Apostila.Curso.Vapor Turbinas SINATUB 2003

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1
 
Curso de Vapor - SINATUB 
Data: 28 e 29 de Agosto de 2003 
Local : Hotel Nacional Inn Village - Auditório Cenacon 
Ribeirão Preto - S.P. 
 
Geração, Distribuição, Utilização e Consumo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Turbinas a Vapor 
e 
Turbinas a Gás 
 
 
Palestrante: 
Engº Helemilton Rios Moreira 
 
 
 
 2
Índice 
 
 Pagina 
1 TURBINAS A VAPOR .................................................................................3 
1.1 Histórico ....................................................................................................4 
1.2 Classificação ............................................................................................5 
1.3 Turbinas de Ação ...................................................................................15 
1.4 Turbinas de Reação ...............................................................................17 
1.5 Eficiências de Turbinas a Vapor ...........................................................19 
1.6 Cálculo da Potência e do Consumo Específico...................................20 
2 TURBINAS A GÁS ....................................................................................21 
2.1 Histórico ..................................................................................................22 
2.2 Turbinas Aeroderivadas ........................................................................23 
2.3 Turbinas “Heavy Duty” ..........................................................................23 
2.4 Turbinas com Um e com Dois Contornos ............................................25 
2.5 Principais Componentes da Turbina a Gás .........................................26 
2.6 Sistema de Refrigeração........................................................................30 
2.7 Eficiências e Consumos Específicos de Calor de Turbinas a Gás ....34 
2.8 Combustíveis Queimados em Turbinas a Gás ....................................35 
 3
 
1 
TURBINAS A VAPOR 
A turbina a vapor é uma máquina que converte a energia térmica contida no vapor 
em trabalho útil. Consiste basicamente de um rotor alojado dentro de uma carcaça, 
cujo eixo horizontal é apoiado em mancais. Jatos de vapor oriundos de bocais, 
dispostos na parte interna desta carcaça, são dirigidos a palhetas fixadas no rotor, 
provocando o seu movimento giratório. 
 
O processo de transformação de energia, a partir de um combustível qualquer, se 
passa basicamente da seguinte forma: primeiramente, libera-se a energia contida 
no dito combustível, através da queima do mesmo. Essa energia térmica é 
conduzida à turbina - cuja função é promover a sua transformação em energia 
mecânica de movimento (rotação), por meio dos princípios conhecidos da 
termodinâmica e aerodinâmica. Essa energia mecânica é posteriormente 
convertida em energia elétrica pelo gerador síncrono, utilizando-se das leis físicas 
do eletromagnetismo. 
Em todas essas etapas de transformação, a energia não é integralmente 
aproveitada, ou seja: parte dela é irremediavelmente perdida, desde a queima 
incompleta do combustível, na dissipação de calor, atrito, etc. - até outros tipos de 
 4
perdas mais complexas inerentes aos processos termodinâmicos, gasdinâmicos e 
elétricos. 
Por conseguinte, a tecnologia avança no sentido de se minimizar essas perdas e 
de se obter, cada vez mais, o máximo de aproveitamento energético dos sistemas 
de geração. 
1.1 
Histórico 
A primeira turbina a vapor de que se tem conhecimento na história, operava pelo 
princípio da reação pura. 
Consistia basicamente de uma esfera oca que girava em torno de um eixo 
horizontal, impelida por jatos de vapor que provinham de dois tubos fixados na 
própria esfera. A invenção dessa máquina, ocorrida provavelmente por volta do ano 
50 da nossa era, é atribuída a Heron, da cidade de Alexandria. 
 
