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1 TURBINAS: Turbinas a Vapor e Turbinas a Gás Klauss Araújo Ribeiro 1 Kliver Adenauer Ferreira de Paulo 1 Luana Oliveira Fernandes 1 Renato Augusto Marson 1 Thiago Luíz Nogueira Silva 2 RESUMO Turbina a vapor é uma máquina térmica que utiliza a energia do vapor sob forma de energia cinética. Deve transformar em energia mecânica a energia contida no vapor vivo sob a forma de energia térmica e de pressão. Sua maior aplicação é no acionamento de bombas, compressores e geradores de energia elétrica. A turbina a vapor é atualmente a mais usada entre os diversos tipos de acionadores primários existentes. Uma série de características das turbinas a vapor levou que se destacasse na competição com outros acionadores, como a turbina hidráulica, o motor de combustão interna, a turbina a gás. Este trabalho tem por objetivo demonstrar o funcionamento dos tipos de turbinas a vapor e a gás, demostrando um pouco da sua história, aplicações, vantagens e desvantagens e suas novas tecnologias para mundo atual. Palavras-chave: Turbinas a vapor. Máquina rotativa. Energia. 1 INTRODUÇÃO Turbinas são equipamentos mecânicos que tem por finalidade transformar energia de algum fluido (água, vento, gás, etc) que se move através dela, convertendo ou a energia potencial ou a cinética com diferença para cada fluido. De forma geral, os elementos básicos das turbinas são o rotor, dotado de um certo número de pás ou palhetas ligadas a um eixo que gira sobre um conjunto de mancais (deslizamento ou pastilha), as hélices, lâminas ou cubos colocados ao redor da sua 1 Graduandos do curso de Engenharia Mecânica do Unis – Centro Universitário do Sul de Minas. 2 Professor Responsável pela Matéria Máquinas Térmicas Thiago Luíz Nogueira Silva. 2 circunferência, de forma que o fluido produza uma força capaz de impulsionar a roda, fazendo-a girar. As turbinas podem ser usadas para movimentar outro equipamento mecânico rotativo como, por exemplo, os compressores, geradores elétricos, bombas, ventilador, propulsão naval, aeronáutica. E ainda podem ter uma rotação fixa ou variável, dentro de uma determinada faixa. A principal diferença entre os diversos tipos de turbinas é o fluido de trabalho, mas também pode variar a potência, a pressão, a temperatura, a vazão mássica de fluido, os detalhes construtivos e as dimensões. Todos os tipos possuem uma ampla faixa de potência, como por exemplo, para ventiladores podem variar até 300kW e instalações nucleares até 1200MW. Logo, com a finalidade de contribuir sobre este tema, o presente artigo tem como objetivo abordar aspectos que dizem respeito as turbinas, apresentar desde sua história, tipos de turbinas a vapor e a gás, funcionamento, aplicações, vantagens e desvantagens e algumas tecnologias conforme o mundo atual. Finalmente, e esperado que no final deste artigo haja mais esclarecimento sobre o assunto e abra novas possibilidades de estudos sobre a área, e colocar em prática conhecimentos já adquiridos em sala de aula. 2 HISTÓRICO DAS TURBINAS A história das turbinas começa antes de Cristo, pois os mesopotâmicos e egípcios já possuíam algumas tecnologias relacionadas ao aproveitamento de energia cinética da água, mas, o primeiro mecanismo que pode ser considerado antes da turbina hidráulica era à roda d’água com paletas abertas ou externas a roda. Sua instalação era feita de modo que a água que passasse por baixo da roda a movimenta-se. A primeira turbina a vapor surgiu por volta do século III a.C com a invenção de um mecanismo para provar a pressão do ar sobre os corpos, construído por Heron de Alexandria, ou ainda Hero, seu funcionamento se dava através de um globo contendo água, do qual o vapor fervente poderia escapar através dos bocais, o fogo colocado abaixo de um recipiente fervia a água e o vapor escapava pelos tubos verticais entrando no globo. Essa máquina a vapor era considerada um brinquedo, chamado Eolípia. 