13-TurbinasVapor

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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