Projeto Rotor

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CENTRO UNIVERSITÁRIO DA GRANDE DOURADOS
ALLAN ALENCAR OLIVEIRA
ÉDER LUCAS MAGALHÃES FERREIRA
FELIPE AUGUSTO SILVA SOBRAL
HENRIQUE CAITANO ARCE
NATHAN ANDRIEVY CORDEIRO
PROJETO MECÂNICO
Construção de um rotor fechado
Dourados
2021
CENTRO UNIVERSITÁRIO DA GRANDE DOURADOS
ALLAN ALENCAR OLIVEIRA RGM – 372.302
ÉDER LUCAS MAGALHÃES FERREIRA RGM – 372.306
FELIPE AUGUSTO SILVA SOBRAL RGM – 372.332
HENRIQUE CAITANO ARCE RGM – 372.290
NATHAN ANDRIEVY CORDEIRO RGM – 372.304
PROJETO MECÂNICO
Construção de um rotor fechado
Trabalho realizado na Disciplina de
Máquinas de Fluxo do 8° semestre, Curso
de Engenharia Mecânica, da Faculdade de
Ciências Exatas e Agrárias.
Professor: Me. Jeane Batista de Carvalho
Dourados
2021
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MEMORIAL DESCRITIVO E DE
CÁLCULO
PROJETO MECÂNICO
Construção de um rotor fechado
OBRA:
Construção Mecânica
PROPRIETÁRIO:
UNIGRAN EDUCACIONAL
CNPJ: 03.361.110/0001-77
DOURADOS, 18 DE NOVEMBRO DE 2020.
Bernoulli Bombas Industriais – Avenida Isaac Newton,
Nº 1643, Jardim Robert Hooke, Dourados – MS - Cep: 79800-999
Tel: +55 (67) 3033-3333 / +55 (67) 3033-3320
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ÍNDICE
1. OBJETIVO ………………………………………………………………………………...5
2. REFERÊNCIAS - NORMAS DE EXECUÇÃO ………………….....…………………..5
3. DISPOSIÇÕES GERAIS …………………..…………………..………………………...7
4. CÁLCULOS E EQUIPAMENTOS …………………..……………………...……………7
5. ESPECIFICAÇÕES TÉCNICA DOS EQUIPAMENTOS E MATERIAIS ………….14
6. ESCOPO DE FORNECIMENTO …………………..…………………..……………20
6.1 CONTRATADA …………………..…………………..…………………..……………20
6.2 CONTRATANTE …………………..…………………..…………………..…………....20
7. TESTES E ENTREGA DA OBRA …………………..…………………..…………...21
8. ANEXOS …………………..…………………..…………………..…………………..22
8.1 Cálculos Entrada do Rotor (S.C.1) …………………..…………………..…………….22
8.1.1 Determinando o Kz por extrapolação: …………………..…………………………….23
8.1.2 Determinando a quantidade de pás: …………………..…………………..…………..23
8.1.3 Aplicando a correção: …………………..…………………..………………………….24
8.2 Cálculos Saída do Rotor (S.C.2) …………………..…………………..………………..30
8.3 Cálculo da Altura Teórica …………………..…………………..……………………….32
8.4 Cálculo da Eficiência …………………..…………………..…………………………...34
8.4.1 Eficiência volumétrica …………………..…………………..………………………...34
8.4.2 Eficiência hidráulica …………………..…………………..…………………..………34
8.4.3 Eficiência mecânica …………………..…………………..…………………………...35
8.4.4 Eficiência total …………………..…………………..…………………..……………36
8.5 Cálculo da Potência Teórica …………………..…………………..…………………….36
8.6 Desenho Técnico Rotor …………………..…………………..………………………….37
Bernoulli Bombas Industriais – Avenida Isaac Newton,
Nº 1643, Jardim Robert Hooke, Dourados – MS - Cep: 79800-999
Tel: +55 (67) 3033-3333 / +55 (67) 3033-3320
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1. OBJETIVO
O projeto de dimensionamento e fabricação de bombas tem por objetivo conceber uma
solução profissional técnica para os problemas descritos pela empresa Unigran-Centro
Universitário da Grande Dourados.
