UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAMPA
MÁQUINAS DE FLUXO TURBINAS A GÁS E TURBINAS A VAPOR
LEONARDO CEZAR MAINARDI RENATA TONINI BASTIANELLO TAISE MANZKE PICHLER
BAGÉ/RS JULHO - 2010
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LEONARDO CEZAR MAINARDI RENATA TONINI BASTIANELLO TAISE MANZKE PICHLER
MÁQUINAS DE FLUXO TURBINAS A GÁS E TURBINAS A VAPOR
Trabalho apresentado para a disciplina de Máquinas Térmicas, sob orientação do prof. Dr. Evandro Steffani.
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAMPA BAGÉ - RS - JULHO - 2010
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SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS FIGURAS .........................................................................
p.5
LISTA DE SÍMBOLOS SÍMBOLOS ......................................................................
p.6
................................... ....................... ......................... ........................ ...................... .......... INTRODUÇÃO .........................
p.7
OBJETIVO OBJETIVO ........................................................................................
p.10
1 TURBINAS A GÁS GÁS ........................................................................
p.11 p.11 p.12 p.14 p.14 p.16 p.16 p.16 p.17 p.17 p.17 p.18 p.19 p.19 p.19 p.20 p.21 p.21 p.22 p.23 p.23 p.23 p.23 p.23 p.24 p.24 p.25 p.26 p.27 p.27 p.27 p.27 p.27
1.1 Breve histórico .......................................................................................... 1.2 Ciclo Brayton ............................................................................................. 1.2.1 Vantagens do ciclo fechado sob o ciclo aberto ............................... .................... ........... 1.3 Princípio de Funcionamento ..................................................................... 1.4 Classificação ............................................................................................. 1.4.1 Quanto à sua construção ................................................................. 1.4.2 Quanto à sua rotação ...................................................................... 1.4.3 Quanto ao seu número de eixos ...................................................... 1.4.4 Quanto à localização ....................................................................... 1.4.5 Quanto a sua aplicação ................................................................... 1.4.6 Quanto ao ciclo ................................................................................ 1.4.7 Quanto ao método de transmissão de força .................................... 1.5 Componentes ............................................................................................ 1.5.1 Compressor de ar ............................................................................ 1.5.2 Câmara de combustão .................................................................... 1.5.3 Turbina ............................................................................................. 1.5.4 Filtro de ar ........................................................................................ 1.5.5 Duto de exaustão ............................................................................. 1.5.6 Sistema de partida ........................................................................... 1.5.7 Sistema de combustível ................................................................... 1.5.8 Sistema de ingnição ........................................................................ 1.5.9 Sistema de lubrificação .................................................................... 1.6 Fatores que Influenciam o Desempenho .................................................. 1.6.1 Fluência ........................................................................................... 1.6.2 Fadiga .............................................................................................. 1.6.3 Corrosão por Oxidação .................................................................... 1.6.4 Corrosão a quente ........................................................................... 1.6.5 Erosão e depósitos .......................................................................... 1.6.6 Aumento das folgas por desgaste ................................................... 1.7 Vantagens e Desvantagens ...................................................................... 1.7.1 Vantagens de uma turbina a gás ..................................................... 1.7.2 Desvantagens de uma turbina a gás ...............................................
2 TURBINAS A VAPOR VAPOR ...................................................................
p.29 2.1 Breve histórico .......................................................................................... p.29
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2.2 Ciclo Rankine ............................................................................................ 2.3 Princípio de Funcionamento ..................................................................... 2.3.1 Turbinas de ação ............................................................................. 2.3.2 Turbinas de reação .......................................................................... 2.4 Classificação ............................................................................................. 2.4.1 Quanto a direção do movimento do vapor em relação ao rotor ...... 2.4.2 Quanto a forma do vapor atuar no rotor .......................................... 2.4.3 Quanto a condição do vapor de escape .......................................... 2.4.4 Quanto ao estado do vapor na entrada da turbina .......................... ............. ............. 2.5 Tipos ......................................................................................................... 2.6 Componentes ............................................................................................ 2.6.1 Estator ............................................................................................. 2.6.2 Rotor ................................................................................................ 2.6.3 Expansor .......................................................................................... 2.6.4 Palhetas ........................................................................................... 2.6.5 Diafragmas ...................................................................................... 2.6.6 Disco do rotor .................................................................................. 2.6.7 Tambor rotativo ................................................................................ 2.6.8 Coroa de palhetas ........................................................................... 2.6.9 Labirintos ......................................................................................... 2.6.10 Deflectores de óleo ........................................................................ 2.6.11 Carcaça ......................................................................................... 2.6.12 Mancais de apoio (radiais) ............................................................. 2.6.13 Mancais de escora ......................................................................... 2.7 Fatores que Influenciam o Desempenho .................................................. 2.7.1 Danos por corrosão ......................................................................... 2.7.2 Danos por desgaste mecânico ........................................................ 2.7.3 Danos térmicos ................................................................................ 2.8 Vantagens e Desvantagens ...................................................................... 2.8.1 Vantagens das turbinas a vapor ...................................................... 2.8.2 Desvantagens das turbinas a vapor ................................................
p.30 p.31 p.31 p.32 p.33 p.33 p.33 p.34 p.34 p.34 p.35 p.35 p.35 p.36 p.36 p.37 p.37 p.37 p.37 p.38 p.38 p.38 p.39 p.39 p.40 p.40 p.40 p.40 p.42 p.42 p.42
3 CICLO COMBINADO COMBINADO .....................................................................
p.43 p.44 p.44 p.44 p.44
CONCLUSÃO CONCLUSÃO ...................................................................................
p.46
BIBLIOGRAFIA ........................... ....................................... ........................ ...................... ...................... ................... .......
p.47
3.1 Vantagens e Desvantagens ...................................................................... 3.1.1 Vantagens do ciclo combinado ........................................................ 3.1.2 Desvantagens do ciclo combinado .................................................. 3.2 Equação da Eficiência Térmica .................................................................
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LISTA DE FIGURAS Figura 1-1: Figura 1-2: Figura 1.2-1: Figura 1.2-2: Figura 1.3-1: Figura 1.3-2: Figura 1.4-1: Figura 1.4-2: Figura 1.4-3: Figura 1.5-1: Figura 1.5-2: Figura 1.5-3: Figura 2-1: Figura 2.2-1: Figura 2.3-1: Figura 2.3-2: Figura 2.6-1: Figura 2.6-2: Figura 2.6-3: Figura 2.6-4: Figura 2.6-5: Figura 2.6-6: Figura 2.7-1: Figura 3-1:
Turbina a gás (a) aberta e (b) fechada. Esquema de uma turbina a gás. Etapas do ciclo Brayton (a) diagrama P-v e (b) diagrama h-s, fazendo uma comparação entre o ciclo ideal e o real. Diagrama T-s do ciclo Brayton. Partes básicas de uma turbina a gás. Arranjo de uma turbina a gás em ciclo simples. Turbinas a gás quanto a sua construção: (a) leve e (b) pesada. Turbinas a gás quanto a sua aplicação: (a) industrial, (b) marítima, (c) aeronáutica turbohélice e (d) aeronáutica tubofan. Turbinas a gás quanto ao ciclo de operação: (a) fechado e (b) aberto. Compressor de ar de uma turbina a gás: (a) radial e (b) axial. Esquema de uma câmara de combustão. Esquema de uma turbina a gás com seus principais componentes. Turbinas a vapor. Unidade motora simples a vapor que opera segundo um ciclo Rankine. Força de impulsão. Princípio da reação. Estator, eixo do rotor e palhetas móveis de uma turbina a vapor. Palhetas móveis. Diafragma com anel de palhetas. Carcaça de uma turbina a vapor de aço inox austenítico (a) vista interna e (b) vista externa. Mancal radial. Mancal de escora. Regiões de ocorrências de falhas em uma turbina a gás. (a) Esquema de um ciclo combinado e (b) diagrama da temperatura vs entropia para um ciclo combinado.