Um outro tipo de turbina, que opera pelo princípio de ação, também chamado de 
impulso, foi descrito pela primeira vez em 1629 por Giovanni Branca. Essa máquina 
utilizava um jato de vapor dirigido para as palhetas de uma roda, promovendo a 
sua rotação. 
Durante os anos de 1884 a 1889, o engenheiro sueco Gustav de Laval projetou e 
fabricou pequenas turbinas a vapor, de 1 CV (com 100.000 rpm de velocidade) a 
140 CV (com 6.000 rpm). Porém a concepção moderna da turbina a vapor é 
atribuída a Sir Charles Parsons, da Inglaterra, que em 1884, utilizando o princípio 
da reação, construiu uma turbina de múltiplo estágio de 10 CV de potência, que 
operava com velocidade de 17.000 rpm. 
Outros pioneiros que contribuíram para o desenvolvimento da turbina a vapor foram 
o francês C .E. Rateau e o norte americano C. G. Curtis. 
 5
No início do século XX os motores a vapor, que dominavam os equipamentos de 
acionamento mecânico da época, começaram a ser substituídos pelas turbinas a 
vapor, principalmente na geração de energia elétrica, as quais passaram a ter um 
rápido desenvolvimento, sob o comando de grandes empresas que então se 
estabeleciam. 
No ano de 1930, tanto a GE como a Westinghouse, fabricaram turbinas a vapor 
com potências de 50 MW - um avanço considerado expressivo para a época. 
Hoje essas companhias, mais a ABB, Toshiba, Siemens, KWU e outras, constroem 
máquinas que chegam a produzir 1.200 MW num só eixo. 
1.2 
Classificação 
Dependendo das particularidades construtivas, do caráter do processo térmico, dos 
parâmetros do vapor vivo e do vapor de escape e dependendo ainda da utilização 
industrial, as turbinas a vapor poderão ser classificadas da seguinte maneira: 
1.2.1 
Quanto ao Número de Estágios de Pressão 
a) Turbinas de um estágio de pressão, com uma ou mais rodas de 
velocidadeHabitualmente essas turbinas são máquinas de pequena potência 
(até 2.500 HP), sendo utilizadas basicamente para o acionamento de bombas 
centrífugas e pequenas unidades de geração de energia elétrica. No setor 
sucro-alcooleiro acionam exaustores e ventiladores de caldeiras a vapor, 
picadores e desfibradores de cana, moendas etc. 
pr
es
sã
o 
de
 v
ap
or
pr
es
sã
o 
de
 v
ap
or
disco disco
palhetas fixas
(diafragma)
 
palhetas
expansor
(anel injetor)
 
fluxo de
vapor
Turbina com uma roda de velocidade Turbina com duas rodas de velocidade
 
Turbina de simples estágio com uma roda de velocidade. 
 6
 
 
Roda Curtis 
A queda de pressão (transformação da energia potencial em energia cinética) dá-
se nos bicos injetores, permanecendo constante a pressão nos estágios 
subseqüentes. 
fluxo
vapor
 
 
Turbina de simples estágio do tipo Stal 
É uma turbina “sui generis”, onde não existe palhetagem fixa para a reversão do 
fluxo de vapor. Após a transformação da energia potencial em energia cinética, 
através dos bicos injetores, o vapor passa simultaneamente por duas rodas de 
velocidade, conforme mostrado abaixo. A vantagem desta concepção de turbina é 
um valor de eficiência no eixo superior aos das rodas de simples estágio, tendo 
 7
porém como grande desvantagem a existência de dois eixos de saída para os 
equipamentos a serem acionados, com sentidos de rotação opostos. 
 
b) Turbinas de múltiplo estágio 
Essas turbinas são normalmente de média potência (2 MW a 60 MW) e de 
grande potência (> 60 MW); sendo raramente encontradas na faixa de pequenas 
potências. 
pr
es
sã
o 
do
 v
ap
or
fluxo de
vapor
 
 8
1.2.2 
Quanto à Direção do Fluxo de Vapor 
a) Turbinas axiais: quando o fluxo de vapor desloca-se paralelamente ao eixo da 
turbina. 
 
b) Turbinas radiais: quando o fluxo de vapor desloca-se perpendicularmente ao 
eixo de rotação da turbina. 
 
 
fluxo
rotor
anel
injetor
 
Fluxo de vapor
 9
 
1.2.3 
Quanto ao Número de Cilindros(corpos) 
a) Turbinas com um cilindro 
Vapor Vivo
Vapor de Escape
Regulador
Carcaça
Rotor
 
 
b) Turbinas com dois cilindros 
Cilindro de Alta Pressão
Regulador
P1, t1
P1, t1
Cilindro de Baixa Pressão
Condensador
Pk, tk
Água
Po, to
 
