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Turbinas a Gás, Vapor e Caldeiras
Profº: Anderson Flores
Turbinas a Gás - Capítulo 2– Principais Componentes 
DISCIPLINA 
TURBINAS A GÁS, VAPOR e CALDEIRAS
Turbinas a Gás, Vapor e Caldeiras
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Turbinas a Gás - Capítulo 2– Principais Componentes 
Ao final desse capítulo, você poderá: 
• Reconhecer as funções dos principais componentes de uma 
turbina a gás. 
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Turbinas a Gás - Capítulo 2– Principais Componentes 
É importante ratificar que a turbina a gás é um motor de
combustão interna.
Nestes tipos de motor, utiliza-se o ar como fluido motriz,
processando-o segundo o ciclo Brayton, onde é captado da
atmosfera, comprimido, aquecido, expandido e exaurido de volta
para atmosfera. Nas fases de compressão e aquecimento, o ar
recebe trabalho e calor, sendo elevado o seu nível energético. Já na
fase de expansão, o ar transfere trabalho para a roda de turbina,
acionando o compressor e mantendo, desta forma, o funcionamento
da turbina e a energia remanescente serve de força propulsora.
Introdução
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Turbinas a Gás - Capítulo 2– Principais Componentes 
Introdução
A turbina a gás é composta basicamente por:
v Compressor de ar; 
v Câmara de combustão; 
v Roda de turbina; 
v Eixo. 
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Compressor de ar 
Na turbina a gás, o compressor é o componente no qual se
dá a pressurização do fluido de trabalho, sendo sempre empregado
o do tipo dinâmico (centrífugo, axial ou axial com o último estágio
centrífugo).
O compressor axial trabalha com relações de compressão
baixas, por estágios, valores usuais de projeto situados entre 1,1/1
e 1,4/1, o que resulta em um número grande de estágios para se
atingir as relações de compressão elevadas, de até 21/1,
empregadas em algumas máquinas modernas.
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Compressor de ar 
Na prática, relações de compressão muito
elevadas são obtidas normalmente com dois ou três
rotores axiais, operando em série, ou por um rotor com
vários estágios axiais seguidos por um último estágio
centrífugo.
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O compressor axial permite obter altas vazões de ar, que
atingem até 700 Kg/ s, e eficiência isoentrópica muito boa, com
valores típicos que variam de 85 a 90 %, sendo por isso
empregado em praticamente todas as turbinas a gás de médio e
grande porte.
Um inconveniente do compressor axial é o de apresentar
faixa operacional pequena, entre os limites de surge e stonewall,
o que exige cuidados especiais para evitar o surge durante os
períodos de partida e/ou aceleração.
Compressor de ar 
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Compressor de ar 
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Compressor de ar 
O compressor de ar é o componente da turbina a gás
responsável pelo aumento da pressão do ar no ciclo Brayton, sendo
acionado pela roda de turbina através de um eixo. Nesses casos, o
compressor axial é o mais indicado por suportar maior vazão do que
os compressores centrífugos, no que se refere ao tamanho.
Seu princípio de funcionamento é o da aceleração do ar,
com posterior transformação em pressão. É composto por uma
seção estacionária, onde se encontram instalados os anéis, com
aletas estatoras, e por uma seção rotativa que possui um conjunto
de rotores com palhetas.
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Compressor de ar 
Cada estágio de compressão é constituído por um
rotor com palhetas e um anel com aletas estatoras. O
rotor com palhetas é responsável pela aceleração do ar,
funcionando como um ventilador. É nesta etapa que o ar
recebe trabalho para aumentar a energia de pressão,
velocidade e temperatura.
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Compressor de ar 
O anel de aletas estatoras tem a finalidade de
direcionar o ar para incidir com um ângulo favorável sobre
as palhetas do próximo estágio rotor e promover a
desaceleração do fluxo de ar e, assim, transformar a energia
de velocidade em pressão. Essas máquinas são projetadas
para que a velocidade na entrada de cada rotor seja a
mesma na condição de máxima eficiência.
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Compressor de ar 
Este processo é repetido nos estágios subseqüentes do compressor,
sendo que cada estágio promove um pequeno aumento de pressão.
O fluxo de ar no compressor se dá paralelo ao eixo (axial) numa
trajetória helicoidal, e a seção de passagem é reduzida da admissão
para a descarga, com o propósito de se manter a velocidade do ar
constante dentro da faixa de operação, uma vez que a pressão sobe a
cada estágio e a sua massa específica também. Veja a equação da
continuidade. O ganho de pressão e as variações de velocidade, a cada
estágio, estão representados nos gráficos a seguir.
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Compressor de ar 
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Compressor de ar 
No diagrama a seguir é possível perceber
que a velocidade é elevada no rotor e reduzida no
estator. Também é possível notar que a pressão se
eleva progressivamente ao longo do compressor.