p.11 p.11 p.13 p.14 p.14 p.15 p.16 p.18 p.19 p.20 p.21 p.22 p.29 p.30 p.32 p.33 p.35 p.36 p.37 p.38 p.39 p.39 p.41 p.43
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LISTA DE SÍMBOLOS Al2O3
Óxido de alumínio
CO
Monóxido de carbono Óxido de cromo
Cr2O3 CrO3 GE GLP h HRSGs
Trióxido de cromo
ηt
General Electric Gás liquefeito de petróleo Entalpia Heat Recovery Steam Generators ou Geradores de Vapor de Recuperação de Calor Coeficiente de perda local Vazão mássica do combustível Óxidos de nitrogênio Pressão Calor adicionado ao ciclo Taxa de calor transferida para o meio Poder calorífico do combustível Entropia Dióxido de enxofre Temperatura Volume Potencia consumida pela bomba do ciclo a vapor Potencia consumida pelo compressor Trabalho realizado pela turbina Potência produzida pela turbina a gás Potência produzida pela turbina a vapor Rendimento térmico
ηtermico
Rendimento térmico
k mcomb NOx P Qin qh PCI s SO2 T v Wbomba Wcompressor wliq Wt.gás Wt.vapor
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INTRODUÇÃO Máquinas de Fluxo podem ser definidas como um transformador de energia no qual o meio operante é um fluido que, em sua passagem pela máquina, interage com um elemento rotativo, não se encontrando, em qualquer instante, confinado. Todas as máquinas de fluxo funcionam, teoricamente, segundo os mesmos princípios, o que traz a possibilidade de utilização do mesmo método de cálculo. De fato, esta consideração é plenamente válida apenas quando o fluido de trabalho é um fluido ideal, já que, na realidade, propriedades do fluido, tais como volume específico e viscosidade, podem variar diferentemente de fluido para fluido e, assim, influir consideravelmente nas características construtivas dos diferentes tipos de máquinas. Como exemplos de máquinas de fluxo, citam-se: as turbinas hidráulicas, os ventiladores, as bombas centrífugas, as turbinas a vapor, os turbocompressores e as turbinas a gás. Uma máquina de fluxo tem a finalidade de, como máquina motriz, transformar um tipo de energia que a natureza nos oferece em trabalho mecânico, ou, como máquina operadora, fornecer energia a um fluido para, por exemplo, transportá-lo de um local de baixa pressão para outro de alta pressão. Quando uma máquina de fluxo trabalha como motriz, é chamada de turbina e, quando trabalha como operadora, de bomba. As máquinas de fluxo podem ser classificadas, de modo amplo, como de deslocamento positivo ou dinâmicas. Nas máquinas de deslocamento positivo, a transferência de energia é feita por variações de volume que ocorrem devido ao movimento da fronteira na qual o fluido está confinado. Os dispositivos fluidomecânicos que direcionam o fluxo com lâminas ou pás fixadas num elemento rotativo são denominados turbomáquinas. Em contraste com as máquinas de deslocamento positivo, não há volume confinado numa turbomáquina. Todas as interações de trabalho numa turbomáquina resultam de efeitos dinâmicos do rotor sobre a corrente de fluido. Uma turbina a vapor é uma máquina rotativa que consome energia térmica do vapor d´água transformando-a em energia mecânica. Sua maior aplicação é no acionamento de bombas, compressores e geradores de energia elétrica. Embora
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inventada e conhecida há alguns séculos, seu desenvolvimento e aplicação de forma prática se deu principalmente nas últimas décadas. Do ponto de vista termodinâmico a turbina a vapor ocupa umas posições favoráveis, transformando em energia mecânica relativamente grande parte da energia térmica que consome. Sua eficiência pode ser considerada boa, especialmente nas turbinas de grandes capacidades acionadas por vapor de alta pressão. Do ponto de vista mecânico, a turbina a vapor pode ser considerada ideal, pois a força de propulsão é aplicada diretamente no elemento de rotação da máquina, não sendo necessário, como no caso das máquinas alternativas a vapor, um dispositivo do tipo biela-manivela para transformar o movimento alternativo em rotativo. Pelo fato de apenas possuir peças com movimento de rotação, não tem o inconveniente de desbalanceamento mecânico, como no caso das máquinas alternativas a vapor e à combustão interna. É um equipamento mecânico que se presta muito bem para o acionamento de máquinas que exigem torques constantes e rotações elevadas como no caso de bombas, geradores de energia elétrica e compressores rotativos. Como as partes lubrificadas de uma turbina são os mancais principais, o sistema governador e as engrenagens do redutor de velocidade, não existindo nenhuma parte de escorregamento linear como nas máquinas alternativas, o consumo de lubrificante é mínimo. Geralmente o óleo circula no sistema de lubrificação, sendo refrigerado e filtrado, podendo ser usado por um longo período de tempo sem necessidade de substituição. Então o custo de lubrificação é baixo quando comparado com o de máquinas alternativas de potência equivalente. As turbinas a gás são motores térmicos que realizam a conversão da energia de um combustível em potência de propulsão, potência de eixo ou potência elétrica. Por serem máquinas de combustão interna realizam o processo de conversão da energia do combustível a altas temperaturas, começando com temperaturas da ordem de 1000º C e terminando em temperaturas próximas de 500º C. A maior parcela da energia do combustível que não é aproveitada está nos gases de exaustão ainda a altas temperaturas. O termo turbina a gás é mais comumente empregado em referência a um conjunto de três equipamentos: compressor, câmara de combustão e turbina
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propriamente dita. Esta configuração forma um ciclo termodinâmico a gás, cujo modelo ideal denomina-se Ciclo Brayton. Este conjunto opera em um ciclo aberto, ou seja, o fluido de trabalho é admitido na pressão atmosférica e os gases de escape, após passarem pela turbina, são descarregados de volta na atmosfera sem que retornem à admissão. A denominação turbina a gás pode ser erroneamente associada ao combustível utilizado. A palavra gás não se refere à queima de gases combustíveis, mas, sim ao fluido de trabalho da turbina, que é neste caso a mistura de gases resultante da combustão. O combustível em si pode ser gasoso, como gás natural, gás liquefeito de petróleo (GLP), gás de síntese ou líquido, como querosene, óleo diesel e até mesmo óleos mais pesados.
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OBJETIVO O objetivo do presente trabalho foi realizar um estudo sobre as turbinas a gás e a vapor, visando conhecer seus princípios básicos de funcionamento, elementos e dispositivos constituintes e tipos e modelos existentes.
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1 TURBINAS A G As turbinas a gás são máquinas de combustão interna, ou seja, a mistura de gases resultantes da q eima de combustível é o fluido de tra alho que escoa no interior da máquina, ealizando os processos de conversão da energia do combustível em potência de eixo. O ciclo que descreve o fun ionamento de uma turbina a gás é o ciclo-padrão de ar Brayton. A figura 1-1 mo tra duas turbinas a gás, enquanto que a fig ra 1-2 trás um esquema deste tipo de tu rbina.
(a)
(b) Fig ra 1-1: Turbina a gás (a) aberta e (b) fechada.
igura 1-2: Esquema de uma turbina a gás.
