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Mecânica dos Fluidos

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A velocidade específica é definida como a relação entre o coeficiente de potência e o coeficiente de carga, como mostra a seguinte equação: A figura a seguir mostra a eficiência máxima como função da velocidade específica para os três tipos principais de turbina: Figura – Gráfico de rendimento das principais turbinas hidráulicas versus velocidade específica Fonte: Çengel e Cimbala (2015, p. 704). #PraCegoVer: a figura apresenta um gráfico que relaciona a eficiência máxima como função da velocidade específica para os três tipos principais de turbina. À esquerda, encontra-se o eixo vertical dos rendimentos, em ordem crescente, de baixo para cima, com os seguintes valores: 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 e 1. Na região inferior, encontra-se o eixo horizontal, com as potências em ordem crescente, da esquerda para a direita, e os seguintes valores: 0,01, 0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1, 2, 5 e 10. Na região central do gráfico, da esquerda para a direita, são expostos os seguintes tipos de turbina: impulso, Francis e Kaplan.
Com base nos seus conhecimentos sobre o assunto, na expressão matemática de velocidade específica e na análise da figura apresentada, leia as afirmativas a seguir e assinale V para Verdadeiro e F para Falso:
I. ( ) Duas turbinas hidráulicas mecanicamente semelhantes possuem os mesmos valores de velocidade específica.
II. ( ) As turbinas do tipo Kaplan operam com maiores velocidades específicas, quando comparadas às turbinas Francis e de impulso.
III. ( ) A mudança na massa específica do fluido não alterna o cálculo de velocidade específica da turbina hidráulica.
IV. ( ) As turbinas de impulso operam com menores velocidades específicas, quando comparadas às turbinas Francis e Kaplan.
A F, F, V, F.
B F, F, V, V.
C F, V, V, F.
D V, V, F, V.
E F, V, V, V.
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Vamos analisar cada uma das afirmativas sobre a velocidade específica e as turbinas hidráulicas: I. ( ) Duas turbinas hidráulicas mecanicamente semelhantes possuem os mesmos valores de velocidade específica. É falsa (F). Embora turbinas mecanicamente semelhantes possam ter características similares, a velocidade específica depende de outros fatores, como a geometria e a operação da turbina. II. ( ) As turbinas do tipo Kaplan operam com maiores velocidades específicas, quando comparadas às turbinas Francis e de impulso. É verdadeira (V). As turbinas Kaplan são projetadas para operar em condições de alta vazão e baixa altura, resultando em maiores velocidades específicas em comparação com as turbinas Francis e de impulso. III. ( ) A mudança na massa específica do fluido não alterna o cálculo de velocidade específica da turbina hidráulica. É verdadeira (V). A velocidade específica é uma relação que não depende diretamente da massa específica do fluido, mas sim da potência e da carga. IV. ( ) As turbinas de impulso operam com menores velocidades específicas, quando comparadas às turbinas Francis e Kaplan. É falsa (F). As turbinas de impulso geralmente operam em condições de maior altura e, portanto, podem ter velocidades específicas diferentes, mas não necessariamente menores que as turbinas Francis e Kaplan. Agora, organizando as respostas: I - F II - V III - V IV - F A sequência correta é: F, V, V, F. Portanto, a alternativa correta é: C) F, V, V, F.

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As relações de semelhança são muito úteis para fazer previsões operacionais entre turbinas geometricamente semelhantes. As expressões a seguir mostram as relações envolvendo as grandezas: diâmetro do rotor, altura de queda-d’água (carga líquida) e vazão volumétrica da turbina hidráulica, do protótipo e do rotor. Um protótipo de uma turbina Francis é projetado para operar com carga líquida de 200 m e vazão de 10 m³/s em uma hidrelétrica, a partir de um modelo com diâmetro de 160 mm. No ponto de eficiência máxima, o modelo vai operar com QM = 8 m³/s e HM = 100 m. O modelo e o protótipo terão a mesma rotação.
Diante do exposto, assinale a alternativa correta sobre a vazão do protótipo:
A 22,6 m³/s.
B 226,3 m³/s.
C 17,2 m³/s.
D 16,4 m³/s.
E 19,6 m³/s.

Em uma represa hidrelétrica que faz uso de uma turbina de reação Francis para produção de energia elétrica, a carga bruta Hbruta é de 200 m, e a vazão volumétrica de água na turbina é de 100 m³/s. Considere, ainda, a massa específica da água sendo igual a 1.050 kg/m³ e g = 9.8 m/s².
Agora, assinale a alternativa correta sobre a potência ideal gerada no eixo na saída da turbina:
a. 205.800 MW.
b. 205,8 MW.
c. 205,8 W.
d. 20,6 MW.
e. 205,8 kW.

A análise dimensional, juntamente com as relações de semelhança, pode ser utilizada para escalar duas turbinas geometricamente semelhantes e, também, para antever o desempenho de determinada turbina operando em condições de carga manométrica, vazões e velocidades diferentes.
A respeito da análise dimensional e da semelhança mecânica aplicada às turbinas hidráulicas, analise as afirmativas a seguir e assinale V para Verdadeiro e F para Falso:
I. ( ) O parâmetro adimensional coeficiente de carga é dado por .
II. ( ) O parâmetro adimensional coeficiente de capacidade é dado por .
II. ( ) A expressão utilizada para fazer correção do rendimento entre protótipo e modelo é
IV. ( ) O parâmetro adimensional coeficiente de potência é dado por .
a. F, F, V, V.
b. V, V, F, V.
c. F, F, V, F.
d. F, V, V, F.
e. V, F, V, F.