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Compressor de ar 
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Compressor de ar 
No gráfico adiante, com a relação
pressão/velocidade durante a compressão, tem-se o
detalhe do aumento da velocidade do ar no rotor e a
redução no estator. Vale ressaltar que a pressão
aumenta em ambas as partes.
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Compressor de ar 
As aletas estatoras do último estágio agem como pás guias de
saída, que direcionam o ar, em um fluxo axial estabilizado, para a
carcaça traseira do compressor e seção de combustão.
O compressor é projetado para operar com grande eficiência
em altas rotações. Para manter o fluxo de ar estabilizado, à baixa
rotação, tem-se instalado, na entrada de ar, um conjunto de aletas
móveis guias de entrada (IGV - Inlet Guide Vanes) que altera
automaticamente o ângulo de ataque das aletas para o primeiro rotor. A
eficiência é gradualmente aumentada de acordo com a elevação da
rotação.
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Aletas estatoras do Compressor
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IGVs
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Compressor de ar 
Para evitar o surge,o compressor axial é equipado com válvula de
sangria instalada na descarga do compressor. Alguns modelos possuem mais de
uma válvula de sangria, sendo instaladas no meio e na descarga do compressor.
Essas válvulas ficam abertas na partida, aceleração e parada da turbina a gás,
onde o ar é aliviado para atmosfera.
O conjunto formado pelas IGV e válvulas de sangria faz parte do
sistema de controle do fluxo de ar da turbina.
Em algumas turbinas a gás, as VIGV (Variable Inlet Guide Vanes) são
responsáveis por desempenhar o papel da válvula de sangria e dessa forma
evitar o surge.
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SURGE
Definição - É um fenômeno que ocorre nos compressores centrífugos,
onde a vazão de sucção não é suficiente para manter o fluído estável na
carcaça do compressor, essa instabilidade,decorrente da variação da
vazão no compressor é prejudicial ao sistema e damos o nome de SURGE.
O que fazer para Evitar o SURGE?
Para evitar o fenômeno SURGE, devemos fornecer sempre uma
vazão de sucção constante e para isso pode ser colocada uma válvula
entre a sucção e a descarga do compressor, para que se a vazão de
sucção começar a cair, a válvula seja aberta para que a pressão de
descarga seja aliviada, aumentando assim a vazão de sucção e não
deixando ocorrer o fenômeno.
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SURGE
Como Acontece o SURGE?
Cada compressor pode girar em velocidades diferentes e para
cada velocidade que este pode girar, existe uma vazão mínima de gás
que deve estar passando por suas câmaras. Se ocorrer a diminuição
da vazão de sucção, por exemplo, o sistema aumentará drasticamente
sua pressão na descarga,não sendo possível aliviar toda a pressão
existente no sistema, portanto esse fluxo de gás fará o caminho
inverso e retornará à sucção do compressor, que tentará novamente
enviar gás para dentro do compressor (agora já com menor pressão,
pois foi aliviada da descarga) e voltará ao ponto de surge novamente,
formando assim o ciclo de surge.
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SURGE
Porque Evitar o Surge?
Pois pode causar sérios problemas mecânicos na máquina,
como destruição dos mancais, das pás, do rotor e do eixo do
equipamento, além do principal que é o selo do compressor.
Além desses defeitos mecânicos, o surge também provoca
uma falha no fornecimento de gás ao sistema, com a diminuição na
pressão de descarga.
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Câmara de combustão 
A câmara de combustão, também conhecida como
combustor, é o componente da turbina a gás onde ocorre a
combustão, ou seja, onde o combustível é queimado,
promovendo o aumento expressivo da temperatura do ar.
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• Função:
– Adição de energia – Oxidação do combustível;
– Expansão dos gases – Isobárica;
• Modelos:
– Tubular;
– Tubuanular;
– Anular – Amplamente utilizada;
Câmara de combustão 
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• Limitação:
– Temperatura;
– Materiais;
– Tensões térmicas;
• Solução de projeto:
– Materiais Nobre – Super ligas;
– Hastelloy X ou Inconel 625;
– Revestimento especial – coating;
– Resfriamento dos liners;
Câmara de combustão 
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Câmara Tubuanular Câmara Tubular
Câmara de combustão 
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Câmara de combustão 
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Câmara de combustão 
A combustão em uma turbina a gás é um processo contínuo
realizado a pressão constante. Um suprimento contínuo de
combustível e ar é misturado e queimado, à medida que escoa
através da zona de chama. A chama contínua não toca as paredes
da camisa da câmara de combustão, sendo estabilizada e modelada
pela distribuição do fluxo de ar admitido, que também resfria toda a
câmara de combustão. Podem ser queimadas e misturadas com
larga faixa de variação da relação combustível - ar, porque essa
proporção é mantida em nível normal, na região da chama, sendo o
excesso de ar injetado a jusante da chama.