 
 
 
 
 
 10
c) Turbinas com três cilindros 
Água de Reposição
P0, t0
P1, t1
P2, t2
Circuito Externo de Água
Condensador
Pk, tk
P3, t3
Linha de Alimentação
Superaquecedor
Caldeira
 
1.2.4 
Quanto ao Princípio de Regulagem 
a) Por estrangulamento: quando todo o vapor que vai para a turbina é submetido a 
redução de pressão através de uma ou mais válvulas. A variação de potência, 
de zero até a capacidade máxima, dá-se mediante a variação da perda de carga 
através da válvula de regulagem, mantendo-se constante a rotação. Em outras 
palavras: em função da potência exigida, teremos uma variação de energia 
entálpica provocada pela válvula de regulagem, conforme demonstrado no 
diagrama abaixo. 
válvula de regulagem
vapor 
vivo
anel injetor
i
B
s
III
 
2B
B
1
I
II
 i i
Po
A A1
Po
A2
I
Po
II
p
1
 i
 
 11
 
onde, 
P0 pressão do vapor vivo 
P1 pressão do vapor de escape 
Linha AB ciclo correspondente à potência máxima da turbina. Queda 
de entalpia equivalente Ii∆ . 
Linha AA1 B1 ciclo correspondente a 2/3 da potência máxima (queda de 
entalpia IIi∆ ). 
Linha AA2 B2 ciclo correspondente a 1/3 da potência máxima (queda de 
entalpia IIIi∆ ). 
b) Regulagem por câmaras de vapor através de duas ou mais válvulas. 
vapor vivo
1 2 3
31 2
 
Nesse tipo de configuração, a variação da potência dá-se mediante a perda de 
carga provocada por cada válvula em sua câmara de vapor (conforme descrito 
anteriormente) e mais pela variação da vazão de vapor na passagem de uma 
câmara para outra. Até 1/3 da potência máxima trabalharia apenas a válvula de 
regulagem nº 1, permanecendo as válvulas 2 e 3 fechadas. Com 1/3 da carga 
começaria a abrir-se a válvula nº 2, e assim sucessivamente até que a carga total 
fosse atingida, com as três válvulas inteiramente abertas e com as 3 câmaras de 
vapor funcionando. 
Esse sistema de regulagem nos permite obter bom rendimento em regimes parciais 
de trabalho (em que a potência da máquina é inferior à sua potência nominal). 
 
 
 
 12
 
c) Regulagem por derivação de vapor: em que este é distribuído em duas ou mais 
válvulas de regulagem, com pressões diferentes. 
vapor vivo
 
1.2.5 
Quanto ao Caráter do Processo Térmico 
a) Turbinas de contra-pressão: quando o vapor de escape da turbina é utilizado 
em processos industriais. 
 
 
 
 
 
 
 
Para o processo
 13
 
b) Turbinas de condensação pura. 
Máquinas que operam com pressões de escape abaixo da pressão 
atmosférica, através do uso de condensador de vapor, permitindo com isso 
uma maior utilização da energia térmica contida no vapor. No desenho abaixo, 
vê-se uma turbina desse tipo, em que, internamente, a mesma é subdividida 
nos segmentos de alta (1) e de baixa pressão (2). 
 
c) Turbinas de condensação com uma ou mais extrações de vapor. 
Essa extração dá-se com pressão intermediária e tem por finalidade a 
utilização industrial do vapor extraído e a diminuição da sua quantidade no 
condensador. 
caldeira
ci
lin
dr
o
AP BP
ci
lin
dr
o
condensador
extração para
uilização
industrial
 
 
 
 
2
1
 14
 
d) Turbinas de condensação com regeneração: em que parte do vapor utilizado é 
extraído de estágios intermediários, para o pré-aquecimento da água de 
alimentação da caldeira, através de vários trocadores de calor. 
gerador
A
P
ci
lin
dr
o
desaerador
cba d1
I
II
III
IV
I, II, III, IV
1, a, b, c, d
- trocadores de calor 
- bomba de água
- pontos de extração de vapor
água-vapor
caldeira
superaquecedores
condensador
ci
lin
dr
o
BPM
P
ci
lin
dr
o
 
