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EM461 Prof. Eugênio S. Rosa Aula 28 Tópicos : Turbinas Hidráulicas e Turbinas Eólicas Capítulo 10 Máquinas de Fluxo

Capítulo 10 Máquinas de Fluxoim250/SITE IM250/SITES INTERESSE/em461-… · Ponto operação turbina para Henry Borden e Itaipu • Henry Borden - cada Pelton produz 63,3 MW e consome

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  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Aula 28

    Tópicos : Turbinas Hidráulicas e

    Turbinas Eólicas

    Capítulo 10

    Máquinas de Fluxo

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Usinas hidroelétricas e turbinas hidráulicas

    Energia potencial extraída do fluido:

    t 1 2 Lw

    H z z H 0g

    Eficiências:

    t = eficiência turbina

    = transformação E. Potencial/T.

    Pot Eixo

    t t

    1 2 1 2

    Pot Disponível

    1 2 L Lt t

    1 2 1 2

    Q w w

    Qg z z g z z

    g z z gH H 1

    g z z z z

    (1)

    (2)

    2 2

    atm atm1 21 2 L

    P PV V wz z H

    g 2g g 2g g

    0 0

    Equação da energia:

    HL energia dissipada no ‘Penstock’

    Força em comporta, aula #9 cap 4

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    Características: Vazão

    Vazão

    Pelton – Baixa

    vazão & alto H

    Francis – Baixa até

    altas vazões mas

    faixa intermediária

    de H. Rotor misto.

    Kaplan – Baixa até

    altas vazões, porém

    baixo H. Rotor

    axial.

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Características: altura x potência

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Detalhes Turbinas

    Hidráulicas

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Impulse turbine (Pelton type):

    (a) Typical arrangement of twin-jet machine. Courtesy of Gilbert Gilkes and Gordon;

    (b) Jet striking a bucket;

    (c) Pelton runner in the New Colglate power station, USA. (Courtesy Voith Siemens Hydro Power Generation, Inc.)

    Pelton

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Turbina Pelton com 5 jatos

    Performance curve for a prototype Pelton turbine: D = 1000 mm, ω = 75.4 rad/s, Gilbert Gilkes and Gordon

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Velocidades absolutas do jato e da pá: V e u; ref XY Seções entrada e saída: (1) e (2);U

    Vj

    X

    Y(1)

    (2)

    x

    y

    j j 2Q V U Q V U Cos F

    Eficiência Pelton, modelo ideal

    x r jV V n A F

    No modelo ideal, considera-se que o jatosempre encontra as pás de tal modo que(Vr.n)Aj = Q (veja exemplo similar aula # 10slides # 26 e 27). A força nas pás, F:

    A potência

    jV

    j 2

    2

    j j

    oP

    Q

    U U1 2 1 C s

    VV V

    A eficiência é calculada c/ máx. pot, U=Vj /2

    j 2jP FU Q V U 1 Cos U

    A potência máx. dP/dU = 0 U=Vj /2, (veja aula#11, ex. recomendados n.3)

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Usina Henry Borden – Billings SP, 720 m de queda

    14 grupos de geradores acionados por turbinas Pelton, perfazendo uma capacidade instalada de 889MW, para uma vazão de 157m3/s.

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    Francis reaction turbine:

    (a) schematic;

    (b) Francis spiral turbine for the Victoria Falls power station, Australia;

    (c) runner for one of the turbines for the Itaipu power station, Brazil. (Courtesy of Voith Siemens Hydro Power Generation, Inc.)

    C

    B

    Francis

    https://www.itaipu.gov.br/en/energy/generating-units

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Performance curve for a

    prototype Francis

    Turbine:

    D = 1000 mm,

    ω = 37.7 rad/s,

    ΩT = 1.063,

    CH = 0.23.

    Data courtesy of Gilbert

    Gilkes and Gordon, Ltd.

