INTRODUÇÃO ÀS MÁQUINAS HIDRÁULICAS1. Definição

- MÁQUINA HIDRÁULICA: É uma máquina através da qual escoa água, e que tem a finalidade de trocar energia hidráulica, do escoamento, em energia mecânica, fornecida ou cedida por outra máquina.

O escoamento flui continuamente e opera transformações do tipo:

Emecânica ⇔ Ecinética ⇔ Epressão.

- BOMBA HIDRÁULICA: máquina hidráulica que recebe energia de outra máquina (ex: motor).

- MÁQUINA HIDRÁULICA MOTRIZ OU TURBINA: máquina hidráulica que fornece energia mecânica para ser transformada em energia elétrica.

2. Conceito geral das Máquinas Hidráulicas

E2: energia hidráulica na saídaE1: energia hidráulica na entradaW: energia mecânica no eixo

E2 – E1 = W

Esquema de máquina hidráulica

3. Bombas Hidráulicas

• Máquina através da qual escoa água

• Recebe energia mecânica fornecida por outra máquina e a transforma em energia hidráulica

Emecânica ⇒ Ecinética ⇒ Ehidráulica

• Comunica ao fluido um acréscimo de energia com a finalidade de transportá-lo de uma posição de menor energia potencial para outra de maior energia potencial.

3.1. Tipos de Bombas Hidráulicas

• As bombas hidráulicas são classificadas de acordo com o mecanismo de transferência de energia em:

- BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO OU ALTERNATIVAS

- BOMBAS HIDRODINÂMICAS OU TURBO-BOMBAS

- BOMBAS ESPECIAIS

• A transferência de energia pode se dar por:

Emecânica ⇒ Ecinética ⇒ Epressão

Emecânica ⇒ Epressão

BOMBAS ESPECIAIS

• Geralmente devem ser fabricadas com materiais especiais para cada tipo de aplicação

• Exemplo: bomba peristáltica

• Aplicação da bomba peristáltica: dosadores de substâncias químicas que não podem entrar em contato com metais ou lubrificantes usados nas bombas.

BOMBAS ESPECIAIS

Bomba peristáltica

• O tubo flexível é amassado progressivamente pelo rolete, a pressão aumenta e empurra o fluido no tubo.

BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO

• O escoamento do fluido é causado pelo aumento de pressão comunicado pela bomba através de elementos com movimento alternativo ou rotativo.

• Exemplos de BOMBAS ALTERNATIVAS: bombas de pistão, ou êmbolo, e bombas de diafragma.

• Exemplos de BOMBAS ROTATIVAS: A denominação genérica Bomba Rotativa designa uma série de bombas volumétricas comandadas por um movimento de rotação, daí a origem do nome. As bombas rotativas podem ser de Engrenagens, Lóbulos ou Palheta.

• Aplicação das bombas de deslocamento positivo: casos onde énecessário uma vazão constante independente de variação da carga sobre a bomba, e também quando o volume deve ser medido com precisão já que a vazão produzida pela bomba é função apenas da sua rotação.

BOMBAS ALTERNATIVASNas bombas de êmbolo, o órgão que produz o movimento do fluido éum pistão que, em movimentos alternativos aspira e expulsa o fluido bombeado.

Esquema de bombas alternativas. (a) de êmbolo, (b) de diafragma.

BOMBAS ROTATIVAS

Bomba de engrenagem

BOMBAS ROTATIVAS

Bomba de Lóbulos

BOMBAS ROTATIVAS

Bomba de palhetas

BOMBAS HIDRODINÂMICAS

• Conhecidas também como Bombas Hidráulicas de Fluxo

• Transfere quantidade de movimento para o líquido através da aceleração provocada por um elemento rotativo dotado de pás denominado rotor.

4. Turbinas Hidráulicas

• Transforma a energia hidráulica, do escoamento, em energia mecânica que pode ser aproveitada para realizar trabalho.

Epressão ⇒ Evelocidade ⇒ Emecânica

4.1. Tipos de Turbinas Hidráulicas

• As turbinas hidráulicas são classificadas de acordo com o processo de conversão da energia hidráulica em energia mecânica como:

- TURBINAS DE AÇÃO

- TURBINAS DE REAÇÃO

TURBINAS DE AÇÃO

• Transformam energia cinética em energia mecânica à pressão constante, normalmente à pressão atmosférica.

• Exemplo de turbinas de ação: Turbinas Pelton

TURBINAS PELTON

• Máquinas de ação, ou de impulso, escoamento tangencial. Operam em altas quedas (maiores que 300m) e baixas vazões.

