PROTEC 2011 Turbinas a Gás

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EQUIPAMENTOS DINÂMICOS
TURBINAS A GÁS
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TURBINAS A GÁS
APLICAÇÕES
 A turbina de gás é uma máquina térmica usualmente projetada para transformar a maior parcela possível da energia liberada pela queima de um combustível em trabalho de eixo.
 Por ser compacta, de baixo peso e utilizar múltiplos combustíveis, a turbina a gás é hoje muito empregada na geração de energia elétrica e acionamento mecânico na indústria e nas centrais de energia, principalmente em lugares remotos. 
Também são utilizadas como motores propulsores em embarcações, trens, veículos terrestres e marítimos e principalmente aeronaves. 
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TURBINAS A GÁS
TURBINA GE LM-2500
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TURBINAS A GÁS
TURBINA GE LM-2500
4
	
TURBINAS A GÁS
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
 Ar como fluido motriz para prover energia. 
 Ar deve ser acelerado → aumento da velocidade (energia cinética). 
 Primeiramente aumenta-se a pressão e, em seguida, adiciona-se calor. 
 Finalmente a energia gerada (au-mento de entalpia) é transformada em potência no eixo da turbina.
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 CICLO DE FUNCIONAMENTO: 
1-2: Compressão do ar em um compressor;
2-3: Combustão, na câmara de combustão, onde o ar comprimido age como comburente para o combustível injetado;
3-4: Expansão irreversível em um ou mais estágios, fornecendo a energia necessária à roda de palhetas de alta pressão, que por sua vez aciona o compressor de ar e os demais acessórios da turbina, tais como: bomba de óleo lubrificante, bomba de combustível, geradores de energia elétrica, etc; 
TURBINAS A GÁS 
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	CICLO DE FUNCIONAMENTO:
4-1: Expansão em um duto de expansão, onde os gases ganham velocidade e são lançados na atmosfera, propiciando o empuxo necessário ao deslocamento da aeronave (uso aeronáutico);
4-1: Expansão em um ou mais estágios, fornecendo a energia necessária à roda de palhetas de baixa pressão, a qual pode acionar um gerador elétrico, um compressor ou uma bomba (uso industrial).
TURBINAS A GÁS
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TURBINAS A GÁS
CICLO BRAYTON
CICLO OTTO
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TURBINAS A GÁS
TURBINA A GÁS x MOTOR ALTERNATIVO
Melhor relação peso / potência
Partida rápida e mudança de carga rápida
Maior Confiabilidade e MTBO 
Baixa vibração 
Baixo ruído para a carga fornecida
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TURBINAS A GÁS
EXAUSTÃO
PRESSÃO
TEMPERATURA
ATMOSFERA
TEMPERATURA
PRESSÃO
INLET
COMPRESSÃO
COMBUSTÃO
 TURBINAS HP E PT
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TURBINAS A GÁS
PRESSÕES E TEMPERATURAS NA TURBINA
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CICLO IDEAL – HIPÓTESES SIMPLIFICADORAS
Considerando-se que a vazão de combustível é desprezível, se comparada com a vazão de ar, esta pode ser considerada constante ao longo da turbina. 
Outras perdas de calor por radiação e perdas mecânicas em mancais , selos e acessórios são aqui desprezadas.
É assumido que o calor específico do ar permanece constante. 
TURBINAS A GÁS
CICLO ABERTO TEÓRICO DA TURBINA A GÁS
3 
 compressão
expansão
combustão
(pressão cte)
P2 
P1 
S
T
4 
2 
1 
TURBINAS A GÁS
CICLO BRAYTON - EFICIÊNCIA E POTÊNCIA
EFICIÊNCIA MÁXIMA DO CICLO:
A EFICIÊNCIA MÁXIMA DO CICLO SERÁ:
UTILIZANDO A RELAÇÃO DOS GASES PERFEITO:
TURBINAS A GÁS
RENDIMENTO DO CICLO DE BRAYTON EM FUNÇÃO DE P2 / P1
TURBINAS A GÁS
CICLO DE BRAYTON - POTÊNCIA X T3
Potência (W)
Temperatura T3 (K)
A adição de calor na câmara de combustão, tem uma proporcionalidade direta com o trabalho útil produzido. 
Desta forma, quanto maior for a temperatura na câmara de combustão (t3), para uma mesma vazão mássica de ar, maior será a potência disponível na ponta do eixo da turbina.
TURBINAS A GÁS
TURBINAS A GÁS
 TURBINAS INDUSTRIAIS X AERONÁUTICAS 
As turbinas de aviação, face a necessidade de diminuição de peso e consumo de combustível, são relativamente menos robustas, no que se refere ao aspecto peso do que as projetadas para fins industriais. Usualmente possuem um só eixo onde são estão acoplados o compressor de ar e a turbina de alta pressão;
As turbinas de uso industrial costumam ter dois eixos, sendo um acoplado o compressor de ar e a turbina geradora de gás para seu próprio acionamento, e no outro a turbina acionadora ou de potência e o equipamento a ser acionado.
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TURBINAS A GÁS
CLASSIFICAÇÃO TURBINAS INDUSTRIAIS 
 