1.1 Breve histórico Em 150, Hero, filósofo e matemático grego, inventou a olípila, um motor a vapor que foi consider do um brinquedo. Este girou em cima de uma panela de água fervente, pelo efeito de reação do vapor movendo bicos dispostos em uma roda. Desde então, hou e diversas tentativas de desenvolver uma turbina a gás. A
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primeira turbina a gás operacionalmente bem sucedida foi produzida na França, por Charles Lemale em 1901. Os desenvolvimentos posteriores desta turbina permitiram que em 1906 fosse produzida uma turbina com rendimento térmico de apenas 4,5%. A segunda turbina a gás que teve sucesso parcial foi a proposta por Hans Holzwarth em 1906-1908 e construída em 1908-1913 por Brown Boveri. Em 1914, Charles Curtis apresentou a primeira aplicação de uma turbina a gás. Já em 1918, a General Electric iniciou uma divisão de turbinas a gás. O Dr. Stanford A. Moss desenvolveu o motor turbo GE durante a Primeira Guerra Mundial. Em 1930, o inglês Sir Frank Whittle, patenteou um projeto para uma turbina a gás para propulsão à jato, mas só utilizou sua turbina com sucesso em 1937. Em 1939, a empresa de aviação Ernst Heinkel realizou o primeiro vôo de uma aeronave movida à turbina a gás. Em 1941, Sir Frank Whittle criou o turbojato Gloster Meteor. Ele melhorou seu motor a jato durante a guerra e, em 1942, enviou um protótipo deste para a General Electric, nos Estados Unidos. No ano seguinte, a GE construiu o primeiro avião a jato da América. Após a Segunda Guerra Mundial, o desenvolvimento de motores a jato foi dirigido por certo número de empresas comerciais. Os motores a jato logo se tornaram o método mais popular para propulsão de aviões. 1.2 Ciclo Brayton O ciclo-padrão Brayton é um ciclo termodinâmico que consiste em dois processos de pressão constante (2-3 e 4-1), intercalados com dois processos de entropia constante (1-2 e 3-4). O diagrama P-v, mostrado na figura 1.2-1a, representa este ciclo fechado. Primeiramente, o ar em condição ambiente passa pelo compressor, onde ocorre compressão adiabática e isentrópica, com aumento de temperatura e conseqüente aumento de entalpia. Comprimido, o ar é direcionado às câmaras, onde mistura-se com o combustível possibilitando queima e aquecimento, à pressão constante. Ao sair da câmara de combustão, os gases, à alta pressão e temperatura, se expandem conforme passam pela turbina, idealmente sem variação de entropia. Na medida em que o fluido exerce trabalho sobre as palhetas, reduzem-se a pressão e temperatura dos gases, gerando-se potência mecânica. A potência extraída através do eixo da turbina é usada para acionar o compressor e eventualmente para acionar outra máquina. A quarta etapa não ocorre
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fisicamente, se tratando de um ciclo termodinâmico aberto. C nceitualmente, esta etapa representa a tran ferência de calor do fluido para o ambi nte. A figura 1.2-1b mostra o diagrama h-s do ciclo Brayton real e do ideal.
(a)
( )
Figura 1.2-1: Etapas do ciclo Brayton (a) diagrama P-v e (b) diagrama h-s, fa endo uma comparação entre o ciclo ideal e o real.
O rendimento tér ico do ciclo Brayton é uma função da relação de pressão isoentrópica: (1) onde k é o coeficient de perda local. A figura 1.2-2 mos ra o diagrama T-s (temperatura vs. entropia) para o ciclo Brayton. Pode-se observar nesta as temperaturas T1 e T2 utilizadas para o cálculo do rendimento. No ciclo fechado, o fluido de trabalho permanece no siste a. O combustível é queimado fora do siste a, utilizando-se um trocador de calor p ra fornecer energia da combustão ao fluido e trabalho.
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Figura 1.2-2: Diagrama T-s do ciclo Brayton. 1.2.1 Vantagens do ciclo fechado sob o ciclo aberto • •
Possibilidade de utilizar combustíveis sólidos; Possibilidade de altas pressões durante o ciclo, o que reduz o tamanho da turbomáquina;
•
Evita-se a erosão das palhetas da turbina;
•
Elimina-se o uso de filtros;
•
•
Aumento da transferência de calor pela alta densidade do fluido de trabalho e alta pressão; Uso de gases com propriedades térmicas desejáveis.
1.3 Princípio de Funcionamento As partes básicas de uma turbina a gás são: um compressor (1), uma câmara de combustão, uma turbina (2) e um eixo (3), conforme mostra a figura 1.3-1.
Figura 1.3-1: Partes básicas de uma turbina a gás.
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No eixo estão ligados a turbina e o compressor, então quando giramos um, o outro também gira. Durante a partida, inicialmente, a turbina necessita de um sistema de arranque para pôr o compressor em funcionamento. Assim que este alcança uma dada velocidade, o ar atmosférico é aspirado, comprimido e conduzido à câmara de combustão, onde é misturado ao combustível (líquido ou gasoso). A energia resultante da combustão libera gases quentes que se expandem através da turbina, produzindo energia mecânica. A estabilidade da combustão, bem como a temperatura na seção da turbina, é mantida através do controle da relação ar/combustível. O ar atmosférico captado pelo compressor é comprimido e direcionado para o combustor. Após passar pelo combustor a temperatura se eleva, devido à queima do gás. Em seguida a mistura é direcionada para o acionamento da turbina, a pressão é reduzida à pressão atmosférica e a temperatura também é reduzida. A turbina a gás tem uma rotação mínima para funcionamento, abaixo da qual não consegue manter seu ciclo. Essa rotação mínima é muito maior que a rotação de um motor a combustão interna usual, e as rotações máximas são muito mais do que isso, dificultando o uso da força diretamente no eixo. Se uma turbina estiver operando isoladamente (ciclo simples), como nas aeronaves, sua eficiência térmica é baixa, da ordem de 34%, ou seja, cerca de 66% do calor gerado pela queima do combustível é perdido nos gases de exaustão. A figura 1.3-2 apresenta um arranjo típico de uma turbina a gás em ciclo simples, apresentando a distribuição de energia de entrada e saída.
Figura 1.3-2: Arranjo de uma turbina a gás em ciclo simples.
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As turbinas a gás são ótimas máquinas para a produção de energia elétrica em ciclo simples ou co-geração, principalmente ao ser utilizado o gás natural ao invés de combustíveis líquidos. Quando se utiliza o gás natural como combustível, as emissões de poluentes, tais como NOx, SO2 e CO, são muito baixas. 1.4 Classificação As turbinas a gás podem ser classificadas da seguinte maneira: 1.4.1 Quanto à sua construção •
•
Leves (jet-drived GT) Possuem altas velocidades e podem ter vários eixos girando em diferentes velocidades. Tem aplicações na produção de energia mecânica e como motor para máquinas como bombas e compressores. Ver figura 1.4-1a. Pesadas (heavy-duty GT) Compreendem em uma vasta e diversa gama de máquinas, indicadas para geração de energia (de 10 MW a acima de 100 MW). Enquanto máquinas de menor potência são similares as “jet-derived”, as turbinas de média e alta potência possuem estruturas muito pesadas, volumosas. As câmaras de combustão não são necessariamente circulares, dispostas entorno do cilindro da turbina. Sua principal utilização é na aeronáutica. Ver figura 1.4-1b.
(a)
(b)
Figura 1.4-1: Turbinas a gás quanto a sua construção: (a) leve e (b) pesada. 1.4.2 Quanto à sua rotação •
Operação em velocidade constante - Turbo-alternadores;
•
Operação em velocidade variável - Turbo-bombas e turbo-compressores.
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1.4.3 Quanto ao seu número de eixos •
•
•
De um eixo - Parte da potência produzida pela turbina é fornecida ao Compressor. Apenas o restante da potência se destina a potência útil de eixo. De dois eixos - É formado de um gerador de gás, que está ligado ao primeiro eixo, e uma turbina livre, que está ligada ao segundo eixo. De vários eixos - o conjunto pode ter um, dois ou três eixos concêntricos com a finalidade de aumentar a razão de pressão do ciclo e conseqüentemente sua eficiência térmica. A divisão em vários eixos do gerador de gás tem objetivo de aumentar a eficiência aerodinâmica da compressão, pois a compressão em um único estágio diminuiria a operação da turbina e a eficiência térmica.
