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Turbinas a vapor
Turbinas a Vapor
São Máquinas Térmicas que utilizam a
energia térmica do vapor que é convertido em energia cinética.
A turbina deve transformar a energia cinética em energia mecânica.
O elemento básico da turbina
é a roda ou rotor, que conta com palhetas colocados ao redor de sua 
circunferência.
O fluido em movimento produz uma força
tangencial que impulsiona a roda, fazendo-a girar.
A energia térmica do vapor é inicialmente convertida em energia cinética e depois em 
energia mecânica
Classificação de turbinas pela exaustão
Turbina de Reação - a energia mecânica é obtida a partir da
aceleração do vapor em expansão.
As turbinas deste tipo têm dois grupos de lâminas (ou palhetas),
algumas móveis e outras fixas.
As lâminas fixas são posicionadas de modo que cada par funciona
como um bocal através do qual o vapor passa à medida que se
expande, atingindo as lâminas das turbinas de reação, que são
montadas em um tambor que atua como o eixo da turbina.
Ocorre uma grande queda de pressão em um grupo de bocais e a
velocidade mais alta de vapor resultante é usada para reorientar o
vapor de saída de uma etapa para outra.
Turbina a vapor de ação:
Uma turbina a vapor de ação com variação de velocidade consiste
basicamente em:
- Um distribuidor fixo, com um ou vários bocais, cuja missão é
transformar a energia térmica do vapor à sua disposição, total (ação)
ou parcialmente (reação), em energia cinética.
-Uma coroa móvel, fixada em um eixo, cujas lâminas localizadas na
periferia destinam-se a transformar a energia cinética em energia
mecânica de rotação.
A operação consiste em impulsionar o vapor através dos bocais fixos
até atingir as lâminas, que absorvem uma parte da energia cinética
do vapor de expansão, que gira o rotor e o eixo ao qual está preso.
As turbinas de ação usuais têm vários estágios, em que a pressão
diminui passo a passo em cada uma deles.
Pode possuir um ou múltiplos estágios.
Turbina de fluxo axial: é o método mais utilizado, a passagem de
vapor é feita seguindo um cone que tem o mesmo eixo que a
turbina.
-Turbina de fluxo radial: a passagem de vapor é feita seguindo todas
as direções perpendiculares ao eixo da turbina.
-Turbina com extração de vapor: é realizada em estágios de alta
pressão, enviando parte do vapor de volta para a caldeira para
sobreaquecer e enviá-lo de volta aos estágios intermediários. Em
algumas ocasiões, o vapor também pode ser extraído de algum
estágio para derivá-lo para outros processos industriais.
Turbina de contrapressão: a pressão do vapor na saída da turbina é
superior à pressão atmosférica, geralmente é conectada a um
condensador inicial que condensa o vapor, obtendo água quente ou
superaquecida, o que permite o uso térmico subsequente.
-Turbinas de condensação: o vapor sai abaixo da pressão atmosférica,
neste projeto há um maior uso de energia do que a contrapressão, a
água de resfriamento é obtida a partir da sua condensação. Este
projeto é usado em turbinas de alta potência que procuram alto
desempenho.
Principais elementos de uma turbina a vapor
Uma turbina consiste em três partes principais:
-O corpo do rotor, que contém as coroas rotativas das lâminas.
- A carcaça, contendo as coroas fixas dos bocais.
-As lâminas.
Além disso, tem uma série de elementos estruturais, mecânicos e auxiliares, como
rolamentos, válvulas de regulação, sistema de lubrificação, sistema de refrigeração, sistema de
controle, sistema de extração de vapor, sistema de controle de óleo e sistema de vedação de
vapor
Classificação de mercado:
Turbina de Baixa Pressão – vapor na entrada a 22bar e 320°C
Turbina de Média Pressão – vapor na entrada a 45 bar e 450°C
Turbina de Alta Pressão – vapor na entrada de 65 a 140 bar e de
480 a 540°C – tipo em expansão no mercado brasileiro de geração
de energia
Princípio de funcionamento
Em uma turbina a vapor a transformação de energia do vapor
em trabalho é feita em duas etapas: inicialmente, a energia
do vapor (térmica) é transformada em energia cinética.
