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XII Simposio Iberoamericano sobre planificación de sistemas de abastecimiento y drenaje “ADAPTAÇÃO DE BOMBA CENTRIFUGA PARA UTILIZAÇÃO EM SISTEMAS HIDRÁULICOS” Danilo Amaral (1), Jair Nascimento Filho (2), Carlos Barreira Martinez (3), Augusto Caballero Palomino (4) (1) Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica em Saneamento (LENHS) / Centro de Pesquisas Hidráulicas e Recursos Hídricos (CPH) / Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antônio Carlos 6627, 31.270-901, Campus Pampulha - Belo Horizonte, MG, Brasil, [email protected] (2) LENHS. [email protected] (3) LENHS. [email protected] (4) LENHS. [email protected] RESUMO Este trabalho apresenta os estudos de adaptação de uma bomba centrifuga anteriormente projetada e testada no Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica em Saneamento (LENHS/UFMG) de forma que a mesma possa operar sob uma condição de pressão mais elevada do que aquela originalmente idealizada. Partiu-se do princípio que a modificação seria a menor possível e que não fossem necessárias modificações significativas do ponto de vista mecânico. Dessa forma optou-se por trabalhar apenas na modificação da rotação de trabalho de modo a se verificar a possibilidade da mesma alcançar os objetivos almejados sem perda significativa de rendimento. Palabras claves: Bombas Hidráulicas, eficiencia de bombas. ABSTRACT This paper presents studies of adaptation of a centrifugal pump previously designed and tested in the Laboratory of Hydraulics and Energy Efficiency in Sanitation (LENHS / UFMG) so that it can operate under a condition of higher pressure than that originally conceived. It started from the principle that the modification would be the lowest possible and necessary changes were not significant mechanical point the view. Thus we chose to work only in the modification of job rotation in order to verify the possibility of it achieving the desired goals without significant loss of efficiency. Key words: Hydraulic Pumps, pump efficiency SOBRE EL AUTOR PRINCIPAL Autor 1: Danilo Amaral: Graduação em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal de Minas Gerais UFMG (1980), mestrado em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal de Uberlândia (1993) e doutorado em Projetos Mecânicos (2000) pela Universidade Estadual de Campinas. É professor associado da Universidade Federal de Minas Gerais. Têm experiência na área de projetos em Engenharia, atuando principalmente nos seguintes temas: desenho mecânico, projeto e ensaio de turbomáquinas hidráulicas, elementos de máquinas e história da mecânica.

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  • XII Simposio Iberoamericano sobre planificacin de sistemas de abastecimiento y drenaje

    ADAPTAO DE BOMBA CENTRIFUGA PARA UTILIZAO EM SISTEMAS HIDRULICOS

    Danilo Amaral (1), Jair Nascimento Filho (2), Carlos Barreira Martinez (3), Augusto Caballero

    Palomino (4)

    (1) Laboratrio de Eficincia Energtica e Hidrulica em Saneamento (LENHS) / Centro de Pesquisas

    Hidrulicas e Recursos Hdricos (CPH) / Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antnio Carlos

    6627, 31.270-901, Campus Pampulha - Belo Horizonte, MG, Brasil, [email protected]

    (2) LENHS. [email protected]

    (3) LENHS. [email protected]

    (4) LENHS. [email protected]

    RESUMO

    Este trabalho apresenta os estudos de adaptao de uma bomba centrifuga anteriormente projetada e testada

    no Laboratrio de Eficincia Energtica e Hidrulica em Saneamento (LENHS/UFMG) de forma que a

    mesma possa operar sob uma condio de presso mais elevada do que aquela originalmente idealizada.

    Partiu-se do princpio que a modificao seria a menor possvel e que no fossem necessrias modificaes

    significativas do ponto de vista mecnico. Dessa forma optou-se por trabalhar apenas na modificao da

    rotao de trabalho de modo a se verificar a possibilidade da mesma alcanar os objetivos almejados sem

    perda significativa de rendimento.

    Palabras claves: Bombas Hidrulicas, eficiencia de bombas.

    ABSTRACT

    This paper presents studies of adaptation of a centrifugal pump previously designed and tested in the

    Laboratory of Hydraulics and Energy Efficiency in Sanitation (LENHS / UFMG) so that it can operate under

    a condition of higher pressure than that originally conceived. It started from the principle that the

    modification would be the lowest possible and necessary changes were not significant mechanical point the

    view. Thus we chose to work only in the modification of job rotation in order to verify the possibility of it

    achieving the desired goals without significant loss of efficiency.