1.4.4 Quanto à localização •
Onshore (interna);
•
Offshore (externa);
•
On board (móvel) - É de grande aplicação marítima.
1.4.5 Quanto a sua aplicação •
•
•
Industrial - São utilizadas para geração de energia mecânica, com rotação constante ou variável (figura 1.4-2a); Marítima - São utilizadas na geração de energia mecânica e elétrica em navios (figura 1.4-2b); Aeronáutica - Podem ser classificadas em turbohélice (figura 1.4-2c), turbofan (figura 1.4-2d), turbojato e ramjet. Seus gases de escape não possuem efeito propulsivo, o que dá propulsão à aeronave é a hélice acoplada ao eixo redutor de velocidade.
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(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 1.4-2: Turbinas a gás quanto a sua aplicação: (a) industrial, (b) marítima, (c) aeronáutica turbohélice e (d) aeronáutica tubofan. 1.4.6 Quanto ao ciclo •
•
Fechado - O fluido de trabalho permanece no sistema. Para isso, o combustível é queimado fora do sistema, utilizando-se um trocador de calor para fornecer a energia da combustão ao fluido de trabalho. Ver figura 1.4-3a; Aberto - Quando o fluido de trabalho não retorna ao início do ciclo. O ar, retirado da atmosfera, é comprimido, levado à câmara de combustão onde, juntamente com o combustível, recebe uma faísca, provocando a combustão da mistura. Os gases desta combustão então expandem-se na turbina, fornecendo potência à mesma e ao compressor, e, finalmente, saem pelo bocal de exaustão. Ver figura 1.4-3b.
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(a)
(b)
Figura 1.4-3: Turbinas a gás quanto ao ciclo de operação: (a) fechado e (b) aberto. 1.4.7 Quanto ao método de transmissão de força •
Livres;
•
Transmissão direta;
•
Transmissão por engrenagens - Caixa de redução ou ampliação da rotação.
1.5 Componentes A turbina a gás possui três principais componentes: o compressor, a turbina propriamente dita e o sistema de combustão. Estes são descritos a seguir. 1.5.1 Compressor de ar
É o componente da turbina a gás onde o fluído de trabalho é pressurizado. Podem ser do tipo radial (ou centrífugo) e do tipo axial, mostrados, respectivamente, na figura 1.5-1, conforme a direção com relação ao eixo de rotação, do escoamento na saída do rotor. Para uma mesma potência, o tipo radial fornece uma pressão maior com uma vazão correspondente menor, quando comparado com o tipo axial. Para as turbinas a gás, os compressores do tipo radial são mais adequados para sistemas de pouca potência, enquanto que os do tipo axial se ajustam melhor para potências maiores. •
Compressores de ar radiais - São utilizados somente em turbinas a gás de pequeno porte até 500 kW. Suas vantagens são serem compactos, mais resistentes e mais fáceis de serem construídos. Sua desvantagem é o rendimento
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mais baixo. Seu rotor é semi-aberto (ligas de metal leve), duplo e normalmente de dois estágios. •
Compressores de ar axiais - São usados em sistemas de turbinas a gás de grande e médio porte, tais como centrais termoelétricas e aviões. Possuem diâmetros e escoamento sem mudança de direção, o que os permite atingir um melhor rendimento que o tipo radial. Porém necessitam de maior número de estágios para a mesma relação de pressão.
(a)
(b)
Figura 1.5-1: Compressor de ar de uma turbina a gás: (a) radial e (b) axial. 1.5.2 Câmara de combustão
A câmara de combustão (combustor), mostrada na figura 1.5-2, é onde ocorrem as condições mais severas de temperatura e pressão. A temperatura máxima na zona de combustão no interior da câmara está na faixa de 1800 a 2000 ºC. O conjunto da turbina a gás, para um ciclo aberto, é formado por várias câmaras de combustão (de 2 a 6), possuindo cada uma o seu injetor. Esta disposição assegura uma melhor utilização do combustível e permite maior flexibilidade de funcionamento. O volume da câmara de combustão é pequeno em relação à taxa de calor liberada porque a combustão é realizada a pressões elevadas. Em turbinas aeronáuticas este volume pode ser de apenas 5% do volume necessário em uma caldeira, por exemplo, com a mesma taxa de liberação de calor. As câmaras de combustão podem ser internas (tubulares, tubo-anulares ou anulares) ou externas. •
Internas - são mais eficientes, mais compactas (anular), de melhor distribuição de
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temperatura e maior durabilidade; •
Externas - queimam uma ampla faixa de combustíveis, são de pior distribuição de temperatura, mas mais adequadas para turbinas industriais.
Figura 1.5-2: Esquema de uma câmara de combustão. 1.5.3 Turbina
É a parte motriz da unidade. O gás, ao escoar através da turbina, perde pressão e temperatura, à medida que se expande e transforma a sua energia em trabalho. As turbinas podem ser do tipo radial (baixas potências) ou do tipo axial (mais comuns, altas potências). •
•
Rotor - é a parte móvel da turbina e consiste de rodas dinamicamente balanceadas com palhetas móveis fabricadas em superligas e são fixadas ao disco rotativo. Normalmente as palhetas são unidas por uma cinta no seu topo (“shrouded”) formando uma banda no perímetro externo das palhetas que serve para reduzir a vibração das mesmas. Palhetas - estão sujeitas a alta velocidade do gás, alta temperatura e esforços elevados devido ao escoamento dos gases e à força centrífuga gerada pela rotação da máquina.
1.5.4 Filtro de ar
O filtro de ar protege o sistema de sucção de ar da turbina. Possui três objetivos: •
•
Proteger a turbina do efeito da contaminação do ar ambiente (abrasão, depósitos de fuligem, corrosão química); Evitar danos à máquina devido à entrada de corpos estranhos em sua sucção;
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•
Minimizar a freqüência de manutenção da máquina e exigências de troca dos elementos do filtro.
1.5.5 Duto de exaustão
É o sistema de descarga dos gases da turbina a gás. Este sistema, que inicia no flange de escapamento da turbina, é constituído dos seguintes elementos principais, mostrados na figura 1.5-3: •
Chaminé.
•
Duto de exaustão;
•
Junta de expansão;
•
Silenciador da descarga;
Figura 1.5-3: Esquema de uma turbina a gás com seus principais componentes.
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1.5.6 Sistema de partida
O sistema de partida serve como um acionador auxiliar, ele é responsável por acelerar a máquina até um ponto onde a velocidade da turbina seja auto sustentada. O sistema de partida é, então, desacoplado da turbina. 1.5.7 Sistema de combustível
As turbinas a gás devem operar com combustíveis de alto poder calorífico. A medida que usamos combustíveis de poder calorífico menor necessitamos de câmaras de combustão maiores para gerar a mesma quantidade de energia. Como o fluído precisa ser injetado na câmara de combustão numa pressão levemente superior , o sistema de combustível compreende os equipamentos que garantem esta condição.São eles : •
Bombas ou compressores e seus acionadores;
•
Filtros;
•
Tubulações e válvulas;
•
Sistema de controle.