    3

    QCoef . vazão - C Q D 2 2

    HCoef . carga - C gH D 3 5

    P tCoef . potência - C W D

    Veja capítulo 7, análise dimensional

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Itaipu

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Kaplan axial-flow turbine:(a) schematic; (b) side view; (c) turbine blades in the Altenwörthpower station, Austria.

    Courtesy of Voith Siemens Hydro Power Generation, Inc.

    Kaplan

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Kaplan

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Ponto operação turbina para Henry Borden e Itaipu

    • Henry Borden - cada Pelton produz 63,3 MW e consome 11,2 m3/s.

    • Itaipu - cada Francis produz 700 MW e consome 350 m3/s.

    • A turbina Pelton situam-se próximo do centro da carta (faz overlapcom as turbinas Francis) e a turbina Francis está no extremo esquerda da carta.

    Henry Borden

    Itaipu

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    Hélices(propellers)

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Hélices, motivação

    John Patch, a mariner in Yarmouth, Nova Scotia developed a two-bladed, fan-shaped propeller in 1832 and publicly demonstrated it in 1833, propelling a row boat across Yarmouth Harbour and a small coastal schooner at Saint John, New Brunswick.

    http://en.wikipedia.org/wiki/John_Patchhttp://en.wikipedia.org/wiki/Yarmouth,_Nova_Scotiahttp://en.wikipedia.org/wiki/Saint_John,_New_Brunswick

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    A velocidade muda com o raio, portanto o ângulo de ataque varia continuamente

    Hélice naval alta solidez

    Solidez: razão entre área projetada e

    área varredura da hélice

    Hélice de aviões baixa solidez

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Wind Mills Savonious Darrieus 2 or 3 bladehigh speed turbine

    Concepções de diferentes tipos de turbinas eólicas

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Hélice• A hélice consiste de um

    número de pás (aerofóliostorcidos) que giram ao redorde um eixo. Elas sãoprojetadas para exercer umempuxo e deslocar umavião/barco para frente.

    • Hélices são consideradasmáquinas de fluxo axial.

    • A hélice produz uma força empuxo, FT, transmitindo quantidade de movimento a um fluido.

    • A produção de empuxo deixa a corrente com fração energia cinética e momento angular que não são recuperáveis. O processo não é 100% eficiente

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Como o empuxo é produzido

    • Cada pá experimenta sustentação e arrasto, L e D.• A velocidade resultante W é devido a velocidade de avanço V e a

    velocidade de rotação da pá r.

    • O empuxo, FT, e o torque, T, são determinados somando-se as contribuições em cada seção da hélice:

    simples de modelar mas complexo para calcular.

    TdF dL cos dD sin dT r dL sin dD cos

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Conversão: torque->empuxo

    • A hélice é um dispositivo que converte potência eixo: torque x rotação, T. em potência útil de empuxo, FT.Va onde Va é a velocidade de avanço,

    • A eficiência da hélice é definida por:

    onde

    • T é o torque,

    • a rotação radianos por segunto,

    • FT o empuxo

    T aF V

    T

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Leis de similaridade: hélices

    Coeficiente de velocidade de avanço, J, é

    definido pela razão da velocidade de avanço,Vao diâmetro da hélice D e a rotação n expressa

    por ‘rotações por segundo’:

    Coeficientes em Empuxo, Torque, Potência e Eficiência:

    a

    a

    Veja grupos adimensionais no cap. 7.

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Curvas características de hélices marítima e aérea

    Definições dos grupos adimensionais

    Velocidade avanço

    Coeficiente força empuxo

    Coeficiente torque

    Coeficiente potência

    Eficiência

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Exercício 1 - O empuxo de uma hélice de embarcação deve ser medido a diversas velocidades à frente (velocidade de avanço, V). Considere que a força de empuxo, FT dependa da:

    • densidade , • diâmetro D,• rotação n, • viscosidade , • velocidade Va, • gravidade g • pressão P.

    Determine parâmetros adimensionais p/ caracterizar o empuxo, o torque e a potência da hélice. Note que: Va/nD é a definição de J, o grupo da viscosidade tem uma dependência fraca e não está representado.