1.2.6 
Quanto aos Parâmetros do Vapor Vivo 
a) Turbinas de baixa pressão: quando operam em pressões de 1,2 a 2,0 ata. 
Normalmente é um vapor já utilizado em um outro processo ou numa outra 
turbina; 
b) Turbinas de média pressão: quando operam com pressões de vapor vivo até 
40 ata; 
c) Turbinas de alta pressão: operam com pressões de vapor vivo acima de 40 ata; 
d) Turbinas de parâmetros superelevados: quando operam com pressões acima 
de 170 ata e temperaturas acima de 225 ata; 
e) Turbinas de parâmetros supercríticos: operam com pressões de vapor acima 
de 225 ata. 
 
 15
 
1.2.7 
Quanto à Utilização 
a) Estacionárias 
− de rotação constante: utilizadas para a geração de energia elétrica. 
− de rotação variável: utilizadas para o acionamento de ventiladores, 
exaustores, bombas, desfibradores, picadores, etc. 
b) Não Estacionárias: utilizadas em navios (para o acionamento da hélice) e no 
transporte ferroviário (turbo-locomotivas). 
1.2.8 
Quanto ao Princípio de Funcionamento 
a) Turbinas de ação (ou ativas); 
b) Turbinas de reação (ou reativas) 
1.3 
Turbinas de Ação 
O princípio de funcionamento chamado ativo é aquele em que a energia potencial 
do vapor transforma-se em energia cinética nos bicos injetores ou nos canais entre 
a palhetagem fixa (diafragmas). Nas palhetas móveis esta energia é transformada 
em trabalho mecânico. 
 
W 1
W 2
W=W 2 1
 
O que caracteriza esse tipo de turbina, conforme mostrado no desenho acima, é 
que a velocidade relativa do fluxo de vapor na saída da roda é igual à velocidade 
na entrada da mesma (ω2 = ω1). 
 
U 
 16
 
W1
W2
u
Z
força de sustentação (P)
linha de fluxo
 
extensão da camada limite
camada limite
palheta
V
 
A transformação da energia cinética em trabalho mecânico dá-se através do 
surgimento de uma força aerodinâmica (ou força de sustentação), oriunda das 
diferenças de pressão em torno da chamada camada limite formada ao redor do 
perfil da palheta móvel. O conceito de extensão (largura) da camada limite é dado 
pela variação do gradiente de velocidade, de zero até igualar-se à velocidade do 
fluxo, tomado a partir de um ponto qualquer do perfil. 
Abaixo é representado um caso típico de turbina de ação com três rodas de 
velocidade (três estágios), onde se verifica quedas de pressão na placa injetora de 
vapor e diafragmas, e pressões constantes na palhetagem móvel. 
fluxo
vapor
P1
C
Po
u
u z
u1z
 
 17
1.4 
Turbinas de Reação 
O princípio de funcionamento reativo é aquele em que, além das quedas de 
pressão nos bicos injetores/diafragmas e nos canais entre as palhetas fixas, a 
transformação da energia potencial em energia cinética também ocorre na 
palhetagem móvel. A força atuante nestas últimas, provocando o conseqüente giro 
do rotor, é oriunda não apenas da força aerodinâmica, mas da sua composição 
com a força de reação provocada pela aceleração das partículas do fluxo. 
W1
F Fu
uP P
F P
W2
u
z z
2S
1S
 
Força de Reação 
F = m.α 
onde; 
m - massa do fluxo do vapor (Kg) 
α - aceleração das partículas do fluxo na secção de saída (m/s)2 
A força útil resultante, que vai originar o trabalho mecânico, é dada pela seguinte 
expressão: 
Ru = Fu + Pu 
onde, 
Fu - projeção da força de reação F sobre o eixo u; 
Pu - projeção da força aerodinâmica P (ou força de sustentação) sobre o eixo u 
ω2 > ω1 
 18
F2 e P2 - projeções das forças F e P sobre o eixo z (eixo da turbina). O 
esforço resultante da somatória desses componentes, estágio a 
estágio, terá de ser absorvido pelo mancal de escora da turbina; 
S1 e S2 - secções de entrada e saída, perpendiculares à direção do fluxo. 
Abaixo, a título deilustração, é mostrado o desenho esquemático de uma turbina 
de reação, com o respectivo diagrama das variações, estágio a estágio, das 
pressões e velocidades do fluxo de vapor. 
f lu x o
v a p o r
P1
C
Po
u
u z
u 1 z
 