1.5.8 Sistema de ingnição
Um sistema de ignição consiste basicamente de um sistema elétrico de alta voltagem que gera até 40.000 volts e dois ignitores capazes de gerar centelhas na freqüência de aproximadamente 20 vezes por segundo. O sistema de ignição é ligado antes que o combustível seja pulverizado no interior da câmara de combustão e é mantido ligado por meio de um relê de tempo, até um determinado momento em que a combustão é iniciada e mantida. 1.5.9 Sistema de lubrificação
A função de um sistema de lubrificação é fornecer óleo limpo e frio para os mancais da turbina bem como para as unidades acionadas hidraulicamente. 1.6 Fatores que Influenciam o Desempenho A turbina a gás tem seu desempenho afetado pela variação da vazão mássica de ar que o compressor comprime, pela relação de compressão em que a máquina
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opera e a temperatura limite de operação (temperatura do gás que entra na turbina). Daí, os fatores que influenciam seu desempenho são: •
Perdas de carga na sucção e descarga
•
Variação da temperatura ambiente
•
Variação da umidade relativa do ar
•
Altitude
•
Temperatura limite de operação
Tipo de combustível Quanto aos fatores mecânicos que influenciam no desempenho de uma turbina a gás, pode-se dizer que existem mecanismos de deterioração destas turbinas quanto ao perfil de pressão e temperatura. Os principais mecanismos de degradação das partes quentes são comentados a seguir. •
1.6.1 Fluência
Palhetas de rotores de turbinas a gás sofrem fluência porque operam em temperaturas elevadas e estão submetidos a elevados esforços centrífugos. As condições combinadas de tensão e temperatura costumam ocorrer à meia altura da palheta, sendo nesta região que costumam ocorrer as fraturas por fluência. A fluência é o principal fator limitante da vida das palhetas principalmente quando a turbina trabalha com combustível isento de contaminantes e em regime de operação contínua. É bastante difícil definir antecipadamente à vida das palhetas considerando-se a fluência porque as condições operacionais da turbina influenciam bastante este tempo estimado. O ponto ótimo para troca é o início da fase terciária que pode ser identificado pelo aparecimento de vazios e microtrincas na estrutura metalúrgica do material. 1.6.2 Fadiga
A fadiga é um processo que causa a falha do componente pela aplicação de tensões cíclicas. Quando estas tensões são pequenas e de alta freqüência temos a fadiga de alta freqüência. Quando as tensões são altas e baixa freqüência temos a fadiga de baixa freqüência. A aplicação repetitiva de gradientes térmicos transitórios em um determinado componente causa a fadiga térmica. A maioria dos componentes da parte quente de uma turbina a gás está sujeita a alguma forma de
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tensão cíclica e pode, portanto, falhar por fadiga. A fadiga de alta freqüência nas turbinas a gás está associada à vibração mecânica de algum componente causada por uma força excitadora de alta freqüência, por exemplo, uma freqüência de passagem de palhetas. Fadiga de baixa freqüência e fadiga térmica são problemas associados com os processos de partida e parada da turbina ou com variações de carga durante sua operação. Ambas são importante causa de preocupação em turbinas de aviação, que operam em regime de partidas e paradas freqüentes. Turbinas industriais, em muitos casos, são sujeitas também a este tipo de fadiga, devido à ocorrência de freqüentes paradas, ocasionadas por proteções do próprio equipamento ou pelo próprio processo onde a turbina opera. Durante o processo de partida os discos e palhetas são fortemente tensionados por uma combinação de esforços de origem mecânica e térmica, que após um determinado número de ciclos causam o aparecimento de pequenas trincas no material. Para garantir a segurança operacional da turbina é necessário submeter os componentes da parte quente a inspeções periódicas, usando técnicas não destrutivas de detecção de trincas. Expansores são componentes particularmente sujeitos à fadiga térmica porque as tensões induzidas pela dilatação térmica são acentuadas pela dificuldade estrutural de expansão destes componentes. O aparecimento de trincas por fadiga térmica no bordo de saída das pás dos expansores é um problema bastante freqüente em turbinas a gás. 1.6.3 Corrosão por Oxidação
Os componentes das partes quentes de uma turbina a gás operam em um ambiente altamente oxidante e dependem para sua proteção da formação de uma película protetora compacta de óxido. Para turbinas de aviação são preferidas as ligas cuja proteção é conseguida por meio de uma camada de óxido de alumínio (Al2O3), porque este óxido mantém-se estável em temperaturas muito elevadas. Esta camada protetora de óxido de alumínio pode, entretanto, ser destruída por certas substâncias agressivas, que podem ser encontradas no ar ambiente ou no combustível em turbinas industriais. Por isto, em turbinas industriais são mais usadas ligas cuja proteção provém da formação de uma película de óxido de cromo (Cr2O3), que é mais resistente à corrosão. A proteção obtida pelo óxido de cromo (Cr2O3) tem limitação de temperatura porque em temperatura muito elevadas o Cr2O3 é oxidado para CrO3 que se vaporiza. Esta vaporização da camada protetora
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de óxido de cromo é significativa em temperaturas a partir de 850ºC. A liga de níquel usada para os componentes rotativos das turbinas a gás industriais contém tanto cromo como alumínio. A principal função do alumínio presente na liga é promover a formação da fase γ (Ni3 (Al Ti)), que é a responsável pela resistência à fluência destas ligas. Desde que a temperatura de operação seja mantida em níveis adequados a oxidação não causa maiores problemas para as partes quentes das turbinas a gás industriais. 1.6.4 Corrosão a quente
A destruição da camada protetora de óxido pela ação química de substâncias agressivas contidas nos produtos de combustão expõe o metal base a um ataque corrosivo acelerado, que é denominado de corrosão a quente. As substâncias corrosivas que causam a corrosão a quente são principalmente derivados de sódio, enxofre e vanádio. Estes elementos são encontrados como impurezas do combustível. Em instalações marítimas o sódio pode vir também do ar ambiente succionado pelo compressor. Os dois principais compostos que causa a corrosão o quente nas turbinas a gás é o sulfato do sódio e o pentóxido de vanádio. A corrosão por sulfato de sódio ocorre usualmente em turbinas que operam em ambiente marítimo com combustível que contenha enxofre. Este tipo de corrosão é bastante severa, podendo resultar em vidas de componentes inferiores a 1 ano. O pentóxido de vanádio também produz depósitos extremamente corrosivos, que em temperaturas acima do seu ponto de fusão (675ºC), destrói a camada protetora de óxido de cromo. Quando combinado com sódio, o ataque corrosivo do vanádio pode ocorrer em temperaturas ainda menores. O teor de vanádio presente em combustíveis para turbina deve, por esta razão, ser mantido em níveis baixos. O magnésio combina-se com o vanádio produzindo substâncias de alto ponto de fusão, que não se depositam na turbina. A incidência da corrosão tem significativa influência nas propriedades mecânicas dos materiais das partes quentes da turbina a gás. A perda de material do componente, causada pela corrosão, conduzirá obviamente a um aumento da tensão, mas é certamente o ataque interno ao material, provocando seu enfraquecimento, que produz as piores conseqüências.
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1.6.5 Erosão e depósitos
Câmaras de combustão com alta formação de depósitos e operação intermitente têm tendência de soltar estes depósitos e causar danos por erosão ou depósitos nas palhetas e expansores. Estão ligados intimamente a qualidade do ar aspirado pelo compressor e pela qualidade do tratamento do combustível para a turbina a gás. 1.6.6 Aumento das folgas por desgaste
Este fator está ligado à temperatura máxima de operação da turbina, e à qualidade do combustível. 1.7 Vantagens e Desvantagens 1.7.1 Vantagens de uma turbina a gás •
Possui pequeno peso e volume;
•
Possui versatilidade;
•
Ocupam pouco espaço em relação às demais máquinas térmicas;
•
•
•
•
Pode ser utilizada em regiões onde não há abundância de água, o que não é possível com a turbina a vapor. Por não possuírem movimentos alternativos, possuem vantagens sob os motores alternativos, pois praticamente não possuem problemas de balanceamento e possuem baixo consumo de óleo lubrificante; Possuem vantagens sob as turbinas à vapor, pois não necessitam de fluido refrigerante. Possuem duas vantagens sob os motores diesel: têm uma ótima relação potência/peso, se comparadas a motores de pistão; são menores do que um motor de pistão com mesma potência;
1.7.2 Desvantagens de uma turbina a gás •
Possuem rendimento baixo;
•
Comparadas a motores de pistão de mesmo tamanho, são caras;
•
São de difícil projeto;
•
Operam a altas temperaturas;
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•
Tendem a consumir mais combustível quando estão em marcha lenta e preferem uma carga constante à variável.