Para isso, a Bernoulli Bombas Industriais apresenta no presente memorial, os cálculos
utilizados para fabricação do rotor, respeitando os limites da Voluta especificados pela
empresa solicitante do serviço. Além do desenho técnico feito em CAD e empregado na
confecção da peça .
Os engenheiros com vasta experiência em implementação de bombas em diversos
tipos e modelos foram: Allan Alencar de Oliveira (CREA: 372.302) e Felipe Augusto Silva
Sobral (CREA: 372.332), responsáveis pelos cálculos e dimensionamento do rotor. Já os
responsáveis pelo desenho técnico são: Éder Lucas Magalhães Ferreira (CREA: 372.306),
Henrique Caitano Arce (CREA: 372.290), e Nathan Andrievy Cordeiro (CREA: 372.304).
Todos os engenheiros supracitados fazem parte da equipe Bernoulli Bombas. Nossa
empresa fica localizada na Avenida Isaac Newton, N° 1643, Jardim Robert Hooke, cidade de
Dourados-MS, CEP: 79800-999; ao lado do restaurante Boi Grelhado.
Após a entrega do memorial descritivo, será entregue um protótipo impresso em
impressora 3D feito em ABS. Tal protótipo demonstra fisicamente as medidas adotadas para
fabricação do rotor, possibilitando que o cliente observe os detalhes do produto entregue.
2. REFERÊNCIAS - NORMAS DE EXECUÇÃO
O referido projeto foi startado com base na demanda do nosso cliente UNIGRAN -
CENTRO UNIVERSITÁRIO DA GRANDE DOURADOS, no qual o mesmo solicitou um
rotor que fosse capaz de atingir uma vazão de 400 m^3 / h e altura manométrica de 50 metros.
Segundo o nosso cliente, o sistema possui perdas de vazão resultando em 5%, também
solicitou que mantivesse um rotação de 3500 rpm devido possuir motores com essa
especificação e ângulo de saída da pá de 33°.
Também solicitou que o projeto do rotor coubesse em uma voluta semelhante ao
dodecaedro de dimensões 85,05 mm de centro a centro, 147 mm de largura central e espessura
2.34 mm.
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Diante disso, foram utilizados catálogos da KSB para bombas do tipo meganorm, com
o objetivo de encontrar similaridades com as especificações estabelecidas. Referente a
fabricação e montagem foi realizado em polímero ABS e impresso em impressora 3 D no
centro de inovação CANTÃO DO BOSQUE. Os ensaios do rotor serão realizados no próprio
cantão do bosque na banca de testes hidrodinâmicos, para certificar as informações
apresentadas nos cálculos apresentados no tópico 4.
Foram levados em consideração as seguintes normas para a elaboração do projeto:
ABNT NBR ISO 5149-3: Sistemas de refrigeração e bombas de calor — Segurança e
requisitos ambientais.
ABNT NBR 10131: Bombas hidráulicas de fluxo.
ABNT NBR ISO 5167: Medição de vazão de fluidos por dispositivos de pressão
diferencial, inseridos em condutos forçados de seção transversal circular.
Norma que especifica a geometria e o método de utilização (instalação e condições de
operação) de medidores tipo cone quando são instalados em condutos forçados para
determinar a vazão de fluidos que escoam através da tubulação.
ABNT NBR 5580: Tubos de aço-carbono para usos comuns na condução de fluidos -
Especificação.
Esta Norma estabelece os requisitos exigíveis para fabricação e fornecimento de tubos
de aço-carbono, com ou sem solda longitudinal, com ou sem revestimento protetor de zinco,
para condução de água, gás, vapor e outros fluidos não corrosivos.
ABNT NBR ISO 16528-1: Caldeiras e vasos de pressão.
ABNT NBR 7665: Sistemas de transporte de água ou de esgoto sob pressão.
Esta Norma especifica os requisitos para tubos de poli (cloreto de vinila) (PVC), com
tensão circunfe rencial admissível de 12 MPa, com diâmetros externos equivalentes aos dos
tubos de ferro fundido, “DEFOFO”, com junta elástica, para execução de adutoras e redes de
distribuição em sistemas enter rados de abastecimento de água e sistemas pressurizados de
esgoto, com pressões máximas de ser viço (incluindo sobrepressões provenientes de variações
dinâmicas, inclusive transitórios hidráulicos.