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O projeto da câmara de combustão deve garantir
resfriamento adequado da camisa, combustão completa,
estabilidade da chama e baixa emissão de fumaça (monóxido de
carbono, hidrocarbonetos e óxidos de nitrogênio - NOX).
O volume da câmara de combustão é muito pequeno em
relação à taxa de liberação de calor desenvolvida, porque a
combustão é feita à pressão elevada. Em turbinas aeronáuticas, este
volume pode ser de apenas 5% do que seria necessário em uma
caldeira com a mesma taxa de liberação de calor.
Câmara de combustão 
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Câmara de combustão 
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Câmara de combustão 
Os combustores utilizados em uma turbina a gás podem
ser do tipo: tubular, tubo-anular, anular e externo.
A câmara de combustão tubular é usada em turbinas
industriais de médio e grande porte, especialmente em projetos
europeus e em algumas turbinas automotivas ou auxiliares, de
pequeno porte. Apresentam como vantagens: simplicidade de
projeto, facilidade de manutenção e vida longa devida às baixas
taxas de liberação de calor. Podem ser de fluxo direto ou de
fluxo reverso.
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Câmara de combustão 
Em turbinas aeronáuticas, a área frontal é um dado
importante. Os combustores empregados são do tipo
tubo-anular ou anular. Esses combustores produzem uma
distribuição circunferencial bastante uniforme de
temperaturas, na entrada do primeiro estágio da turbina.
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Câmara de combustão 
Embora seja de desenvolvimento mais difícil, a
câmara de combustão anular é a mais empregada em
turbinas aeronáuticas modernas, devido ao seu tamanho e à
taxa de calor liberada. Combustores anulares são
particularmente adequados para aplicações a altas
temperaturas ou com gases de baixo poder calorífico, porque
exigem menos ar de resfriamento, devido à menor área
superficial da camisa.
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Câmara de combustão 
A quantidade de ar de resfriamento requerida pela
câmara de combustão é particularmente importante em
aplicações com gases de baixo poder calorífico, porque esses
gases exigem muito ar primário, sobrando pouco ar para
resfriamento da câmara.
Os combustores anulares são usualmente de fluxo
direto, enquanto os tubo-anulares são normalmente de fluxo
direto em turbinas aeronáuticas e de fluxo reverso em turbinas
industriais.
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Roda de turbina
O exemplo mais simples de roda de turbina é ocata-
vento, em que o vento com energia de velocidade transfere
energia para o cata-vento, roda de turbina, promovendo o seu
giro.
A roda de turbina é o meio mais eficaz para
transformar a energia, contida em um fluxo de gás a alta
pressão e temperatura, em trabalho no eixo.
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Roda de turbina
O gás, ao escoar através da roda de turbina, perde
pressão e temperatura à medida que se expande e transforma
sua energia em trabalho.
As rodas de turbina empregadas em turbinas a gás são,
na grande maioria, do tipo axial por apresentarem maior
eficiência isoentrópica, variando entre 75% e 90%.
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Roda de turbina
Ao contrário do que acontece nos compressores
axiais, as aletas estatoras antecedem as palhetas da roda de
turbina e têm a finalidade de direcionar o fluxo de gás a um
ângulo favorável de ataque nas palhetas rotoras,
proporcionando o efeito bocal para que o fluxo aumente a
velocidade.
Na ilustração a seguir, pode-se observar o fluxo de ar
sendo redirecionado para incidir com um ângulo de ataque
favorável às palhetas da roda da turbina.
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Roda de turbina
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Roda de turbina
A turbina pode ser equipada com vários estágios de
aletas estatoras e rotoras, dependendo da aplicação ou projeto.
É importante lembrar que as aletas estatoras são fixadas à
carcaça da turbina, e as rotoras, às rodas que são presas ao
eixo.
De qualquer forma, a energia extraída pela roda de
turbina é transmitida ao eixo que, por sua vez, a transfere ao
compressor de ar, que é fixado nesse eixo, proporcionando
assim a compressão de um volume de ar para a câmara de
combustão, fechando o ciclo de funcionamento.
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Roda de turbina
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Exercícios 
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Exercícios 
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Glossário 
Helicoidal - que tem forma ou é semelhante a uma hélice.
Isoentrópica - processo de compressão ou expansão sem troca
de calor, também conhecida como adiabática.
Palheta - palheta estacionária, fixada na carcaça da turbina.
VIGV - Variable Inlet Guide Vanes. Aleta Guia Variável de
Entrada.
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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.
Bibliografia