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2 TURBINAS A VAPOR A turbina a vapor é uma máquina motriz que utiliza a elevada energia cinética da massa de vapor expandido, fazendo com que forças consideráveis, devidas à variação de velocidade, atuem sobre as pás do rotor. As forças, aplicadas às pás, determinam um momento motor resultante, que faz girar o rotor. Sua maior aplicação é no acionamento de bombas, ventiladores, compressores e geradores de energia elétrica. Também são usadas para acionamento de navios. O ciclo termodinâmico que descreve a operação de uma turbina a vapor é o ciclo Rankine. A figura 2-1 mostra duas turbinas a vapor.
(a)
(b) Figura 2-1: Turbinas a vapor.
2.1 Breve histórico A turbina a vapor moderna foi inventada em 1884, pelo britânico Sir Charles Parsons, cujo primeiro modelo foi ligado a um dínamo que gerava 7,5 kW (10 cv) de eletricidade. A invenção da turbina a vapor Parsons tornou mais barata a eletricidade para o transporte marítimo, revolucionando-o. Sua patente foi licenciada e a turbina foi dimensionada pouco depois pelo americano George Westinghouse. Após, uma série de outras variações de turbinas foram desenvolvidas para trabalhar eficazmente com vapor. Em 1890, Gustaf de Laval criou um tubo para acelerar o vapor a uma velocidade máxima antes de lançá-lo contra uma lâmina da turbina, esta ficou conhecida como a turbina de Laval. A partir disto, o impulso da turbina se tornou mais simples, menos dispendioso e não precisa ser à prova de
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pressão. Em 1900, as empresas E.U. Internacional Curtis Marine Turbine Company e John Brown & Company desenvolveram em conjunto as turbinas Brown-Curtis. Essas turbinas foram utilizadas em navios mercantes e navios de guerra. 2.2 Ciclo Rankine O ciclo Rankine é um ciclo termodinâmico baseado em quatro processos que ocorrem em regime permanente. Este ciclo é o ideal de potência a vapor. Seu estado 1 é líquido saturado e o estado 3 é vapor saturado (ou superaquecido). Seu nome foi dado em razão do matemático escocês William John Macquorn Rankine. A figura 2.2-1 mostra o diagrama T-s referente ao ciclo. Os processos que compões o ciclo são: •
1-2: Processo de bombeamento adiabático reversível, na bomba;
•
2-3: Transferência de calor e pressão constante, na caldeira;
•
•
3-4: Expansão adiabática reversível, na turbina (ou noutra máquina motora tal como a máquina a vapor); 4-1: Transferência de calor a pressão constante, no condensador.
Figura 2.2-1: Unidade motora simples a vapor que opera segundo um ciclo Rankine.
O rendimento térmico é definido pela seguinte relação:
(2)
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onde wliq é o trabalho líquido realizado pela turbina e q h é a taxa de calor transferida para o meio. Neste ciclo é útil considerar que o rendimento depende da temperatura média na qual o calor é fornecido e da temperatura média a qual o calor é rejeitado. Qualquer variação que aumente a temperatura média na qual o calor é fornecido, ou que diminua a temperatura média na qual o calor é rejeitado, aumentará o rendimento do ciclo Rankine. 2.3 Princípio de Funcionamento As turbinas acionadas a vapor possuem suas dimensões, formato, dutos de entrada, válvulas de emergência, válvulas de regulação e câmara de admissão determinadas pelo volume e pelas condições iniciais do vapor (temperatura e pressão). Após movimentar a turbina, o vapor retorna ao estado líquido e é bombeado de volta à caldeira, dando continuidade ao processo. A transformação do vapor em água novamente é feita com o auxílio de um circuito de água de refrigeração, o chamado condensador. Essa água pode provir de um rio, lago ou mar, dependendo da localização da usina. Ressalta-se que essa água de refrigeração não tem contato direto com o vapor, e somente circula no interior dos tubos do condensador. Quanto ao princípio de funcionamento, as turbinas a gás dividem-se em turbinas de ação e turbinas de reação. 2.3.1 Turbinas de ação
Nas turbinas de ação, a queda de pressão do vapor ocorre somente em peças estacionárias. Nelas predomina a força de impulsão, conforme a figura 2.3-1 e os estágios podem ser de dois tipos: estágio de pressão, conhecido como Rateau e estágio e velocidade, conhecido com Curtis.
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Figura 2.3-1: Força de impulsão.
Em um estágio de ação toda a transformação de energia do vapor em energia cinética ocorrerá nos expansores, em conseqüência haverá uma queda na pressão do vapor e um aumento da velocidade. Na roda de palhetas móveis não haverá expansão (queda de pressão), pois as palhetas móveis têm seção simétrica e que resulta em áreas de passagens constantes para o vapor. Não havendo expansão, a velocidade do vapor em ação às palhetas móveis ficará constante, não obstante, haverá uma queda de velocidade absoluta do vapor nas palhetas móveis, transformando assim a energia cinética, obtida nos expansores, em trabalho mecânico. 2.3.2 Turbinas de reação
Em uma turbina de reação comercial teremos sempre vários estágios, colocados em serie, sendo cada estágio constituído de um anel de expansores, também chamado de roda de palhetas fixas, seguido de uma roda de palhetas móveis. Tanto as palhetas fixas, como as palhetas móveis têm seção assimétrica, o que resulta em áreas de passagens convergentes, para o vapor em ambas. Por esta razão, em uma turbina de reação comercial, parte da expansão do vapor ocorrerá nas palhetas fixas e parte ocorrerá nas palhetas móveis. Nas palhetas fixas teremos, portanto, uma expansão parcial do vapor, resultando em uma queda de pressão e em um aumento da velocidade, conforme a figura 2.3-2.
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Figura 2.3-2: Princípio da reação.
Nas palhetas móveis ocorrerá o restante da expansão, resultando em uma segunda queda de pressão e em um aumento da velocidade do vapor em relação à palheta. Entretanto, mesmo havendo um aumento da velocidade do vapor em relação à palheta móvel, causada pela expansão, a velocidade absoluta do vapor nas palhetas móveis cairá, pois estas atuam, não só como expansores, mas também pelo princípio da ação, transformando a velocidade gerada em trabalho mecânico . 2.4 Classificação As turbinas a vapor são classificas da seguinte maneira: 2.4.1 Quanto a direção do movimento do vapor em relação ao rotor •
Axiais - o vapor se move em direção paralela ao eixo do rotor;
•
Radiais - o vapor se move em sentido perpendicular ao eixo do rotor;
•
Tangenciais - o vapor se desloca tangencialmente ao rotor.
2.4.2 Quanto a forma do vapor atuar no rotor •
De ação - o vapor se expande somente nos órgão fixos e não nos móveis, assim, a pressão é a mesma nos dois lados do rotor;
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•
•
De reação - o vapor se expande também no rotor, ou seja, em ambas as partes. Assim, a pressão do vapor na entrada da turbina é maior do que na saída; Mistas - quando uma parte da turbina é de reação e a outra é de ação.
2.4.3 Quanto a condição do vapor de escape • •
•
•
De escape livre - o vapor é liberado diretamente para a atmosfera; De condensador - ao sair da turbina, o vapor é liberado para um condensado, onde diminui sua pressão e temperatura antes de ser lançado para a atmosfera; De contra pressão - a pressão de escape do vapor é superior a pressão atmosférica. O vapor de escape é conduzido para dispositivos especiais para ser utilizado posteriormente. Combinadas - parte do vapor é separada antes de chegar a turbina e utilizada em outras funções.
