Resumão_ Turbina a Vapor

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TURBINA A VAPOR: 
 
- São motores de combustão externa rotativos no qual a energia térmica do vapor é 
transformada em energia cinética, devido a sua expansão através dos bocais, e posteriormente 
em energia mecânica de rotação, devido à ação do vapor nas pás rotativas; 
 
- É o mais difundido por possibilitar unidades de grande potência unitária, alta confiabilidade, 
vida útil e eficiência; 
 
- Mediante a organização de extrações reguláveis na sua seção de fluxo, pode-se fornecer 
calor com os parâmetros requeridos pelo consumo externo; 
 
- O custo desse calor não é alto, pois nos sistemas de cogeração o vapor, antes de ser 
fornecido a um consumidor de calor, é aproveitado para produzir eletricidade. 
 
CLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS A VAPOR 
 
DE ACORDO COM A FINALIDADE: 
 
- Acionamento elétrico: Utilizadas para acionar um gerador elétrico de uma indústria que irá 
suprir as necessidades da central. Geralmente operam com velocidade síncrona (1800 ou 3600 
rpm) e com potências na faixa de 16 a 1300 MW; 
 
- Acionamento mecânico: Utilizadas para acionar grandes ventiladores de tiragem, bombas, 
compressores e na propulsão de navios e outros equipamentos; Operam entre 900 e 10000 
rpm e com potências de 500 kW a 10 MW. 
 
DE ACORDO COM O PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO: 
 
-De ação (impulso): A expansão ocorre unicamente nos bocais e o vapor atravessa as 
palhetas do rotor com pressão constante, atuando sobre elas unicamente em função de sua 
velocidade; 
 
-De reação: A expansão tem início nos bocais mas permanece acontecendo nas palhetas do 
rotor; 
 
Estágio de ação: Grupo de bocais distribuidores seguidos de sucessivas fileiras de palhetas 
móveis e fixas, tendo a primeira a função de converter a energia cinética do vapor em trabalho 
mecânico, enquanto que a segunda tem a função de redirecionar o fluxo; 
 
Estágio de reação: Conjunto de fileiras de palhetas móveis e fixas, tendo a primeira a função 
de converter a energia disponível no vapor em trabalho mecânico e a segunda, além de 
redirecionar o fluxo, devido ao seu formato transversal, o espaço entre elas forma um bocal 
convergente divergente, o que possibilita converter parte da energia térmica em energia 
cinética, aumentando a velocidade do fluxo para a palheta seguinte; 
 
DE ACORDO COM O ARRANJO DOS ESTÁGIOS: 
 
Turbina de ação simples ou de Laval 
-A expansão do vapor ocorre completamente no bocal, produzindo um fluxo de alta velocidade 
para o rotor; -Como as palhetas móveis não absorvem toda a energia cinética, o vapor sai com 
velocidade relativamente alta, o que constitui uma perda; -Possui baixo rendimento, 
simplicidade de projeto e construção, o que a torna recomendada para baixas potências. 
 
Turbina Curtis 
-A fim de evitar a perda por energia cinética na saída, montam-se 2 ou mais filas de palhetas 
móveis intercaladas por palhetas fixas que só redirecionam o fluxo; -Estágio Curtis ou de 
velocidade escalonada; 
 
Turbina Rateau 
-A expansão é dividida em 2 ou mais fileiras de bocais (escalonamento de pressões), 
semelhante a um arranjo de 2 ou mais turbinas de Laval em série; -Pode-se obter velocidades 
mais adequadas nas palhetas móveis em termos de resistência dos materiais; -Podem 
apresentar maiores dimensões conforme o número de estágios; 
 
Turbina Curtis-Rateau 
-É a combinação de estágios Curtis (escalonamento de velocidades) e Rateau (escalonamento 
de pressões); -Velocidades ideais nas pás do rotor; -Maiores rendimentos; -Permite o uso de 
materiais mais leves e baratos, exceto nos primeiros estágios; -Turbinas mais curtas; 
 
Turbina de reação ou Parsons 
-São de múltiplos estágios; -A queda de pressão ocorre nas palhetas fixas e também nas 
móveis; 
-A queda de pressão em cada fileira de palhetas é pequena, resultando em baixas velocidades 
de vapor em cada estágio; -As fileiras de palhetas tem suas dimensões aumentadas 
progressivamente à medida em que o vapor se expande (aumento do volume específico); -
Como o volume específico do vapor é baixo nos estágios de alta pres são, há excessiva fuga 
de vapor pelas folgas, induzindo a uma queda sensível de rendimento total da turbina, assim 
evita-se usar turbinas de reação como turbinas de alta pressão; 
 
Turbina Curtis/Parsons 
-Utiliza os princípios de ação e reação; -Adição de um estágio Curtis a uma turbina Parsons, 
reduzindo-se a pressão e a temperatura do vapor para ser utilizado nos estágios de reação; 
 
 
QUANTO A DESCARGA DE VAPOR: 
 