3 Figura 1 – Primeira máquina a vapor: Eolípia Fonte: Site motores de combustão. Em 1629 (Século XVII) Giovanni Branca, construiu uma turbina de impulso (ação). Ele compreende uma roda com pás planas sendo rodado por meio de vapor produzido num recipiente fechado e dirigido para as pás através de um tubo. Com as engrenagens, barras e eixos adequados, ele poderia ser usado para mover moinhos, máquina de estampagem, serrarias e para bombear água, porém essa máquina tinha uma eficiência baixa. Figura 2 – Turbina de Giovanni Branca Fonte: Educational Tecnology Clearinghouse. Logo, Carl Gustaf de Laval (Século XIX) que contribuiu para ser a primeira turbina do tipo impulso (ação) simples construída para gerar eletricidade ao queimar o carvão, pois com o auxílio do calor libertado na combustão do carvão, evapora-se água e o seu vapor impulsiona as turbinas que fazem girar os geradores elétricos. Era utilizado para conduzir dínamos, bombas, ventiladores, etc. 4 Figura 3 – Turbina de Laval Fonte: Gas Turbine Handbook: Principles and Practices. 3 TURBINAS A GÁS A turbina a gás (TG) é definida como sendo uma máquina térmica, onde a energia potencial termodinâmica contida nos gases quentes provenientes de uma combustão é convertida em trabalho mecânico ou utilizada para propulsão. Desta forma, as turbinas a gás são máquinas tecnicamente muito complexas, com inúmeras partes móveis e sofisticados sistemas de lubrificação e controle eletrônico visando basicamente a conversão da energia contida no combustível em potência de eixo As turbinas a gás são acionadas pelos próprios gases quentes, produto da combustão, o que dispensa a utilização de um fluido de trabalho intermediário, como o vapor, ou outro fluído. Isto leva a unidades mais compactas, para os mesmos níveis de produção de potência. Não apresentam uma flexibilidade em relação ao combustível a ser utilizado, assim não se recomenda a utilização dos que produzem resíduos sólidos (cinzas), pois podem comprometer elementos do equipamento. As principais partes componentes da turbina a gás são: Compressor, Câmara de combustão, Turbina, conforme figura 4. Outras partes são: Linha de admissão de ar e combustível, Carcaça, Pás, Difusor e linha de exaustão. 5 Figura 4 - Partes da turbina a gás Fonte : Tecmundo. 3.1 Funcionamento As turbinas a gás funcionam admitindo ar em condição ambiente ou refrigerado. O ar entra no compressor, onde ocorre compressão adiabática com aumento de pressão e consequentemente também aumento de temperatura. Cada estágio do compressor é formado por uma fileira de palhetas rotativas que impõem movimento ao fluxo de ar (energia cinética) e uma fileira de palhetas estáticas, que converte a energia cinética em aumento de pressão. Figura 5 - Fluxo de ar no compressor a gás Fonte: Tecmundo. 6 A ventoinha instalada na parte da parte da frente gira em alta velocidade para coletar o ar e direcionada ao compressor O compressor é composto por diversos rotores que giram em alta velocidade em torno dos estatores, gerando a compressão do ar admitido pela ventoinha. O ar pressurizado (e aquecido) segue para as câmaras de combustão, onde também é alimentado com um combustível que pode ser gasoso ou líquido. Na combustão ocorre um aumento de temperatura a pressão constante, produzindo um aumento de volume do fluxo de gases. Estes gases quentes e pressurizados acionama turbina de potência, gerando trabalho mecânico. Depois, os gases, ainda quentes, são finalmente liberados ainda em alta temperatura. Nas turbinas a gás, o compressor utilizado geralmente trabalha com fluxo axial, tipicamente com 17 ou 18 estágios de compressão. Cada estágio do compressor é formado por uma fileira de palhetas rotativas que impõem movimento ao fluxo de ar (energia cinética) e uma fileira de palhetas estáticas, que utiliza a energia cinética para compressão. O ar sai do compressor a uma temperatura que pode variar entre 300°C e 450°C. Cerca de metade da potência produzida pela turbina de potência é utilizada no acionamento do compressor e o restante é a potência líquida gerada que movimenta um gerador elétrico. Saindo da câmara de combustão, os gases têm temperatura de até 1250°C. Após passar pela turbina, os gases são liberados ainda com significante disponibilidade energética, tipicamente a temperaturas entre 500 e 650 celsius. Considerando isso, as termelétricas mais eficientes e de maior porte aproveitam este potencial através de um segundo ciclo termodinâmico, a vapor (ou Ciclo Rankine). Estes ciclos juntos formam um ciclo combinado, de eficiência térmica frequentemente superior a 60%, ciclos simples a gás têm tipicamente 35%. Turbinas projetadas para operar em ciclo simples, tendo em vista a eficiência térmica do ciclo, têm temperatura de saída de gases reduzida ao máximo e têm otimizada taxa de compressão. A taxa de compressão é a relação entre a pressão do ar na entrada da turbina e na saída do compressor. Por exemplo, se o ar entra a 1 atm, e deixa o compressor a 15 atm, a taxa de compressão é de 1:15. 