    Key words: Hydraulic Pumps, pump efficiency

    SOBRE EL AUTOR PRINCIPAL

    Autor 1: Danilo Amaral: Graduao em Engenharia Mecnica pela Universidade Federal de Minas Gerais UFMG (1980), mestrado em Engenharia Mecnica pela Universidade Federal de Uberlndia (1993) e

    doutorado em Projetos Mecnicos (2000) pela Universidade Estadual de Campinas. professor associado da

    Universidade Federal de Minas Gerais. Tm experincia na rea de projetos em Engenharia, atuando

    principalmente nos seguintes temas: desenho mecnico, projeto e ensaio de turbomquinas hidrulicas,

    elementos de mquinas e histria da mecnica.

  • ANTECEDENTES E INTRODUO

    Para se adaptar uma bomba para uma condio de

    operao que no atenda as caractersticas originais

    de projeto necessrio se fazer um conjunto de

    verificaes de forma a se certificar que as

    modificaes no iro impactar de forma

    significativa o rendimento da mesma. Uma

    estratgia usual a utilizao de carcaas de bombas

    padronizadas e que so utilizadas em famlias de

    bombas. Tambm usual a alterao do regime de

    rotao das bombas alterando-se assim as

    caractersticas das mesmas. Para isso pode-se utilizar

    as equaes de Rateau, Macintyre (1997), a qual foi

    a alternativa assumida no problema em tela.

    BASE CIENTFICO - TERICA

    A modificao da rotao com objetivo de variao

    de altura de elevao e de capacidade de vazo

    esbarra em uma recomendao de no se ultrapassar

    um valor de 20% da rotao original sob pena de se

    ter uma variao muito acentuada do rendimento do

    equipamento (Carvalho, 1982). Assim para se

    verificar a possibilidade de se adotar uma nova

    rotao de operao no equipamento sem se fazer a

    troca do rotor necessrio estudar e recalcular o

    rotor sob as novas condies de projeto. A bomba

    previamente existente (Nascimento et al., 2012) tem

    a caracterstica apresentada nas Figuras 1 e 2.

    Essa bomba foi originalmente projetada para suprir

    uma demanda de gua de 90 m3 / h com uma altura

    manomtrica (H) de 11 metros (Nascimento et al.,

    2012). A carcaa dessa bomba construda em

    alumnio e tem as dimenses apresentadas na Figura

    3. A nova demanda a ser abastecida indica a

    necessidade de se obter uma bomba com

    caractersticas de vazo iguais a anterior. Entretanto

    a caracterstica de altura de elevao deve ser

    significativamente maior alcanando um valor de

    altura manomtrica (H) de no mnimo 30 metros.

    Para isso estudar-se- a possibilidade de se elevar a

    rotao (n) de 1750 rpm para 3500 rpm. Ambas as

    bombas devem ser acionada por motor eltrico

    assncrono e que opera em 60 Hz (frequncia

    utilizada no Brasil). A caracterstica esperada dessa

    nova bomba ser a apresentada no Quadro 1. O

    dimetro entrada da bomba d0, o dimetro sada

    do rotor d2 e b largura das ps.

    Figura 1 Curva altura manomtrica (H) x Vazo (Q) da bomba previamente existente

    (Nascimento et al., 2012).

    Quadro1 Dados de entrada da nova bomba Q

    [m3/h]

    H

    [m]

    n

    [rpm]

    d2

    [mm]

    d0

    [mm]

    b

    [mm]

    90 30 3500 154 102 21,2

    Como se pretende fazer uma verificao da

    possibilidade de se substituir apenas o motor de

    acionamento por um novo equipamento de rotao e

    potencia mais elevado, partiu-se do pressuposto que

    as caractersticas iniciais do rotor no devem ser

    modificadas. As caractersticas do rotor previamente

    existentes esto apresentadas no Quadro 2, em que s

    espessura das ps, ngulo de inclinao das ps, Z nmero de ps do rotor.

  • Figura 2 Rendimento (%) x Vazo (Q) da bomba previamente existente (Nascimento

    et al., 2012).

    Figura 3 Dimenses da carcaa da bomba previamente existente

    (Nascimento et al., 2012).

    Quadro 2. Dados construtivos do rotor de uma bomba existente*. localizao d[mm] s[mm] b[mm] Z

    entrada 92 3 21,2 32 10

    sada 154 3 21,2 45 10

    *Dados construtivos da bomba existente acionada por um motor de 7Cv de 1750rpm (Nascimento et al., 2012).