Turbina de contrapressão de fluxo direto 
-O termo contrapressão indica que o vapor na saída da turbina está a uma pressão igual ou 
superior a atmosférica, condição necessária para atender a demandas de calor em 
temperaturas superiores a 100 °C; -Geralmente menores do que uma unidade de condensação 
equivalente e, usualmente, operam com maiores rotações; -Instaladas em indústrias em que 
haja necessidade de vapor nos processos de fabricação; 
 
Turbina de contrapressão com sangria ou extração controlada 
-Utilizadas quando o processo exigir vapor em diferentes níveis de pressão (média e baixa); -
Sangrias são usadas quando o volume de vapor de extração (média pressão) é menor que o 
de escape (baixa pressão); -Extrações controladas são usadas quando o fluxo de extração 
(média pressão) é relativamente alto quando comparado com o fluxo de vapor de escape 
(baixa pressão) e a demanda de vapor de média pressão está sujeita a flutuações 
consideráveis; 
 
Turbina de condensação de fluxo direto 
-Descarrega o vapor para o condensador a uma pressão menor que a atmosférica (alto vácuo) 
afim de aumentar a eficiência total; -Tendem a ser maiores e mais potentes do que as de 
contrapressão; 
-A eficiência total é inferior ao de uma instalação de contrapressão, pois uma parte da energia 
contida no vapor se perde no condensador; 
 
Turbina de condensação com extração 
-Empregada quando se necessita mais eletricidade do que se pode gerar com o calor de 
processo; 
-Compensação das oscilações de consumo de eletricidade e vapor de processo; -Quando de 
extração automática ou regulável, permitem a retirada de vazões variáveis de vapor sob 
pressão constante, em um ou mais pontos de extração; -Quando de extração não regulável, 
não há controle da pressão do vapor retirado, que varia em função da carga; 
 
Turbina de condensação com reaquecimento 
-Após o 1° estágio de expansão (alta pressão) o vapor retorna ao gerador de vapor para o 
reaquecimento antes de prosseguir para o estágio de pressão intermediária; -Podem ser de 
reaquecimento duplo; 
 
QUANTO A DIREÇÃO DO FLUXO DE VAPOR: 
 
-Turbina axial: O escoamento é axial, paralelo ao eixo; Maioria das turbinas modernas; 
 
-Turbina radial: O escoamento é radial: centrífuga ou centrípeta; 
 
-Turbina tangencial: O escoamento é helicoidal; 
 
QUANTO AO FLUXO AS TURBINAS AXIAIS PODEM TER: 
 
-Fluxo simples: O fluxo escoa na mesma direção desde a entrada até a saída; 
 
-Fluxo duplo: O fluxo é admitido no centro do cilindro e dividido em duas direções axiais 
opostas; Evita o tamanho excessivo das palhetas nos últimos estágios; Reduz os esforços 
axiais causados pelo fluxo; 
 
-Fluxo reverso: Apresentam 2 carcaças, sendo uma interna e outra externa, onde o fluxo flui 
em uma direção na carcaça interna e na direção oposta na carcaça externa; Redução dos 
esforços axiais; Resfriamento da carcaça interna pelo próprio vapor após sua expansão na 
mesma; Permite partidas mais rápidas; 
 
QUANTO A POSIÇÃO DOS CILINDROS EM RELAÇÃO AO EIXO: 
 
- Tandem-compound: Cilindros montados em linha (colineares); Mesmo eixo; Acionamento de 
um único gerador; 
 
- Cross-compound: Cilindros montados em paralelo; Eixos diferentes; Acionamento de mais de 
um gerador; 
 
PRINCIPAIS ELEMENTOS: 
 
-Carcaça 
-Diafragma: Onde são fixadas as palhetas fixas; É composto por: anel, palhetas fixas e corpo 
do diafragma; 
-Selo: Serve para diminuir as fugasde vapor 
-Eixo 
-Discos: Fixação das palhetas móveis (rotores integrais ou aperto forçado a quente) 
-Palhetas Móveis: Fixadas no disco 
-Aro de consolidação: 
 
PRINCIPAIS COMPONENTES: 
 
-Turbina de condensação com extração: 
O rotor é constituído de palhetas de grande altura para a realização de uma maior queda 
entálpica, reduzindo a pressão e temperatura para os demais estágios, facilitando a sua 
operação, mas reduzindo a eficiência. 
 
FUNDAMENTOS: 
 
-Triângulo de velocidades; -Quedas entálpicas; -Coeficiente de reação: É a relação entre a 
queda de entalpia estática nas palhetas móveis e a queda de entalpia total no estágio; Nas 
turbinas modernas pode ser de zero (estágio de ação) a 0,5 ou mais; -Trabalho específico: 
Pela variação da quantidade de movimento angular; Como o trabalho útil se realiza no sentido 
circular, há conservação de massa e o raio é constante. 
 
