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Turbinas a Gás, Vapor e Caldeiras
Profº: Anderson Flores
Turbinas a Gás - Capítulo 1 - Definição e Princípio de Funcionamento 
DISCIPLINA 
TURBINAS A GÁS, VAPOR e CALDEIRAS
Turbinas a Gás – Capítulo 1 - Definição e Princípio de Funcionamento 
Turbinas a Gás, Vapor e Caldeiras
Profº: Anderson Flores
Turbinas a Gás - Capítulo 1 - Definição e Princípio de Funcionamento 
Ementa:
A Turbina a gás (TG) e a termodinâmica. Noções fundamentais.
Dados principais de uma TG. Partes componentes. Sistemas
principais. Controles, operação e ajustagens. A Caldeira.
Princípios básicos do ciclo vapor. Diagrama de Molier.
Classificação das Caldeiras. Componentes principais da
Caldeira. Água de alimentação e seu tratamento. A Turbina a
vapor (TV) e a termodinâmica. Princípios básicos de
funcionamento. Classificação geral das TV. Acessórios das TV.
Aparelhos de controle de velocidade. Precauções de segurança.
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Turbinas a Gás - Capítulo 1 - Definição e Princípio de Funcionamento 
Avaliação:
Será dividida em duas provas individuais e presenciais, 
denominadas V1 e V2, de mesmo peso totalizando 20 pontos.
Avaliação:
V1 V2 V3
Data 24/09/15 26/11/15 10/12/15
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Turbinas a Gás - Capítulo 1 - Definição e Princípio de Funcionamento 
1. Turbinas a gás - definição e princípio de
funcionamento
1.1. Comparação entre os ciclos de funcionamento de
motores
1.1.1. O ciclo Otto
1.1.2. O ciclo Brayton
Objetivos
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Turbinas a Gás - Capítulo 1 - Definição e Princípio de Funcionamento 
Ao final desse capítulo, você poderá: 
• Descrever o princípio de funcionamento da turbina a gás; 
• Identificar os componentes básicos de uma turbina a gás; 
• Diferenciar o ciclo termodinâmico da turbina a gás do ciclo 
de um motor convencional; 
• Identificar as etapas do ciclo termodinâmico da turbina a 
gás nos gráficos P x V. 
Objetivos
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Introdução a Turbinas a Gás
As turbinas a gás, em termos de fabricação em série, foram
projetadas inicialmente para equipar os aviões na Segunda Guerra
Mundial. Posteriormente, passaram a equipar os aviões de
passageiros e helicópteros.
Com o decorrer do desenvolvimento industrial, teve início o
emprego das turbinas a gás aeronáuticas para acionamento de
máquinas operatrizes, como bombas, compressores e geradores
elétricos. Algum tempo depois, foram desenvolvidas as turbinas a gás
industriais não aeroderivadas, ou seja, projetadas exclusivamente
para a indústria.
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Turbinas a Gás - Capítulo 1 - Definição e Princípio de Funcionamento 
A Turbina a gás é uma máquina térmica que utiliza o ar
como fluido motriz para prover energia. Para conseguir isto o
ar que passa através da turbina deve ser acelerado; isto
significa que a velocidade ou energia cinética do ar é
aumentada. Para obter esse aumento, primeiramente
aumenta-se a pressão e, em seguida, adiciona-se calor.
Finalmente a energia gerada (aumento de entalpia) é
transformada em potência no eixo da turbina de expansão.
Definição
Turbinas a Gás, Vapor e Caldeiras
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Ilustração Esquemática
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Ela está ilustrada a seguir, sendo possível observar a sua
estrutura de funcionamento: um ventilador (1), acionado por um
motor elétrico, gera uma massa de ar com determinada
velocidade. Essa massa de ar é direcionada para o ventilador (2),
que funciona como uma roda de turbina e se encontra acoplado a
um gerador elétrico e assim, conseqüentemente, a energia
elétrica é produzida.
Introdução a Turbinas a Gás
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Turbinas a Gás - Capítulo 1 - Definição e Princípio de Funcionamento 
Na próxima ilustração, é apresentado um ventilador (1)
que, na partida, é acionado por um motor elétrico (2) e, após a
ignição e combustão, o seu acionamento ocorre através da roda
de turbina (3), que foi acionada pela massa de ar oriunda do
ventilador (1). Pode-se verificar que a massa de ar oriunda do
ventilador é aquecida por uma chama contínua que, dessa forma,
ganha temperatura e se expande na roda da turbina, de onde é
retirado trabalho para o acionamento do ventilador, mantendo-se o
ciclo de funcionamento.