2.4.4 Quanto ao estado do vapor na entrada da turbina • •
De vapor vivo - quando o vapor de entrada provém diretamente da caldeira; De vapor de escape - quando se utiliza a energia contida no vapor de escape de outra máquina.
2.5 Tipos Os tipos de turbinas são os seguintes: •
•
•
Turbina a vapor elementar de ação e de um só estágio: possui um único estágio de pressão e de temperatura, onde ocorre o salto térmico. A transformação de entalpia e energia cinética é feita nos bocais e a de energia cinética em trabalho, nas palhetas; Turbinas a vapor de ação de um só estágio de pressão e vários estágios de velocidade: a entalpia é transformada em energia cinética no bocal de entrada e a transformação da energia cinética em trabalho se dá em vários estágios de velocidade, separados por palhetas fixas. Turbinas a vapor de reação com um só estágio de velocidade e vários estágios de pressão: a queda total de pressão entre a entrada e a saída é subdividida em um certo número de quedas parciais, uma para cada estágio;
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•
•
•
Turbinas a vapor de reação de fluxo radial: o vapor flui no sentido radial do eixo até a periferia da máquina. Os sistemas de pás giram em direção contrária; Turbinas a vapor de contrapressão: O vapor de escape está liga a um aparato que utiliza vapor a uma pressão mais baixa; Turbinas a vapor Tandem-Compound: possui vários corpos. O vapor entra no corpo 1 (de alta pressão) onde se expande. Se introduz no corpo seguinte (de menor pressão), onde sofre nova expansão e sucessivamente.
2.6 Componentes Seguem os principais componentes de uma turbina a vapor. 2.6.1 Estator
É o elemento fixo da turbina (que envolve o rotor) cuja função é transformar a energia potencial (térmica) do vapor em energia cinética através dos distribuidores. Ver figura 2.6-1. 2.6.2 Rotor
É o elemento móvel da turbina (envolvido pelo estator) cuja função é transformar a energia cinética do vapor em trabalho mecânico através dos receptores fixos. A figura 2.6-1 mostra o rotor de uma turbina.
Figura 2.6-1: Estator, eixo do rotor e palhetas móveis de uma turbina a vapor.
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2.6.3 Expansor A função do expansor é orientar o jato de vapor sobre as palhetas móveis. No expansor o vapor perde pressão e ganha velocidade. Podem ser convergentes ou convergentes-divergentes, conforme sua pressão de descarga seja maior ou menor que 55% da pressão de admissão. São montados em blocos com 1, 10, 19, 24 ou mais expansores de acordo com o tamanho e a potência da turbina e conseqüentemente terão formas construtivas específicas, de acordo com sua aplicação. 2.6.4 Palhetas
São os componentes do rotor diretamente responsáveis pela conversão da pressão do vapor em velocidade (energia cinética). Podem ser fixas, fixadas no estator e solidárias aos diafragmas, ou móveis, aquelas fixadas ao rotor e solidárias ao eixo. As palhetas fixas (guias, diretrizes) orientam o vapor para a coroa de palhetas móveis seguinte. Podem ser encaixadas diretamente no estator (carcaça) ou em rebaixos usinados em peças chamadas de anéis suportes das palhetas fixas, que são, por sua vez, presos à carcaça. As palhetas móveis (figura 2.6-2) têm a finalidade de receber o impacto do vapor proveniente dos expansores (palhetas fixas) para movimentação do rotor. São fixadas ao aro de consolidação pela espiga e ao disco do rotor pelo “malhete” e, ao contrário das fixas, são removíveis.
Figura 4.6-2: Palhetas móveis.
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2.6.5 Diafragmas
É um disco fixo à carcaça onde são montada as palhetas fixas. Entre o eixo e o diafragma (figura 2.6-3) existe um conjunto de anéis de vedação que reduz a fuga de vapor de um para outro estágio através da folga existente entre diafragma-base do rotor, de forma que o vapor só passa pelos expansores. Estes anéis podem ser fixos no próprio diafragma ou no eixo.
Figura 2.6-3: Diafragma com anel de palhetas. 2.6.6 Disco do rotor
É a peça da turbina de ação destinada a receber o empalhetamento móvel. 2.6.7 Tambor rotativo
É basicamente o rotor da turbina de reação, que possui o formato de um tambor cônico onde é montado o empalhetamento móvel. 2.6.8 Coroa de palhetas
É o empalhetamento móvel montado na periferia do disco do rotor e dependendo do tipo e da potência da turbina pode existir de uma a cinco coroas em cada disco do rotor. É uma tira metálica, secionada, presa às espigas das palhetas móveis com dupla finalidade: aumentar a rigidez do conjunto, diminuindo a tendência à vibração das palhetas e reduzindo também a fuga do vapor pela sua periferia. São utilizadas nos estágios de alta e média pressão envolvendo de 6 a 8 palhetas cada seção. Nos estágios de baixa pressão, é substituído por um arame
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amortecedor, que liga as palhetas, não por suas extremidades, mas em uma posição intermediária mais próxima da extremidade que da base da palheta. 2.6.9 Labirintos
São peças metálicas circulantes com ranhuras existentes nos locais onde o eixo sai do interior da máquina atravessando a carcaça. Sua função é evitar a saída de vapor para o exterior nas turbinas não condensantes e não permitir a entrada de ar para o interior nas turbinas condensantes. 2.6.10 Deflectores de óleo
Tem por finalidade evitar que um possível vazamento axial de óleo, venha a contaminar o sistema de alimentação por intermédio da drenagem do engaxetamento, ou vice-versa, que o vapor venha a se condensar no mancal, causando a contaminação do óleo que ali trabalha. 2.6.11 Carcaça
A carcaça de uma turbina (figura 2.6-4) é a parte fixa que envolve o equipamento, possuindo as conexões de entrada e saída para o vapor. Também é o suporte das partes estacionárias tais como diafragmas, palhetas fixas, mancais, válvulas, etc. A grande maioria das turbinas são de partição horizontal, na altura do eixo, o que facilita a manutenção. Geralmente é envolvida por isolamento térmico para evitar perdas de calor e possíveis aquecimentos diferenciais.
(a)
(b)
Figura 2.6-4: Carcaça de uma turbina a vapor de aço inox austenítico (a) vista interna e (b) vista externa.
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2.6.12 Mancais de apoio (radiais)
São distribuídos, normalmente, um em cada extremo do eixo da turbina com a finalidade de manter o rotor numa posição radial exata. Os mancais de apoio suportam o peso do rotor e também qualquer outro esforço que atue sobre o conjunto rotativo, permitindo que o mesmo gire livremente com um mínimo de atrito. São na grande maioria mancais de deslizamento, constituídos por casquilhos revestidos com metal patente, com lubrificação forçada (uso especial) o que melhora sua refrigeração e ajuda a manter o filme de óleo entre eixo e casquilho. Ver figura 2.6-5.
Figura 2.6-5: Mancal radial. 2.6.13 Mancais de escora
Os mancais de escora (figura 2.6-6) são responsáveis pelo posicionamento axial do conjunto rotativo em relação às partes estacionárias da máquina, ou seja, pela manutenção das folgas axiais.
Figura 2.6-6: Mancal de escora.
