Turbinas a Gás: Elementos e Construção

Prévia do material em texto

12. Turbinas a Gás
12.1. Introdução
A primeira turbina a gás foi desenvolvida a cerca de 150 anos, a partir dos
conhecimentos adquiridos com a evolução dos motores térmicos.
A turbina a gás é uma máquina térmica na qual se aproveita diretamente a energia
liberada na combustão, armazenada nos gases produzidos que se expandem, de forma
parecida que o vapor nas turbinas a vapor, sobre as palhetas móveis de um rotor.
O grande avanço nas turbinas a gás ocorreu na época da 2a Guerra Mundial devido a
aeronáutica, que tinha necessidade de aumentar a velocidade de seus aviões e continuou com
a industrialização após a 2a Guerra, com a instalações de potência a gás.
Por fim, com o desenvolvimento da metalurgia nos últimos 30 anos foi possível obter
materiais que suportam temperaturas mais elevadas (superiores a 500oC) e que permitiram o
desenvolvimento das turbinas a gás modernas.
12.2. Elementos Construtivos
A turbina a gás é mais simples que podemos imaginar, tal como mostra a figura 12.1,
é constituída basicamente pelos seguintes elementos:
Figura 12.1 Esquema de uma instalação com turbina a gás em circuito aberto, estacionária,
sem recuperação. I - Turbocompressor; II - Câmara de combustão; III - Turbina a gás; IV -
Alternador; V - Motor de arranque e excitatriz.
a) Compressor de Ar
O compressor de ar da turbina a gás pode ser centrífugo ou axial (vide figuras a
seguir) e ambos estão constituídos por um rotor e um difusor, o que constitui um salto
(estágio). Geralmente, são constituídos por vários saltos (estágios), o que permite a instalação
de resfriadores intermediários que melhoram o rendimento da instalação, ao reduzir a
temperatura do ar entre uma compressão e outra. A Figura 12.4 mostra a variação da
velocidade e da pressão em um compressor axial de 6 estágios. Ainda com relação ao
rendimento, o compressor axial apresenta um maior rendimento que o compressor centrífugo.
Figura 12.2 Compressor centrífugo para turbina a gás. G - rotor; D - difusor e A - entrada de
ar.
Figura 12.3 Compressor axial simples para turbinas a gás. G - rotor; D - difusor;
Figura 12.4 Compressor axial de 6 saltos para turbinas a gás.
b) Câmara de Combustão
A câmara de combustão pode ser simples ou múltipla. As múltiplas são sempre
tubulares e as simples podem ser tubulares e anulares. Por sua vez todos estes tipos podem ser
de construção horizontal ou vertical. As de construção horizontal são montadas em cima ou ao
redor da turbina a gás; as de construção vertical são montadas ao lado da turbina a gás.
A câmara de combustão realiza as seguintes operações:
• pulverização do combustível
• vaporização do combustível
• faz a mistura ar-combustível
• inflamação e combustão da mistura
• diluição dos produtos de combustão
É óbvio que a cada um destes processos não corresponde precisamente uma zona
(região) determinada da câmara de combustão.
As câmaras de combustão tubulares se adaptam melhor aos compressores centrífugos e
as câmaras de combustão anulares aos compressores axiais.
Figura 12.5 Câmara de combustão tubular, de construção horizontal, para turbina a gás.
Figura 12.6 Câmara de combustão tubular, de construção vertical, para turbina a gás.
Figura 12.7 Esquema de câmara de combustão anular.
c) Sistema de Alimentação de Combustível
É constituído de um reservatório e um pulverizador de refluxo.
Figura 12.8 Pulverizador de refluxo para turbina de gás. A - conduto de entrada de
combustível; V - câmara anterior à entrada ; T - orifícios de entrada à câmara V; U e R -
orifícios para refluxo de combustível.
Geralmente, a quantidade de combustível que chega ao injetor é constante e as variações
na quantidade injetada se efetuam variando a quantidade de refluxo mediante uma válvula
intercalada no conduto de retorno ao depósito.
d) Turbina
A Turbina a gás propriamente dita pode ser axial ou radial. As axiais são as mais
utilizadas. São constituídas de forma parecida às turbinas a vapor e podem ser de ação ou
reação.
Figura 12.9 Turbina axial elementar para turbinas a gás. G - rotor; D - difusor.
As figuras 12.10 e 12.11 mostram respectivamente uma foto e um corte longitudinal
de uma turbina a gás de vários estágios.
Figura 12.10 Rotor de uma turbina a gás Siemens de 12 MW, em curso de montagem.
Figura 12.11 Seção longitudinal de uma turbina a gás Siemens de 12 MW.
e) Trocador de Calor (Regenerador)
São utilizados para aquecer o ar que saí do compressor e que se injeta na câmara de
combustão, às custas do calor contido nos gases de escape que saem da turbina a gás,
aumentando o rendimento. A construção é bastante parecida com a dos radiadores normais;
neles as correntes quente e fria estão separadas por paredes condutoras, através das quais se
realiza diretamente o intercâmbio de calor. Podem ser do tipo tubular simples, tubular com
chicanas ou de placas onduladas.
Figura 12.12 Corte longitudinal de um trocador Escher Wyss, para uma central de 12 MW.
Figura 12.13 Esquema do trocador de calor com placas de desvio do fluxo.
Figura 12.14 Parede de placas onduladas: 1 - condutos de gás; 2 - condutos de ar.
Segundo o sentido relativo da circulação dos fluidos podem ser de corrente direta, de
contra-corrente ou de corrente cruzada.
Figura 12.15 Diversos esquemas de fluxo de ar e de gás em um trocador de calor: (a) de