 Não Aeroderivadas
 (Industriais, Frame ou Heavy Duty)
Câmara de combustão externa e em número reduzido
Menor relação potência / peso
 Potência até 200 MW
 Menor eficiência (RC menor, Temperatura de firing menor)
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TURBINAS A GÁS
CLASSIFICAÇÃO TURBINAS INDUSTRIAIS 
 
Aeroderivadas
Utilizam geradores de gás de turbinas aeronáuticas
Múltiplas câmaras de combustão internas
 Ligas leves como Al ou Ti
 Potência até 50 MW
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TURBINAS A GÁS
INDUSTRIAL 
 
20
Saturn 20
1,590 Hp 1,210 kW
Taurus 60/65/70
7,700-10,310 Hp
 5,500-7,520 kW
Mars 90 &100
13,220-15,000 Hp 9,450-10,690 kW
Titan 130
19,850 Hp 14,250 kW
Centaur 40/50
4,700-6,100 Hp 
3,515-4,600 kW
Mercury 50
4,600 kW
TURBINA INDUSTRIAL LEVE
TURBINAS A GÁS
TURBINAS A GÁS
TURBINA ROLLS ROYCE RB211
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TURBINA GE 7FA
TURBINAS A GÁS
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TURBINA GE MS-5002-E
TURBINAS A GÁS
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TURBINA EIXO SIMPLES – SOLAR TAURUS 60
TURBINAS A GÁS
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TURBINA SOLAR CENTAUR 
TURBINAS A GÁS
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TURBINAS A GÁS
COMPONENTES
Gerador de gás
Compressor de ar 
Câmara de combustão
Turbina de alta pressão (HP)
Turbina de potência (LP ou PT)
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TURBINAS A GÁS
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Principais componentes de uma turbina a gás
TURBINAS A GÁS
	
TURBINAS A GÁS
GERADOR DE GÁS
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COMPRESSORES DE AR 
 Centrífugo
 Axial
 Axial com último estágio centrífugo.
TURBINAS A GÁS
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ESTÁGIO 1
ESTÁGIO 2
ESTATOR
ROTOR
TURBINAS A GÁS
DIAGRAMA DA COMPRESSÃO
TURBINAS A GÁS
DIAGRAMA DA COMPRESSÃO
TURBINAS A GÁS
	
FLUXO DE AR NO INTERIOR DA TURBINA
TURBINAS A GÁS
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COMPRESSORES DE AR
Um inconveniente do compressor axial é apresentar uma faixa de operação pequena, entre os limites de “surge” e “choke”, o que exige cuidados especiais na partida.
TURBINAS A GÁS
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VIGVs
TURBINAS A GÁS
Variable Inlet Guide Vanes
 Variação do ângulo de ataque das palhetas para o primeiro rotor;
 Estabilização do fluxo de ar;
 Aumento do rendimento com o aumento da rotação.
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ACIONAMENTO DAS IGVS
TURBINAS A GÁS
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Bleed Valve
válvula de alívio
ANTI-SURGE 
TURBINAS A GÁS
	
CÂMARA DE COMBUSTÃO
	
função de adicionar energia sob a forma de calor;
processo contínuo (pressão constante).
 	O projeto da câmara de combustão deve garantir:
resfriamento adequado da camisa;
combustão completa;
estabilidade da chama;
baixa emissão de fumaça.
TURBINAS A GÁS
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TURBINAS A GÁS
CÂMARA DE COMBUSTÃO ANULAR
CÂMARA DE COMBUSTÃO TUBO - ANULAR
TURBINAS A GÁS
CÂMARA DE COMBUSTÃO “EXTERNA”
TURBINAS A GÁS
	
