Dissertacao Carlos Eduardo Valentim Revisada

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  • CARLOS EDUARDO VALENTIM

    OTIMIZAO DO DESEMPENHO DE ROTORES DE BOMBAS HIDRULICAS DE FLUXO A PARTIR DE CRITRIOS

    CLSSICOS DE PROJETO VERIFICAES EXPERIMENTAIS

    SO PAULO 2008

  • CARLOS EDUARDO VALENTIM

    OTIMIZAO DO DESEMPENHO DE ROTORES DE BOMBAS HIDRULICAS DE FLUXO A PARTIR DE CRITRIOS

    CLSSICOS DE PROJETO VERIFICAES EXPERIMENTAIS

    Dissertao apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno do Ttulo de Mestre em Engenharia.

    SO PAULO 2008

  • CARLOS EDUARDO VALENTIM

    OTIMIZAO DO DESEMPENHO DE ROTORES DE BOMBAS HIDRULICAS DE FLUXO A PARTIR DE CRITRIOS

    CLSSICOS DE PROJETO VERIFICAES EXPERIMENTAIS

    Dissertao apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno do Ttulo de Mestre em Engenharia.

    rea de concentrao: Energia e Fluidos

    Orientador: Prof. Dr. Douglas Lauria

    SO PAULO 2008

  • Este exemplar foi revisado e alterado em relao verso original, sob responsabilidade nica do autor e com a anuncia de seu orientador. So Paulo, de setembro de 2008. Assinatura do autor _____________________________________ Assinatura do orientador_________________________________

    FICHA CATALOGRFICA

    Valentim, Carlos Eduardo

    Otimizao do desempenho de rotores de bombas hidruli- cas de fluxo a partir de critrios clssicos de projeto verifica-es experimentais / C.E. Valentim. -- ed.rev. -- So Paulo, 2008.

    104 p.

    Dissertao (Mestrado) - Escola Politcnica da Universidade de So Paulo. Departamento de Engenharia Mecnica.

    1. Bombas centrfugas I. Universidade de So Paulo. Escola Politcnica. Departamento de Engenharia Mecnica II. t.

  • AGRADECIMENTOS

    Agradeo primeiramente a Deus pela oportunidade.

    minha esposa Adna pela pacincia e incentivo para com a realizao deste

    trabalho.

    Ao professor orientador Douglas Lauria pelas diretrizes.

    Escola de Engenharia Mau pelo incentivo e financiamento deste projeto.

  • Muitas das falhas da vida acontecem

    quando as pessoas no percebem o quo

    perto esto quando desistem.

    (Thomas Edson)

  • RESUMO

    Este trabalho tem como objetivo analisar e otimizar o desempenho de uma bomba

    hidrulica de fluxo atravs do redimensionamento de seu rotor.

    A partir da teoria acerca do pr-dimensionamento de rotores pelo mtodo clssico

    (tambm conhecido como mtodo geomtrico) prope-se uma planilha eletrnica

    que permite obter as dimenses bsicas necessrias para o projeto de um rotor a

    partir de dados iniciais de operao e coeficientes empricos.

    De modo a validar o dimensionamento terico este trabalho apresenta um estudo de

    caso em uma bomba-teste. A partir dos dados do software de dimensionamento e

    recomendaes coletadas na bibliografia um novo rotor desenvolvido tendo como

    objetivo principal melhorar o desempenho de operao da bomba.

    Durante o desenvolvimento do novo rotor so utilizados aplicativos CAD e CAM de

    modo a auxiliar a elaborao do projeto e execuo da usinagem.

    Uma bancada especial de teste de bombas utilizada no levantamento dos dados

    experimentais.

    Os resultados dos ensaios demonstram um ganho mximo na eficincia de operao

    de 8% e reduo de at 0,7 kW na potncia da bomba operando com o novo rotor.

    Palavras chaves: Mtodo geomtrico; Bomba Centrifuga; Projeto de Rotores.

  • ABSTRACT

    This work has as objective to analyze and to optimize the performance of a flow

    hydraulic pump by the re-design of pumps impeller.

    From the theory about impeller design by the classic method (also known as

    geometric method) proposes an electronic spread that allows obtaining the basic

    dimensions of impeller from initial pump operation data and empiric coefficients

    In order to validate the theoretical design this work presents a study of case on a

    pump test. From the design software data and recommendations collected in the

    bibliography review a new impeller is developed with the main objective to improve

    the pump performance.

    During the new impeller development are used applications CAD and CAM to aid the

    elaboration of the design and the execution of machining.

    A special hydraulic pump test bench is used to collect experimental data.

    The tests results shown a maximum gain of 8% in the efficiency of operation and a

    reduction of until 0,7 kW in the pump power consumption operating with the new

    impeller.