corrente direta; (b) de contracorrente; (c) de corrente cruzada; (d) e (e) correntes cruzadas
reversas.
A figura 12.16 mostra a variação de temperatura ao longo do regenerador.
Figura 12.16 Variação da temperatura ao longo de um regenerador: (a) de corrente direta; (b)
de contracorrente.
f) Refrigeradores (Resfriadores)
O calor de compressão, assim como o resto do calor dos gases que saem do trocador de
calor, são eliminados nos refrigeradores. Normalmente, a superfície de troca de calor está
formada por tubos de aletas helicoidais, percorridos por água de refrigeração. Eles são
montados em conjunto dentro de uma envoltura (carcaça), perpendicularmente a corrente de
ar.
Figura 12.17 Refrigerador Escher Wyss, para uma central de 2300 kW.
g) Órgãos Auxiliares
• Motor de arranque: é um motor de indução que aciona o compressor que alimenta a
Turbina a gás até que haja o início do processo de combustão na Câmara de combustão, o
que ocorre quando a velocidade de rotação atinge cerca de 60% da velocidade de regime.
A partir daí ele pára de operar, passando a Turbina a gás a movimentar o compressor e o
gerador.
• Acendedor: é um órgão situado no interior da Câmara de combustão, que serve para
acender a chama durante o processo de arranque. Geralmente é constituído por um injetor
auxiliar situado de forma inclinada com relação ao injetor principal que é acionado
eletromagneticamente e por uma vela de ignição.
12.3. Características Gerais
a) Funcionamento
O ar atmosférico aspirado pelo compressor alimenta a câmara de combustão a uma
pressão entre 5 e 8 atm.
Na câmara de combustão, se injeta o combustível de forma contínua, por meio de uma
bomba adequada.
A combustão, que se inicia eletricamente durante o arranque, continua a pressão
constante, com temperaturas que alcançam de 650 a 1200oC.
Os gases de combustão se expandem sobre o rotor da turbina a gás gerando a energia
necessária para acionar o compressor, o gerador e fornecer uma potência útil (30% da
potência total).
b) Processo de Combustão
Para uma boa combustão, a relação Ar/Combustão deve ser próxima da
estequiométrica na zona da queima.
Figura 12.18 Corte esquemático - câmara de combustão.
Na figura anterior, vemos que a construção da câmara de combustão permite que apenas
uma parte pequena do ar comprimido entre na zona de reação (onde ocorre a combustão). A
maior parte do ar vai penetrando aos poucos na corrente dos gases queimados através de
furos, facilitando a diluição; o escoamento deste ar também é útilpara refrigeração das
paredes da câmara de combustão, impedindo o superaquecimento.
Para iniciar a combustão é utilizada uma fonte externa (vela), para fornecer a energia de
ativação necessária; uma vez iniciada a combustão mantém-se uma chama estacionária na
corrente de mistura (ar+combustão) é a combustão é auto-sustentada.
Quanto maior a temperatura dos gases na saída da câmara de combustão, melhor o
rendimento térmico da turbina a gás; a limitação da temperatura se deve a problemas
metalúrgicos e de resistência do material que constitui a turbina a gás.
O processo de combustão envolve a oxidação dos constituintes do combustível que são
capazes de ser oxidados, podendo, portanto ser representado por uma equação química.
Durante o processo de combustão, a massa de calor de cada elemento permanece constante.
Uma combustão com o oxigênio estritamente necessário para uma dada quantidade de
combustão é denominada estequiométrica. O oxigênio necessário a tal combustão denomina-
se oxigênio mínimo, e, em correspondência, temos o ar mínimo. Nesta combustão todos os
produtos de combustão estão completamente oxidados.
Quando uma combustão é realizada com mais ar que a quantidade mínima para a
combustão estequiométrica, dizemos que a combustão ocorre com excesso de ar.
Quando na falta de ar, a combustão é incompleta, aparecendo, entre outros produtos de
combustão, o Co como mais importante.
c) Combustíveis
As turbinas a gás admitem vários tipos de combustíveis, a única condição que se deve
levar em conta é que a quantidade de cinzas insolúveis não exceda um certo limite.
Vejamos alguns destes combustíveis e suas possibilidades de aplicação nas turbinas a
gás:
• Gás Natural: é um combustível ideal para uso nas turbinas a gás. A única restrição é que
esteja limpo.
• Petróleo Bruto: na maioria dos casos, constitui um combustível muito favorável, que pode
ser utilizado sem reaquecimento nem tratamento prévio.
• Gases de Alto Fornos: como a quantidade de pó neste combustível é geralmente elevada,
deve ser instalado um filtro na entrada do compressor para sua utilização. Embora seja
barato, não é um combustível ideal, pois sem poder calorífico por unidade de volume é
baixo necessitando-se de grande quantidade do mesmo.
• Derivados de Petróleo: constituídos por hidrocarbonetos destilados (gasolina, querosene,
óleo Diesel, nafta, etc.), são bastante convenientes desde que produzam pouca cinza.
Algumas das principais características que devem ter os combustíveis para as turbinas a
gás são:
• ser abundante na natureza e ter extração rentável;
• ter um pode calorífico por unidade de peso ou volume elevado;
• produzir gases de combustão que não poluam tanto o meio ambiente;
• não atacar as partes que estão em contato com ele ou com os seus produtos de combustão.
d) Formas de Construção
Qualquer que seja a aplicação a que se destina, quando uma turbina a gás produz