O vapor é obrigado a escoar através de pequenos orifícios, de
formato especial, denominados expansores. Devido à
pequena área de passagem o fluido adquire alta velocidade,
aumentando sua energia cinética, mas diminuindo, em
consequência, sua entalpia (energia).
Em um expansor, além do aumento de velocidade e da
diminuição da entalpia, ocorrem também queda na pressão,
queda na temperatura e aumento no volume específico do
vapor.
Classificação
De ação (ou de Impulso) – a queda de pressão ocorre no estator ou
bocal, somente converte a energia cinética do vapor em potência de
eixo.
De Reação – a queda de pressão ocorre no estator e no rotor, ou
seja existe expansão pela diminuição de área de escoamento entre
as pás do rotor da turbina
Ação Reação
Ação
Ação
Ação
Ação
Ação
Turbinas de 
reação
Comparação entre turbinas de ação e de reação
Ação
Em ambos os casos a energia do vapor foi transformada
em energia cinética no expansor e esta energia cinética,
então, convertida em trabalho.
Principais componentes de uma turbina a vapor
Uma turbina a vapor é composta basicamente dos seguintes
componentes:
- Estator (roda fixa);
- Rotor (roda móvel);
- Expansor;
- Palhetas;
- Diafragmas;
- Disco do rotor;
- Tambor rotativo;
- Coroa de palhetas;
- Aro de consolidação;
- Labirintos;
- Deflectores de Óleo;
- Carcaça;
- Mancais de deslizamento e escora;
- Elementos de controle (periféricos) 
ESTATOR (RODA FIXA)
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.
ROTOR (RODA MÓVEL)
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. 
EXPANSOR
A função do expansor é orientar o jato de vapor sobre as palhetas móveis.
No expansor o vapor perde pressão e ganha velocidade. Podem ser 
convergentes ou convergentes-divergentes. 
São montados em blocos com 1, 10, 19, 24 ou mais expansores de acordo 
com o tamanho e a potência da turbina e consequentemente terão formas
construtivas específicas, de acordo com sua aplicação. 
Lâminas 
fixas
Lâminas 
fixas Lâminas 
móveis
Lâminas 
móveis
Estator, eixo do rotor e palhetas móveis.
PALHETAS
Palhetas móveis são aquelas fixadas ao rotor, enquanto que
palhetas fixas são fixadas no estator.
As palhetas fixas (guias, diretrizes) orientam o vapor para a coroa de
palhetas móveis seguinte. Podem ser encaixadas diretamente no
estator (carcaça) ou em rebaixos usinados em peças chamadas de
anéis suportes das palhetas fixas, que são, por sua vez, presos à
carcaça.
As palhetas móveis tem a finalidade de receber o impacto do vapor
proveniente dos expansores para movimentação do
rotor. São fixadas ao aro de consolidação pela espiga e ao disco do
rotor pelo “malhete” e, ao contrário das fixas, são removíveis.
Fixação das palhetas móveis.
DIAFRAGMAS
São constituídos por dois semicírculos, que separam os
diversos estágios de uma turbina de ação multiestágio. São
fixados no estator, suportando os expansores e “abraçando”
o eixo sem tocá-lo.
Entre o eixo e o diafragma existe um
conjunto de anéis de vedação que reduz a fuga de vapor de
um estágio para outro através da folga existente entre
diafragma-base do rotor, de forma que o vapor só passa
pelos expansores.
Estes anéis podem ser fixos no próprio
diafragma ou no eixo. Este tipo de vedação é chamado de
selagem interna.
Diafragma com anel de palheta
Diafragma 
DISCO DO ROTOR
É a peça da turbina de ação destinada a receber as palhetas 
móveis.
TAMBORROTATIVO
É basicamente o rotor da turbina de reação, que possui
o formato de um tambor cônico onde são montadas as 
palhetas móveis.
COROA DE PALHETAS
São as palhetas móveis montadas na periferia do
disco do rotor e dependendo do tipo e da potência da
turbina pode existir de uma a cinco coroas em cada
disco do rotor. 
LABIRINTOS
São peças metálicas circulantes com ranhuras existentes nos
locais onde o eixo sai do interior da máquina atravessando a
carcaça.