Exemplo de perfil aerodinâmico 
 
 19
Índice de Reação 
O grau de reatividade de um segmento de palhetas móveis é dado pelo chamado 
índice de reação ρ, que é a relação entre a queda de entalpia teórica nessas 
palhetas e o salto entálpico teórico total do estágio (segmentos de palhetas fixas e 
móveis). 
ho
hop=ρ 
onde, 
hoc - queda de entalpia teórica nos bicos injetores (ou palhetagem fixa) 
hop - queda de entalpia teórica na palhetagem móvel 
ho - queda de entalpia teórica do estágio 
 
i
s
1
Po
T0
2
0
1P
2 P
ho
c
ho
p
ho
 
 
P0 - pressão de admissão (ou pressão no início do estágio a ser 
considerado); 
T0 - temperatura de admissão (ou no início do estágio a ser 
considerado); 
P1 - pressão na saída dos bicos injetores (ou na saída da palhetagem 
fixa); 
P2 - pressão na saída da palheta móvel. 
1.5 
Eficiências de Turbinas a Vapor 
A eficiência no eixo da turbina é calculada pela seguinte expressão: 
ηe = _∆i_ . ηm 
 ∆it 
 
 20
onde: 
∆i = i0 – i1; 
∆it = i0 – i1t 
sendo: 
i0 – entalpia do vapor na admissão da turbina; 
i1 - entalpia real do vapor no escape da turbina, considerando-se as perdas 
de energia; 
i1t - entalpia teórica do vapor no escape da turbina (sem perdas de energia); 
ηm - eficiência mecânica. 
(*) Exemplo de Eficiências dos principais tipos de turbinas a vapor (%) 
Turbina multiestágio Turbina com uma 
roda de velocidade Roda Curtis Ação Reação 
32 53 73 85 
(*) – Considerando-se o ponto ideal de projeto, ou seja: operação à plena 
carga e na rotação nominal. 
1.6 
Cálculo da Potência e do Consumo Específico 
1.6.1 
Potência no Eixo da Turbina 
A Potência no Eixo da turbina a vapor é calculada a partir das seguintes fórmulas: 
Ne = D . ∆it. ηe 
 0,86 
(kW) - Equação 
1 
 
Ne = D . ∆it. ηe 
 0,63235 
(HP) - Equação 
2 
Onde, 
D – vazão de vapor, em t/h. 
 
 
 21
 
1.6.2 
Potência do Gerador 
O cálculo da potência nos bornes de saída do gerador elétrico, é feita através das 
seguintes expressões: 
Ng = Ne . ηr . ηg (kW) - Equação 
3 
onde, 
ηr – eficiência do redutor de velocidade (se houver); 
ηg – eficiência do gerador elétrico. 
Para o caso de acoplamento direto entre a turbina a vapor e o gerador, temos: 
Ng = Ne . ηg (kW) - Equação 
4 
1.6.3 
Consumo Específico de Vapor 
O consumo específico de vapor de uma turbina, é expresso pela expressão abaixo. 
de = 1.000 x D . 
 Ne 
(kg/kWh) ou (kg/HPh) - Equação 
5 
1.6.4 
Eficiência em Função do Consumo Específico 
Substituindo o valor da potência Ne obtido da Equação 1 e na Equação 5 acima, 
temos: 
de = 1000 . D 0,86 . 
 D . ∆it . ηe 
donde: 
ηe(%) = _ 860 _ . 100 
 ∆it . de 
 
2 
TURBINAS A GÁS 
O Ciclo de Brayton, integrando num único conjunto girante, turbina, compressor de 
ar e gerador elétrico síncrono, é muito simples. O ar, passando pelo compressor, é 
levado para a câmara de combustão, onde cerca de 1/3 do mesmo é mesclado ao 
combustível e usado no processo de queima. O restante deste ar é utilizado para o 
sistema de refrigeração da própria câmara de combustão, para a homogeneização 
 22
da frente de chama e para o resfriamento interno das palhetas da turbina. A 
energia térmica oriunda do processo de queima é transformada em energia 
mecânica de movimento através da turbina a gás. 
Os gases na saída da turbina ainda contêm alta temperatura, evidenciando que 
apenas uma fração da energia térmica original proveniente da queima foi 
efetivamente aproveitada em energia mecânica pela turbina. 
 