potência mecânica, há duas formas básicas de construção:
• Conexão Direta: A turbina a gás aciona o compressor por um eixo que é,
simultaneamente o eixo de potência. Pode ser usado apenas quando a rotação é constante.
Figura 12.19 Turbina para potência de eixo conexão direta.
• Turbina Livre: uma Turbina a gás é usada só para acionar o compressor, uma segunda
Turbina a gás, sem acoplamento mecânico com a unidade geradora de gás (compressão +
câmara de combustão + turbina a gás para acionar compressor) produz a energia útil.
Permite a operação numa dada faixa de rotação.
Figura 12.20 Turbina para potência de eixo - turbina livre.
12.4. Classificação
As turbinas a gás recebem a mesma classificação que as turbinas a vapor quanto a
direção do escoamento (radiais ou axiais) e quanto ao princípio de funcionamento (ação ou
reação).
12.5. Ciclos de Funcionamento
12.5.1. Ciclos Abertos
Neste tipo de ciclo não há recirculação do agente de transformação nos limites da
central, estando a entrada e a saída do conjunto, abertas à atmosfera. São os mais freqüentes.
Entre eles podemos destacar:
a) Ciclo Básico Ideal das Turbinas a gás (Brayton)
É o ciclo teórico de funcionamento das Turbinas a gás. É um ciclo a pressão constante.
A Figura 12.21 mostra esquematicamente uma instalação aberta de potência a gás e a Figura
12.22 mostra o ciclo termodinâmico desta instalação. É constituído basicamente dos
seguintes processos ideais:
1-2: compressão adiabático-isoentrópico. (compressor)
2-3: adição isobárica de calor (Câmara de combustão)
3-4: expansão adiabático-isoentrópico. (turbinas a gás)
4-1: cessão isobárica de calor (atmosfera)
Figura 12.21 Representação esquemática de uma turbina a gás de ciclo aberto simples. C -
compressor; CC - câmara de combustão; T - turbina; A - alternador.
Figura 12.22 Representação do ciclo aberto em um diagrama entrópico.
OBS: A Figura 12.23 mostra uma comparação entre os ciclos básicos de Brayton ideal e real.
No processo real temos:
S2 > S1 (processo de compressão não é isoentrópico.)
p3 < p2 (processo de adiabático de calor não é isobárico.)
S4 > S3 (processo de exp. não é isoentrópico.)
p4 > p1 (processo de cessão de calor não é isobárico.)
Figura 12.23 Ciclo Brayton (a) no plano p-v; (b) no plano h-s; Os processos ideais são
representados com traços.
b) Ciclos com Regeneração (Recuperação)
Um procedimento utilizado para melhorar o rendimento de uma turbina a gás, consiste
em recuperar parte do calor perdido nos gases de escape a alta temperatura. Para isso, se
utiliza um ou vários regeneradores (ou IC) entre a saída do compressor e a entrada da câmara
de combustão, aquecendo-se o ar através dos fases de escape da turbina a gás. A Figura 12.24
mostra uma representação esquemática de uma turbina a gás num ciclo aberto com
regeneração. A Figura 12.25 mostra o ciclo termodinâmico ideal para esta instalação e a
Figura 12.26 uma comparação entre os ciclos reais regenerativo e não regenerativo.
Figura 12.24 Representação esquemática de uma turbina a gás de ciclo aberto com
regeneração. C - compressor; CC - câmara de combustão; T - turbina; IC - trocador de calor;
A alternador.
Figura 12.25 Ciclo ideal de Brayton regenerativo no plano Ts
Figura 12.26 Ciclo de Brayton não regenerativo e regenerativo.
c) Ciclos com Regeneração e Refrigeração
Também pode-se aumentar o rendimento de uma turbina a gás, refrigerando o ar de
saída do compressor e injetando-o em outro compressor de alta pressão, os refrigeradores
intermediários trabalham a contra-corrente e, em geral, as turbinas correspondentes são de
dois ou mais eixos e estão providas também de regeneradores. A Figura 12.27 mostra
esquematicamente uma turbina a gás num ciclo aberto com regeneração e refrigeração. A
Figura 12.28 mostra o ciclo termodinâmico T-s desta instalação.
Figura 12.27 Representação esquemática de uma turbina a gás de ciclo aberto com
refrigeração e regeneração: CBP - compressor de baixa pressão; CAP - compressor de alta
pressão; TBP - turbina de baixa pressão; TAP - turbina de alta pressão; CC - câmara de
combustão; IC - trocador de calor (regenerador); RI - refrigerador intermediário (inter-
refrigerador); E - engrenagem de redução; A - alternador.
Figura 12.28 Ciclo no plano Ts.
d) Ciclos com Regeneração e Reaquecimento
Ainda pode-se aumentar o rendimento de uma turbina a gás se, além da refrigeração do
ar do compressor e da regeneração (recuperação) da temperatura do ar que vai para a Câmara
de combustão, for aproveitado o calor dos gases de escape, introduzindo-o em uma nova
Câmara de combustão em cuja saída aciona uma nova turbina a gás de baixa pressão. A
Figura 12.29 mostra esquematicamente uma turbina a gás operando num ciclo aberto com
regeneração e reaquecimento. A Figura 12.30 mostra o ciclo termodinâmico T-s desta
instalação.
Figura 12.29 Esquema de ciclo aberto regenerativo de turbina a gás com um reaquecimento
intermediário.Figura 12.30 Ciclo real regenerativo com uma etapa de reaquecimento no plano Ts.
e) Ciclos com Regeneração, Refrigeração e Reaquecimento
É uma combinação dos dois ciclos apresentados nos ítens anteriores (c e d) que permite
alcançar elevados rendimentos térmicos (>30%). A Fig12.31 mostra esquematicamente uma
instalação de turbina a gás operando num ciclo aberto com regeneração, refrigeração e
reaquecimento.
