eixo. A energia cinética é transferida à massa líquida por forças puramente de arrasto. São empregadas para o recalque de grandes vazões e pequenas alturas.

Fig.65- Rotor axial com indicação do sentido de fluxo.

c) Bombas diagonais ou de fluxo misto: é um caso intermediário entre as bombas radiais e as axiais, tanto no desenvolvimento da trajetória, como na sua aplicação. Assim, a energia cinética é transmitida ao líquido tanto pela ação da força centrífuga, como devido à força de arrasto. A composição das duas forças é que caracteriza o fluxo ser misto, com um ângulo de saída, em relação à entrada, entre 90º e 180º. Logo, a trajetória é diagonal e seu emprego para médias vazões e médias alturas.

Fig.66- Sentido de fluxo e energias cedidas ao líquido.

Fig.67- Rotor de fluxo misto.

3.2- CLASSIFICAÇÃO DAS TURBOBOMBAS QUANTO AO NÚMERO DE BOCAS PARA SUCÇÃO DO ROTOR:

a) Bombas de simples sucção: o rotor possui só a boca para aspiração.

Fig.68- Componentes de uma bomba de simples sucção.

Em função da distribuição de pressões não uniforme, é gerado um esforço hidráulico na direção axial, que pode ser minimizado por rotores com furos de compensação (Fig.57) ou com pequenas pás fabricadas na sua parte traseira (Fig.70), que produzem o bombeamento do líquido e induz o equilíbrio das pressões.

Fig.69- Distribuição de pressões em um rotor de simples sucção.

Esse último recurso é empregado no bombeamento de líquidos ou com sólidos em suspensão para manter, também, o espaço entre as costas do rotor e a carcaça isento de sujeira.

Fig.70- Distribuição de pressões em um rotor de simples sucção com pás na sua parte traseira.

Fig.71- Rotor de simples sucção.

b) Bombas de dupla sucção: o rotor é a justaposição de dois rotores de sucção simples pela parte traseira. O líquido penetra no rotor pelos dois lados, havendo duas bocas para aspiração. Hidraulicamente, o rotor dupla sucção tem a vantagem sobre o de simples sucção, pois o empuxo axial é balanceado, eliminando rolamento de grande tamanho para absorver a carga axial sobre o eixo.

Fig.72- Distribuição de pressões e rotor de dupla sucção.

3.3- CLASSIFICAÇÃO DAS TURBOBOMBAS QUANTO AO NÚMERO DE ROTORES EMPREGADOS NO INTERIOR DA CARCAÇA:

a) Bomba unicelular ou de simples estágio: possui um só rotor dentro da carcaça.

Fig.73- Bomba de simples estágio, de simples sucção e eixo horizontal.

Fig.74- bomba de dupla sucção, de simples estágio e de eixo horizontal.

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b) Bomba multicelular: possui dois ou mais rotores dentro da mesma carcaça. O primeiro rotor aspira o líquido e o encaminha para o rotor subseqüente, e este aos seguintes. Assim o líquido é parcialmente energizado a medida que vai passando pelos rotores, adquirindo pressão para atingir maiores alturas. Os rotores empregados são do tipo radial, sendo fixados em série a um único eixo.

Fig.75- Bomba de múltiplos estágios, de simples sucção e eixo horizontal.

3.4- CLASSIFICAÇÃO DAS TURBOBOMBAS QUANTO AO POSICIONAMENTO DO EIXO:

a) Bombas de eixo horizontal: é o caso mais comum, estando o eixo do motor e o da bomba na posição horizontal (Fig. 68, 73, 74 e 75). Os rotores podem ser radiais, axiais ou diagonais.

b) Bombas de eixo vertical: são bombas desenvolvidas para o atendimento de condições especiais de operação.

Podem ser encontradas nas seguintes versões:

- Bomba vertical de eixo prolongado ou tipo turbina: o rotor normalmente éradial;

- Bomba vertical propeller ou tipo hélice: o rotor é axial;

- Bomba vertical submersa: tanto a bomba como o motor de acionamento fica submerso no líquido a ser bombeado, ao contrário dos casos anteriores.

Fig.76-Bomba vertical.