A sua função é evitar a saída de vapor para o exterior
nas turbinas não condensantes e não permitir a entrada de ar
para o interior nas turbinas condensantes. Esta vedação é
chamada de selagem externa.
DEFLECTORES DE ÓLEO
Tem por finalidade evitar que um possível vazamento axial
de óleo, venha a contaminar o sistema de alimentação por
intermédio da drenagem do engaxetamento.
Outra função é evitar que o vapor venha a se condensar no mancal,
causando a contaminação do óleo que ali trabalha.
CARCAÇA
A carcaça de uma turbina nada mais é que o suporte das partes
estacionárias, tais como diafragmas, palhetas fixas, mancais,
válvulas, etc. A grande maioria das turbinas são de partição
horizontal, na altura do eixo, o que facilita a manutenção.
MANCAIS DE APOIO (RADIAIS)
São distribuídos, normalmente, um em cada extremo do eixo da
turbina com a finalidade de manter o rotor numa posição radial
exata. Os mancais de apoio suportam o peso do rotor e também
qualquer outro esforço que atue sobre o conjunto rotativo,
permitindo que o mesmo gire livremente com um mínimo de
atrito. São na grande maioria mancais de deslizamento
MANCAIS DE ESCORA
O mancal de escora é responsável pelo posicionamento axial do
conjunto rotativo em relação às partes estacionárias da
máquina,ou seja, pela manutenção das folgas axiais.
VÁLVULAS DE CONTROLE DE ADMISSÃO
Após estabilizada, a turbina opera entre condições de vapor
estáveis, nas quais as variações da carga devem ser atendidas por
meio do controle da vazão de vapor admitida na máquina.
Esta função é executada, automaticamente, pelas válvulas de
controle de admissão, sob controle de um dispositivo chamado
regulador (governador).
O regulador é ligado ao eixo da turbina, diretamente ou por meio
de uma redução, girando, portanto, a uma rotação igual ou
proporcional à rotação da turbina, e sente as flutuações da carga
por intermédio de seu efeito sobre a velocidade da turbina. Assim,
quando ocorre, por exemplo, um aumento de carga, se a vazão do
vapor permanecer inalterada, haverá uma queda da velocidade da
turbina.
VÁLVULAS DE CONTROLE DE EXTRAÇÃO
Algumas turbinas possuem uma retirada parcial de
vapor, em um estágio intermediário, e portanto a uma
pressão intermediária entre a de admissão e a de
descarga, conhecida como extração. Como a pressão em
um ponto qualquer ao longo da turbina varia, quando
variam as condições de carga da turbina, se a extração
consistir simplesmente em um flange, através do qual
poderemos retirar vapor, após um determinado estágio
da máquina, a pressão do vapor extraído será
influenciada pelas condições de carga da turbina.
As válvulas de controle de extração funcionam de
maneira semelhante às válvulas de controle de admissão,
só que controladas pela pressão do vapor extraído,
através do controlador de pressão de extração, e não pela
velocidade da turbina, através do regulador.
VÁLVULAS DE BLOQUEIO AUTOMÁTICO
A maneira usual de parar uma turbina a vapor é pelo fechamento
rápido de uma válvula, chamada válvula de bloqueio automático,
colocada em série com a válvula de controle de admissão, o que
corta totalmente a admissão de vapor para a turbina.
Esta válvula é também conhecida como válvula de desarme rápido e
como válvula de "trip".
O dispositivo de desarme por sobrevelocidade protege a turbina,
impedindo que opere em velocidades superiores à velocidade de
“trip”, onde as tensões poderiam ser
perigosas para a resistência mecânica do conjunto rotativo da
turbina.
labirintos
Vantagens de turbinas a vapor:
Tem imensa capacidade de carga
Altamente confiável
O custo de manutenção e lubrificação da turbina é baixo
A turbina a vapor trabalha com qualquer tipo de caldeira, desde que 
gere pressão suficiente.
Desvantagens da turbina a vapor:
Existe uma quantidade específica de tempo para partida e parada da 
turbina
Necessita de caldeiras caras que gerem alta pressão de vapor
Aplicação:
Utilizadas em plantas de potência.
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Turbina a vapor componentes
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Turbinas em tandem
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Turbina a vapor definição e funcionamento