2.1 
Histórico 
Os primeiros estudos sobre turbinas a gás surgiram ainda no século XIX, quando 
se antevia a possibilidade de se operar diretamente com os gases de combustão, 
eliminando com isto a caldeira a vapor. Em 1906 foi feita uma primeira experiência 
com uma máquina desse tipo. Os franceses Armengaud e Lemale a utilizaram para 
uma potência útil de 75 HP, através de um compressor centrífugo de 25 estágios, 
construído pela Brown Boveri. Apesar da surpreendente eficiência desse 
compressor, de aproximadamente 70%, o desempenho da turbina foi desanimador, 
obtendo-se uma eficiência algo em torno de 2%. Desde então e durante muitos 
anos, não mais se ouviu falar em turbinas a gás. 
A evolução da turbina a gás só foi possível graças aos avanços tecnológicos 
alcançados na área da metalurgia, ao aumento do conhecimento na área da 
aerodinâmica, o que permitiu o desenvolvimento de perfis de alta eficiência, ao 
aperfeiçoamento das câmaras de combustão e dos sistemas de refrigeração das 
palhetas, que possibilita hoje, por exemplo, seja obtida uma temperatura dos gases 
na entrada da turbina na ordem de 1.200° C, contra, por exemplo, os 620° C da 
década de 60. 
 23
2.2 
Turbinas Aeroderivadas 
Como o próprio nome indica, são máquinas concebidas originariamente para o uso 
aeronáutico, cujo projeto foi adaptado para o acionamento de equipamentos 
estacionários, notadamente geradores elétricos. 
 
Turbina LM 2500 da GE. 
2.3 
Turbinas “Heavy Duty” 
São aquelas cujo projeto já foi concebido para o uso estacionário. Abaixo é 
mostrado um exemplo típico deste tipo de máquina, em que a câmara de 
combustão é praticamente um elemento à parte, acoplada à turbina. 
 
 
Abaixo são mostrados foto e esquema da turbina a gás de 260 MW. 
 
 24
 
 
 
 25
2.4 
Turbinas com Um e com Dois Contornos 
a) Turbinas de um contorno 
Turbinas de um contorno são aquelas compostas de um único compressor de 
ar, em que este e a turbina estão montadas num mesmo eixo. A figura abaixo 
mostra uma turbina representativa desta categoria. 
 
b) Turbinas de dois contornos 
Turbinas de dois contornos, normalmente aeroderivadas, são aquelas 
compostas por dois compressores de ar, sendo um de média e outro de alta 
pressão, cada um deles acoplados a eixos motores acionados por diferentes 
turbinas, que inclusive operam com rotações distintas. A figura abaixo mostra 
uma máquina deste tipo, com esquema para dois arranjos construtivos de 
acionamento motriz. 
 
 
 26
 
2.5 
Principais Componentes da Turbina a Gás 
Na vista explodida da microturbina e no corte da máquina mostrados abaixo, fica 
fácil observar os principais componentes da turbina a gás, a saber: compressor de 
ar, câmaras de combustão (dos tipos inteiriça e individual) e respectivos dutos 
condutores dos gases, e turbina propriamente dita. 
 
2.5.1 
Compressor de Ar 
Para que se tenha uma boa eficiência de queima, o ar a ser mesclado com o 
combustível, requer seja injetado na câmara de combustão com uma certa taxa de 
compressão, daí a necessidade do uso do compressor. 
O compressor de ar de uma turbina a gás pode ser do tipo axial, em que a 
compressão se dá, estágio a estágio, ao longo do eixo da máquina, ou radial, em 
que a compressão do ar é feita no sentido radial do eixo da turbina. 
Inicialmente, os compressores de ar radiais foram muito utilizados, principalmente 
nos primeiros aviões militares. A sua grande desvantagem é que, para grandes 
capacidades, requerem um diâmetro muito grande, inviabilizando a concepção 
 27
construtiva da máquina a ser projetada. Portanto, o seu uso está hoje limitado às 
pequenas turbinas a gás. 
 