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2.7 Fatores que Influenciam o Desempenho Os mecanismos de deterioração mais comuns que conduzem uma turbina a vapor a falha são apresentados a seguir: 2.7.1 Danos por corrosão
Problemas devido à corrosão em turbinas a vapor não são comuns, entretanto, quando existentes são de solução complexa, pois normalmente estão ligados ao projeto do sistema ou ao seu mau uso. A corrosão pode ser decorrente de processo eletroquímico, que exigem a presença de eletrólito para a sua ocorrência. Este pode ser oriundo da condensação do vapor durante a operação da máquina ou infiltrado a esta em períodos de inatividade ou de manutenção, quando esta não é devidamente condicionada. A exposição das palhetas a alta temperatura também pode resultar na oxidação do material das palhetas. 2.7.2 Danos por desgaste mecânico
A erosão é causada pela energia de impacto de um fluxo bifásico sobre as partes móveis e fixas da turbina, resultando em remoção do material, como por exemplo, o arraste de gotículas em alta velocidade em uma corrente de vapor. A abrasão é causada pelo impacto de partículas duras arrastadas pela corrente de vapor na superfície da palheta, resultando também em desgaste do material. 2.7.3 Danos térmicos
Falhas por fluência não são comuns em turbinas a vapor. Entretanto, estas podem ocorrer quando da admissão de fluído em temperatura superior a prevista, fator este que, associado a tensões resultantes da força centrifuga que atua sobre as palhetas, pode levar a manifestação de danos de fluência. A fadiga térmica ocorre pelo descontrole de vazão ou temperatura do vapor de resfriamento do rotor. A utilização de uma vazão muito alta de vapor de resfriamento causa resfriamento muito rápido e altas tensões térmicas nas palhetas durante a parada da máquina, tensões estas que podem gerar a nucleação de trincas e as falhas, principalmente quando este fenômeno se repete ciclicamente. Normalmente as falhas em uma turbina a gás acontecem devido às solicitações geradas por fatores externos a ela e não previstos, tais como:
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•
•
Manutenção indevida do equipamento, como por exemplo: o atrito ou roçamento das palhetas em outros componentes devido a deslocamentos indevidos do eixo resultantes de uma manutenção de má qualidade. Especificação incorreta do equipamento para as condições de uso, como por exemplo, quando o equipamento instalado não é projetado para as exigências do processo, tais como: tipo de fluído a ser admitidos, grau e natureza dos contaminantes ou temperatura de admissão, presença de condensado.
Operação do equipamento em condições diferentes das previstas no seu projeto, como por exemplo, quando variações no processo produtivo resultam em admissão de produto em temperaturas diferentes ou com graus de contaminantes ou condensação diferentes dos indicados nos dados operacionais de projeto. A figura 2.7-1 mostra as regiões de maiores ocorrências de falhas em uma turbina a gás. •
Figura 2.7-1: Regiões de ocorrências de falhas em uma turbina a gás.
Dividindo estas falhas mecanicamente, temos: •
•
Mancais - Os danos podem ser causados por lubrificação deficiente ou vibração excessiva ou ainda alguma solicitação inadequada. Labirintos - Desgaste ou roçamento devido a deslocamento axial excessivo. Incrustações e Depósitos nas Palhetas: Causados por qualidade deficiente da água. Normalmente depósito de sais.
42
•
•
Erosão das Palhetas - Principalmente as palhetas dos últimos estágios de turbinas condensantes ou em turbinas de contra-pressão devido a presença de condensado no vapor, vapor sem o grau de superaquecimento necessário. Segmentos Injetores - Alguns problemas possíveis nos segmentos de injeção são as bordas de saída do vapor desgastadas devido a impacto de partículas sólidas ou impacto por elementos sólidos.
2.8 Vantagens e Desvantagens 2.8.1 Vantagens das turbinas a vapor •
Utilização de vapor a alta pressão e alta temperatura;
•
Alta eficiência;
•
Alta relação potência/tamanho;
•
Operação suave, quase sem vibração;
•
Não há necessidade de lubrificação interna;
•
Vapor na saída sem óleo.
2.8.2 Desvantagens das turbinas a vapor •
É necessário um sistema de engrenagens para baixas rotações;
•
A turbina a vapor não pode ser feita reversível;
•
A eficiência de turbinas a vapor simples pequenas é pobre.
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3 CICLO COMBINADO Ciclo combinado é o emprego de mais que um ciclo térmico em uma planta, ou seja, em uma única planta existem turbinas a gás e a vapor associadas, conforme o ciclo de Brayton e o ciclo de Rankine. O calor proveniente da combustão presente nos gases de exaustão da turbina a gás é recuperado nos HRSGs (Heat Recovery Steam Generators ou Geradores de Vapor de Recuperação de Calor), produzindo o vapor necessário para o acionamento da turbina a vapor. Assim, utilizando a mesma quantidade de combustível é possível gerar maior quantidade de energia elétrica, obtendo ganhos significativos no rendimento da planta.
(a)
(b)
Figura 3-1: (a) Esquema de um ciclo combinado e (b) diagrama da temperatura vs entropia para um ciclo combinado.
Na figura 3-1b, observam-se os dois ciclos sobrepostos. O superior corresponde ao ciclo Brayton (turbina a gás) e o inferior ao ciclo Rankine (turbina a vapor). Como se observa, em termos de temperatura estes dois ciclos se complementam, já que o ciclo Rankine trabalha numa faixa de temperaturas mais baixas que o ciclo Brayton. Esta característica é muito boa e permite aumentar muito a eficiência global da geração. As turbinas isoladas normalmente não conseguem ir
44
além de uma eficiência em torno de 30%, em ciclos combinados a eficiência global aumenta para algo em torno de 50%. Como potência que se obtém do ciclo é proporcional à área dentro de cada uma das figuras que representam os ciclos, temse para o ciclo combinado o aumento da área total (soma das duas), e, portanto, o trabalho mecânico que o ciclo gera. 3.1 Vantagens e Desvantagens 3.1.1 Vantagens do ciclo combinado •
Alta eficiência térmica;
•
Capacidade de ser construído em módulos;
•
Possibilidade de operação somente da turbina a gás e a turbina vapor ociosa;
•
Queima de combustível menos nobre;
•
Unidades de menor porte.
3.1.2 Desvantagens do ciclo combinado •
Mais custo de investimento;
•
Operação mais completa.
3.2 Equação da Eficiência Térmica A eficiência térmica do ciclo combinado pode ser definida como sendo a razão entre o valor do trabalho líquido produzido e o calor adicionado ao ciclo. A equação que a descreve é a seguinte:
(3)
onde a potência produzida em cada turbina (W t.gás e W t.vapor) e a potencia consumida pelo compressor (W compressor) e pela bomba do ciclo a vapor (W bomba) são dadas, respectivamente, por:
(4)
(5)
45
(6)
(7)
O calor adicionado ao ciclo é calculado considerando o poder calorífico do combustível e sua vazão mássica:
(8)
46
CONCLUSÃO Ao comparar as turbinas a vapor e as turbinas a gás, notou-se que estas últimas são de menor porte, o que resulta em uma maior versatilidade. Além de não necessitarem de um fluido de refrigerante, estas podem ser utilizadas em regiões que não possuam água em abundância. Já as turbinas a vapor possuem maior eficiência, pelo uso de altas temperaturas e pressões, operam de forma suave e o vapor da saída não contém óleo. Assim, o tipo de turbina a ser empregado depende da aplicação e do combustível disponível. O crescimento populacional em todo o mundo exigiu uma grande demanda de energia elétrica, ocasionando o desenvolvimento de tecnologias em turbinas. Esta evolução ao passar do tempo trouxe diversas modificações para os sistemas, tornando-os mais eficientes e reduzindo os custos das instalações. Atualmente, estima-se que 80% da energia elétrica fornecida no mundo é gerada por turbinas a vapor. Já a turbina a gás é muito utilizada na aviação e em usinas nucleares, onde o sistema, geralmente, opera em ciclo fechado. O ciclo combinado se tornou uma alternativa para melhorar a eficiência do sistema em relação ao ciclo simples. Porém, a tecnologia dos equipamentos para o ciclo combinado ainda possuem um custo/benefício elevado, sendo este um impasse para a ampliação de sua utilização.