Figura 12.31 Representação esquemática de uma turbina a gás de ciclo aberto com
refrigeração, regeneração e reaquecimento. CBP - compressor de baixa pressão; CAP -
compressor de alta pressão; TBP - turbina de baixa pressão; TAP - turbina de alta pressão; CC
- câmara de combustão; CC2 - câmara de combustão de baixa pressão; IC - trocador de calor
(regenerador); RI - refrigerador intermediário (inter-refrigerador); E - engrenagem de
redução; A - alternador.
Há alguns critérios importantes na hora de se tomar uma decisão a respeito de qual
ciclo dentre os citados é mais vantajoso. Entre eles podemos citar:
Horas de Funcionamento Anuais (Fator de Utilização)
Se esse número for elevado se justificará o uso de um ciclo mais complexo e caro tal
como o último apresentado. Caso contrário, utiliza-se o ciclo aberto básico de Brayton (não é
regenerativo), que em igualdade de condições é o mais barato, ainda que apresente o pior
rendimento.
Velocidade de Rotação
O acionamento do alternador exige uma velocidade de rotação constante, o que
recomenda um sistema com eixo duplo ou triplo para melhorar a regulagem das cargas
intermediárias.
Peso e Volume (Potência Específica)
As unidades estacionárias permitem em geral maior peso e volume que as unidades
móveis. Por esta razão nas primeiras pode-se projetar um regenerador que tenha uma
eficiência maior.
Água de Refrigeração
Se a água for escassa deve-se escolher um ciclo sem refrigeração intermediária.
Preço do Combustível
Se o preço do combustível na localidade de instalação for baixo, pode ser mais
vantajoso um ciclo mais simples e barato, ainda que de pior rendimento.
Variação da Carga
Se a Turbina a gás funcionar normalmente com carga constante a regulagem e o
próprio ciclo pode ser mais simples.
12.5.2. Ciclos Fechados
Neste tipo de ciclo há uma recirculação de praticamente todo o agente de transformação
(excluindo as perdas), de forma contínua. A Figura 12.32 mostra esquematicamente uma
instalação de potência a gás operando num ciclo fechado.
Figura 12.32 Esquema de uma instalação a gás num ciclo fechado
O gás depois de se expandir na turbina a gás não vai para a atmosfera, recircula; na
câmara de combustão o gás não se mistura com os produtos de combustão, sendo a câmara de
combustão um trocador de calor de superfície, com funcionamento semelhante a uma caldeira
a vapor (gerador de vapor). O gás que saí da turbina a gás entre nos compressores depois de
passar por um regenerador e um pré-refrigerador. Entre os compressores existe um
refrigerador.
Obs.: A câmara de combustão pode ser substituída por um reator no caso de utilização
nuclear.
Vantagens:
O gás que realiza o ciclo nunca está em contato com os gases de combustão, reduzindo-
se os problemas de corrosão;
A pressão mais baixa do ciclo não é a pressão atmosférica;
Possibilidade de regulagem da pressão e da composição do fluido agente;
Podem ser utilizados outros gases, além do ar (hélio, anidrido carbônico, nitrogênio,
hidrogênio, etc.);
Rendimento constante para amplas variações de carga.
Desvantagens (Inconvenientes):
Necessidade de água de refrigeração;
Dificuldade de TC nos refrigeradores e CC;
Elevado custo dos TC ao aumentar a pressão, etc.
12.5.3. Ciclos Combinados Turbina a Gás e Turbina a Vapor
Os ciclos de funcionamento combinados TG-TV são muitos, porém os realizados são
relativamente poucos. Consiste basicamente na utilização dos gases de escape das turbinas no
sentido de aumentar o rendimento global do ciclo. Existem fundamentalmente duas
possibilidades:
1) Aproveitamento dos gases de escape da Turbina a Gás para reaquecimento da água de
alimentação da caldeira (Fig. 12.33). Desta forma, pode-se evitar os recuperadores da TV
(caso mostrado) ou combinar o funcionamento de ambos os tipos de recuperadores, de forma
que quando a TG está parada, funcionem os recuperadores da TV ou vice-versa.
Figura 12.33 Representação esquemática de um ciclo combinado gás-vapor. C - Compressor;.
CC - Câmara de combustão;. TG - Turbina de Gás;. A1 - Alternador acionado pela turbina de
gás;. G - Gerador de vapor (caldeira);. TV - Turbina de Vapor;. CO - Condensador;. IC -
Intercambiador de calor;. B - Bomba de alimentação da caldeira;. A2 - Alternador acionado
pela turbina de vapor.
2) Aproveitamento dos gases de escape da TG para aquecimento do ar de combustão na
caldeira (Fig. 12.34). Desta maneira, o consumo de combustível da caldeira é menor e,
portanto, se aumenta o rendimento do ciclo.
Figura 12.34 Representação esquemático de um ciclo combinado gás-vapor C - Compressor;
.CC - Câmara de combustão;.TG - Turbina de gás;.A1 - Alternador acionado pela turbina de
gás.G - Gerador de vapor (caldeira);.TV - Turbina de vapor;.CO - Condensador;.B - Bomba
de alimentação do caldeira;.A2 - Alternador acionado pela turbina de vapor.
Naturalmente, em certos casos, pode-se empregar ambos os procedimentos de
aproveitamento dos gases de escape. A melhora térmica do processo global é tanto maior
quanto menos se tenham esgotados as possibilidades de melhora do processo de vapor (tendo
utilizado ao máximo o reaquecimento intermediário e o pré-aquecimento regenerativo), e
quanto mais elevada seja a temperatura de entrada na turbina.
Na decisão entre um ciclo combinado de TV-TG ou um ciclo exclusivo de TV deve-
se considerar os seguintes fatores:
• o rendimento do ciclo combinado pode ser de 2 a 7% melhor;