Acima o conjunto estator e rotor de uma turbina a gás, notando-se, num 
primeiro plano, o compressor axial da mesma e, abaixo, estator do 
Compressor de Ar, com detalhe para o sistema mecânico-hidráulico de 
mudança de ângulo de ataquedas palhetas direcionais. 
 
 28
 
Rotor completo de uma microturbina, com detalhe para os compressores 
radiais da mesma. 
 
Estator do compressor de ar 
de turbina da GE, com 
detalhe para o sistema 
mecânico de mudança de 
ângulo de ataque da 
palhetagem fixa. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 29
2.5.2 
Turbina 
 
 
Turbina de quatro estágios. 
2.5.3 
Câmara de Combustão 
Podem ser do tipo inteiriças ou individuais. As câmaras de combustão inteiriças, 
normalmente utilizadas para turbinas de pequeno porte, possuem a vantagem de 
uma melhor uniformização da frente de chama, porém a grande desvantagem de, 
ter de ser substituída toda a câmara de combustão, na eventualidade de dano, por 
excesso de temperatura, de um único segmento da mesma. A reposição desta 
câmara de combustão implica também na desmontagem de praticamente toda a 
turbina. 
As câmaras de combustão individuais, têm a grande vantagem de poderem ser 
substituídas individualmente, não havendo necessidade de desmontagem da 
turbina, mesmo que parcialmente, para essa finalidade. Em contrapartida, a 
uniformização da frente de chama é mais complexa, havendo ainda o imperativo de 
conexão entre as mesmas, através de dutos de interligação, para o caso de 
apagamento da chama em uma delas. 
 
 30
 
2.6 
Sistema de Refrigeração 
Apenas 1/3 do ar proveniente do compressor é utilizado para a queima 
propriamente dita. A maior parte dele, cerca de 2/3, é utilizado para a refrigeração 
e estabilização da frente de chama na própria câmara de combustão, bem como 
para a refrigeração das palhetas fixas e móveis do 1º estágio da turbina. 
 
Esquema geral de circulação do ar 
 
 
 
 
 31
Dinâmica da câmara de combustão 
Abaixo são mostrados exemplos dos sistemas de refrigeração, externa e interna, 
das câmaras de combustão e peças de transição da turbina, com ênfase para a 
injeção de ar no núcleo da frente de chama, visando uniformizar, em função da 
altura, o gradiente de temperatura dos gases incidentes sobre as palhetas. 
 
 
 
 32
 
Câmara de Combustão do tipo individual e respectiva Peça de Transição 
No detalhe abaixo, concernente à queima do combustível dentro da câmara de 
combustão, o ar passa através de aletas, direcionadas de maneira a provocar o 
“turbilhonamento“ do fluxo de ar, permitindo uma mistura com o combustível, a 
mais homogênea possível, o qual é injetado através de bicos injetores localizados 
no centro da câmara. 
 33
 
 
Refrigeração das palhetas do 1º estágio 
Mesmo com a homogeneização da temperatura da frente de chama, as palhetas 
direcionais e móveis da turbina, principalmente as do primeiro estágio, possuem 
complexo sistema de refrigeração interna, com o ar que é extraído do compressor. 
Esse ar, após a refrigeração, é devolvido ao fluxo de gases, axialmente ou 
radialmente, através de orifícios incorporados nessas palhetas. 
 