3.6- CLASSIFICAÇÃO DAS TURBOBOMBAS QUANTO À PRESSÇAO DESENVOLVIDA:

- Bombas de baixa pressão: até 15m;- Bombas de media pressão: de 15m a 50m;- Bombas de alta pressão: acima de 50m.

3.5- CLASSIFICAÇÃO DAS TURBOBOMBAS DE ACORDO COMO A ENERGIA CINÉTICA É TRANSFORMADA EM PRESSÃO:

Fig.77- Bomba de difusor tipo caracol.

a) Bombas de difusor tipo voluta ou caracol: a energia cinética adquirida pelo líquido ao sair do rotor éconvertida em pressão no caracol ou na voluta, assim como, no difusor tronco-cônico.

b) Bombas de pás guias: a energia cinética adquirida pelo líquido é convertida em pressão, inicialmente, em um conjunto de pás fixas localizado entre rotor e o caracol, bem como na passagem do líquido na voluta e no difusor tronco-cônico.

Fig.78- Bomba com difusor de pás guias.

Por serem bombas de projetos especiais, desenvolvem uma capacidade de elevação grande. As pás guias podem ser utilizadas tanto nas bombas de simples (pode ser dispensável) como nas de múltiplos estágios, onde são dispositivos imprescindíveis devido a necessidade do líquido escoar de um rotor para outro com baixa velocidade para minimizar as perdas de energia.

4- INSTALAÇÃO DE BOMBEAMENTO TÍPICA:

Fig.79- Instalação de bombeamento.

COMPONENTES E SUAS FUNÇÕES:

1 - VÁLVULA DE PÉ E CRIVO:

Fig.80- Válvula de pé e crivo.

É instalada no final da tubulação de sucção, sendo constituída de um filtro e de uma válvula de retenção. O filtro elimina a entrada de partículas sólidas no interior da bomba; a válvula de retenção impede que o líquido existente na tubulação de sucção retorne ao reservatório quando o motor da bomba édesligado, evitando, com isso, que a mesma perca a escorva.

2 - REDUÇÃO EXCÊNTRICA:É uma peça redutora, cônica e excêntrica, que interliga o final da tubulação de sucção com a boca de entrada da bomba, que possui um diâmetro, normalmente menor. A parte reta da redução deve ficar instalada na parte de cima da tubulação para evitar a formação de bolsas de arque estrangulam a seção transversal de entrada da redução, dificultando o funcionamento regular da bomba. Devem ser usadas em instalações com diâmetros superiores a 4”.

ESCORVA DE UMA BOMBA: é a operação de enchimento da carcaça e da linha de sucção da bomba com o líquido a ser bombeado, eliminando a presença de ar ou gases no seu interior, pois com eles, a bomba deixa de bombear o líquido ao destino desejado.

Fig.81- Instalação de redução excêntrica: à esquerda, instalação incorreta; à direita, instalação correta.

3 - VÁLVULA DE RETENÇÃO:

É instalada na saída da bomba antes do registro de gaveta, impedindo que o peso da coluna líquida de recalque seja sustentado pelo corpo da bomba, provocando vazamentos pela ação da pressão, assim como, eliminando o refluxo de líquido até a bomba quando o motor é desligado e a válvula de pé e crivo não funciona adequadamente.

Neste caso, o rotor é submetido a uma forte torção (tende, inicialmente, a girar em sentido inverso) que pode romper o eixo, ou provocar velocidades perigosas com o disparo do rotor, causando danos à bomba. Isso ocorre, com mais intensidade, quando a tubulação de recalque está conectada a parte inferior de um reservatório elevado.

A válvula de retenção, também, possibilita, com o uso de um by-pass, escorvar a bomba automaticamente, devendo-se identificar e solucionar a causa do vazamento.

(a)

Fig.82- Válvulas de retenção: (a) Tipo portinhola, (b) Tipo pistão; (c) Tipo antigolpe de aríete.

(c)

(b)

4 - REGISTRO DO RECALQUE:

É um registro de gaveta instalado na linha de recalque, após a válvula de retenção, com a finalidade de controlar a vazão bombeada, através de sua abertura ou fechamento.

Fig.83- Registro de gaveta roscado para tubos de até 2”.

5- PROJETO DE UMA INSTALAÇÃO DE RECALQUE:

Consiste em escolher a bomba, os diâmetros das tubulações de sucção e recalque, a potência necessária ao motor de acionamento e a altura de colocação da bomba em relação ao nível do reservatório.