• Podem ser de um (01) jato, dois (02) jatos, quatro (04) jatos, (05 jatos) e seis (06) jatos. O controle da vazão é realizado na agulha e injetor.

TURBINAS PELTON

Turbina Pelton, de dois (02) jatos e eixo horizontal

Turbina Pelton

com seis (06) jatos

TURBINAS PELTON

• A roda Pelton é constituída por um rotor dotado de pás igualmente espaçadas pela sua periferia. As pás são de formato especial para receberem um jato d’água e defleti-lo de 180°.

Roda Pelton de 60.000cv, para um desnível de 320m.

Exemplos de Centrais Hidrelétricas com Turbinas Pelton:CENTRAL HIDRELETRICA SÃO BERNARDO

Cidade: Piranguçu – MG, Empresa: CEMIG

Q H n Pe

[m3/s] [m] [rpm] [kW]

0,286 599 1200 1345

0,286 599 1200 1345

0,860 599 1200 4043

CENTRAL HIDRELÉTRICA CUBATÃO 2

Cidade: Cubatão – SP, Empresa: ELETROPAULO

Q H n Pe

[m3/s] [m] [rpm] [MW]

12,7 684 450 65

Obs: São seis (06) grupos geradores e cada turbina possui quatro (04) jatos.

TURBINAS DE REAÇÃO

• A água tem a pressão variando desde a entrada da turbina até a saída, havendo a seguinte conversão de energia:

Ecinética ⇒ Epressão ⇒ Emecânica

• Podem ser de dois tipos:

- AXIAL: fluxo da água é paralelo ao eixo do rotor.

- MISTA: fluxo na entrada do rotor é radial e após interagir com ele sofre um desvio e passa a ser axial na saída.

• Exemplo de turbinas de reação: Turbinas Francis, Turbinas Hélice, Bulbo e Kaplan.

TURBINAS FRANCIS

• Máquinas de reação do tipo misto.

• Podem ser utilizadas em desníveis desde 20 m até 600 m e médias vazões

• O controle da vazão é realizado no distribuidor ou sistema de pás móveis.

TURBINAS FRANCIS

Partes principais da turbina Francis.

TURBINAS FRANCIS

Rotor Francis, de alta potência, para desnível médio.

TURBINAS FRANCIS

Rotores Francis lento, normal e rápido.

Exemplos de Centrais Hidrelétricas com Turbinas FrancisCENTRAL HIDRELÉTRICA LUÍZ DIAS

Cidade: Itajubá – M G

Q H n Pe

[m 3/s] [m] [rpm] [kW ]

3,75 28 720 900

3,75 28 720 900

3,75 28 720 900

Obs.: O rotor de cada turbina é duplo (gêmeo)

CENTRAL HIDRELÉTRICA ITAIPÚ

Cidade: Foz do Iguaçu – PR, Empresa: FURNAS

Q H n Pe

[m 3/s] [m] [rpm] [M W ]

680 118,4 91,6 715

Obs.: 20 máquinas iguais, com cada gerador tendo potência 700 [M W ]

TURBINAS HÉLICE, BULBO E KAPLAN

• Operam grandes vazões e baixas quedas.

• Turbinas do tipo hélice: máquinas com pás fixas.

• Turbinas do tipo Kaplan: pás móveis, posicionadas para o melhor rendimento.

• Turbinas do tipo Bulbo: integra a turbina e o gerador em um sóinvólucro.

TURBINAS HÉLICE, BULBO E KAPLAN

Rotor Kaplan, com as pás em ângulo de 30o.

Rotor Hélice - Axial de simples regulagem (foto à direita), rotor Kaplan - Axial de dupla regulagem

Turbina Kaplan:Central Hidrelétrica de Machicura, Chile; (duas) 02 máquinas de 36,7 m; 144,2 m3/s e 48,4 MW.

Arranjo da Central Hidrelétrica Liga III, Suécia; uma (01) máquina com 39 m, 516 m3/s e 182,6 MW.

Turbina axial, tipo tubular S, rotor Kaplan e eixo horizontal.

Exemplos de Centrais Hidrelétricas com Turbinas Axiais

CENTRAL HIDRELÉTRICA JOSÉ TOGNI (BORTOLAN)

Cidade: Poços de Caldas – M G, Empresa: DM E

Q H n Pe

[m 3/s] [m] [rpm] [kW ]

7 12 450 556

Obs.: A turbina é do tipo tubular S

CENTRAL HIDRELÉTRICA TAQUARUÇÚ

Empresa: CESP

Q H n Pe

[m 3/s] [m] [rpm] [M W ]

511 21,9 85,7 103

Obs.: cinco (05) máquinas iguais