    METODOLOGIA

    A opo pela utilizao do equipamento adaptado

    com motor de rotao maior baseada na

    verificao de condies aceitveis de

    funcionamento, do ponto de vista de eficincia do

    novo conjunto motobomba e, da verificao do seu

    rendimento na vazo desejada.

  • Verificao da condio de operao do

    rotor-Mtodo de Macintyre adaptado

    A verificao de condies de operao da bomba

    consiste basicamente na verificao de condies do

    rotor, que o rgo principal da bomba em razo de

    ser o agente fornecedor de energia ao lquido.

    O projeto do rotor deve levar em considerao a

    magnitude de velocidades de escoamento do fludo

    em sua passagem pelo rotor, evitando a ocorrncia

    de velocidades excessivas. Assim, as condies

    aceitveis de funcionamento podem ser verificadas

    refazendo o clculo para o rotor existente, porm

    com a velocidade de rotao do novo motor de

    acionamento.

    Mtodo de clculo de rotores

    Os clculos de rotores de turbobombas geralmente

    so realizados a partir de dados de entrada (Q), (H) e

    (n), Macintyre (1997). Adicionalmente a esses dados

    tem-se, em algumas situaes, que levar em

    considerao caractersticas construtivas que entram

    no processo como condicionantes de projeto. Nesses

    casos pode-se fazer uma adaptao do mtodo de

    Macintyre (Nascimento et a., 2012).

    Pelo mtodo de Macintyre (1997), as velocidades

    meridianas podem ser calculadas com ajuda de

    tabelas construdas em funo da rotao especfica

    (nq). No caso em questo, todavia, as velocidades

    meridianas (Vm1) e (Vm2) so determinadas em

    funo de dados construtivos (b), (d1) e (d2). A Figura 4 apresenta um desenho esquemtico de

    componentes de uma bomba centrifuga.

    A determinao dos tringulos de velocidades na

    entrada e na sada do canal entre ps implica na

    definio de dados geomtricos do rotor (Figura 5)

    Assim, o procedimento de clculo do rotor

    (Nascimento et al., 2012) realizado por meio da

    definio dos tringulos de velocidades (Figura 6).

    Figura 4 Componentes de bomba centrifuga (Nascimento et al., 2012).

    Figura 5 Variveis geomtricas entrada do rotor. Adaptado de Macintyre (1997).

  • 2

    V2

    W2

    Partcula fora do

    canal entre ps

    do rotor

    U2 Vu2

    W2

    V

    U

    2 U2

    V2

    Vu2

    W2 W2

    Partcula no

    canal entre ps

    do rotor

    2

    Os mtodos de clculo de rotores so mtodos de

    tentativas com testes de convergncia de

    caractersticas geomtricas ou de velocidades do

    fluido. O mtodo adaptado de Macintyre

    (Nascimento et al, 2012), baseado em um teste

    relativo geometria e dois testes de velocidades do

    fluido.

    Verificao das condies de operao

    A partir da geometria do rotor existente, deve-se

    refazer e analisar os clculos relativos aos tringulos

    de velocidades entrada e sada do rotor para a

    nova velocidade de rotao. Todavia, as

    caractersticas de geometria, comuns todas as

    alternativas de rotao, no se alteram. So elas:

    Figura 6: Tringulos de velocidades. Notao linha, significa fora do canal entre ps. Adaptado de (Nascimento et al., 2012).

    .

    Passo t1 entrada do rotor:

    Z

    dt 11

    (1)

    Projeo da cabea da p 1 no crculo descrito entrada do rotor:

    1

    11

    sen

    s

    (2)

    Coeficiente de contrao 1 entrada do rotor:

    1

    111

    t

    t

    (3)

    Seo de escoamento A1 entrada do rotor:

    111m1 bZdA

    Passo t2 sada do rotor:

    (4)

  • Zdt 22

    Projeo da cauda da p 2 no crculo descrito sada do rotor:

    2

    22

    sen

    s

    Coeficiente de contrao 2 sada do rotor:

    2

    222

    t

    t

    Seo de escoamento A2 sada do rotor:

    2222 bZdA

    Correo de Pfleiderer Pfl:

    2

    1

    2

    2

    2

    2

    rr

    r

    Z21Pfl

    O clculo das velocidades entrada do rotor, das

    velocidades no canal entre ps, as quais dependem

    da rotao, so obtidos com ajuda das equaes (10)

    a (15):

    Velocidade tangencial U1:

    60

    ndU 11

    Velocidade meridiana Vm1 (velocidade absoluta):

    111 tgUVm

    A vazo correspondente ser ento:

    11AVmQ

    Verificao sada do rotor, das velocidades no

    canal entre ps, para rotao de 3500rpm:

    Velocidade tangencial U2:

    60

    ndU 22

    Velocidade meridiana Vm2:

    22m

    A

    QV

    Componente tangencial Vu2 da velocidade absoluta:

    2

    2m22u

    tg

    VUV

    A determinao de altura manomtrica realizada

    com ajuda das equaes (16) e (17) em que He

    altura de elevao idealizada com Z infinito:

    g

    VUH 2u2e

    A altura real de elevao He :

    Pfl

    HH ee

    Verificao do rendimento do conjunto

    motobomba operando na vazo de 90m3/h

    A vazo necessria de 90m

    3/h, sendo necessrio

    ento, realizar uma predio do desempenho do

    equipamento nessa condio de trabalho. Para isso,

    com ajuda das equaes de Rateau (eqs. 18 e 19),

    pode-se obter a predio da curva (HxQ)3500rpm

    (Figura 7).

    n

    n

    Q

    Q xx

    2

    xx

    n

    n

    H

    H

    Obtm-se ento, para a vazo de 90m3/h, a

    altura manomtrica de 31m.

    (5)

    (6) (2)

    )

    (7) (2)

    )

    (8) (2)

    )

    (9) (2)

    )

    (10) (2)

    )

    (11) (2)

    )

    (12) (2)

    )

    (13) (2)

    )

    (14) (2)

    )

    (15) (2)

    )

    (16) (2)

    )

    (17) (2)

    )

    (18) (2)

    )

    (19) (2)

    )

  • Figura 7: Predio da curva caracterstica (HxQ)3500rpm.

    APRESENTAO DE RESULTADOS

    As condies de operao da bomba funcionando

    com rotao de 3500rpm podem ser obtidas com

    ajuda das equaes de 1 a 9, 10 a 15 e 16 a 17. De 1

    a 9, obtm-se as caractersticas de geometria,

    comuns todas as alternativas de rotao. De 10 a

    15, calculam-se as variveis dependentes da rotao.

    De 16 a 17, determina-se a altura de elevao.

    mm9,2810

    mm92t1

    mm66,532sen

    mm31

    804,0mm9,28

    mm66,5mm9,281

    221 mm44,4927mm2,2166,5x1092A

    mm381,4810

    mm154t2

    mm243,4707,0

    mm3

    45sen

    mm32

    912,0mm381,48

    mm243,4mm381,482

    H [mca]

    Q [m /h]3 6,9 14,0 21,0 28,1 34,9 42,3 49,1 56,2 63,6 69,6

    8,26 8,18 8,16 7,99 7,65 7,64 8,06 7,93 8,56 7,46

    1.750[rpm]

    H [mca]

    Q [m /h]3 13,8 28,0 42,0 56,2 69,8 84,6 98,2 112,4 127,2 139,2

    33,04 32,56 32,64 31,96 30,60 30,56 32,24 31,72 34,24 29,84

    3.500[rpm]

  • 222 mm156,9357mm2,21243,4x10154A

    336,1mm)4677(

    mm77

    10

    08,121Pfl

    222

    22

    s/m86,1660

    3500x092,0U1

    s/m535,1032tgs

    m86,16Vm1

    h/m2,187mm44,4927s

    m535,10Q 32

    s/m222,2860

    3500x154,0U2

    s/m557,5m009357,0

    s/m052,0V

    2

    3

    2m

    s/m665,2245tg

    s/m557,5s/m222,28V 2u

    s/m665,22tg

    VUV

    2

    2m22u

    m204,65s/m81,9

    s/m665,22xs/m222,28H

    2e

    m205,48336,1

    m204,65He

    Considerando eficincia de 70% para o conjunto

    motobomba tm-se uma estimativa da sua altura

    manomtrica:

    m74,33m205,48x7,0HH e

    ANLISE DE RESULTADOS

    Anlise com relao verificao das

    condies de operao do rotor.

    Pode-se verificar se o funcionamento da bomba

    aceitvel do ponto de vista de eficincia aplicando

    os testes de convergncia de caractersticas

    geomtricas e velocidades utilizados no clculo de

    rotores.