7 Figura 6 - Turbina a gás. Fonte: Just True News. 3.2 Classificação das turbinas a gás Quanto à direção do escoamento: Axiais com escoamento paralelo ao eixo e Radiais que são menos usadas Quanto à conexão turbina-compressor: Conexão direta a turbina aciona compressor por um eixo que também é o eixo de potência (turbinas estáticas). Turbina livre uma turbina é usada apenas para acionar o compressor uma segunda turbina, sem acoplamento com a outra nem com o compressor, aciona o eixo de potência produz a energia útil. 3.3 Aplicação Seu uso mais comum no dia de hoje, devido a sua alta densidade de potência, á em aeronaves e para acionar diversos outros tipos de máquinas movidas por eixo, tais como: navios, ônibus, helicópteros, locomotivas, tanques de guerra. No âmbito industrial podem ser usadas para fazer outros equipamentos funcionarem (bombas, compressores). E também para geração de energia elétrica. 8 3.4 Vantagens e desvantagens Dentre as vantagens das turbinas a gás temos: Tendem a ser mais compactas, tem uma maior razão potência/peso (se comparadas a motores possuem até 70% em relação aos outros motores). Por isso elas são adequadas para sistemas de transportes como aviões, navios, e até mesmo transporte terrestre. Partida e paradas mais rápidas. Consome menos matéria prima na fabricação, o que implica menor custo e equipe de operação e manutenção reduzida. Pode ser utilizado em regiões onde não há abundância de água, o que não é possível com a turbina a vapor. Produz menos vibração. Dentre as desvantagens das turbinas a gás temos: Menor potência específica. Possuem rendimento baixo (menor eficiência) São de difícil projeto. Necessidade de grande quantidade de ar. Menor vida útil. 4. TURBINAS A VAPOR O aparecimento da primeira turbina a vapor genuína é associado, em primeiro lugar, aos engenheiros Carl Gustaf de Laval (1845 - 1913) da Suécia e Charles Parsons (1854- 1931) da Grã Bretanha. Turbina a vapor é um equipamento que aproveita a energia calorífica do vapor (Energia potencial), que é transformada em energia cinética devido a sua expansão através dos bocais. Esta energia então é transformada em energia mecânica de rotação devido à força do vapor agindo nas pás rotativas.Esta energia mecânica pode ser utilizada para mover equipamentos e quando acoplado um gerador a turbina a vapor, se obtém a transformação da energia mecânica em energia elétrica. 9 Figura 7 – Transformação de energia Fonte: O Autor. Utiliza-se esta turbina sobretudo para gerar eletricidade ao queimar o carvão, pois com o auxílio do calor liberado na combustão do carvão, evapora-se a água e o seu vapor impulsiona as turbinas que fazem girar os geradores elétricos. 4.1 Funcionamento A turbina a vapor é uma máquina que converte a energia do vapor proveniente de uma caldeira em trabalho mecânico. Em uma central termoelétrica este trabalho se aplica para mover um gerador elétrico que transforma o trabalho em energia elétrica. Para conseguir que a energia do vapor se converta em trabalho mecânico, o vapor é transportado para a máquina através de uma tubulação, onde se expande obtendo-se um jato de vapor em grande velocidade. A tubulação se encontra fixa na carcaça da turbina e o jato de vapor se dirigem contra um conjunto de palhetas montadas sobre um eixo rotativo. A força do vapor atua sobre as palhetas, impulsionando-as e provocando um movimento rotativo no eixo. O rotor na parte móvel da turbina e é montado em rodas com palhetas e bicos direcionadores de fluxo. Os jatos fixos, montados sobre a carcaça que envolve o eixo, atua como barreira de pressão, minimiza a perda de pressão de vapor ao mesmo tempo que conduz o fluxo de vapor de forma eficiente. A carcaça também possui pás que direcionam o fluxo de vapor, de forma favorecer o aproveitamento da energia cinética e inercial do vapor. O vapor perde energia à medida que se desloca pelas pás dos rotores, desta forma a temperatura e pressão do vapor na saída de escape são menores que na entrada da caldeira, assim algumas turbinas dispões de fazes de aproveitamento individuais, como zona de baixa, média e alta pressão. 