Nesta obra apresentam-se as matérias relevantes para um curso avançado de turbomáquinas, incluindo aspetos importantes para o projeto e a análise do seu funcionamento. A informação é exposta de forma sistematizada e analiticamente rigorosa, sendo profusamente ilustrada, facilitando assim a assimilação dos aspetos mais complexos. Utiliza-se uma abordagem pedagógica atual que permite tornar o conhecimento mais acessível a estudantes do ensino universitário e politécnico, assim como aos profissionais da engenharia na sua atividade diária, nas empresas, para autoformação, atualização e consulta.
O livro compreende sete capítulos. Inclui uma visão histórica, apresenta capítulos inteiros dedicados aos ventiladores, bombas, compressores, turbinas a gás centrífugas e axiais, e ainda às turbinas hidráulicas e análise dimensional. O último capítulo trata do projeto computacional avançado de turbomáquinas. Em cada capítulo são apresentados exemplos de exercícios resolvidos.
1 AS TURBOMÁQUINAS
1.1 Introdução
1.2 Classificação das turbomáquinas
1.3 Breve perspetiva histórica
1.3.1 Turbinas hidráulicas
1.3.2 Turbinas a vapor
1.3.3 Turbinas a gás
2 DINÂMICA DE FLUIDOS EM TURBOMÁQUINAS
2.1 A formulação físico-matemática
2.1.1 Conservação da massa
2.2 A conservação da quantidade de movimento
2.2.1 Conservação do momento angular
2.2.2 Equação de Euler
2.2.3 A equação de Euler e a equação da conservação da energia
2.2.4 Recapitulação de algumas noções de termodinâmica
2.2.5 Razão de pressão e de massa específica
2.2.6 Entropia
2.3 Definições de rendimento
2.3.1 O rendimento isentrópico
2.3.2 Rendimento mecânico
2.3.3 Rendimento volumétrico
2.4 Os diversos tipos de trabalho
2.4.1 O trabalho isentrópico
2.4.2 O trabalho efetivo
2.4.3 O trabalho politrópico
2.4.4 Exemplos de aplicação
3 TURBOMÁQUINAS CENTRÍFUGAS
3.1 Introdução
3.2 O ventilador centrífugo
3.2.1 Os diferentes tipos de rotor dos ventiladores
3.2.2 A forma e o número de pás
3.2.3 Considerações sobre a voluta
3.2.4 Ponto de funcionamento da máquina
3.2.5 Regulação de ventiladores, compressores e bombas
3.2.6 Desempenho de ventiladores em série e em paralelo
3.3 Triângulos de velocidade
3.4 Equação de Euler para a transferência de energia
3.5 Comentários sobre o trabalho específico
3.6 Escorregamento, o escoamento real num rotor
3.6.1 Cálculo do escorregamento
3.7 Análise dos ângulos das pás
3.7.1 Ângulo das pás à saída do rotor ß2b
3.8 Estudo em detalhe do compressor centrífugo
3.8.1 Tubeira de entrada
3.8.2 O indutor
3.8.3 O rotor de um compressor centrífugo
3.8.4 O difusor e a voluta
3.8.5 Análise do escorregamento em rotores centrífugos
3.8.6 Considerações sobre o escoamento entre pás 1D
3.8.7 Aumento de temperatura nos andares
3.8.8 Análise do aumento de pressão no andar
3.8.9 Determinação do número de Mach à saída do rotor
3.8.10 Análise do escoamento no rotor
3.8.11 O difusor
3.8.12 Característica do compressor, perda e instabilidade
3.9 A bomba centrífuga
3.9.1 O rotor da bomba
3.9.2 Altura de energia da bomba
3.9.3 Desempenho da bomba centrífuga
3.9.4 Regulação e ponto de funcionamento
3.10 A cavitação
3.10.1 Parâmetro de cavitação
3.10.2 Efeitos da cavitação
3.10.3 A cavitação em bombas
3.10.4 Condições para ocorrência de cavitação e NPSH
3.10.5 Ângulos ótimos para uma bomba centrífuga
3.10.6 Cavitação na folga periférica