    Key words: Geometric method; Centrifugal Pumps; Impeller Design.

  • LISTA DE TABELAS

    Tabela 5-1 Anlise de incertezas para a placa de orifcio 20 mm. ..................... 38

    Tabela 5-2 - Anlise de incertezas para a placa de orifcio 15 mm ....................... 39

    Tabela 5-3 Anlise de incerteza para a medio da altura de elevao. ............... 39

    Tabela 5-4 Anlise de incertezas para a medio da Potncia. ............................. 40

    Tabela 5-5 Anlise de incertezas para a varivel potncia fluida. .......................... 42

    Tabela 5-6 Anlise de incertezas para a determinao da eficincia. .................... 42

    Tabela 6-1 Coeficiente empricos utilizados no dimensionamento do novo rotor. .. 49

    Tabela 6-2 Caractersticas construtivas do novo rotor ........................................... 50

    Tabela 6-3 Parmetros de projetos calculados para o novo rotor. ......................... 51

    Tabela 6-4 Pontos para determinao da curvatura das ps. ................................ 52

    Tabela 6-5 Resumo comparativo com as caractersticas do rotor original e novo. 56

  • LISTA DE GRFICOS

    Grfico 5-1 Curva de atrito da bancada de teste. ................................................... 26

    Grfico 5-2 P=f(Q) para a placa de orifcio com 15mm ......................................... 32

    Grfico 5-3 P=f(Q) para a placa de orifcio com 20mm ...................................... 32

    Grfico 5-4 Erro em funo da vazo para a placa 20 mm. .................................. 33

    Grfico 5-5 P=f(Q2) Placa orifcio com 20 mm .................................................... 35

    Grfico 5-6 P=f(Q2) Placa orifcio com 15 mm .................................................... 35

    Grfico 7-1 - f(H) =Q Curva caractersticas do rotor original. ................................. 60

    Grfico 7-2 f(H) =Q Curvas caractersticas dos rotores. ...................................... 62

    Grfico 7-3 g=f(Q) Curva da eficincia para cada rotor. ....................................... 63

    Grfico 7-4 P=f(Q) Curva de potncia para cada rotor. .......................................... 64

  • LISTA DE FIGURAS

    Figura 2.1 Projeto de um rotor com Splitter blades. ............................................... 5

    Figura 3.1 Volume de controle para um rotor de uma BHF. ..................................... 7

    Figura 3.2 Rotor em corte longitudinal e suas dimenses bsicas. .......................... 9

    Figura 3.3 - Tringulo de velocidades na entrada do rotor (entrada irrotacional) ...... 11

    Figura 3.4 Tringulo de Velocidades na Face de suco. ...................................... 13

    Figura 3.6 Traado do perfil da p pelo mtodo ponto a ponto. ............................. 18

    Figura 4.1 Planilha para entrada com os parmetros iniciais. ................................ 20

    Figura 4.2 Parmetros para construo do rotor. ................................................... 21

    Figura 4.3 Posio dos pontos do perfil das ps em um sistema de referncia

    cartesiano. .......................................................................................................... 21

    Figura 5.1 Esquema de montagem da bancada de ensaio. T: reservatrio; H:

    pontos de tomada de presso; F: medio da fora de reao; n: velocidade

    angular; V: medidor de vazo deprimgenio. ..................................................... 22

    Figura 5.2 Bancada para ensaio de bombas instalada no laboratrio de Mquinas

    de Fluxo da Escola de Eng. Mau. 1: bomba; 2: motor; 3: brao de reao; 4:

    clula de carga; 5: medidor diferencial de presso. ........................................... 23

    Figura 5.3 Montagem do conjunto do motor. .......................................................... 24

    Figura 5.4 Detalhe da montagem do brao de reao. .......................................... 25

    Figura 5.5 Tomada de presso montada no conduto de suco. ........................... 27

    Figura 5.6 Desenho em corte da tomada de presso. .......................................... 28

    Figura 5.7 Conjunto de placas de orifcio instaladas no conduto de recalque. ....... 29

    Figura 5.8 Detalhe da montagem da placa de orifcio. ........................................... 29

    Figura 5.9 Medidor de presso diferencial Smar modelo LD301. ........................... 30

    Figura 5.10 Esquema para calibrao das placas de orifcio. ................................ 31

    Figura 6.1 Rotor da bomba teste vista frontal ...................................................... 44

    Figura 6.2 - Rotor da bomba teste vista posterior .................................................. 44

    Figura 6.3 Curva topogrfica da bomba operando a 1750 rpm. ............................. 45

    Figura 6.4 - Curva topogrfica da bomba operando a 3500 rpm. .............................. 46

    Figura 6.5 Dimenses de interface entre o rotor e carcaa. ................................... 47

    Figura 6.6 Ponto de projeto .....................................................