• os custos são da mesma ordem;
• os gastos de operação e manutenção são maiores no ciclo combinado;
• a disponibilidade da planta é menor no ciclo combinado.
Com relação a segurança do ciclo combinado, é a mesma que dos ciclos comuns de TV
ou TG já que qualquer das turbinas pode funcionar independentemente da outra.
12.6. Regulagem das Turbinas a Gás
Existem muitos métodos de regulagem, mas muitos deles não dão resultados na prática.
Mesmos nos limitando as realizações práticas seria impossível descrever com detalhes a
grande variedade de esquemas de regulagem adaptados a grande variedade de instalações de
Turbinas a Gás e suas aplicações. Assim, nos limitaremos a descrever alguns esquemas mais
simples, mas que permitam a interpretação de quaisquer outros esquemas utilizados na
prática.
a) Regulagem da Velocidade
Figura 12.35 Esquema de regulação de velocidade de um grupo com turbina a gás. 1 -
Compressor de ar;.2 - Câmara de combustão;.3 - Turbina de gás;.4 - Válvula;.5 -
Alternador;.6 - Receptor de velocidade;.7 - Receptor de temperatura;.8 - Compressor de
Gás;.9 - Válvula de regulação de gás;.10 - Refrigerador de gás;.11 - Regulador de
velocidade;.12 - Ajuste do valor de velocidade prescrito.
Um receptor de velocidade (6) envia um sinal (valor medido) ao regulador de
velocidade (11) que compara este valor com o valor prescrito ajustado no dispositivo (12).
O resultado desta comparação contínua, é transmitido a válvula (9), que leva o valor de
medida em (6) até o valor prescrito, regulando a quantidade de gás que entra na CC. Apesar
de se conseguir manter constante a velocidade por meio deste esquema, a temperatura da
turbina pode variar segundo a potência de consumo exigida.
b) Regulagem de Temperatura
Figura 12.36 Esquema de regulação de temperatura de um grupo com turbina de gás. 1 -
Compressor de ar;.2 - Câmara de combustão;.3 - Turbina de gás;.4 - Válvula de segurança do
gás de combustão;.5 - Alternador;.6 - Receptor de velocidade;.7 - Receptor de temperatura;.8
- Compressor de gás;.9 - Válvula de regulação degás;.10 - Refrigerador de gás;.13 -
Regulador de temperatura;.14 - Ajuste do valor da temperatura prescrita.
No esquema anterior se regula só a admissão do combustível segundo a carga
independente da temperatura entrada da Turbina a Gás. Em alguns casos essa temperatura
pode atingir valores críticos e por isso deve ser controlada. O esquema de regulagem tem
basicamente o mesmo funcionamento que o aplicado na velocidade.
c) Regulagem Combustão de Vapor e Temperatura(Fig. 12.37 e 12.38)
Figura 12.37 Esquema de regulação combinada de velocidade e temperatura de um grupo com
turbina a gás. 1 - Compressor de ar;.2 - Câmara de combustão;.3 - Turbina de gás;.4 - Válvula
de segurança do gás de combustão;.5 - Alternador;.6 - Receptor de velocidade.7 - Receptor de
temperatura;.8 - Compressor de gás;.9 - Válvula de regulação de gás;.10 - Refrigerador de
gás;.11 - Regulador de velocidade;.12 - Ajuste do vapor da velocidade prescrita;.13 -
Regulador de temperatura;.14 - Ajuste do valor da temperatura prescrita.
Figura 12.38 Esquema de regulação de velocidade e temperatura de um grupo com turbina a
gás. 1 - Compressor de ar;.2 - Câmara de combustão;.3 - Turbina de gás;.4 - Válvula de
segurança do gás de combustão;.5 - Alternador;.6 - Receptor de velocidade;.7 - Receptor de
temperatura;.8 - Compressor de gás;.9 - Válvula de regulação de gás;.10 - Refrigerador de
gás;.11 - Regulador de velocidade;.12 - Ajuste do valor de velocidade prescrita;.13 -
Regulador de temperatura;.14 - Ajuste do valor de temperatura prescrita;.15 - Relé de adição.
Independentemente das condições de serviço impostas pelo tipo de instalação, pode
ocorrer que a mesma Turbina a Gás deva funcionar as vezes com velocidade constante e
outras vezes com temperatura constante. Este é o caso de um gerador elétrico. Durante o
período de sincronização, se utilizará a regulagem de velocidade até a conexão do gerador a
rede. A partir deste momento, atua a regulagem da temperatura, para manter a carga desejada.
Quando o gerador se desacopla da rede, atua novamente a regulagem de velocidade para
impedir o "embalamento" do gerador e, depois, para voltar a obter a velocidade síncrona.
Quando a Turbina a Gás aciona somente um turbo soprante, o fluxo de ar se regula,
geralmente, pela variação da velocidade. Neste caso, o regulador de temperatura atua como
limitador, para evitar uma sobrecarga inadmissível exigida pelo regulador de velocidade.
Assim, é indispensável que os dois reguladores podem influenciar sobre o mesmo órgão de
relação, o qual se consegue com dois tipos distintos de conexão:
Conexão em Série (Fig. 12.37)
Faz com que o regulador de velocidade controle o valor prescrito do regulador de
temperatura que, neste caso, trabalha como regulador sequencial. A complexidade desta
disposição de regulador é compensada pelo fato de que os dois reguladores funcionam
continuamente e não se encontram numa posição limite.
Conexão em Paralelo (Fig. 12.38)
Neste caso, os dois reguladores atuam sobre um relé de adição, cuja relação de
transmissão é de 1:1. Exceto nos curtos períodos de transição, um dos reguladores está sempre
em sua posição limite e emite seu sinal máximo.
d) Regulagem de Combustível
Figura 12.39 Regulação de combustível. 1 - Bomba de combustível;.2 - Regulador da pressão