As turbinas hidráulicas são dispositivos que consistem em uma carcaça, um rotor, um distribuidor e um tubo. Esses equipamentos convertem a energia hidráulica do fluido em energia mecânica para que o gerador acoplado a transforme em energia elétrica. A voluta (ou carcaça) é o elemento que abriga os componentes da turbina, o rotor é o componente responsável pelas transformações de energia, e o distribuidor ajuda a direcionar o fluxo, contribuindo com os processos de transformação de energia. As turbinas hidráulicas podem ser classificadas como de deslocamento positivo ou turbinas dinâmicas.
A respeito das turbinas hidráulicas e suas classificações, analise as afirmativas a seguir e assinale V para Verdadeiro e F para Falso:
I. ( ) As turbinas de deslocamento positivo, geralmente, são utilizadas para medir vazão ou volume de fluido.
II. ( ) As turbinas dinâmicas podem ser utilizadas tanto para medir vazão quanto em processos de geração de energia, sendo classificadas em dois subtipos: turbinas de ação (impulso) ou de reação.
III. ( ) Nas turbinas de ação, a pressão estática aumentará dentro do rotor. Alguns exemplos são: turbinas Kaplan, turbinas Francis e turbinas Hélice.
IV. ( ) Nas turbinas de reação, verifica-se uma redução na pressão estática do fluido ao passar pelo rotor. Três bons exemplos são: turbinas Kaplan, turbinas Francis e turbinas Hélice.
A F, F, V, F.
B F, F, V, V.
C F, V, V, F.
D V, V, F, V.
E V, F, V, F.

O projeto mais eficiente de uma turbina de impulso foi desenvolvido pelo engenheiro Pelton, em 1878, e, de maneira geral, consistiu em um bocal que convergia fluido em alta velocidade, ou seja, alta energia cinética sobre as pás que estavam acopladas a uma roda. A figura a seguir mostra que as pás foram projetadas para dividir o fluxo em duas metades, de modo que a máxima quantidade de movimento pudesse ser transferida:
Com base nas informações apresentadas e nos seus conhecimentos sobre o cálculo de potência em uma turbina Pelton, analise as asserções a seguir e a relação proposta entre elas:
I. Ao derivar a equação em relação à velocidade linear da pá, ou seja, , temos que a potência máxima será atingida quando a velocidade linear da pá for igual à metade da velocidade do jato. Essa potência é chamada de potência teórica máxima.
II. A equação não inclui perdas devido ao atrito, à falta de alinhamento entre as pás e ao fluxo de fluido, dentre outros fatores que afetam a eficiência de uma turbina real.
A As asserções I e II são proposições verdadeiras, e a II é uma justificativa correta da I.
B A asserção I é uma proposição verdadeira, e a asserção II é uma proposição falsa.
C As asserções I e II são proposições verdadeiras, mas a II não é uma justificativa correta da I.
D A asserção I é uma proposição falsa, e a asserção II é uma proposição verdadeira.
E As asserções I e II são proposições falsas.

Um parâmetro importante que pode apoiar a seleção de uma turbina hidráulica é a velocidade específica. Sua definição tem como base a teoria da semelhança mecânica, e sua expressão matemática é fornecida a seguir: O fluido de operação é a água, com massa específica igual a 998 kg/m³, e a rotação do protótipo é de 160 rpm (16,75 rad/s). Ademais, no ponto de máxima eficiência, a queda bruta é de 200 m, e a potência é de 400 MW.
Diante do exposto, assinale a alternativa correta sobre a velocidade específica para o referido protótipo de turbina hidráulica:
a. 86,2.
b. 0,00086.
c. 0,0086.
d. 862.000.
e. 0,86.

Ao utilizar os parâmetros vazão, queda útil e rotação, é possível ter uma boa orientação quanto à seleção de uma turbina hidráulica. Entretanto, para compreender de forma mais ampla a faixa de operação de uma turbina, é importante ter em vista as suas curvas características, que são obtidas experimentalmente. A figura a seguir mostra o traçado de três curvas características típicas de uma turbina Pelton: (a) potência x rotação; (b) rendimento x rotação; e (c) vazão x rotação.
Com relação às curvas características mais comuns das turbinas hidráulicas, analise as afirmativas a seguir e assinale V para Verdadeiro e F para Falso:
I. ( ) É comum que as curvas características de uma turbina hidráulica sejam geradas experimentalmente, por meio de modelos de menor porte.
II. ( ) A curva (a) da figura indica que existe uma faixa de rotação que fornecerá valores ótimos de potência, na região próxima ao vértice da parábola.
III. ( ) A curva (c) da figura mostra que a vazão volumétrica de fluido aumenta conforme cresce a rotação da turbina.
IV. ( ) A curva (b) da figura indica que existe uma faixa de rotação que fornecerá valores ótimos de rendimento, na região próxima ao vértice da parábola.
A F, V, F, V.
B V, V, F, F.
C F, V, F, F.
D V, V, F, V.
E V, F, V, V.

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