Introdução a Turbinas a Gás
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Introdução a Turbinas a Gás
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Turbinas a Gás - Capítulo 1 - Definição e Princípio de Funcionamento 
Em 1930, Frank Whittle apresentou a primeira
patente de uma turbina a gás para produzir um jato de
propulsão. A construção da turbina “Whittle” formou as
bases das modernas turbinas a gás.
Na ilustração abaixo se vê a estrutura interna de
uma turbina a gás e a simulação do fluxo de ar
percorrendo o seu interior.
Introdução a Turbinas a Gás
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Introdução a Turbinas a Gás
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Cada parte da turbina a gás pode ser associada a uma etapa da
conversão da energia térmica em energia mecânica.
Uma turbina a gás produz energia a partir do resultado das etapas
contínuas do ciclo Brayton - ciclo básico da turbina a gás. As etapas estão
apontadas a seguir.
v ADMISSÃO;
v COMPRESSÃO;
v COMBUSTÃO;
v EXPANSÃO;
v EXAUSTÃO.
Etapas Contínuas do Ciclo Brayton
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Etapas Contínuas do Ciclo Brayton
1. Admissão - etapa em que ocorre a entrada de ar atmosférico
(a) na turbina a gás.
2. Compressão - um compressor dinâmico (b) - axial ou
centrífugo - comprime o ar. Normalmente, o compressor é do tipo
axial, de vários estágios, onde as energias de pressão e
temperatura do fluido (ar) aumentam.
O compressor de ar da turbina é o componente responsável
pelo aumento da pressão do ar, no ciclo Brayton, e é acionado pela
roda de turbina.
Normalmente, o compressor axial é empregado nesses casos
por ter uma capacidade maior de vazão, quando comparado ao
compressor centrífugo, para o mesmo tamanho.
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3. Combustão - o ar comprimido flui para as câmaras
de combustão (c), onde o combustível, à alta pressão, é
injetado através do bico injetor (d) e queimado a uma pressão
aproximadamente constante. A ignição da mistura
ar/combustível ocorre durante a partida, através de ignitores.
Posteriormente, a combustão se auto-sustenta.
Etapas Contínuas do Ciclo Brayton
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4. Expansão - os gases gerados na combustão, a alta
temperatura e pressão, (em c), são expandidos a uma alta
velocidade, na seção de expansão. Esta seção é um conjunto de
rodas estatoras (d), com palhetas, que promovem o efeito bocal e
direcionam o fluido motriz (gases), a fim de proporcionar um
melhor ângulo de ataque nas palhetas das rodas da turbina (e) ou
no conjunto rotor (eixo com rodas de palhetas). Assim, a energia
dos gases é convertida em potência no eixo, que aciona o
compressor axial de ar (aproximadamente 2/3 da energia gerada
com a queima).
Etapas Contínuas do Ciclo Brayton
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5. Exaustão - os gases remanescentes da expansão
na turbina passam através de um bocal de propulsão (f) para
aumentar sua velocidade e, conseqüentemente, o
impulso (propulsão).
Na imagem a seguir estão representados as variações
e os valores máximos de pressão e temperatura no interior da
turbina a gás.
Etapas Contínuas do Ciclo Brayton
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Etapas Contínuas do Ciclo Brayton
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É importante ratificar que a turbina a gás é uma
máquina térmica que utiliza o ar como fluido motriz para
prover energia. Para que isso ocorra, o ar que passa
através da turbina deve ser acelerado, ou seja, a
velocidade ou energia cinética do ar é aumentada. Para
obter esse aumento, primeiramente eleva-se a pressão e,
em seguida, adiciona-se calor. Finalmente, a energia
gerada (aumento de entalpia) é transformada em potência
no eixo da turbina.
Conceito
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Turbinas a Gás - Capítulo 1 - Definição e Princípio de Funcionamento 
Comparação entre os ciclos de 
funcionamento de motores 
Todos os motores de combustão interna funcionam com
base em um ciclo termodinâmico, portanto, vamos comparar os
ciclos de funcionamento de uma turbina a gás (ciclo Brayton) e
de um motor convencional de quatro tempos (ciclo Otto), para
que as diferenças fiquem claras, e se entenda o conjunto de
processo e princípios de funcionamento, destacando-se as
vantagens.
Em uma turbina a gás, a combustão ocorre a uma
pressão constante, ao passo que, em um motor convencional, a
combustão ocorre a um volume constante.
A ilustração a seguir demonstra a comparação entre os
dois ciclos.
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NOTA:
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O ciclo Otto 
O ciclo Otto é o ciclo de funcionamento do motor
convencional de quatro tempos, que equipa os
automóveis.
Em ambos os ciclos – Otto e Brayton – ocorrem etapas
de admissão, compressão, combustão, expansão e exaustão.