Na especificação de uma bomba para uma dada instalação é necessário o conhecimento da vazão a ser recalcada e da altura manométrica da instalação.

Compreende-se por vazão o volume de líquido recalcado pela bomba na unidade de tempo. Da definição anterior, verifica-se, facilmente, que a unidade de vazão no SI é m³/s, podendo, também ser dada em m³/h, l/s, l/h, etc. Matematicamente, é dada por:

Q=V/tonde:Q: vazão (em m³/s).V: volume escoado (em m³).T: tempo (em s).Outra maneira de expressar, matematicamente, a vazão é:

Q=v.Aonde:Q: vazão (em m³/s).v: velocidade media do escoamento (em m/s).A: área da seção transversal da tubulação (em m²).

(1)

(2)

OBS: VELOCIDADES ADMISSÍVEIS NAS TUBULACOES:a) Sucção: v ≤ 1,5m/sb) Recalque: v ≤ 2,5m/s

A altura manométrica desenvolvida por uma bomba é a quantidade de energia absorvida pelo líquido ao passar pelo seu interior, sendo função da rotação do rotor, das dimensões da bomba e de seu acabamento interno.A altura do sistema ou da instalação é a quantidade de energia que deve ser absorvida pelo líquido que atravessa a bomba, para vencer o desnível geométrico da instalação, a diferença de pressões entre os dois reservatórios (caso exista) e a resistência natural (perda de carga) que as tubulações e acessórios impõem ao escoamento do líquido.

É, pois, dada por:

Hman = H0 + (Pr – Pa)/γ + ∆Honde:Hman: altura manométrica (em m);H0: desnível geométrico entre os reservatórios ou entre o nível do reservatório

inferior e o ponto mais alto da tubulação de recalque (em m);Pr: pressão atuante no reservatório de recalque (em Pa);Pa: pressão atuante no reservatório de sucção (em Pa);γ: peso específico do líquido (em N/m³);∆H: perda de carga (em m).

(3)

Fig.84- Altura manométrica de uma instalação com reservatórios abertos.

De uma forma geral, o projeto de uma instalação de recalque as seguintes operações de cálculo:

Fig.85- Seqüência de operações para cálculo e escolha de uma bomba.

5.1- VAZÃO RECALCADA:

A vazão a ser bombeada depende dos seguintes fatores:

a) consumo diário da instalação;

b) jornada de trabalho;

c) número de bombas em operação (bombas associadas em paralelo).

Para instalações industriais, quando a água é matéria-prima na composição do produto final, o consumo de água é fornecido em função da unidade do produto final, como exemplificado abaixo:

- Fábrica de refrigerante: 2,5 l/garrafa

O desnível H0 é uma grandeza de fácil medição, sendo na maioria dos casos um problema de topografia. O material das tubulações depende da natureza do fluido a ser bombeado, economia, pressões desenvolvidas e de outras características da instalação (estética, linha aérea ou subterrânea, etc.).

Quando a água éelemento suporte, o consumo de água pode ser determinado pela quantidade de operários da fábrica:

q = 70 l/dia * operário

Para as necessidades pessoais o consumo é dado por:

q = 150 a 350 l/dia * habitantes

A Tigre recomenda as seguintes estimativas de consumos:

(4)

(5)

5.2- DIÂMETROS ECONÔMICOS:

a) FÓRMULA DE BRESSE:Dr = K.

onde:Dr: diâmetro de recalque (em m);K: coeficiente variável, função dos custos de investimento e de operação. Varia entre

0,8 e 1,3 (valor comum K=1,0);Q: vazão (em m3/s).

O diâmetro de sucção é especificado como sendo um diâmetro comercial imediatamente superior ao do recalque. Quando o valor calculado do diâmetro de recalque não coincidir com um diâmetro comercial, admita o diâmetro comercial imediato superior, ao calculado, para a linha de sucção e o diâmetro comercial imediatamente inferior para a linha de recalque.

FÓRMULA DA ABNT:É usada para bombeamento intermitente. O diâmetro de recalque é dado por:

Dr = 0,586.t .onde:Dr: diâmetro de recalque (em m);t: jornada de trabalho (em h);Q: vazão (em m3/s).

Q (6)

41

Q (7)

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