COMBUSTOR
TURBINAS A GÁS
75% do ar é usado para diluição e resfriamento 
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COMBUSTOR
TURBINAS A GÁS
45
	
TURBINA DE ALTA PRESSÃO
Transforma a maior parcela da energia dos gases provenientes de câmara de combustão em trabalho para o eixo que aciona o compressor de ar. 
TURBINAS A GÁS
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Processo de Expansão: 
	Pressão ↓ 
	Temperatura ↓ 
	Volume ↑
 
TURBINAS A GÁS
TURBINA DE ALTA PRESSÃO
Estator: P → V
Rotor: Impulsão e reação
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Temperatura de Queima (oK)
Temperatura do Metal (oC)
1600 
1550 
1500 
1450 
1400 
1350 
1300 
1250 
1200 
1150 
1100 
TURBINE TEMPERATURE CAPABILITY
Cooling improvements
Coating Developments
Firing temp
SC liga fundida
DC liga fundida
Liga fundida convencional
Liga forjada
1100 
1050 
1000 
950 
900 
850 
800 
TURBINAS A GÁS
TURBINAS A GÁS
	
PALHETAS
Mono Cristal
Solidificação 
Direcionada
Convencional
RESFRIAMENTO DAS PALHETAS
Passo Simples
Passo Múltiplo
TURBINAS A GÁS
50
	
RESFRIAMENTO DAS PALHETAS
TURBINAS A GÁS
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TURBINAS
A GÁS
PT recebe a energia remanescente dos gases provenientes da turbina HP e, em continuidade ao processo de expansão, transfere esta energia para o eixo que está acionando o equipamento desejado : gerador, compressor,
TURBINA DE POTÊNCIA (PT OU LP)
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TURBINAS A GÁS
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SISTEMAS AUXILIARES, PROTEÇÃO E SEGURANÇA
Sistema de Partida
Retira da inércia o rotor do gerador de gás e levá-lo até uma determinada rotação, conhecida como velocidade de purga, ventilação ou crank. 
TURBINAS A GÁS
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SISTEMAS AUXILIARES, PROTEÇÃO E SEGURANÇA
Sistema de Combustível
É o sistema responsável pelo suprimento de combustível líquido (diesel) ou gasoso (gás natural) dentro da pressão, temperatura, vazão e características necessárias em atendimento aos diversos regimes operacionais da turbina
TURBINAS A GÁS
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SISTEMAS AUXILIARES, PROTEÇÃO E SEGURANÇA
Sistema de Admissão de Ar e Ventilação
Fornecer ar atmosférico filtrado com grau de impureza, umidade e características controladas.
TURBINAS A GÁS
Pressurizar os selos dos mancais; 
Refrigerar discos e palhetas da turbina;
Fornecer ar para a ventilação do “hood”;
Fornecer ar para o sistema de controle de gás combustível; 
Garantir a operação segura da turbina (surge).
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SISTEMAS AUXILIARES, PROTEÇÃO E SEGURANÇA
Sistema de Exaustão
Direcionar os gases da exaustão da turbina para a atmosfera.
WHRU.
TURBINAS A GÁS
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SISTEMAS AUXILIARES, PROTEÇÃO E SEGURANÇA
Sistema de Lubrificação
É o sistema responsável pelo suprimento de óleo lubrificante nas condições de pressão, temperatura e características necessárias para a lubrificação e refrigeração dos mancais da turbina, caixa de engrenagens e os mancais do equipamento acionado.
TURBINAS A GÁS
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SISTEMAS AUXILIARES, PROTEÇÃO E SEGURANÇA
Hood
Confinar a turbina com o objetivo:
 	isolamento contra ruído – menos de 85 dB
 	confinamento do fogo em caso incêndio
Deve possuir:
 	ventilação forçada
 	sistema de combate a incêndio: CO2 ou H20
 	detecção de fogo & gás
TURBINAS A GÁS
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TURBINAS A GÁS
60
Gráfico2
	0
	18
	33
	40
	45
	47
	50
	52
Relacão de pressão P2 / P1
Rendimento %
Plan1
	
	
	
	
		1	2	4	6	8	10	12	14
		0	18	33	40	45	47	50	52
Plan1
	
Relacão de pressão P2 / P1
Rendimento %
Plan2
	
Plan3