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TURBINAS A VAPOR Prof. Paulo Cesar C. Pinheiro Dept. Engenharia Mecânica da UFMG Maio 2012 Introdução A turbina a vapor é um dos equipamentos mais versáteis, sendo amplamente utilizado em termelétricas, propulsão marítima e indústrias de processos em geral, principalmente onde se requer energia elétrica e energia térmica para aquecimento. Exemplos de uso de turbinas a vapor na indústria: – Usina de Açúcar e Álcool – Indústria de Papel e Celulose; – Indústria Petroquímica – Indústria Alimentícia – Usinas de Processamento de Lixo Vantagens e Desvantagens Vantagens da Turbina a Vapor – Utilização de vapor a alta pressão e alta temperatura. – Alta eficiência. – Alta velocidade de rotação. – Alta relação potência/tamanho – Operação suave, quase sem vibração. – Não há necessidade de lubrificação interna. – Vapor na saída sem óleo. – Pode ser construído com diferentes potências: unidades pequenas (1 MW) ou muito grandes (até 1200 MW). Desvantagens da Turbina a Vapor – É necessário um sistema de engrenagens para baixas rotações. – A turbina a vapor não pode ser feita reversível. – O rendimento das turbinas a vapor simples pequenas é baixo. Instalação de Uma Turbina a Vapor Turbina a Vapor Ciclo de Rankine Ciclo da Turbina a Vapor Classificação Quanto a direção do vapor em relação ao rotor: - Turbinas axiais: o vapor se move dentro do rotor em direção paralela ao eixo. As mais comuns. - Turbinas radiais: o vapor se desloca em sentido perpendicular ao eixo da turbina. - Turbinas tangenciais: o vapor se desloca tangencialmente ao rotor. Quanto a atuação do vapor no rotor: - Turbinas de ação: quando o vapor se expande somente nos elementos fixos (pás diretrizes e bocais) e não nos elementos móveis (pás do rotor). A pressão é a mesma sobre os dois lados do rotor. - Turbinas de reação: quando o vapor se expande também no rotor. A pressão de vapor na entrada do rotor é maior que na saída do mesmo. - Turbinas mistas: quando uma parte da turbina a vapor é de ação e outra parte de reação. Classificação Quanto ao número e classe de escalonamentos: - Turbinas de um rotor - Turbinas vários rotores: - Turbinas com escalonamento de velocidade - Turbinas com escalonamento de pressão - Turbinas com escalonamento de velocidade e de pressão Quanto ao número de pás que recebem o vapor: - Turbinas de admissão total: o vapor atinge todas as pás do distribuidor. - Turbinas de admissão parcial: o vapor atinge somente uma parte das pás do distribuidor. Classificação Simples - Estagio Impulso Toda a queda de Pressão ocorre no bocal. A Velocidade diminui através dos rotores. Velocidade – Impulso Compound (Curtis) Classificação Estágio de Reação Pressão diminui continuamente. Velocidade aumenta no estator e diminui no rotor. Eficiente. Classificação Quanto a condição do vapor de escape: -Turbinas de escape livre: o vapor sai diretamente para a atmosfera. A pressão de escape é igual a pressão atmosférica. -Turbinas de condensador: existe na saída um condensador onde o vapor é condensado diminuindo a pressão e temperatura. A pressão de escape é inferior a pressão atmosférica. -Turbinas de contrapressão: a pressão de escape do vapor é superior a pressão atmosférica. O vapor de escape é utilizados em outros equipamentos do processo. - Turbinas combinadas: parte do vapor é extraída num certo estágio da turbina e utilizada no processo, e o resto do vapor passa por todos os estágios da turbina saindo para a atmosfera ou para o condensador. Classificação Quanto ao estado do vapor na entrada: - Turbinas de vapor vivo: o vapor de entrada vem diretamente da caldeira. - de vapor saturado - de vapor superaquecido - Turbinas de vapor de escape: utiliza o vapor