Notas de Aulas de Maquinas de Fluxo do Prof. Joao Barbosa do ITA

Notas de Aulas de Maquinas de Fluxo do Prof. Joao Barbosa do ITA

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Turbina TAPP – ensaios a frio

Centro de Referência em Turbinas a Gás

João Roberto Barbosa 2012

MÁQUINAS DE FLUXO NOTAS DE AULAS - 2012

As Notas de Aula de MÁQUINAS de FLUXO têm sido disponibilizadas aos alunos de MMT-01 (antigo MEM-31) Máquinas de Fluxo, com revisões constantes em função da realimentação dos alunos.

A versão atual é resultante de simplificação de versões anteriores, obtida com supressão de palavras e frases, retendo apenas as palavras consideradas mais importantes nas frases. Portanto, é necessária, mais do que nunca, a consulta à literatura básica indicada. Continua sendo um resumo das aulas, destinado a reduzir tempo gasto com anotações em sala de aula.

É um roteiro para estudo; não substituem textos consagrados pela abrangência e clareza.

Foram preparadas para dar visão geral das máquinas de fluxo. Para responder todas as questões que podem ser formuladas é preciso estudo mais aprofundado.

Bibliografia abrangente é indicada.

O aprimoramento das Notas de Aulas é conseguido com a contribuição dos alunos, através de comentários e sugestões.

João Roberto Barbosa e Jesuíno Takachi Tomita, janeiro de 2012.

MÁQUINAS DE FLUXO NOTAS DE AULAS - 2012

Máquinas de Fluxo 2012

Classificação. Campo de aplicação. Equações fundamentais. Transformação de energia. Semelhança. Teoria da asa de sustentação e sua aplicação às máquinas de fluxo. Cavitação.

Elementos construtivos. Características de funcionamento. Anteprojeto.

CARGA HORÁRIA (semanal) 2 aulas teóricas e 1 aula de exercícios 2 aulas de laboratório 5 horas de estudo individual

Bibliografia

BARBOSA, J. R. e TOMITA, J. T., Máquinas de Fluxo, São José dos Campos, ITA, 2012 SAYERS, A. T., Hydraulic and Compressible Flow Turbomachines, Sayers, A. T. Mcgraw Hill Book Co Ltd, 1990. PFLEIDERER, C., PETERMANN, H., Máquinas de Fluxo, Livros Técnicos e Científicos, 1979.

MÁQUINAS DE FLUXO NOTAS DE AULAS - 2012

Estudar o funcionamento das máquinas de fluxo através de dados experimentais e das leis básicas, principalmente de termodinâmica e de mecânica de fluidos, bem como distinguir os diferentes tipos de máquinas e suas aplicações específicas.

Ao término do curso o aluno deverá ser capaz de realizar o anteprojeto de uma máquina de fluxo, bem como selecionar u’a máquina de fluxo dentre as já produzidas.

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O aluno deverá ser capaz de:

Capítulos 1 - Introdução Descrever uma máquina de fluxo

Capítulo 2 - Leis de Conservação Descrever modelos físicos e matemáticos utilizados no estudo das máquinas de fluxo

Descrever as hipóteses simplificadoras aplicáveis às máquinas de fluxo e obter as formas simplificadas das equações básicas

Escrever as equações gerais, as simplificações convenientes ao estudo das máquinas de fluxo e identificar cada termo dessas equações.

Identificar os termos que precisam ser tratados diferentemente para fluidos compressíveis e incompressíveis

Definir os elementos e os parâmetros com os quais se montam as equações de conservação e as suas unidades SI (fluxo, superfícies, elemento de superfície, quantidade de movimento, vazão, temperaturas e pressões estáticas e de estagnação, etc.)

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Capítulo 3 – Princípios de Conservação Aplicados às Máquinas de Fluxo

Descrever os elementos construtivos e as convenções utilizadas no estudo das máquinas de fluxo

Descrever os componentes principais de uma máquina de fluxo, suas diferentes representações gráficas, e como neles se operam as transformações de energia.

Identificar as variáveis envolvidas na modelação do funcionamento de máquinas de fluxo (do fluido, da instalação, de controle).

