Tipos De Turbina

Evolução da Turbina a Gás

Primeiro, vamos ressaltar a semelhança entre as turbinas a gás e as turbinas a vapor,

pois elas possuem uma história em comum e a idéia para ambas surgiram simultaneamente

(GIAMPAOLO, 2006).

Em 130 antes de Cristo aproximadamente, um filósofo e matemático egípcio, Hero

de Alexandria, inventou um brinquedo que rodava sobre uma pequena caldeira de água,

esse brinquedo era o “Aeolipile”. Com isso ele verificou o efeito da reação do ar quente ou

o vapor movimentando por alguns bocais sobre uma roda. Logo abaixo se observa uma

imagem do invento de Hero

Em 1232, os chineses descobrem a pólvora e com ela constroem os primeiros

foguetes, usando de forma empírica o princípio da ação e reação.

Por volta de 1550, Leonardo da Vinci criou um dispositivo chamado por ele de

“macaco de chaminé”, esse equipamento girava pelo efeito dos gases quentes subindo a

chaminé. Ele inventou um dispositivo que usava o ar quente para girar um espeto, descrito

Em 1629, o engenheiro italiano Giovanni Branca desenvolveu uma oficina de

estampagem que utilizava jatos de vapor para girar uma turbina que então, cedia trabalho

para o maquinário

No ano de 1687, Isaac Newton anuncia as leis do movimento. Em especial a

terceira lei de Newton que afirmava haver um equilíbrio entre ação e reação: “Para cada

ação haverá uma reação de mesma intensidade e força, mas em sentido oposto”.

Com base nessas leis, Newton Vislumbrou um veículo movido através de jatos de

vapor (figura 4). Estas leis formaram a base da teoria da propulsão moderna

Em 1791, o inglês John Barber registrou a patente de um motor movido por uma

turbina a gás , utilizando o ciclo termodinâmico das modernas turbinas de gás.

Embora projetado para ser um motor fixo para uso industrial, o aparelho empregava um

gerador de gases constituído por compressor, câmara de combustão e roda de turbina,

componentes estes que são fundamentais nas turbinas atuais. Todavia, este motor nunca foi

fabricado, não deixando de constituir um mero projeto.

No ano de 1808 John Dum Ball imaginou uma turbina multi-estágio. Infelizmente a

idéia consistia apenas em mover as lâminas sem aerofólios fixos para transformar o fluxo

em cada uma das fases posteriores. Tivesse ele percebido a necessidade de uma fase

estacionária entre cada fase de rotação, estaria originado o conceito de uma turbina axial.

Em 1837, na França, Bresson teve a idéia de usar uma espécie de ventilador para

movimentação do ar, misturado com um gás combustível e queimado. Estes produtos de

combustão seriam resfriados por adição de mais ar, e este produto final foi usado para

conduzir lâminas de uma turbina. Entretanto não existem provas de que esse dispositivo

tenha sido alguma vez construído.

Dumball e Bresson consideraram em suas concepções todos os componentes das

atuais turbinas com combustão a pressão constante. Porém a primeira turbina com essas

características só foi realmente construída entre os anos de 1900 e 1904 por J.F. Stolze que

a planejou anos antes (1872) combinando as idéias de Jonh Barber e John Dumball e não a

construiu antes devido a falta de fundos para tal investimento. O equipamento foi

testado durante quatro anos, mas nunca funcionou com efetividade

O grande desenvolvimento dos estudos teóricos da termodinâmica a partir de

meados do século XIX foi o que impulsionou o surgimento de melhores protótipos de

turbinas.

Neste mesmo período, no início do século XX outras tentativas visando o

desenvolvimento das turbinas ocorreram. Podemos citar: Armengaud e Charles Lemale,

que em 1903 construíram e testaram em Paris uma turbina a gás com injeção de água para

resfriamento, mas não conseguiram potência efetiva; a General Eletric Co. também em

1903 iniciou o desenvolvimento de uma turbina a gás sob ajuda do Dr. Sandford A. Moss,

que iniciou o assunto nos Estados Unidos;

Outros tentaram também desenvolver as turbinas a gás, mas sempre com baixos

níveis de eficiência. O grande salto na evolução das turbinas ocorreu quando começaram a

ser realizados testes para o uso de turbinas no ramo aeronáutico, isso foi iniciado pouco

antes da segunda guerra mundial. O seu baixo peso e pequeno volume foram as razões

principais para tal investimento. O primeiro motor com essa finalidade de propulsão

aeronáutica foi produzido por Frank Whittle (nascido em Earlsdon, distrito de Coventry,

Warwickshire, West Midlands) em 1937, anteriormente (1930) Whittle já havia patenteado e concebido a utilização da reação ou jato como meio de propulsão.