10 O vapor, já em baixa temperatura, passa por um condensador onde sua temperatura diminui e se forma agua, onde será conduzida novamente à caldeira para ser reutilizada em forma de vapor novamente. 4.2 Componentes ROTOR: É o elemento móvel da turbina (envolvido pelo estator) cuja função é transformar a energia cinética do vapor em trabalho mecânico através dos receptores fixos. Figura 8 - Rotor Fonte: Universidad Laboral de Córdoba. ESTATOR: É o elemento fixo da turbina (que envolve o rotor) cuja função é transformar a energia potencial (térmica) do vapor em energia cinética através dos distribuidores. Figura 9 – Estator Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAg79UAJ/turbinas-a-vapor. 11 BOCAIS: A turbina a vapor é alimentado através desses elementos. Seu trabalho é obter uma distribuição adequada de vapor. 4.3 Classificação das turbinas a vapor: quanto aos estágios. Os estágios das turbinas a vapor podem ser dois tipos: Estágios de Ação e Estágios de Reação. 4.3.1 Estágios de Ação Os Estágios de Ação podem ser de dois tipos: Estágios de Pressão (Rateau), Estágios de velocidade (Curtis). O estágio Rateau (escalonamento de pressão) é composto por um arco de expansores e uma roda de palhetas móveis. A queda de pressão e da 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 a velocidade menor. A vantagem é que se pode obter mais uma velocidade mais adequada depalhetas em termos de resistência dos materiais. O estágio Curtis (escalonamento de velocidade) é composto de um arco de expansores, seguidos por duas rodas de palhetas móveis, entre as quais há um arco de palhetas iguais. O arco de expansores reduz a pressão e aumenta a velocidade. Os rotores de palhetas móveis são acionados, reduzindo a velocidade do vapor. As palhetas guias não alteram pressão nem velocidade do vapor, apenas orientam o fluxo para que os esforços no segundo rotor sejam semelhantes aos esforços no primeiro. O emprego do estágio Curtis proporciona queda de pressão e de temperatura de vapor, o que permite uso de materiais mais baratos e leves. Figura 10 – Estágios de pressão e velocidade Fonte: CNTQ – Turbinas a Vapor. 12 4.3.2 Turbinas de Reação As turbinas de reação conhecidas como turbinas Parsons são sempre constituídas de uma roda de palhetas fixas, seguida de uma roda de palhetas móveis. As pás tanto ficam como móveis, atuam como bocais, de tal forma que ocorre queda da pressão e da entalpia em ambas as passagens. Assim, a queda de pressão em cada fileira de palhetas é pequena, resultando em baixas velocidades do vapor em cada estágio. Figura 11 – Turbinas de reação Fonte: CNTQ – Turbinas a Vapor. 4.2 Aplicação Esse tipo de turbina tem a capacidade de transformar energia térmica em energia mecânica. Assim elas podem ser aproveitadas para geração de energia e movimentar equipamentos como bombas ou compressores no ambiente industrial, embora geralmente tenham grande porte. O vapor que sai dessa turbina ainda pode ser aproveitado para cogeração de energia no caso o vapor que sai dela pode ser direcionado a equipamentos de menor porte ou mesmo usado para aquecer produtos do processo. Turbinas a vapor são usadas tanto em usinas nucleares quanto em usinas movidas a combustíveis fósseis. As turbinas podem ser usadas para movimentar um outro equipamento mecânico rotativo, como uma bomba, compressor ou ventilador, ou podem ser usadas para a geração de eletricidade, e nesse caso são ligadas a um gerador. Também têm aplicação na propulsão naval e aeronáutica. 13 4.3 Vantagens e desvantagens Dentre as vantagens das turbinas a vapor temos: Possuem alta eficiência. O ciclo térmico a vapor, do qual a turbina é parte integrante, apresenta rendimentos bastante satisfatórios, quando comparados com os ciclos térmicos de outras máquinas (Turbinas à Gás e Motores de Combustão Interna). Alta velocidade de rotação. Utilização de vapor a alta pressão e alta temperatura. Operação suave, quase sem vibração. Pode ser construído com diferentes potências, unidades pequenas como 1MW ou muito grandes como 1.200MW. Vapor na saída sem óleo. Não há necessidade de lubrificação interna. Dentre as desvantagens das turbinas a vapor temos: È necessário um sistema de engrenagens para baixas rotações. A turbina a vapor não pode ser feita reversível. A eficiência das turbinas a vapor simples e pequenas é baixa. 