Turbinas

PASSOS

Passo 1 (Aluno)

Pesquisar sobre a evolução das turbinas a gás e o desenvolvimento que esse equipamento trouxe para as atividades industriais, suas características gerais de funcionamento e seus principais componentes, seus ciclos de funcionamento, suas aplicações e as vantagens e desvantagens desse equipamento.

Bibliografia complementar

• MORAN, Michael J.; SHAPIRO, Howard N.; MUNSON, Bruce R. Introdução à

Engenharia de Sistemas Térmicos. 1. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2005.

• VAN WYLEN, Gordon J.; SONNTAG, Richard E.. Fundamentos da Termodinâmica

Clássica: tradução da 4º ed. 1. ed. São Paulo: Edgard Blucher, 2004

Turbinas a Gás

A primeira turbina a gás foi desenvolvida a cerca de 150 anos, a partir dos conhecimentos adquiridos com a evolução dos motores térmicos.

É uma máquina térmica na qual aproveita-se diretamente a energia liberada na combustão, armazenada nos gases produzidos que se expandem, de forma parecida com a energia nas turbinas a vapor, sobre as palhetas móveis de um rotor.

O grande avanço nas turbinas a gás ocorreu na época da 2ª Guerra Mundial devido a aeronáutica, que tinha necessidade de aumentar a velocidade de seus aviões e continuou com a industrialização pós-guerra, com instalações de potência a gás.

Por fim, com o desenvolvimento da metalurgia nos últimos 30 anos foi possível obter materiais que suportam temperaturas mais elevadas (superiores a 500ºC), que permitiram o desenvolvimento das turbinas a gás modernas.

Elementos Construtivos

A turbina a gás é mais simples que podemos imaginar, tal como mostra a figura 1.1, é constituída basicamente pelos seguintes elementos:

Figura 1.1 Esquema de uma instalação com turbina a gás em circuito aberto, estacionária, sem recuperação. I - Turbocompressor; II - Câmara de combustão; III - Turbina a gás; IV - Alternador; V - Motor de arranque e excitatriz.

a) Compressor de Ar

O compressor de ar da turbina a gás pode ser centrífugo ou axial (vide figuras a seguir) e ambos estão constituídos por um rotor e um difusor, o que constitui um salto (estágio). Geralmente, são constituídos por vários saltos (estágios), o que permite a instalação de resfriadores intermediários que melhoram o rendimento da instalação, ao reduzir a temperatura do ar entre uma compressão e outra. Com relação ao rendimento, o compressor axial apresenta um maior rendimento que o compressor centrífugo, figura 1.2

Figura 1.2 Compressor centrífugo para turbina a gás. G - rotor; D - difusor e A - entrada de ar.

Figura 1.3 Compressor axial simples para turbinas a gás. G - rotor; D – difusor

b) Câmara de Combustão

A câmara de combustão pode ser simples ou múltipla. As múltiplas são sempre tubulares e as simples podem ser tubulares e anulares. Por sua vez todos estes tipos podem ser de construção horizontal ou vertical. As horizontais são montadas em cima ou ao redor da turbina a gás; as verticais são montadas ao lado da turbina a gás.

A câmara de combustão realiza as operações de:

• Pulverização do combustível;

• Vaporização do combustível;

• Misturar ar-combustível;

• Combustão da mistura e

• diluição dos produtos de combustão.

Cada um destes processos não tem uma zona (região) pré-determinada da câmara de combustão.

As câmaras de combustão tubulares horizontal, fig. 1.4 e vertical, fig. 1.5, adaptam-se melhor aos compressores centrífugos e as câmaras de combustão anulares, fig. 1.6, aos compressores axiais.

Figura 1.4 Câmara de combustão tubular horizontal, para turbina a gás.

Figura 1.5 Câmara de combustão tubular, de construção vertical, para turbina a gás.

Figura 12.7 Esquema de câmara de combustão anular.

c) Sistema de Alimentação de Combustível

É constituído de um reservatório e um pulverizador de refluxo.

Figura 12.8 Pulverizador de refluxo para turbina de gás.

A - conduto de entrada d decombustível; V - câmara anterior à entrada ; T - orifícios de entrada à câmara V; U e R - orifícios para refluxo de combustível.

Geralmente, a quantidade de combustível que chega ao injetor é constante e as variações na quantidade injetada se efetuam variando a quantidade de refluxo mediante uma válvula intercalada no conduto de retorno ao depósito.

d) Turbina

A Turbina a gás pode ser axial ou radial. As axiais são as mais utilizadas. São constituídas de forma parecida às turbinas a vapor e podem ser de ação ou reação.Figura 12.9 Turbina axial elementar para turbinas a gás. G - rotor; D - difusor. As figuras 12.10 e 12.11 mostram respectivamente uma foto e um corte longitudinal de uma turbina a gás de vários estágios. Figura 12.10 Rotor de uma turbina a gás Siemens de 12 MW, em curso de montagem.Figura 12.11 Seção longitudinal de uma turbina a gás Siemens de 12 MW. e) Trocador de Calor (Regenerador) São utilizados para aquecer o ar que saí do compressor e que se injeta na câmara de combustão, às custas do calor contido nos gases de escape que saem da turbina a gás, aumentando o rendimento. A construção é bastante parecida com a dos radiadores normais; neles as correntes quente e fria estão separadas por paredes condutoras, através das quais se realiza diretamente o intercâmbio de calor. Podem ser do tipo tubular simples, tubular com chicanas ou de placas onduladas. Figura