Nesta mesma época o estudo da aerodinâmica também avançou muito, e com esta

conjunção consolidassem o uso das turbinas a gás e acelerasse sua expansão e evolução

significativamente. Nos anos 70 cerca de 100% dos aviões de grande porte já eram

impulsionados por turbinas.

Com isso, a aplicabilidade das turbinas também foi aumentando, e elas começaram

a ser utilizadas na área industrial. A primeira instalação é de 1949 em St. Denis, França, e

atingia uma potência de 12,5MW (GIAMPAOLO, 2006).

Esse desenvolvimento veio até os dias atuais, e hoje as TG têm múltiplas utilidades

e são usadas para propulsão aeronáutica, naval, na geração de eletricidade, acionamento de

equipamentos e são utilizadas em ciclos combinados.

Nas Plataformas offshore, as turbinas a gás tem sido nos últimos anos a melhor

opção nas plantas de geração de energia. As últimas plataformas da Petrobras construídas

(P-51, P-52 e P-53) possuem turbinas da Rolls-Royce (tipo RB-211) nos módulos de

geração de energia.

Turbina a gas e seu desenvolvimento que esse equipamento trouxe para as atividades industriais

O desenvolvimento das turbinas a gás começou paralelamente ao desenvolvimento do motor a vapor.

A primeira patente relativa ao antecessor da moderna turbina a gás foi concedida em 1791.

No entanto, a turbina a vapor difundiu-se no mercado enquanto a turbina a gás enfrentou problemas tecnológicos decorrentes da falta conhecimentos sobre aerodinâmica, necessários para o projeto de compressores eficientes, e decorrentes da inexistências de materiais adequados para resistir às altas temperaturas.

Somente a partir da década de 30, a turbina a gás tornou-se um produto comercial devido à necessidade da indústria aeronáutica de desenvolver propulsão com menor relação peso/potência.

Atualmente, as turbinas a gás são classificadas, de acordo com a aplicação, em:

• Industriais;

• Aero derivativas.

e, em relação aos aspectos construtivos, elas podem ser classificadas em:

• Eixo Simples;

• Eixo Duplo;

• Compressor Dual;

• Regenerador;

• Resfriador Intermediário;

Aplicações

Seu campo de aplicação é o mais variado possível e o mais amplo dentre os diversos tipos de motores. Inicialmente elas foram desenvolvidas objetivando fornecimento de trabalho mecânico. Entretanto, o desenvolvimento efetivo só ocorreu em virtude de sua aplicação na aeronáutica como elemento propulsor (reator). Enquanto fornecedores de trabalho mecânico as turbinas a gás tem sido utilizadas, de maneira geral, como elemento propulsor para navios; aviões (hélice); no setor automotivo, ferroviário e, principalmente, como acionador de estações “booster” de bombeamento (oleodutos e gasodutos) assim como também na geração de eletricidade, principalmente, nas centrais de ponta e sistemas “Stand-by” e em locais onde peso e volume são levados em conta como o caso das Plataformas “Off-shore” de extração de petróleo. Também são usadas em locais remotos e de difícil acesso e instalação, pois a sua alta confiabilidade aliada à simplicidade de operação permitem inclusive que elas sejam operadas à distância.

Características Gerais e seu Principal Funcionamento

As turbinas a gás são acionadas pelos próprios gases quentes, produto da combustão, o que dispensa a utilização de um fluido de trabalho intermediário, como o vapor, ou outro fluído. Isto leva a unidades mais compactas, para os mesmos níveis de produção de potência. Não apresentam uma flexibilidade em relação ao combustível a ser utilizado, assim não se recomenda a utilização dos que produzem resíduos sólidos (cinzas), pois podem comprometer elementos do equipamento

.Câmara de Combustão

.Compressores Axiais

.Turbinas axiais

.Sistema de entrada de ar

.Sistema de exaustão

Ciclo de Funcionamento

As TG’s funcionam admitindo ar em condição ambiente ou refrigerado. O ar entra no compressor, onde ocorre compressão adiabática com aumento de

pressão e conseqüentemente também aumento detemperatura. Cada estágio do compressor é formado or uma fileira de palhetas rotativas que impõem

movimento ao fluxo de ar (energia cinética) e uma

fileira de palhetas estáticas, que converte a energia

cinética em aumento de pressão.