    T aF f D n P g V , , , , , ,

    a a aT2 4 2 2 2 5 2 2 3 5 2 2

    Resposta:

    V V VF gD T gD Pot gD=f h j

    nD nD nDn D n D n D n D n D n D

    , , ,

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Exercício 2 - Propulsor 1,5 m de diâmetro acionado a 1800 rpm (30 rev/s unidade de ‘n’ no gráfico) e uma potência 125 kW. (i) Estime FT usando CFT = FT/(n

    2D4) p/ embarcação parada e; (ii) Deslocando-se com V=13,4 m/s.

    2 4 2 4

    T F

    T

    F C n D (0,16)(1,23)(30) (1,5)

    F 897 N

    F

    V 12,5J 0,28 C 0,145

    nD (30)(1,52)

    (i) Embarcação parada V = 0 -> J = 0

    Fig.10.40 (livro texto) p/ J = 0 m/s

    CF = 0,16 ; CP = 0,08 ; = 0

    (ii) Para J = 12,5 m/s

    2 4

    TF (0,14)(1,23)(30) (1,5) 809 N

    J = 0,28; CF = 0,14 ; CP = 0,08 ; = 0,45

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Aplicações de hélices • A hélice é aplicada em turbinas para gerar energia ou propulsão. O uso ocorre principalmente em ar e em água.

    • Em turbinas a hélice extrai trabalho de eixo da E.K. do fluido sem avanço da hélice, isto é, está estacionária.

    • Em propulsão hélice fornece W p/ aumentar E.K. do fluido e gerar empuxo, FT. Nestas aplicações a hélice tem avanço, não estacionária.

    • Nas aplicações formam tubos de corrente que delimitam a área de captura do fluido que passa pela hélice. Em turbinas o tubo aumenta área na saída (diminui EK); em propulsão há diminuição área saída (aumenta EK).

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Teoria do rotor idealA teoria da quantidade de movimento ou a teoria do disco atuador

    descrevem um modelo matemático de um rotor ideal, ou disco atuador ideal,similar a uma hélice para fins de propulsão. Ela foi desenvolvida ao longo dosanos por: W.J.M. Rankine (1865), Alfred George Greenhill (1888) andRobert Edmund Froude (1889). O rotor é modelado como sendo um disco deespessura infinitesimal que induz uma velocidade constante ao longo do eixo derotação. Considerando as premissas do modelo idealizado pode-se extrair umaconexão matemática, baseada em volumes de controle, com a potência, o torquedo rotor e a velocidade induzida. O efeito atrito viscoso não é incluído nomodelo.

    No século XX, Albert Betz (1919) baseado no modelo matemático deum rotor ideal aplicou para turbina demonstrou a eficiência máxima possível deuma turbina idealizada é 16/27 ou 59,3% da energia cinética da corrente.

    Os próximos slides discorre sobre a teoria da quantidade de movimentonum disco infinitesimal para aplicações em turbinas e em propulsão. Aabordagem deste tópico utiliza a aplicação de teoria de volume de controle paraequação da massa, quantidade de movimento e energia em diferentessuperfícies de controle. O desenvolvimento destas teorias se estendeu por 46anos durante os séculos IXX e XX demonstra a criatividade dos autores e oalcance da teoria de volume de controle.

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Nomenclatura

    Nomenclatura

    • A e D área e diâmetro do rotor;

    • V1 e V4 velocidades de entrada e o que cruza o rotor;

    • Se propulsão, Va é a velocidade avanço da hélice;

    • V2 = V3 = V é a velocidade do fluido que cruza a hélice;

    • V1, V e V4 são velocidades medidas de um ref. inercial estacionário

    • P1 e P4 são iguais a Patm;

    • P2 e P3 são as pressões nas faces do rotor.