Associar os elmentos dos triângulos de velocidades às equações básicas aplicáveis às máquinas de fluxo

Capítulo 4 – Máquinas de Fluxo Reais

Saber quais são as diferenças entre a máquina ideal, estudada até o capítulo anterior, e as máquinas reais.

Identificar problemas associados à utilização das máquinas de fluxo em sistemas de bombeamento

MÁQUINAS DE FLUXO NOTAS DE AULAS - 2012 tipos de fluidos

Escrever e saber o campo de aplicação das equações de Bernoulli e de Euler, para rotores e estatores, para escoamentos compressíveis e incompressíveis.

Explicar as diferenças entre as condições de funcionamento de u’a máquina ideal e de u’a máquina real.

Identificar as diferenças entre as teorias da pá isolada e da grade. Calcular os diversos parâmetros relacionados às máquinas de fluxo.

Selecionar tipos de pás para as máquinas de fluxo e calcular o seu empalhetamento (montagem das grades).

Capítulo 5 – Desempenho das Máquinas de Fluxo definir desempenho

Identificar os coeficientes adimensionais aplicáveis a máquinas de fluxo e explicar sua importância

Definir o conjunto das variáveis que afetam o desempenho das máquinas de fluxo e classificá-los (do fluido, da máquina e de controle).

Definir desempenho de uma máquina de fluxo, enumerando os parâmetros de desempenho

MÁQUINAS DE FLUXO NOTAS DE AULAS - 2012 importantes. Obter os parâmetros de desempenho a partir da teoria adimensional.

Capítulo 6 – Características de Algumas Máquinas de Fluxo Identificar as formas construtivas das máquinas de fluxo mais comuns

Capítulo 7 – Equilíbrio Radial e Empalhetamento Calcular os triângulos de velocidades em diversas posições radiais

Capítulo 8 – Cavitação Descrever cavitação

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Explicar o fenômeno da cavitação em máquinas de fluxo e as implicações no seu desempenho.

Capítulo 9 – Instalações Hidráulicas

Especificar o tipo de máquina ou de máquinas mais adequados a uma determinada aplicação.

Calcular a variação de desempenho de uma máquina de fluxo em função da sua rotação e de suas dimensões geométricas.

Capítulo 10 - Anteprojetos

Utilizar os conhecimentos adquiridos para pré-dimensionar uma máquina de fluxo (ventilador radial, ventilador axial, compressor axial, etc.)

MÁQUINAS DE FLUXO NOTAS DE AULAS - 2012

Além desses objetivos, pretende-se que, durante o curso, o aluno desenvolva uma atitude responsável de estudo, de pesquisa e de dedicação, uma atitude crítica que o leve a refletir sobre os conteúdos aprendidos e sua importância para a sua futura atuação como engenheiro, bem como uma atitude positiva para o prosseguimento de seus estudos das máquinas de fluxo.

A prática da disciplina consciente é fundamental para o completo atingimento dos objetivos do curso. Uma relação de confiança será naturalmente construída.

A metodologia adotada requer que o aluno consulte, antes de cada aula, as notas de aula e medite sobre os temas a serem discutidos, consultando, sempre que possível, a bibliografia adicional inerente.

MÁQUINAS DE FLUXO NOTAS DE AULAS - 2012

Aulas expositivas (precedidas por período de leitura individual, em casa, das notas de aulas) e demonstrativas (usando partes de algumas máquinas comuns) integradas, a fim de que o aluno possa melhor compreender os modelos matemáticos adotados.

Resolução de exercícios, em classe e em casa, para reforçar a compreensão dos assuntos trabalhados em classe.

Laboratórios quinzenais, com relatórios individuais - mesmo que as experiências tenham sido realizadas em grupos - corrigidos e avaliados.

Participação em projetos em desenvolvimento no Centro, de acordo com as disponibilidades e interesses do aluno.

MÁQUINAS DE FLUXO NOTAS DE AULAS - 2012

Observação do trabalho do aluno em classe, inclusive quando da resolução de séries de exercícios

As médias nos bimestres serão calculadas dando-se pesos 0,50 e 0,50 às provas e médias dos laboratórios, respectivamente.