O ar pressurizado (e aquecido), segue para as câmara

de combustão, onde também é alimentado com um

combustível que pode ser gasoso ou líquido. Na

combustão ocorre um aumento de temperatura a

pressão constante, produzindo um aumento de volume

do fluxo de gases.

Estes gases quentes e pressurizados acionam a

turbina de potência, gerando trabalho mecânico.

Depois, os gases, ainda quentes, são finalmente

liberados ainda em alta temperatura

Nas turbinas a gás, o compressor utilizado geralmente

trabalha com fluxo axial, tipicamente com 17 ou 18

estágios de compressão. Cada estágio do compressor

é formado por uma fileira de palhetas rotativas que

impõem movimento ao fluxo de ar (energia cinética) e

uma fileira de palhetas estáticas, que utiliza a energia

cinética para compressão. O ar sai do compressor a

uma temperatura que pode variar entre 300°C e

450°C.

Cerca de metade da potência produzida pela turbina

de potência é utilizada no acionamento do compressor

e o restante é a potência líquida gerada que

movimenta um gerador elétrico.

Saindo da câmara de combustão, os gases têm

temperatura de até 1250°C. Após passar pela turbina,

os gases são liberados ainda com significante

disponibilidade energética, tipicamente a temperaturas

entre 500 e 650 celsius.

Considerando isso, as termelétrica mais eficientes e

de maior porte aproveitam este potencial através de

um segundo ciclo termodinâmico, a vapor (ou Ciclo

Rankine). Estes ciclos juntos formam um ciclo

combinado, de eficiência térmica freqüentemente

superior a 60%, ciclos simples a gás têm tipicamente

35%.

Turbinas projetadas para operar em ciclo simples,

tendo em vista a eficiência térmica do ciclo, têm

temperatura de saída de gases reduzida ao máximo e

têm otimizada taxa de compressão. A taxa de

compressão é a relação entre a pressão do ar na

entrada da turbina e na saída do compressor. Por

exemplo, se o ar entra a 1 atm, e deixa o compressor

a 15 atm, a taxa de compressão é de 1:15.

A passagem dos gases quentes gera forças, que

aplicadas às pás da turbina, determinam um momento

motor resultante, que faz girar o rotor.

Num ciclo Brayton real, a compressão exercida pelo

compressor e a expansão na turbina não são

isoentrópicos. Em outras palavras, estes processos

não são reversíveis, e a entropia se modifica durante

os processos (tende a aumentar devido a SLT). Outro

fator se trata do atrito do fluido que resulta em perda

de pressão na câmara de combustão, nos trocadores

de calor e na entrada e saída dos tubos de exaustão

Vantagens e Desvantagens

Existem duas grandes vantagens da turbina sobre o diesel:

• Turbinas a gás têm uma ótima relação potência/peso, se comparadas a motores a pistão. Isso quer dizer que a quantidade de potência que se consegue do motor comparada ao seu próprio peso é muito boa.

• Turbinas a gás são menores do que motores a pistão de mesma potência.

A principal desvantagem de turbinas a gás é que, comparadas a motores a pistão do mesmo tamanho, elas são caras. Por girar a velocidade muito alta e por causa das altas temperaturas de operação, o projeto e a construção são dificeis, tanto do ponto de vista da engenharia quanto dos materiais. Turbinas a gás também tendem a consumir mais combustível quando estão em marcha lenta e preferem uma carga constante à variável. Isso torna turbinas a gás excelentes para algo como aviões a jato e usinas

Turbina a Vapor

Nessas instalações, como vimos, o combustível é queimado em uma caldeira, e seus gases quentes geram vapor de alta pressão. Este vapor expande-se através da turbina, acionando um gerador elétrico.

Há dois tipos básicos de turbinas a vapor : as sem condensação, ou de contrapressão, e as de condensação. As de contrapressão têm, em sua exaustão, vapor à pressão adequada para ser usado em processo. Se for exigido vapor à pressão mais alta, pode-se extraí-lo da turbina durante a fase de expansão.