    ==

    Geração Energia Geração Empuxo

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Cara

    cte

    rísti

    ca

    s:

    turb

    inas

    x p

    rop

    uls

    ão

    Turbina Propulsão

    Velocidades V1 > V > V4 V1 < V < V4Pressão P2 > Patm e P3PatmEmpuxo x >0 x< 0

    Referencial Inercial e estacionário e hélice estacionária, até o contrário

    Geração Energia Geração Empuxo

    x

    y

    S.C. S.C.

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Hipóteses para turbina e propulsão

    1- A rotação induzida pela hélice no fluido é desprezível; escoamento sem efeito viscosos.

    2 – Ma

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    (I)

    -C

    on

    se

    rvaç

    ão

    mas

    sa

    na S

    .C., m

    L

    1 1 4 4 4 L

    L 1 4 4

    VS V S A V A m 0

    m V V A

    • Rotor e S.C. com fronteiras fixas e estacionárias,• Velocidades indicadas medidas de ref. inercial e estacionário.• Vazão mássica que cruza S.C., mL, é calculada com o balanço de massa.• Veja exemplo 3, aula 9 no capítulo 4.

    .

    • Para turbina, V1 > V4, logo mL > 0 e a massa sai da S.C.• Para propulsão, V1 < V4, logo mL < 0 e a massa entra na S.C.

    Nota: a eq. massa depende da velocidade relativa na S.C. Um cenário onde a hélice avança com Va não irá mudar a vazão mássica mL porque a contribuição de Va em V1 e V4 irá se cancelar.

    .

    .

    .

    S.C. S.C.

    x

    y

    x

    y

    Geração Energia Geração Empuxo

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    (II)

    -C

    on

    serv

    açã

    o m

    as

    sa

    na S

    .C., m

    1 1 4 4m V A VA V A

    Nota: a equação da massa depende da velocidade relativa na S.C, portanto num cenário onde a hélice se desloca Va a S.C. também deslocará e irá mudar a vazão mássica que cruza o tubo de corrente.

    • Rotor e S.C. com fronteiras fixas e estacionárias. • Velocidades indicadas medidas de ref. inercial e estacionário.• Vazão mássica, m, que cruza S.C. no tubo de corrente é:

    S.C.S.C.

    Geração Energia Geração Empuxo

    x

    y

    x

    y

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    (I) Q. movimento e a força de empuxo, FT

    1 1 1 4 1 4 4 4 L 1 mec

    L 1 4 4 mec 4 1

    VS V V S A V V A V m V F

    substituindo m V V A e simplificando F m V V

    Sendo que m = V1A1= VA= V4A4. A força mecânica, Fmec, é a força necessária que F = 0, logo a força de empuxo, FT = -Fmec

    1 4 TT 1 41 4 T

    Turbina, V > V logo F > 0F m V V

    Propulsão, V < V logo F < 0

    Cenário: referencial, hélice e S.C. estacionários, Va = 0.

    x

    y

    S.C.S.C.

    x

    y

    Geração Energia Geração Empuxo

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    (II) Eq. q. movimento e a força de empuxo, FT

    • Cenário: hélice deslocando-se na direção x < 0 com velocidade Va< 0.

    • A S.C. desloca-se c/ Va mas não deforma.

    • As velocidades V1 a V4 e V são velocidades medidas de ref. inercial estacionário.

    A força de empuxo, FT, é determinada por V1 e V4 medidos ref. estacionário :

    1 a 1

    T 1 4 a

    4 a 4

    V V A ou

    F m V V onde m V V A ou

    V V A

    x

    yVa

    As velocidades do ref. (x,y) são: Vi* =Vi +Va onde i = 1, 2, 3 e 4.

    As velocidades relativas na S.C. são: Vr,i* =Vi +Va onde i = 1, 2, 3 e 4.

    Nota: A influência de Va em FT aparece somente na vazão mássica que atravessa o tubo de corrente.

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    (III) Diferença pressão e a força de empuxo, FT

    Balanço q. movimento no rotor, estacionário ou deslocando com Va.