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CRONOGRAMA PARA 2012 - primeiro semestre aulas às 3 as -feiras, das 8h às 10h e às 5as -feiras, das 8h às 9h mês semana dia capítulos mês semana dia capítulos fevereiro 1 29 1 maio 1 2 6 março 2 7 2 2 9 6 abril 6 4 5 junho 6 6 9 recup 26 exame 27

MÁQUINAS DE FLUXO NOTAS DE AULAS - 2012

BIBLIOGRAFIA HYDRAULIC AND COMPRESSIBLE FLOW TURBOMACHINES, Sayers, A. T. Mcgraw Hill Book Co Ltd, 1990

Referências adicionais edição

NASA SP-36 - Diversos Autores, Aerodynamic Design of Axial Compressors 1956 THEORY OF WING SECTIONS - Abbott e Doenhoff, Dover Publications Inc. 1959 BOMBAS CENTRÍFUGAS E TURBOCOMPRESSORES, – Carl Pfleiderer, LTC 1964 THEORY OF TURBOMACHINES - G. T. Csanady, Mac Graw-Hill Book 1964 MÁQUINAS DE FLUXO – Carl Pfleiderer, LTC 1972 FANS, B. Eck 1973 MECÁNICA DE FLUIDOS Y MÁQUINAS HIDRÁULICAS, C. Mataix, Ediciones Del Castillo S. A. 1977 COMPRESSORES, E.C. COSTA 1978

FLUID MECHANICS - Douglas, Gasivorek e Swaffield, 2 a edição, Longman 1985

CENTRIFUGAL PUMP HANDBOOK, Sulzer 1987 NUMERICAL COMPUTATION OF INTERNAL AND EXTERNAL FLOWS - Hirsh, John Wiley & Sons 1988 FLUID DYNAMICS : THEORETICAL AND COMPUTATIONAL APPROACHES - Warsi, CRC Press 1992 TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS, Cláudio Mataix, Ediciones Del Castillo S. A. 1993 FUNDAMENTALS OF GAS TURBINES, Bathie 1996 GAS TURBINE THEORY - Cohen, Rogers e Saravanamuttoo, 4a edição, Longman 1997 COMPRESSOR AERODYNAMICS, N.A. Cumpsty, Longman 1998

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1 INTRODUÇÃO

Perguntas:

O que é uma máquina de fluxo?

É importante a obtenção de tecnologia de projetos de máquinas de fluxo de alto desempenho?

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Máquina de Fluxo é a máquina que transfere energia entre um fluido se escoando continuamente e um elemento girando em torno de um eixo fixo.

Bombas, ventiladores, compressores e turbinas são algumas máquinas de fluxo de uso universal.

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Onde estão instaladas as máquinas de fluxo?

As máquinas de fluxo estão nas indústrias militar, aeronáutica, aeroespacial, automotiva, naval e de geração de energia com alta eficiência.

Preocupa-se com o grande aumento de consumo de energia elétrica no Brasil (necessidade de expansão de hidrelétricas, termelétricas com ciclo combinado e ciclo híbrido, eólica, energia nuclear, célula combustível, micro geradores,...).

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Estimativa de exploração de petróleo para 2030:

Bronzatti, F. L. e Neto, A. I., Matrizes Energéticas no Brasil: Cenário 2010-2030, XXVII Encontro Nacional de Engenharia de Produção, RJ, 2008

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Bronzatti, F. L. e Neto, A. I., Matrizes Energéticas no Brasil: Cenário 2010-2030, XXVII Encontro Nacional de Engenharia de Produção, RJ, 2008

NOTAS DE AULAS - 2012 1-8/86

Bronzatti, F. L. e Neto, A. I., Matrizes Energéticas no Brasil: Cenário 2010-2030, XXVII Encontro Nacional de Engenharia de Produção, RJ, 2008

NOTAS DE AULAS - 2012 1-9/86

Bronzatti, F. L. e Neto, A. I., Matrizes Energéticas no Brasil: Cenário 2010-2030, XXVII Encontro Nacional de Engenharia de Produção, RJ, 2008

NOTAS DE AULAS - 2012 1-10/86

Bronzatti, F. L. e Neto, A. I., Matrizes Energéticas no Brasil: Cenário 2010-2030, XXVII Encontro Nacional de Engenharia de Produção, RJ, 2008

NOTAS DE AULAS - 2012 1-1/86

Balanço energético consolidado

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Custo por matriz energética

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Matriz de energia eólica (mundial):

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Ainda existe dúvida da importância de obtenção de tecnologia de projeto de máquinas de fluxo de alto desempenho?