5 CURIOSIDADES 5.1 GEX9 Maior turbina de aviões comerciais do mundo General Electric acaba de apresentar sua mais nova turbina para aviões comerciais. Na verdade, trata-se de muito mais que apenas uma turbina, pois este é considerado o maior modelo para aviões comerciais já lançados no mundo. Ela conta com hélices maiores do que as vistas em turbinas convencionais, podendo gerar até 47 mil kg de empuxo para os voos. Um dos grandes destaques está no suporte a altas temperaturas. A turbina GE9X pode chegar facilmente aos 1.300°c sem qualquer problema para o funcionamento. Com isso, ela consegue melhorias de desempenho e eficiência, garantindo economia de combustíveis e altas velocidades no transporte de passageiros para grandes distâncias. Vale dizer ainda que a GE9X conta com uma série de peças criadas em impressoras 14 3D — sendo que elas só são possíveis graças a essa tecnologia, uma vez que seria impossível criá-las de outra forma. A turbina foi criada para os Boeings 777X e a General Electric já conta com mais de 700 unidades encomendadas. Elas devem começar a operar comercialmente a partir de 2020. Os motores turbo só começaram aparecer na indústria automobilística em 1938, quando a fabricante suíça de motores Saurer lançou seu motor turbo diesel para caminhões, algo que fez muito sucesso graças ao aumento expressivo do torque e potência que chegava a 40% na época. Figura 12 – Caminhão Saurer Turbo Diesel Fonte: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Saurer-Diesel-Truck-02.JPG Em 1952 a Cummins inscreveu nas 500 Milhas de Indianápolis um carro de corridas com motor turbo diesel. Como na época as 500 Milhas faziam parte do calendário da Fórmula 1, pode-se dizer que ele foi o primeiro (e único) carro diesel na Fórmula 1 até hoje. Figura 13 – Carro que participou da corrida Fonte: https://www.flatout.com.br/sob-pressao-historia-dos-motores-turbo/. 15 Em 1962 o turbo chegou aos carros de passeio através da Chevrolet que deu ao Corvair Monza a versão ―Spyder‖ que usava um flat-6 de 2.4 litros sobrealimentado por um turbocompressor que o ajudava a produzir 151 cv. Figura 14 – Motor que equipava o Chevrolet Corvair Fonte: Hemmings Daily. 6 CONCLUSÃO Conclui-se que após analisar o histórico das turbinas, suas características, aplicações, pode-se perceber que ao longo dos anos de desenvolvimento das turbinas, muitas pessoas dedicaram suas vidas para desenvolver e aprimorar esses equipamentos que possuem uma grande escala de uso atual. Percebe-se também que o tipo de turbina a ser utilizada em um processo é muito relativo devido às especialidades que cada tipo de turbina e processos apresentam, onde essa escolha é feita através de uma tabela de comparação de eficiência para a finalidade a qual a turbina será designada. A turbina a vapor é atualmente a mais usada entre os diversos tipos de acionadores primários existentes na indústria. Uma série favorável de características concorreu para que a turbina a vapor se destacasse na competição com outros acionadores primários, como a turbina hidráulica, o motor de combustão interna, a turbina a gás. 16 TURBINES: Steam Turbines and Gas Turbines ABSTRACT Steam turbine is a thermal machine that uses steam energy in the form of kinetic energy. It must transform into mechanical energy the energy contained in living vapor in the form of thermal energy and pressure. Its main application is in the activation of pumps, compressors and generators of electric energy. The steam turbine is currently the most widely used among the various types of existing primary actuators. A series of characteristics of the steam turbines led to stand out in competition with other drivers, such as the hydraulic turbine, the internal combustion engine, the gas turbine. The aim of this work is to demonstrate the operation of the steam and gas turbine types, demonstrating some of its history, applications, advantages and disadvantages and its new technologies for today's world. Keywords: Steam turbines. Rotary machine. Energy. REFERÊNCIAS Andrade, Alan. Máquinas Térmicas. Disponível em: <http://www.madeira.ufpr.br/disciplinasalan/AT056-Aula09.pdf> Acesso em: 26 maio2017. Avila, Suelen. Turbina a Vapor. Disponível em: < http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfHnwAK/resumao-turbina-a-vapor> Acesso em: 26 maio 2017. Filho, Washington. A ciência da termodinâmica. Disponível em: < http://wbraga.usuarios.rdc.puc-rio.br/fentran/termo/hist.htm> Acesso em: 26 maio 2017. 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