rejeitado por outra máquina térmica (máquina térmica, turbina de contrapressão). Normalmente funciona com vapor saturado. Funcionamento Geral Vapor a alta pressão entra nos bocais, que são as passagens formadas pelas pás estacionárias. As pás estacionárias redirecionam o vapor ao encontro das pás moveis. A direção do escoamento de vapor muda de direção à medida que escoa nos canais entre as pás estacionárias. A mudança de direção gera uma força sobre as pás móveis. Esta força move o eixo da turbina, rotacionando-a e produzindo potência de eixo. Turbina a Vapor Pás móveis - presas ao eixo. Pás estacionárias - presas à carcaça. Válvula de controle - regula o fluxo de vapor. Turbina - tem vários estágios de pressão: alta, média e baixa pressão (direita para esquerda) Vapor a alta pressão - move a turbina (3600 rpm). Gerador elétrico - conectado diretamente ao eixo da turbina. Turbina de Condensação (8,5 MW e 18.000 rpm), vapor T = 100 °C a 250 °C e p = 0,3 bar a 6 bar, com vazão de 6 t/h a 64 t/h. Turbina a Vapor Funcionamento Geral Mudança do momento radial aciona o rotor. Turbina: converte energia térmica do vapor em trabalho mecânico. Conversão de energia: ocorre em duas etapas. Passo 1 - Bocal: Entalpia => Energia Cinética Passo 2 – Pás: Energia Cinética => Trabalho Mecânico Conversão de Energia no Bocal Bocal convergente = > usado para quedas de pressão menores (pressão de saída maior do que 0,577 x pressão de entrada). Bocal Convergente-Divergente Bocal convergente- divergente => utilizado para grandes quedas de pressão. Pá móvel Ideal =>Máx Eficiência da Turbina Velocidade absoluta do vapor próximo de zero na saída Velocidade da pá igual à metade da velocidade do vapor. Estágio de Ação (Rateau) A queda de pressão e de entalpia (e aumento da velocidade) ocorre nos bocais. Após passar pelos bocais, o Vapor atinge a pá da turbina a alta velocidade, transfere quantidade de movimento e sai com velocidade menor. Pás Moveis - Estágio de Ação Triângulo de Velocidade - Estágio de Ação Turbina de Ação Simples Turbina de Ação Composição de velocidade (para diminuir a velocidade do rotor). Turbina (Método) Curtis Um bocal (queda total de pressão), uma fileira de pás móveis, uma fileira de pás fixas, uma fileira de pás móveis (estágio Curtis) Recomendado para altas pressões iniciais. Turbina de Ação Composição de pressão (para diminuir a velocidade do rotor). Turbina (Método) Rateau Dois ou mais estágios de ação (estágio Rateau). Cada estágio tem uma fileira de bocais e uma fileira de pás móveis. Cada estágio é separado da outra por partições ou diafragmas. Aumenta a eficiência ao utilizar pressões menores, permitindo que a turbina trabalhe com velocidades razoáveis. Turbina de Ação Composição de velocidade e pressão (para diminuir a velocidade do rotor). Um estágio Curtis seguido de vários estágios Rateau. Muito utilizado em turbogeradores pois permite trabalhar com velocidade de pás menores. Composição com Pressão Constante Estágio de Reação (Parsons) As pás, tanto fixas quanto móveis, atuam como bocais, de tal forma que ocorre queda da pressão e da entalpia em ambas as passagens. Estágio de Reação Turbina de Reação Os estágio de reação é chamado estágio Parsons. Turbina (vários estágios de reação, com queda de pressão distribuído) => turbina longa. Este tipo de turbina é eficiente para baixas pressões e velocidades. Existe uma diferença de pressão nas pás (necessário que a folga seja mínima). Diferença de pressão nas pás => gera uma força axial, que precisa ser contraposta. Triângulo de Velocidades - Estágio Reação Divisão da Vazão de Entrada Turbina de Contrapressão e Condensação Turbina de Ação Detalhe das Pás Móveis FIM
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