Em um motor de ciclo convencional (Otto), essas etapas são
produzidas no mesmo local (cilindro), em tempos diferentes,
sendo, portanto, um ciclo intermitente.
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O ciclo Otto é o ciclo de funcionamento do motor
convencional de quatro tempos, que equipa os
automóveis.
Em ambos os ciclos – Otto e Brayton – ocorrem etapas
de admissão, compressão, combustão, expansão e exaustão.
Em um motor de ciclo convencional (Otto), essas etapas são
produzidas no mesmo local (cilindro), em tempos diferentes,
sendo, portanto, um ciclo intermitente.
O ciclo Otto 
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Do ponto 1 ao ponto 2, o ar
é admitido, ocorrendo aumento do
volume sem variação da pressão.
Do ponto 2 ao 3, ocorre o
movimento ascendente do pistão,
acarretando a redução do volume,
o aumento da pressão e o
conseqüente aumento da
temperatura, visto tratar-se de um
processo de compressão
politrópica.
O ciclo Otto 
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No ponto 3, acontece a ignição com grande aumento da temperatura 
da mistura. 
O termo, volume constante, deve-se ao seguinte fato: do ponto 3 ao 
ponto 4, durante a combustão da mistura, não ocorre mudança considerável 
no volume, mas sim, um grande aumento da pressão. 
Do ponto 4 ao ponto 5 ocorre a expansão dos gases empurrando o 
pistão, quando é extraído o trabalho para o acionamento do eixo, que faz 
funcionar as rodas do carro. Na expansão acontece a queda da temperatura e 
da pressão e aumento do volume. Esta é a única etapa (ponto 4 ao 5) em que 
a energia pode ser extraída (trabalho extraído do processo). 
Quando a válvula de exaustão abre (ponto 5 ao ponto2), resulta em 
uma rápida queda de pressão a volume constante. O pistão então sobe, 
forçando os gases remanescentes para a exaustão (ponto 2 ao ponto 1). O 
ciclo, então, é reiniciado.
O ciclo Otto 
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O ciclo Brayton
O ciclo Brayton (ou de Joule) é um ciclo aberto e de fluxo
contínuo, ou seja, todas as etapas ocorrem simultaneamente,
tendo o ar escoado por dentro da turbina.
As turbinas a gás operam no ciclo Brayton (pressão
constante), que comumente é denominado ciclo aberto. As etapas
deste ciclo são mostradas no gráfico P x V da ilustração a seguir.
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O ar é admitido e comprimido do
ponto 1 ao ponto 2 com conseqüente
aumento de pressão e temperatura, e
redução do volume.
Do ponto 2 ao 3 temos representado
a combustão à pressão constante, mas com
um aumento acentuado do volume. Este
aumento de volume se manifesta em
aumento de velocidade de escoamento dos
gases, porque não há mudança acentuada na
área desta seção da turbina. A partir da
combustão ocorre a expansão dos gases nas
rodas da turbina causando uma redução da
pressão e temperatura e aumento de volume.
Este processo continua do ponto 4
ao 5 através da turbina de potência.
NOTA: A combustão isobárica do ciclo Brayton da turbina a gás proporciona o
aumento do volume específico do ar, que se manifesta com o aumento de sua
velocidade.
O ciclo Brayton
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Comparação entre os ciclos de 
funcionamento de motores 
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Exercícios 
1) Considerando o que foi apresentado sobre as turbinas a gás, 
responda ao que se pede.
a) Como podemos definir a turbina a gás? 
b) Que fluido motriz é empregado na turbina a gás?
c) Que processo ocorre no interior de uma turbina a gás e qual o 
resultado obtido? 
2) Indique as diferenças existentes entre o funcionamento da turbina 
a gás e de um motor convencional. 
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Exercícios 
Identifique os componentes da turbina a gás, fazendo a 
correspondência das letras aos elementos destacados. 
( d ) Bico injetor 
( a ) Entrada de ar 
( b ) Compressor 
( e ) Rodas de turbina 
( c ) Câmara de combustão 
( f ) Bocal de propulsão 
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Exercícios 
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Exercícios 
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Exercícios 
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Exercícios 
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Glossário 
• Combustãoisobárica - combustão a pressão constante. 
• Palheta - palheta estacionária, fixada na carcaça da turbina. 
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Bibliografia 
JOAQUIM, Manuel; IGLESIAS, Leopoldo; MATIAS, José Augusto. 
Noções de Turbinas a Gás. Apostila. Centro de produção. 
Macaé: 2003. 
VALADÃO, Cleuber Pozes. Turbinas a Gás. Apostila. Centro de 
produção. Macaé: 2003.