3.10.7 Cavitação fora das condições nominais
3.10.8 Métodos para atenuar a cavitação
3.11 Exemplos de aplicação
4 ANÁLISE DIMENSIONAL
4.1 O teorema p de Vaschy-Buckingham
4.2 Semelhança
4.3 Aplicação ao estudo de turbomáquinas incompressíveis
4.3.1 Leis de afinidade
4.3.2 Velocidade específica e número de forma
4.3.3 Tipos de rotor
4.3.4 Coeficientes f e ?
4.3.5 Diagrama de Cordier
4.3.6 Dimensões gerais do rotor e coeficiente de velocidade à saída
4.3.7 Coeficientes adimensionais para andares
4.3.8 O número de Froude e os parâmetros de cavitação
4.4 Aplicação ao caso de máquinas de escoamento compressível
4.5 Relação entre protótipos e modelos5 TURBOMÁQUINAS AXIAIS
5.1 Os triângulos de velocidade para máquinas axiais
5.1.1 Nomenclatura e convenção de sinais
5.2 O triângulo normal da turbomáquina axial
5.3 Caracterização dos triângulos de velocidade
5.3.1 O coeficiente de carga
5.3.2 O coeficiente de caudal
5.3.3 O grau de reação
5.4 O grau de reação em turbinas
5.4.1 Expressões para o grau de reação
5.5 Triângulos de velocidade especiais
5.5.1 Grau de reação de 100%, R=1
5.5.2 Grau de reação de 50%, R=0.5
5.5.3 Grau de reação nulo, R=0
5.6 Os compressores axiais
5.7 Análise do rendimento
5.7.1 Escolha dos coeficientes de carga, de caudal, e do grau de reação
5.7.2 Considerações teóricas e empíricas
5.7.3 Correlações úteis para os coeficientes de perdas
5.8 Cascatas de pás
5.8.1 A solidez ou o passo da cascata
5.8.2 Considerações gerais sobre a forma das pás
5.9 Operação fora do ponto nominal
5.10 Características em off - design
5.10.1 Compressor a operar fora do ponto de projeto
5.10.2 A turbina em modo de off - design
5.11 Difusão do escoamento
5.12 Exemplos de aplicação
6 TURBINAS HIDRÁULICAS
6.1 Energia hidroelétrica
6.2 Classificação dos diferentes tipos de turbina
6.2.1 A turbina Pelton
6.2.2 A turbina Francis
6.2.3 A turbina Kaplan
6.2.4 Turbina a funcionar como bomba
6.3 Projeto das pétalas da Pelton
6.4 Regulação da turbina Pelton
6.5 A operação da turbina Francis
6.6 Formas do canal meridional dos rotores Francis
6.7 Contorno do rotor Francis
6.8 Rotor e pás de uma turbina Kaplan
6.9 O difusor à saída das turbinas
6.10 Comparação entre os quatro diferentes tipos de turbina
7 ANÁLISE E PROJETO COMPUTACIONAL DE TURBOMÁQUINAS
7.1 Projeto na indústria de turbinas de gás
7.1.1 Gerindo a complexidade
7.1.2 Aspetos económicos
7.1.3 Projeto computacional da aerodinâmica das pás de turbomáquinas
7.2 Projeto inverso de turbomáquinas
7.2.1 Visão bidimensional 2D
7.2.2 Escolha da distribuição de velocidade tangencial média como variável de projeto
7.2.3 Algoritmo de alteração da geometria das pás
7.2.4 Projeto de cascatas de pás em 3D
7.2.5 Exemplo de modelação computacional em modo de análise
7.2.6 Exemplo de projeto 3D
BIBLIOGRAFIA
ÍNDICE REMISSIVO
José C. Páscoa é Professor e Investigador do Center for Mechanical and Aerospace Science and Technology da Universidade da Beira Interior.
Há cerca de 25 anos que trabalha em turbomáquinas. Entre outros projetos, liderou um consórcio europeu sobre o estudo de ciclorotores.
Foi Visiting Scholar no Rolls-Royce UTC (Aeroengines) em Loughborough, no Reino Unido. Licenciado (1995), doutorou-se em Engenharia Mecânica (2008) no projeto inverso de turbinas a gás, e possuí também o título de Agregado em Engenharia Mecânica (2017).