Nas turbinas ditas de condensação, extrai-se vapor à pressão desejada durante a fase de expansão, enquanto o restante continua expandindo-se até a condensação, gerando energia adicional. Neste caso, a relação potência / calor é consequentemente mais alta, mas o ciclo global de cogeração tem eficiência menor. Entretanto, por serem mais flexíveis e produzirem mais eletricidade, as turbinas de condensação são escolhidas em determinadas aplicações.

De modo geral, as turbinas a vapor apresentam as seguintes características:

• São especialmente adequadas para instalações de porte, com queima de carvão, óleo combustível pesado ou rejeitos industriais como o bagaço da cana.

• Têm uma eficiência térmica relativamente baixa, porém com a vantagem de obtenção de calor às temperaturas necessárias.

• O custo por KW é alto, e o tempo de instalação longo.

• A relação potência / calor é variável ao longo de uma ampla faixa, o que dá flexibilidade à operação.

• Exigem áreas grandes e quantidades significativas de água de refrigeração.

• Têm alta disponibilidade.

A baixa eficiência térmica de uma instalação caldeira/turbina a vapor torna economicamente desaconselhável o uso de combustíveis de alto valor, como o gás natural. Desta forma, são mais usadas com carvão ou óleos pesados, onde o custo do combustível pode ser melhor recuperado.

Turbina a Gás

Nas turbinas a gás, o ar é aspirado na entrada, comprimido a 15 ou 20 vezes a pressão atmosférica, e então misturado ao combustível na câmara de combustão. Os gases quentes aí produzidos impulsionam a turbina, que aciona o compressor de ar e um gerador elétrico ou outro equipamento rotativo.

Nas instalações de cogeração, os gases de exaustão da turbina passam por uma caldeira de recuperação de calor, onde produz-se vapor na pressão desejada. O vapor assim obtido pode ser usado diretamente, ou expandido através de uma turbina a vapor, gerando mais energia. Neste caso, temos o chamado "Sistema de Ciclo Combinado" (CCGS), solução adotada geralmente pelas termelétricas a gás natural. Qualquer dos dois tipos de turbina a vapor discutidos em 2.2 pode ser usado.

Destacam-se as seguintes particularidades das turbinas a gás:

• São adequadas para faixas de potência, desde 5 MW até 1.725 MW, como tem a Enron em Teeside, Inglaterra.

• O combustível é limitado ao gás ou derivados leves da refinação do petróleo, como distilado, querosene ou nafta.

• O tempo de instalação é curto, embora com prazos de entrega atuais dilatados.

• Em ciclo aberto, a eficiência térmica é baixa (30 a 35%), mas em ciclo combinado pode chegar a 50-55%, o mais alto de todos os tipos de acionador.

• A relação potência / calor é flexível.

• O custo por KW é relativamente baixo.

Relatório

Turbina e centrais a gás

As Turbinas a gás são máquinas extraordinárias e complexas, como foi visto. Seu

uso nas plataformas petrolíferas esta consolidado não só nas unidades de produção da

Petrobras, mas em todas as empresas do ramo. Grandes empresas como Rolls-Royce,

General Electric e Siemens dominam o mercado que deve acirrar-se ainda mais com a

descoberta da camada Pré-sal na costa brasileira trazendo necessidade da realização de

investimentos gigantescos para a área.

A disputa entre essas empresas faz aumentar a velocidade de evolução das turbinas

aero derivativas no uso naval tanto na propulsão tanto na geração de energia elétrica.

As plataformas de petróleo têm no sistema de geração de energia seu coração,

tamanha a sua importância no funcionamento das embarcações e na produção de petróleo.

Demonstrou-se que, devido às suas características, as turbinas a gás são as máquinas

primárias que melhor se adaptam para desempenhar a função de motor principal no

conjunto gerador de energia, compondo com os motores diesel que podem funcionar em

funções auxiliares do sistema de geração de energia elétrica.

Além disso, há a oportunidade do uso da cogitação de energia elétrica com a

utilização conjunta de turbinas a vapor, aumentando consideravelmente a eficiência do

sistema. A existência de gás natural disponível em larga escala a bordo das plataformas,

também é um motivo para que se usem as TG ao invés do outros tipos de motores. Seu

peso e ocupação reduzida de espaço comparado com o motor diesel é uma vantagem

adicional, principalmente nas plataformas que possuem grande quantidade de

equipamentos instalados e pouco espaço disponível.