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3. DISPOSIÇÕES GERAIS
O projeto mecânico da construção do rotor fechado consiste em suprir a exigência do
cliente UNIGRAN - Centro Universitário da Grande Dourados. Onde a empresa Bernoulli
Bombas Industriais executou o projeto e fabricação de um novo rotor, além de realizar a
correta instalação no interior de uma voluta pré estabelecida pelo cliente.
Para respeitar os limites físicos impostos pela voluta apresentada pelo cliente. É de
grande necessidade o auxílio de uma equipe de profissionais qualificados e com experiência
em máquinas de fluxo. Pois, precisa-se realizar uma série de cálculos para determinar a
quantidade de pás, fator de escorregamento, correções levando em consideração a espessura
da pá, velocidade das pás do rotor, eficiência volumétrica, eficiência hidráulica, eficiência
mecânica, eficiência total, altura teórica infinita,altura teórica finita, ademais a potência
teórica.
Tais cálculos são facilmente resolvidos pelos engenheiros da Bernoulli Bombas
Industriais. Além de confeccionar projetos específicos, fornecemos uma garantia de 10 anos,
com assistência técnica nos sete dias da semana.
4. CÁLCULOS E EQUIPAMENTOS
Para a realização do dimensionamento dos polígonos de velocidade são necessários
alguns dados de entrada, sendo alguns parâmetros fornecido e outros dimensionados, como
descritos na tabela a seguir (Figura 1):
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Figura 1 : Dados da entrada do rotor
Fonte: Elaboração própria
A partir dos dados fornecidos ou dimensionados, foram calculadas todas as
velocidades e ângulos de entrada do rotor, os cálculos detalhados da entrada, podem ser
observados no (Anexo 8.1). A seguir, podemos verificar os resultados obtidos na entrada do
rotor (Figura 2).
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Figura 2 : Resultados dos cálculos para a entrada do rotor
Fonte: Elaboração própria
Conforme mostrado na (Figura 2), para a realização precisa do dimensionamento das
velocidades e ângulos, foram necessários realizar correções até os valores de ângulo e
velocidade normal convergirem, sendo necessários 14 interações feitas por linguagem
computacional excel (Figura 3) e 12 interações feitas por cálculos a mão (Anexo 8.1.3).
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Figura 3: Tabela de correção do ângulo e velocidade (Excel)
Fonte: Elaboração própria
Assim como na entrada, na saída também são necessários alguns dados para obter os
valores de velocidades e dos ângulos do polígono. Com isso, podemos verificar esses dados a
seguir (Figura 4):
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Figura 4: Dados da saída do rotor
Fonte: Elaboração própria
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Com os dados fornecidos e dimensionado na (Figura 4), foi possível determinar todas
as velocidades e os ângulos do polígono como podemos observar detalhadamente no (Anexo
8.3) e na (Figura 5) a seguir:
Figura 5: Resultados dos cálculos para a saída do rotor
Fonte: Elaboração própria
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Assim como na entrada, foi corrigido o valor da velocidade normal, como podemos
verificar na tabela a seguir (Figura 5.A).