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Neste curso serão consideradas apenas as máquinas em que o fluido está sempre delimitado pelos seus elementos constitutivos e, portanto, o escoamento é controlado pelos canais formados por esses elementos.

Com relação às máquinas de fluxo:

Bombas - equipamentos utilizados em muitas instalações residenciais e industriais.

Equipamentos de bombeamento - de diversos tipos tamanhos e atendem inúmeras necessidades.

Turbinas - utilizadas em muitas aplicações industriais.

Ventiladores e compressores - encontrados em residências e indústrias, de tamanhos que vão de alguns centímetros de diâmetro até muitos metros.

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Todas essas máquinas têm em comum a movimentação contínua de fluido (água, ar, gases).

São usualmente chamadas de máquinas de fluxo devido a essa particularidade. Está-se interessado, de um modo geral, em transformação de energias:

a) energia mecânica em energia de fluido b) energia de fluido em energia mecânica

A Lei (ou princípio) da conservação e transformação de energia é uma das leis fundamentais da natureza.

É de caráter geral. Estabelece que, sem alteração da estrutura da matéria, a energia não é criada nem destruída, mas, sim, passa de uma forma a outra, através de transformações físicas e/ou químicas.

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Principais formas de energia hoje conhecidas:

do movimento térmico dos átomos e moléculas da cinética dos corpos do campo gravitacional do campo elétrico do campo magnético da radiação eletromagnética intramolecular de pressão etc apenas as transformações das formas de energias que um fluido possui serão objeto deste curso cinética de pressão potencial térmica de deformação em energia mecânica e vice-versa.

NOTAS DE AULAS - 2012 1-18/86 energia mecânica - associada aos movimentos (rotação e/ou translação) dos componentes de uma máquina. Esses movimentos geralmente são utilizados para transmitir potência (ao final é o que se espera das máquinas de fluxo).

energia hidráulica - formas de energia que um fluido possui máquinas hidráulicas têm a finalidade de operar transformações de energia hidráulica em mecânica e vice-versa. (Englobadas todas as máquinas que operam com fluidos, tanto incompressíveis como compressíveis)

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Definições gerais – usualmente comuns aos usuários de bombas hidráulicas:

Sistema de bombeamento: é o sistema constituído pelos reservatórios de sucção (de onde a bomba aspira o fluido de trabalho) e de descarga ou de recalque (para onde a bomba movimenta o fluido de trabalho), pela bomba, pelas tubulações que ligam os diversos componentes do sistema de bombeamento; pelos componentes acessórios (cotovelos, válvulas de controle ou unidirecionais), pelos suportes.

Altura de elevação ou altura de carga ou altura de bombeamento: é a quantidade de energia específica (geralmente expressa em metros de coluna de fluido de trabalho) que o rotor da máquina transfere ao fluido de trabalho (no caso de bombas) ou que o fluido de trabalho transfere ao rotor da máquina (no caso de turbinas).

Perda de carga: é a perda de pressão de estagnação entre dois pontos do sistema de bombeamento.

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Altura manométrica ou altura de elevação manométrica: é a altura de elevação referida a um fluido de trabalho especificado (geralmente água distilada à temperatura de 4 graus Celsius, com densidade de 1000 kg/m3 ). Note-se que esta terminologia pode induzir erro ao poder dar a entender que a energia específica está sendo referenciada a alguma diferença de pressões, como no caso da pressão manométrica.

Potência do motor: é a potência disponibilizada pelo motor na ponta de eixo que é ligada à máquina.

Potência de eixo: é a potência disponibilizada pela máquina no eixo ligado ao rotor. Note-se que a potência de eixo é igual à potência do motor se não houver perdas entre a ponta de eixo do motor e a posição em que o eixo se fixa ao rotor.

Potência útil: é a potência que é efetivamente transferida ao fluido pelo rotor, ou ao rotor, pelo fluido.

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