de alimentação;.3 - Válvula de regulação da alimentação;.4 - Queimador de combustível;.5 -
Válvula de regulação do retorno do combustível;.ϕ1 - Caudal de alimentação;.ϕ2 - Caudal de
injeção;.ϕ3 - Caudal de retorno.
Pode-se medir o fluxo por meio de uma válvula de regulação do retorno de combustível
em função da pressão de retorno, que é facilmente controlável. A regulagem da quantidade de
combustível de acordo com a quantidade de ar é muito importante, como já visto, para que
ocorra uma boa combustão.
c) Regulagem Mista
Consiste de um esquema que combina simultaneamente os processos de regulagem de
velocidade, temperatura e combustível. A seguir descreveremos alguns elementos de
transmissão hidráulica utilizados na regulagem das Turbina a Gás e referidos anteriormente.
Figura 12.40 Esquema de regulação combinada para o funcionamento misto. 1 - Compressor
de ar;.2 - Câmara de combustão;.3 - Turbina de gás;.4 - Válvula de segurança do gás de
combustão;.5 - Alternador;.6 - Receptor de velocidade;.7 - Receptor de temperatura;.8 -
Compressor de gás;.9 - Válvula de regulação de gás;.10 - Refrigerador de gás;.11 - Regulador
de velocidade;.12 - Ajuste do valor da velocidade prescrita;.13 - Regulador de temperatura;.14
- Ajuste do valor de temperatura prescrita;.15 - Relé de adição;.16 - Relé de mistura de
combustível;.17 - Ajuste do valor prescrito para a mistura de combustível;.18 - Bomba de
combustível;.19 - Regulador da pressão de alimentação;.20 - Válvula de alimentação;.21 -
Queimador de combustível;.22 - Válvula de retorno do combustível;.23 - Indicador da pressão
diferencial do combustível;.24 - Regulador limite para o combustível;.25 - Indicador da
pressão diferencial do gás;.26 - Regulador limite para o gás.
Receptor de Velocidade
É instalado no eixo acionado pela Turbina a Gás como já visto. Consiste de um peso
excêntrico 1, suspendido por "resortes" 2 para evitar qualquer atrito; desta forma, o peso
excêntrico somente pode mover-se na direção radial. Com este movimento, se faz a abertura
do bocal 5, regulando-se assim a quantidade de combustível que vai para o escape. Como a
alimentação está estrangulada pelo "Tornillo" 4, existe uma interdependência entre a
quantidade que flui e a pressão. Esta atua sobre o "fuelle" 3, em sentido oposto ao da força
centrífuga e manda, em conseqüência, a abertura do escape, até estabelecer o equilíbrio entre
a força centrífuga e a pressão de combustível. O eixo do regulador gira sobre dois cossinetes
dos quais, um serve para o abastecimento de combustível a pressão, e o outro é usado para
transmitir ao exterior a pressão de medida.
Figura 12.41 Receptor de velocidade 1 - Peso centrífugo;.2 - Resorte guía;.3 - Fuelle;.4 -
Tobera de entrada;.5 - Tobera de saida;.6 - Arbol;.A - Descarga de aceite;.B - Alimentação de
aceite a pressão;.C - Tubéria de medida.
Receptor de Temperatura
Figura 12.42 Receptor de temperatura. 1 - Tubo de aletas;.2 - Barra de quartzo;.3 - Braço de
transmissão;.4 - Acoplamento;.5 - Espárrago;.6 - Manguito;.7 - Alavanca multiplicadora;.8 -
Braço;.9 - Resorte;.10 - Pistão;.11 - Carcaça da turbina;.A - Descarga;.B - Alimentação de
aceite a pressão;.C - Alimentação do ar de refrigeração;.D - Tubéria de medida.
É instalado na tubulação de entrada da Turbina a Gás como já visto. Seu funcionamento
é baseado no princípio da dilatação térmica. O tubo aletado 1 está montado no espaço de
gases cuja temperatura se quer medir; absorvendo ou cedendo calor, adapta sua temperatura à
temperatura dos gases. A dilatação é transmitida através da barra de quartzo 2, do braço 3,
acoplamento 4 e apoio, até uma alavanca multiplicadora 7. O deslocamento desta alavanca
devido à dilatação é transmitido ao braço 8 que regula a abertura do bocal no pistão 10. Ao
mudar a abertura, varia-se a pressão do combustível que atua sobre o pistão 10; o "resorte" 9
desloca o pistão, de modo que varia novamente a abertura da válvula, até que se estabeleça
um equilíbrio entre a ação da pressão do combustível e a do "resorte" 9. Desta forma, o
deslocamento da alavanca 7 se transforma em uma variação da pressão do combustível. A
alimentação do combustível a pressão se efetua através de B e a saída da pressão de medida
por D. Para proteger do calor a parte hidráulica do dispositivo, utiliza-se ar de refrigeração por
C, ao espaço anular 6.
12.7. Equações Fundamentais
São as mesmas aplicadas às Turbinas Hidráulicas radiais e axiais e já foram
apresentadas.
12.8. Perdas, Potência e Rendimentos
a) Perdas
São do mesmo tipo das encontradas nas Turbinas a Vapor só que agora acrescidas das
perdas nocompressor.
b) Potência
Definida a partir do trabalho por unidade de tempo.
Considerando um ciclo aberto simples de Brayton como o já mostrado na Figura 12.21,
podemos definir os trabalhos como segue:
Trabalho do compressor (τc ) : )TT.(Cp 21c −=τ
Trabalho da Turbina a Gás (τT) : )TT.(Cp 43T −=τ
Trabalho útil (τ ): 
)TTTT(Cp 1243
cT
−+−=τ
τ−τ=τ
OBS: A Figura 12. 102 mostra graficamente a representação destes trabalhos.
c) Rendimentos
Rendimento Interno da Turbina a Gás(ηi)
fluído ao adicionadocalor 
Líquido interno Trab.
Q
W
a
i
i ==η
ic
sc
sTiTi
WW.W η−η=
onde:
dita epropiament Gas a Turbina da int. rend.iT=η
compressor do int. rend.ic=η
Gas a Turbina da isoent. Trab.Wst=
compressor do isoent. Trab.Wsc=
Observando-se a Fig. 2.23 podemos escrever:



 −=−= 1
T
T
T.pC)TT.(pCW
1
s2
1Ts2sc
.
T
T
1T.pC)TT.(pCW
'3
s'4
'3s'4'3sT 


 −=−=
Considerando o fluido como gás perfeito, podemos escrever:
Cv
Cp;
T
T
p
p
p
p
T
T
3
4
1
3
4
1
2
1
2
1 =γ=


=


= γ
−γ
γ
−γ
Definindo:
 a)politrópic (constante 1m γ
−γ=
13
'3
1
3
1 TT ra) temperatude (coefic. 1
T
T
T
T ><==τ
12
1
s2
1
2
c pp )compressão de (relação 1p
p
p
p >>==ε
Ainda como os pontos 1 e 4 estão na mesma isobárica, assim como os pontos 2 e 3,
temos:
2
3
1
4
3
4
2
1
T
T
T
T
T
T
T
T =⇒=
Assim: )1.(T.pCW mcTsc −ε=




ε−= mc'3sT
11T.pCW
( )


 −εη
τ−



ε
τ−η=∴ 11T.pCW mc
ic
m
c
iT3in
Por outro lado, temos:



 −=−=
3
2
323a T
T1T.pC)TT(pCQ



 τ−=
1
2
3a T
T1T.pCQ
Mas
12
1s2
ic hh
hh
−
−=η
s43
43
iT hh
hh
−
−=η
)TT.(pC
W
hh
W
12
sc
12
sc
ic −=−=η ( ) ( )



 −
−ε=



 −
−ε=η
1
T
T
1
1
T
TT.pC
1T.pC
T
2
m
c
1
2
1
m
c1
ic
( )111
T
T m
c
ic1
2 −εη+=⇒
Assim, temos:
( ) 






 −εη+τ−= 1
11.1T.pCQ mc
ic
3a
( )

 −εη
τ−τ−=∴ 11T.pCQ mc
ic
3a
Portanto, o rendimento interno de uma TG é:
( )
( )11
111
m
c
ic
m
c
ic
m
c
iT
i
−εη
τ−τ−
−εη
τ−



ε−η=η
ou
a
scicsTiT
i Q
W./1W. η−η=η
OBS: esta equação foi obtida sem considerar as perdas nos condutos antes e depois
da turbina. Considerando estas perdas, temos:
Devido as perdas nos condutos antes da turbina: p3 < p2.
Devido as perdas nos condutos depois da turbina: p4 > p1
Assim, definimos:
1
2
c
4
3
e p
p
p
p =ε<=ε
O trabalho adiabático-isoent. da Turbina a Gás neste caso é:




ε−=−= me3s43'sT
TT.T.pC)TT.(pC'W
Agora podemos definir um rendimento que leva em conta as perdas nos condutos:
m
c
m
e
sT
sT
r 1
1
W
'W
−
−
ε−
ε−==η
Assim, podemos rescrever:
sc
ic
sTiTi W.
1'W.W η−η=
ou
sc
ic
sTiTri W.
1W..W η−ηη=
Assim, temos:
a
scicsTiTr
i Q
W./1W.. η−ηη=η
Observações:
1a) W W WsT iT sc
ic
i.η η> > para que 0
Se Wsc é pequeno teremos mais trabalho líquido (isto não afeta em si o rendimento).
Mas se Wsc é grande, além de reduzir o trabalho líquido, o rendimento interno da
Turbina a Gás cairá fortemente afetado pelo rendimento do compressor. Este tem portanto
grande importância na evolução das Turbinas a Gás.
2a) A elevação da temperatura na entrada da Turbina a Gás é um meio muito eficaz para
melhorar o rendimento.
3a) Com uma pequena diminuição da temperatura ambiente se consegue uma melhora
de rendimento muito maior que com um incremento igual da temperatura de entrada na
Turbina a Gás.
4a) O consumo específico de combustível diminui (e, portanto, para uma mesma
potência diminui o tamanho da Turbina a Gás) ao aumentar os rendimentos internos da
turbina e do compressor, assim como ao se elevar a temperatura na entrada da turbina.
12.9. Aplicações das Turbinas a Gás
1) Motores alternativos de Combustão Interna
Turbo-sobre-alimentadores
Figura 12.43 Turbo sobre alimentador Hispano-Suiço H-S 400
Figura 12.44 Corte longitudinal de um turboalimentador Hispano-Suiço H-S 400
1 - Cárter do compressor;.2 - Rodete do compressor;.3 - Difusor;.4 - Cárter principal;
5 - eixo;.6 - Turbina;.7 - Distribuidor;.8 - Cárter de admissão de gás.
3) Propulsão Marítima
Figura 12.45 Buque fragata H.M.S. de 1400 toneladas, primeiro barco do mundo que se
equipou com TG. Dos turbo reatores Proteus Rolls-Royce suministran a potência na marcha a
velocidade de cruzeiro, que dan automaticamente desacoplados quando se necessita um
aumento de velocidade, em cujo caso toda a potência é suministrada por um turbo reator
Olympus. Cada motor marino Proteus suministra 3170 kW, e no motor Olympus solos
suministra uma potência de 20290 kW.
Figura 12.46 Esquema de propulsão marinha do tipo CODOG. 1) Nos motores Diesel se põe
na marcha e se aceleram até a velocidade de manobra. O barco manobra com a hélice de
passo variável. 2) Na velocidade de cruzeiro dos motores Diesel administram toda a potência.
3) Quando se prevê necessidade de aumento de velocidade a TG se põe em marcha e funciona
em vazio. 4) Para aumentar a velocidade do braço de basta aumentar a velocidade da TG, com
a qual se acopla esta e desacopla automaticamente o motor Diesel, que pode seguir
marchando em vazio ou parado. 5) Em caso de avaria do Diesel na TG pude também
manobrar com a hélice de passo variável, e administrar a potência necessária para a marcha a
velocidade de cruzeiro.
4) Veículo Aerosuspendido (Hovercraft)
Figura 12.47 O "Hovercraft" SRN 4 da Wstland Aircraft.
2) Propulsão Aeronáutica
Turbo-reatores
Figura 12.48 Corte longitudinal do turbo reator DB 730 F/ZTL 6. Relação de by-pass 5,5.
Gasto de ar 37 kg/s, relação de compressão 1,30. Empuje estático 9800 N. Consumo
específico de combustível 0,045 kg/N.h. Rotor do helicóptero: 1178 kW.
Turbo-hélice
Figura 12.49 Motor Bastan VII, que propulsa no avião turbo hélice Nord 262 C.
Características: Redutor de velocidade árbol motor a árbol da hélice: 21,096:1;
compressor axial de dos escalonamentos (primeira corona móvel de Titânio);
compressor centrífugo de um escalonamento; câmara de combustão anular com injeção
centrífuga do carburador; turbina axial de três escalonamentos (dos álabes da primeira
corona fixa com huecos e refrigerados por ar do compressor); a turbina gira a 32000
rpm; potência útil na eixo da turbina 780 kW.
Figura 12.50 Esquema de um turbohélice
5) Caminhões
Figura 12.51 Protótipo de TG 707 da Ford Motor Company de 280 kW (tomado de Ford New
Release 16 outubro de 1966). Do dobro eje e ciclo regenerativo. O compressor gira a 37500
rpm e seu eixo de saída a 3000 rpm. O motor pesa 770 kp (7560 N) com uma longitude de
91,60 cm, e uma altura de 99 cm. Posee toberas orientados antes da turbina de potência, que
servem também para o frenado. Este desenho pode ser montado em caminhões Ford de carreta
de série W-100.
12.10. Comparações entre as Turbinas a Gás e as Turbinas a Vapor
a) Vantagens das Turbinas a Gás com relação as Turbinas a Vapor
instalação mais compacta;
necessita de menos dispositivos auxiliares;
não precisam de condensador;
não precisam de água;
lubrificação mais simples;
controle mais fácil;
possibilidade de uso de vários combustíveis;
não precisam de chaminé;
tem menor relação peso/potência.
b) Desvantagens das Turbinas a Gás com relação as Turbinas a Vapor
tem grande consumo específico de combustível;
necessitam ser construídas de materiais especiais devido as altas temperaturas.
c) Comparação entre os ciclos Turbinas a Gás e Turbinas a VaporEm ambos os ciclos a adição e cessão de calor é isobárica e em ambos a expansão e
compressão são isoentrópicas.
Os equipamentos também se correspondem:
Ciclo Rankine Ciclo Brayton
Turbinas a Vapor Turbinas a Gás
Condensador Atmosfera
Bomba Compressor
Caldeira-Aquecimento Câmara de Combustão
A única diferença essencial entre ambos os ciclos é que no ciclo de Rankine há a
mudança de fase de líquido para gás, ocorrendo a compressão na fase líquida e a expansão na
fase gasosa, sendo o trabalho de compressão mínimo.
O contrário ocorre no ciclo Brayton, onde o trabalho de compressão absorve uma boa
parte do trabalho da Turbina a Gás; portanto, o trabalho líquido é menor.
d) Custos de Instalação, Operação, Manutenção e Geração
A Figura 12.52a, b, c mostra uma comparação entre os custos fixos (instalação) e
variáveis (operação e manutenção) e a Figura 12.52d mostra os custos de geração de energia
nas centrais de Turbina a Gás e Turbina a Vapor.
Note-se também nestas figuras que são apresentados, para efeitos comparativos globais,
centrais hidroelétricas e nucleares.
Figura 12.52 O consumo de energia varia de dia em dia, de estação em estação, de ano em
ano. O objetivo do engenheiro é avaliar, desenhar e instalar qualquer tipo de central que
constitui a solução econômica e segura, temendo em curta todas as circunstâncias. Nos
diagramas desta figura ajudará a compreender as bases desta evolução (explicação no texto).
Fig. 115 - Representação do ciclo aberto simples no diagrama dinâmico. a-Trabalho do
compressor. b-Trabalho da turbina. c-Trabalho útil.kW.
Fig. 116 - Esquema de propulsão marinha do tipo CODOG. 1) Nos motores Diesel se põe na
marcha e se aceleram hasta a velocidade de manobra. O barco manobra com a hélice de passo
variável. 2) Na velocidade de cruzeiro dos motores Diesel suministran toda a potência. 3)
Quando se prevê necessidade de aumento de velocidade a TG se põe em marcha e funciona em
vazio. 4) Para aumentar a velocidade do braço basta aumentar a velocidade da TG, com a qual
se acopla esta e se acopla automaticamente o motor Diesel, que pude seguir marchando em vazio
ou parado. 5) Em caso de avaria do Diesel na TG pude também manobrar com a hélice de passo
variável, e suministrar a potência necessária para a marcha a velocidade de cruzeiro.
Fig. 117 - Planta e alzado da central elétrica móvel de socorro Bristol Siddeley. 1-Entrada de ar.
2-Compartimento de máquinas. 3-Sistema de aceite. 4-Sistema de combustível. 5-
Compartimento do gerador. 6-Compartimento de controle. 7-Exaustor. 8-Tabiques
silenciadores. 9-Turbina de gás. 10-Acomplamento flexível. 11- Gerador de corrente alternada.
12-Transformador auxiliar. 13-Sistema de extintor de fogo. 14-Baterias de acumuladores. 15-
Equipe de controle.
Fig.118 - Esquema de uma central de carga pronta de 40 a 50 MW da firma STAL-LAVAL. O
grupo é de três eixos. O compressor, o inter-refrigerador, as câmaras de combustão e as turbinas
do compressor constituem o gerador de gás. Na turbina de potência útil e o alternador
constituem o grupo de produção de energia. É visto o procedimento de arranque: Se envia ar
comprido através de um injetor do compressor de alta pressão. O ar circula através do
compressor de baixa pressão, do inter-refrigerador, compressor de alta pressão e as câmaras de
combustão. Desta maneira podem imediatamente acender-se as câmaras. Assim não há perigo
de choque térmico no arranque e se reduz o tempo de partida em marcha a três minutos e meio.
Na fig. 25-36 pode-se ver o esquema do circuito e na fig. 25-37 o diagrama de partida em
marcha. O combustível pode ser gás, gasolina, gasoil o aceite pesado. A temperatura dos gases
na entrada da turbina é aproximadamente 760oC, e o rendimento global 27-28%.
Fig. 119 - Turbina de gás de ciclo cerrado Westinghouse combinada com reator nuclear refrigerado
por hélio. (=0,31).