    Com relao ao teste de convergncia de

    caractersticas geomtricas (ngulo de inclinao 1 das ps entrada do rotor), ele foi verificado

    satisfatoriamente no projeto do conjunto motobomba

    com rotao de 1750 rpm (Nascimento et al, 2012),

    o que considerado suficiente, pois as

    caractersticas de geometria independem da

    velocidade de rotao. O ngulo 1 deve ter um valor entre 17

    e 32

    (Lustosa, 1967; Macintyre,

    1997). Nesse caso pode-se verificar que o mesmo

    convergiu em 32.

    A verificao de velocidade entrada do rotor de

    fato verificao de caracterstica geomtrica. Para

    evitar velocidades excessivas entrada do rotor, o

    coeficiente de contrao 1 deve ter um valor entre 0,862 e 0,800 (Lustosa, 1967). Nesse caso pode-se

    verificar que o coeficiente de contrao convergiu

    em 0,806.

    O teste de velocidade sada do rotor, consiste em

    um clculo do ngulo 2, ngulo definido pela velocidade absoluta e sua componente tangencial.

    2u

    2m2

    V

    V"tg

    Vm2 a velocidade aps a sada do rotor e A2 a rea imediatamente externa ao rotor (correspondente

    a seo de entrada da voluta). Vu2 a componente tangencial de V2 (Macintyre, 1997).

    2m2"

    2m VV

    2

    e2u

    U

    gHV

    s/m068,5s/m557,5x912,0V" 2m

    (20) (2)

    )

    (21) (2)

    )

    (22) (2)

    )

  • s/m965,16s/m222,28

    m805,48x)s/m(81,9V

    2

    2u

    299,0s/m965,16

    s/m068,5"tg 2

    ngulo descrito pelo filete lquido sada do rotor,

    "2 =16,6 atende a condio 2 >12 (Lustosa,

    1967). Valores muito pequenos de 2 so indicativo de velocidades V2 excessivas.

    Anlise com relao verificao do

    funcionamento na vazo desejada.

    Na curva (HxQ)3500 da Figura 7 obtm-se para a

    vazo de 90m3/a uma altura manomtrica de 31m, o

    que atende a demanda previamente estabelecida.

    A partir da curva de predio, obtida com ajuda das

    equaes de Rateau, possvel de se determinar para

    cada ponto de operao a 3500 rpm, seu ponto em

    similaridade hidrodinmica a 175 0rpm.

    Assim, para o ponto de operao vazo de trabalho

    90m3/h, corresponde o ponto de altura manomtrica

    8m e vazo 45m3/h. A eficincia nesse ponto (8m;

    45m3/h), de 48% (Figura 2). Essa a eficncia

    esperada no ponto de trabalho (31m; 90m3/h), com o

    conjunto motobomba sendo acionado por motor de

    3500 rpm. Essa eficincia pode ser considerada

    compatvel com motobombas desse porte.

    CONCLUSES

    Foi realizada a aplicao dos testes de convergncia

    de roteiros de projeto de bombas na anlise da

    viabilidade tcnica de um novo conjunto com

    rotao de 3 500rpm, verificando convergncia nos

    trs testes. Os testes so baseados no conceito de se

    evitar velocidades excessivas no rotor, o que

    acarretaria em baixo rendimento.

    Com ajuda da curva (HxQ)3500, de predio foi

    possvel de se fazer uma estimativa de rendimento

    do conjunto motobomba, que na vazo de trabalho

    de 90m3/h seria da ordem de 48%, valor considerado

    aceitvel em motobombas desse porte.

    A bomba por sua vez, uma verso de mquina

    mais compacta do que aquelas disponveis no

    mercado, o que pode impactar de forma negativa no

    seu rendimento. Por outro lado, a caracterstica de

    mquina compacta (com projeto definido em funo

    da sua geometria) foi uma demanda inicial e

    prioritria no projeto. A necessidade de maiores

    presses de recalque, de no mnimo 30m, foi

    atendida com a troca por um motor de 3500 rpm,

    sem nenhuma alterao na parte mecnica.

    REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

    Lustosa de Andrade, G., (1967), Mquinas

    Operatrizes Hidrulicas, ed. Escola de

    Engenharia da UFMG, Belo Horizonte.

    Macintyre, A. J. (1997), Bombas e Instalaes de

    Bombeamento, Ed. Guanabara II, Rio de Janeiro.

    Nascimento et all, (2012) Projeto e manufatura de

    turbobombas como alternativa de atendimento de

    necessidades especiais em sistemas hidrulicos,

    Coimbra, SEREA 2012.

    Carvalho, D. F., (1982), Instalaes elevatrias.

    Bombas, FUMARC, Belo Horizonte Brasil.