    2 3 mec T mec T 2 30 P P A F F F F P P A

    Turbina: P2 > P3 logo FT > 0;Propulsão: P2 < P3 logo FT < 0;Os sinais > 0 e < 0 coincidem com análise prévia dos sinais de FT.

    x

    y

    S.C.S.C.

    x

    y

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Relações entre velocidades, pressões, m e FT• Aplicação de Bernoulli a montante e a jusante do rotor.• As velocidades são medidas de um referencial inercial e estacionário.

    2 2 2 21 1 1atm 1 2 2 atm 12 2 2 2 21

    2 3 1 422 2 2 21 1 13 atm 4 atm 3 42 2 2

    P V P V P P V V P P V V

    P V P V P P V V

    .

    • O empuxo expresso pela q. movimento e pela diferença pressão:

    T 1 4 2 21 11 4 1 4 1 42 2

    T 2 3

    F m V V mm V V V V A V V V

    F P P A A

    Resultado importante: V é igual a média de V1 e V4!

    • A vazão mássica depende da Va, logo: * * * *1

    1 42m A V V V

    Substituindo: V* = V+|Va|; V*1=V1+|Va| e V*4=V4+|Va| acima, faz com que Va do

    lado esquerdo e direito se cancelam :

    * 1 1 42 m A V V V

    • Constata-se que, V é a média de V1 e V4 (medidas de um referencial estacionário) é válida para hélice estacionária ou deslocando-se!

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Relações entre velocidades

    V1, V2, V3 e V4

    • Sabe-se que:

    • Comparando as expressões revela que as diferenças são iguais (para hélice estacionária ou deslocando-se pq a diferença cancela Va)

    • Pode-se expressar todas velocidades pela velocidade do rotor V e V. Sendo V = (V4 -V1) então:

    1 1 4 2 32V V V e V V V • As diferenças de velocidades a montante e a jusante do rotor:

    4 3 4

    2 1 1

    V V V V

    V V V V

    1 14 3 4 12 2

    1 12 1 4 12 2

    V V V V V

    V V V V V

    1 11 4 4 12 2

    V V V e V V V ou V V V

    o sinal algébrico V = (V4 -V1) depende se V4 > V1 propulsão ou turbina.

    1 14 1 4 4 12 2

    1 11 4 1 4 12 2

    V V V V V

    V V V V V

    Resultado importante: V a montante e a jusante da hélice são iguais.

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Hélices para gerar potência e propulsão

    Até este etapa o desenvolvimento analítico foi feito para hélices que geram potência (estacionária) e propulsão (delocando-se).

    As próximas etapas vamos especializar a análise para cada uma destas aplicações.

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Hélice utilizada em turbinas Tomando um tubo de corrente como S.C. e aplicando a eq. Energia encontra-se a potência transferida do fluido para o eixo:

    2 21eixo 4 12W VA V V

    Substituindo : V = (1/2).(V1+V4) acima:

    4 4 41 1 1

    2 21 1eixo 4 1 4 12 2

    2 3V V V31

    eixo 14 V V V

    W . . V V A V V

    W V A 1

    A eficiência da turbina é definida pela razão entre Wf e a potência disponível no rotor:

    4 4 4

    1 1 1

    2 3V V Veixo 1

    2 V V V211 12

    W1

    V A V

    A máxima eficiência (Betz 1919) é

    obtida fazendo d/d(V4/V1) = 0,

    max = 59,3% ocorre para V4/V1 = 1/3!

    max

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    Comparativo dos modelos x eficiência

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    FIM

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    ApêndiceHélices utilizadas para propulsão

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    V em função de FT e V1Frequentemente o empuxo da hélice, FT, é um dado de projeto:

    1T 1 a 2m

    F m V A V V V V

    Com esta informação pode-se determinar V em função de V1 e FT.Está adicionado Va se a hélice estiver se deslocando. Este termo aparece devido a velocidade relativa na S.C. imposta pelo balanço de massa que cruza a S.C..