PERDAS 
 
Há uma série de irreversibilidades que fazem com que essas máquinas não funcionem de 
forma ideal: 
 
-Perdas por bocal: A velocidade real na saída do bocal é menor do que a teórica por causa do 
atrito; 
 
-Perdas nas palhetas móveis: A velocidade real na saída da palheta é menor do que a teórica 
por causa do atrito; 
 
-Perdas com velocidade de saída: A velocidade do fluxo que deixa a palheta constitui perdas 
por energia cinética; 
 
-Perdas por atrito e ventilação no disco: Possuem naturezas diferentes mas dependem dos 
mesmos parâmetros; As perdas por atrito aparecem durante a rotação do disco da turbina e 
são particularmente grandes nos cilindros de alta pressão (altas massas específicas); As 
perdas por ventilação aparecem nos estágios com injeção parcial de vapor e são provocadas 
pelo deslocamento do vapor em zonas onde não há bocais e as palhetas móveis trabalham 
semelhante a um ventilador; 
 
-Perdas por fugas: Fugas do vapor através dos sistemas de vedação nas interfaces do 
diafragma com o eixo e no espaçamento de interface das fitas de recobrimento das palhetas 
móveis com a parte fixa da parede do cilindro; Fugas através dos selos dos diafragmas; Fugas 
entre o estator e as fitas das palhetas móveis; 
 
-Perdas por vapor úmido: Comum nos últimos estágios das turbinas de condensação das 
CTE e CN; As gotas de água possuem movimentos retardados em relação ao vapor nos 
bocais, por sua maior inércia; Parte da fase líquida não só não realiza trabalho útil como 
também “freia” as palhetas móveis; 
As gotas causam uma erosão intensa que diminui a resistência das palhetas; 
 
RENDIMENTO INTERNO RELATIVO: 
Caracteriza o grau de perfeição da seção de fluxo da turbina. 
 
RENDIMENTO MECÂNICO: 
Caracteriza o grau de perfeição das turbinas considerando as perdas mecânicas. 
 
 
OPERAÇÃO EM REGIME DE CARGA VARIÁVEL: 
 
-Potencia nominal: é a potência que a turbina pode produzir de forma prolongada; 
 
-Potência calculada ou econômica: é a potência na qual se obtém o rendimento máximo (90 
a 95% da potencia nominal nas turbinas de média e grande potência); 
 
-Potência máxima: é a potência acima da nominal que a turbina pode produzir por um curto 
período de tempo; 
 
SÃO UTILIZADOS 4 MÉTODOS DE REGULAGEM DE POTÊNCIA: 
 
Sistema de regulagem por estrangulamento da vazão: 
-Todo o vapor fornecido a turbina passa através de uma única válvula de regulagem; 
-É simples e seguro; 
-Na potência nominal fornece um alto rendimento pois a válvula de regulagem está totalmente 
aberta; 
-A desvantagem é que em cargas parciais o estrangulamento do vapor causa perdas 
irreversíveis; 
-É usado em turbinas a vapor mais potentes e modernas em CTE e CN, pois essas turbinas 
operam com carga base na potência nominal. 
 
Sistema de regulagem por bocais: 
-É o mais difundido nas CTEs; 
-O fornecimento de vapor à turbina realiza-se através de várias válvulas de regulagem; 
-As válvulas vão se abrindo sucessivamente, variando a vazão mássica e, por consequência, a 
potência. 
-Possui alto rendimento em cargas parciais, mas é relativamente complexo construtivamente e, 
por isso, tem menor confiabilidade e um alto custo; 
 
Sistema de regulagem por by-pass: 
-Utilizado geralmente em turbinas de reação; 
-Em comparação com o por bocais, possui um rendimento mais alto em baixas cargas 
(menores de 60% da nominal), no entanto é inferior ao sistema por bocais em altas cargas 
(incluindo as cargas econômica e nominal) 
 
Sistema de regulagem por parâmetros deslizantes: 
-Diminui-se a pressão criada pela bomba de alimentação, consequentemente, diminuise a 
pressão na saída da caldeira e a turbina vai operar a carga parcial com todas as válvulas de 
regulagem completamente abertas; 
-Com esse sistema dispensa-se totalmente o estrangulamento, diminui-se a potência 
consumida pela bomba de alimentação e aumenta-se a mobilidade, mantendo-se constante a 
temperatura do vapor antes da turbina em diferentes regimes. 
 
RENDIMENTO TÉRMICO: 
Um dos principais índices de desempenho de uma instalação de turbinas; 
 
 
RENDIMENTO INTERNO ABSOLUTO DA TURBINA: 
Considera o grau de perfeição da turbina e do ciclo; 
 
 
RENDIMENTO EFETIVO ABSOLUTO: 
Considera o grau de perfeição da turbina e do ciclo, considerando o rendimento mecânico da 
turbina; 
 
 
RENDIMENTO DO GERADOR: 
 
 
RENDIMENTO ELÉTRICO RELATIVO: 
 
 
RENDIMENTO ELÉTRICO ABSOLUTO: 
 
 
CONSUMO ESPECÍFICO DE CALOR (HEAT RATE-HR): 
Usado frequentemente para a avaliação do rendimento econômico da instalação.