Figura 5.A: Tabela de correção do ângulo e velocidade
Fonte: Elaboração própria
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5. ESPECIFICAÇÕES TÉCNICA DOS EQUIPAMENTOS E MATERIAIS
Para a elaboração do projeto foi necessário seguir alguns passos como descritos a
seguir:
1° Passo: Foi realizado cotação da voluta fornecida, com isso obtivemos os seguintes valores
mostrados na figura 1 a seguir:
Figura 6: Voluta fornecida pelo cliente UNIGRAN
Fonte: Elaboração própria
2° Passo: Com as dimensões delimitadas pelo tamanho da voluta, foi possível determinar as
dimensões máxima do projeto, como mostrado na tabela a seguir:
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Figura 7: Dimensões adotadas para o projeto
Fonte: Elaboração própria
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3° Passo: Com as dimensões estabelecidas foram realizados os cálculos dos polígonos de
velocidade, como mostrado nas tabelas anteriores e com detalhes no anexo 8. Portanto, foi
possível definir os resultados desejados, como mostrado na tabela a seguir:
Figura 8: Resultados finais obtidos através dos cálculo
Fonte: Elaboração própria
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Figura 9: Gráfico relação diâmetro do rotor vs Vazão vs altura manométrica
Fonte: Catálogo bombas meganorm KSB
Figura 10: Gráfico NPSH requerido
Fonte: Catálogo bombas meganorm KSB
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Figura 11: Gráfico Potência necessária
Fonte: Catálogo bombas meganorm KSB
4° Passo: Após realizar todos os cálculos, foi passado para o setor de projetos as dimensões
para realizar os desenhos 3 D do rotor, como podemos observar na figura a seguir e com mais
detalhes no anexo 8:
Figura 12: Projeto 3D do rotor (vista isométrica)
Fonte: Elaboração própria
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5° Passo: Para realizar esse projeto foram necessários alguns conhecimentos e materiais como
descritos na tabela seguir:
Figura 13: Materiais e conhecimentos para realização do projeto
Fonte: Elaboração própria
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6. ESCOPO DE FORNECIMENTO
Para realizar o projeto do rotor a equipe bernoulli bombas industriais levou em
média 15 dias para entregar o projeto concluído para o cliente UNIGRAN, conforme
mostrado no cronograma a seguir (Figura 14):
Figura 14: Cronograma de cumprimento do projeto
Fonte: Elaboração própria
6.1 CONTRATADA
● É responsabilidade da empresa Bernoulli fornecer garantia dos seus produtos
fornecidos.
● Garantir a qualidade e integridade do equipamento.
● Realizar pós vendas, garantindo suporte técnico por tempo indeterminado.
6.2 CONTRATANTE
● É responsabilidade do cliente seguir todas as recomendações descritas pelo fabricante
Bernoulli.
● Utilizar apenas peças genuínas e aprovadas pelo conselho de qualidade interna da
fabricante Bernoulli.
● Não modificar, em nenhuma hipótese, as características físicas e técnicas do
equipamento adquirido.
● Realizar as manutenções com a periodicidade que consta no manual do fabricante.
● Manter o equipamento submetido às mesmas condições a qual foi projetado. Não
instalando-o em outro sistema, mesmo que o fluido venha a ser o mesmo.
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7. TESTES E ENTREGA DA OBRA
Com os cálculos já finalizados, a Bernoulli Bombas Industriais realizará a impressão
de um protótipo em 3D utilizando filamento ABS (dando mais flexibilidade e resistência ao
protótipo desenvolvido). Tal protótipo será submetido a diversos testes que comprovarão a
exatidão dos cálculos desenvolvidos pelos engenheiros da Bernoulli Bombas.
Baseando-se nos resultados de vazão e altura manométrica obtidos, não é possível
atingir os valores esperados pelo cliente utilizando apenas um rotor. A fim de solucionar esse
impasse, a Bernoulli Bombas sugere a instalação de 4 bombas ligadas em paralelo para atingir
a vazão de 400 m^3/h. Com isso torna-se possível atingir os parâmetros desejados pelo
cliente.
A entrega do projeto está prevista para o dia 18/11/2021,cumprindo dessa forma o
prazo máximo estabelecido em contrato previamente assinado e registrado em cartório.
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8. ANEXOS
8.1 Cálculos Entrada do Rotor (S.C.1)
Sem correção:
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8.1.1 Determinando o Kz por extrapolação:
Kz médio (Ferro Fundido) = 5,75
Kz médio (Usinado) = 7,25
Rugosidade média (ferro fundido) = 0,63mm
8.1.2 Determinando a quantidade de pás:
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8.1.3 Aplicando a correção:
A correção aplicada depende diretamente dos valores da espessura 1 e 2, além da
quantidade de pás encontrada anteriormente.
Inferiormente, apresenta-se as correções necessárias para chegar aos valores
requisitados no início do projeto.
1° correção:
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2° Correção:
3° Correção:
4° Correção:
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5° Correção:
6° Correção:
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7° Correção:
8° Correção:
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9° Correção:
10° Correção:
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11° Correção:
12° Correção:
Os valores convergiram na 12° correção, pois nos cálculos apresentados tiveram
alguns arredondamentos referente a ferramenta utilizada para a solução dos mesmos. Com
isso, chegamos nos valores finais de Vn1 e β1.