    Há 3 possibilidades:

    11 a T 1 2

    11 a T 1 a 2

    11 a T a 2

    V 0 e V 0 F A V 0 V V

    V 0 e V 0 F A V V V V

    V 0 e V 0 F A 0 V V V

    Hélice estacionária

    V1 = 0

    Vel. hélice e V1 não nulas

    T

    T T

    12 2 F* * *

    1 1 1 1 aA

    a

    TF F 2* *1

    1 12

    V 0 ou,

    V V V sendo V V V ou,

    0 V .

    FV1 1 C onde C

    V V A

    1) Isolando V e 2) Denominado V*1 = V1 +|Va|:

    ou

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    (I) - Hélices utilizadas para propulsão, potência induzidahélice estacionária

    A potência é definida por: fluido T fluidoW F V W m V V

    ou, expressando V = V1 + V/2; 1

    fluido 1 2

    Potência útil Potência induzida

    W m V V m V V

    Potência útil - é a E.K. na corrente livre;Potência induzida - é o aumento E.K. devido a hélice.

    Considera-se: • V1 é nulo (fluido estacionário) e • Hélice estacionária.

    T 1 4 TF m V V F m V Da eq q. movimento, o empuxo é:

    T2 F

    A V

    • Se V1=0

    • A potência útil, Wutil = FT.V1 = 0 pq V1é nulo, a hélice está estacionária.

    • A potência induzida, Wind = FT.(1/2)V

    32

    T

    ind T ind

    FVW F W

    2 2 A

    Resultado importante

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    (I) Hélices utilizadas para propulsão - eficiênciapara hélice deslocando-se Va e V1 nulo

    • Para um referencial que se desloca com Va, temos que V*

    1 = V1+|Va|, se V1 = 0 então V

    *1 = |Va|

    • A potência da hélice depende de FT (veio eq. q.mov.) e do avanço, Va. Nas premissas dadas, temos V*1 = |Va| e:

    T 1 4 a

    * * *

    util T 1 1 1 a

    * * 1disp. T 1 2

    F m V V m V ΔV não varia com V

    W F .V m V .V equivale empuxo x vel. avanço, V V

    W F .V m V . V V

    i. A medida que (V/Va) aumenta a eficiência diminui.

    ii. Para V/V*1 > 100 a eficiência aproxima de zero, a potência útil 0 como visto na hélice estacionária!

    iii. Maior eficiência para V 00

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    0.01 1 100

    V/V*1

    A efic.: *

    1

    *

    util 1

    * 1 Vdisp. 1 2

    V

    W V 2

    W V V 2

    ou com: V1 = 0, V

    *1 = Va!

    a

    VV

    2

    2

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    (II) Hélices utilizadas para propulsão - eficiênciapara hélice deslocando-se Va e V1 nulos

    * T1

    VFV

    2 2,

    1 1 C2

    • A eficiência também pode ser expressa pelo empuxo, FT, usando a relação de FT e V1 :

    T TT

    F F* *11 12

    FV1 1 C sendo C

    V V A

    • Substituindo a expressão acima na eficiência:

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    A eficiência de propulsão

    • A eficiência de propulsão (máxima) é definida:

    • A eq. aplica-se a qualquer dispositivo que cria empuxo pelo aumento da velocidade (aviões ou barcos a propulsão a hélice ou a jato).

    • A eficiência é aumentada pela redução de V ou pelo aumento de Va.

    • Para Empuxo constante, V diminui se a vazão mássica aumenta.

    a

    VV

    2 2

    Fatores limitantes

    Se diâmetro aumenta a velocidade periférica aumenta!

    • Para líquidos pode levar a cavitação;

    • Para ar pode levar a Mach 1 e choque.

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Exemplo 3 - O propulsor de uma embarcação move no ar ( = 1,23 kg/m3) com uma vazão de 50 kg/s. No ar em repouso, a velocidade na saída do propulsor é de 45m/s. Calcule: (i) o diâmetro do propulsor, (ii) o empuxo produzido em repouso. Se a vazão mássica fica constante mas a embarcação move-se a 15m/s. Determine (iii) V (ref inercial estacionário) e FT nestas condições.

    smVVV /20)040(2

    1)(

    2

    114

    A velocidade do fluido na hélice:

    (i) O diâmetro da hélice:2m VA A 1,81m

    D 1,52m

    (ii) Empuxo em repouso:

    TF m V 50(45 0) 2225 N

    Se o barco se move a 15 m/s :

    Da relação V=(V4+V1)/2 onde velocidades ref. estacionário e que V1 = 0:

    T 4 1

    T a

    F m(V V ) 50 15 750N

    P F V 11,25 kW

    a

    a

    m V V A 50

    50V V 7,5 m s

    A

    4V 2 V 15 m s

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Exercício 1 – Um helicóptero Sikorsky S76 está estacionário no ar. Se a massa do helicóptero vazio é de 3177 kg, o diâmetro da hélice é de 13m, a densidade do ar é de 1,2 kg/m3 e a turbina instalada possui 480 kW. Determine (i) a força de empuxo, FTe (ii) com esta potência ele poderia pairar no ar com 10 passageiros pesando cada uma 70 kg?

    Dica: estacionário, só existe potência induzida, a útil é nula por a hélice não possui velocidade de translação. Resposta: FT = 41,9 kN

    Sikorsky S76

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Exercício 2 – Reveja o problema do orca-jet, aula#11. Considereque o orca jet desloca-se com Va = 2m/s, que a velocidade V1 é nula e que V4 = 8m/s. Determine: (1) a vazão mássica em V4 sabendo que a área de descarga, A4 = 0,04 m

    2; (2) o empuxo, (3) a potência do orca jet e (4) eficiência da propulsão do orca jet.Resp.: veja resultados dos itens (1) a (3) no capítulo 4. A eficiência da propulsão é de 33,3%. Esta comparação é com um rotor ideal. Comentário: A potência transferida para o fluido foi FT.Va, dividindo pela a eficiência da hélice chega-se a potência de eixo: 19,6 kW se comparada com um rotor ideal.

    Exercício 3 – Uma hélice possui 2m de diâmetro e possui um empuxo de

    5576 N operando com uma densidade do ar de 1,2 kg/m3. Calcule a máxima

    força de empuxo estática (hélice não desloca, Va = 0).

    Resposta: 150 kW.

  • EM461 Prof. Eugênio S. Rosa

    Exercício 4 – Um avião Cherokee 180 possui uma hélice de 1,88 m em diâmetro. A velocidade cruzeiro do avião é de 60,4 m/s no nível do mar nas

    condições padrão. O força de arrasto é de 1390 N em voo nivelado. Determine

    o coeficiente de força de empuxo, CFT; e a eficiência ‘ideal’ nestas condições.

    Resposta: CFT = 0,224 e ideal = 0,95. De fato a eficiência real da hélice é de

    = 0,83. A teoria superestima devido as idealizações do modelo.

    Desafio 1 – Faça um programa de computador para resolver as relações da equação de rotores ideais. Considere que o empuxo ou a potência é conhecida. As outra variáveis de entrada são: diâmetro hélice; velocidade V1 conhecida; altitude para determinar . As variáveis de saída são: velocidade induzida, V/2, eficiência ideal, a potência ou o empuxo.

    Nota: Se a potência é especifica invés do empuxo, é necessário um processo iterativo para se chegar no empuxo correto.

    Dica: como chute inicial considere o empuxo estático multiplicado pelo velocidade induzida para a potência informada. Reconheça que V/P = V/2

    Exercício 5 – A razão entre a força de empuxo e a área do disco equivalente define o ‘disc loading’ = FT/A. Demonstre que:

    2 21 11 42 2

    (disc loading) V V

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    FIM

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    Cavitation

    considerations:

    (a) schematic;

    (b) representative

    cavitation number curve.

    (Courtesy of Voith

    Siemens Hydro

    Generation, Inc.)