Aqui encerra-se os cálculos para a primeira superfície de controle, também conhecida
como a entrada do rotor.
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8.2 Cálculos Saída do Rotor (S.C.2)
Logo abaixo, pode-se observar o polígono de velocidades da segunda superfície de
controle (saída do rotor), assim como os cálculos feitos para definir tais velocidades. Como já
especificado anteriormente, o ângulo de β2 é 33°. O que significa que as pás do rotor estão
voltadas para trás.
O valor de U2 encontrado acima, trata-se da velocidade das pás do rotor.
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Aplicando a correção para encontrar a velocidade normal Vn2 na segunda superfície de
controle. Respeitando sempre o uso de quatro casas decimais.
Com o valor da velocidade Vn2, podemos encontrar a velocidade Wt2. Para isso,
relaciona-se os resultados obtidos anteriormente com a tangente de 33° (curvatura das pás na
saída).
Ao analisar a base do polígono de velocidades, pode-se afirmar que a soma de Vt2 com
Wt2 resulta no valor de U2 como mostrado a seguir.
Posteriormente, chega-se ao resultado de W2 e V2 por meio do Teorema de Pitágoras.
E substituindo os números encontrados de Wn2 e Wt2 ; Vn2 e Vt2 respectivamente.
Obs.: adota-se que Wn2 = Vn2 = 6,1561 m/s.
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Usando relações trigonométricas, consegue-se chegar ao valor de∝2.
8.3 Cálculo da Altura Teórica
Já que a entrada do rotor, trata-se de uma entrada radial. O valor de U1 é igual a 0.
Ocasionando uma simplificação no cálculo da altura teórica infinita descrita abaixo.
O rotor usado, entrega um número finito de pás igual a 10. Portanto é preciso realizar
uma correção na altura teórica encontrada. Para tal fim, adota-se o Kpf que depende do valor
do ângulo de saída das pás β2 e da especificação das guias, que no caso o rotor projetado
apresenta guias para auxiliar o fluxo do fluido.
Para determinar o ψ, usado no cálculo do Kpf, conta-se com o auxílio do gráfico logo
mostrado.
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Ao analisá-lo, chegasse em ψ = 1,08. Agora é possível calcular o Kpf, com a relação
de R2 ≠ 2.R1.
Com o Kpf definido, pode-se calcular a altura teórica finita HT. Cálculo exemplificado
logo abaixo.
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8.4 Cálculo da Eficiência
8.4.1 Eficiência volumétrica
A eficiência volumétrica obrigatoriamente leva-se em consideração as perdas
ocasionadas por vazamentos. Nesse projeto as perdas por vazamento são no máximo 5%.
8.4.2 Eficiência hidráulica
A fim de determinar a eficiência hidráulica do rotor, tem-se que encontrar a altura
manométrica Hm no catálogo da bomba. Observando o modelo e a rotação do projeto
mostrado no gráfico.
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Figura 15: Gráfico altura manométrica x vazão
Fonte: Catálogo bombas KSB
Ao verificar o gráfico acima, chega-se a uma altura manométrica da bomba de 17
metros.
8.4.3 Eficiência mecânica
Como demonstrado no gráfico anterior, a eficiência mecânica ficará aproximadamente
73%.
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8.4.4 Eficiência total
A eficiência total é obtida multiplicando as eficiências volumétrica, hidráulica e
mecânica.
Portanto, o rotor projetado apresenta eficiência de 62,62%. Tal eficiência trará ao
cliente uma economia de eletricidade considerável. Pois, o projeto que está sendo entregue,
apresenta uma eficiência maior que rotores de maiores escalas fabricadas por outras empresas.
8.5 Cálculo da Potência Teórica
A potência teórica entregue pelo rotor projetado, foi calculada levando em
consideração a altura teórica finita (a qual é delimitada pelas as espessuras e quantidade de
pás do rotor).
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8.6 Desenho Técnico Rotor
Figura 16: Desenho Técnico Rotor em CAD
Fonte: Elaboração próprio
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