 
 
 
 34
2.7 
Eficiências e Consumos Específicos de Calor de Turbinas a Gás 
a) Eficiência 
Abaixo são representadas algumas eficiências típicas, em função das 
capacidades, para alguns modelos de turbinas a gás. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
b) Consumo específico de calor (“heat rate”) 
O consumo específico de calor ou “heat rate” é uma medida do desempenho 
térmico, representando a quantidade da energia térmica utilizada pela turbina 
para cada unidade de potência útil gerada. É dado pela expressão: 
Heat Rate = PCIc . G 
 Ne 
(kcal/kWh) ou (kJ/kWh) 
onde, 
PCIc – poder calorífico inferior do combustível utilizado pela turbina 
(kcal/kg), (kcal/m³) ou (kJ/kg), (kJ/m³); 
G – consumo de combustível da turbina (kg/h) ou (kg/m³); 
Ne – potência no eixo de saída para o equipamento acionado. 
Na realidade, o consumo específico de calor ou “heat rate” é a expressão 
da eficiência da máquina, cujas correlações são: 
Heat Rate = 860 . 
 ηe 
(kcal/kWh)
 ou: 
434 121 37,2 34.450 4 
450 127 41,9 44.090 5 
510 83 38,4 28.500 3 
523 69 36,8 22.800 2 
488 47 35,5 13.750 1 
Temperatura de 
Exaustão 
(°C) 
Fluxo de Exaustão 
(Kg/s) Eficiência 
(%)
KWe 
Tipo 
Turbinas Aeroderivadas 
 35
Heat Rate = 3 600 . 
 ηe 
(kJ/kWh)
onde, 
ηe – eficiência no eixo da turbina. 
Observação: 1 kW ≈ 860 kcal/h ≈ 3.600 kJ/h 
2.8 
Combustíveis Queimados em Turbinas a Gás 
2.8.1 
Combustíveis Gasosos 
Praticamente todos os combustíveis gasosos podem ser utilizados nas turbinas a 
gás, entretanto o gás natural tem sido o principal por uma série de motivos: 
disponibilidade, boas condições de queima, manuseio relativamente fácil, custo 
competitivo e limpeza. 
A turbina a gás típica normalmente é projetada para o gás natural, com uma 
especificação padrão. Um combustível diferente pode exigir mudanças nos 
sistemas de controle e de manuseio do combustível, nas especificações de 
potência e na taxa de calor consumido heat rate na turbina. 
Os outros combustíveis gasosos incluem os gases liquefeitos de petróleo, que são 
considerados “gases úmidos” (uma vez que podem formar condensados nas 
condições normais de operação) e uma ampla gama de rejeitos de refinaria e de 
gases derivados de carvão ou de resíduos vegetais. 
Classificação dos combustíveis gasosos usados em turbinas a gás 
Os combustíveis gasosos, em função do seu poder calorífico, são normalmente 
classificados conforme mostrado a seguir. 
a) Gases de Alto Poder Calorífico 
Esses gases são constituídos de hidrocarbonetos voláteis com pequena fração 
de gases inertes. Por propiciar uma queima relativamente limpa, são os mais 
adequados para o uso em turbinas a gás. São eles: 
• Gás Natural – constituído principalmente de metano e pequena quantidade 
de inertes. 
• Gás Natural Sulfurado – é o gás natural com elevado teor de sulfeto de 
hidrogênio. 
• Gás Liquefeito de Petróleo – constituído por hidrocarbonetos de baixo ponto 
de ebulição: propano, butano ou uma mistura de ambos. Para a queima nas 
turbinas a gás, esses combustíveis terão de ser totalmente vaporizados. 
 36
• Gás Natural Sintético – obtido através da gaseificação de combustíveis 
sólidos, é essencialmente idêntico ao gás natural quanto ao manuseio e à 
combustão. 
b) Gases de Médio Poder Calorífico 
São gases constituídos principalmente de monóxido de carbono, hidrogênio e 
metano. São eles: 
• Gás de Carvão – resultado da gaseificação do carvão com o oxigênio, é 
composto principalmente de monóxido de carbono e hidrogênio. Este gás 
deve ser tratado para reduzir o nível de contaminantes que causam 
corrosão e depósitos de cinzas. 
• Gás de Processo – inclui uma ampla gama de subprodutos gasosos de 
processos com grande variação de composição, tal como gás de refinaria 
contendo hidrogênio, monóxido de carbono e metano. 
c) Gases de Baixo Poder Calorífico 
São constituídos de monóxido de carbono, hidrogênio e relativamente grandes 
frações de gases inertes como nitrogênio e dióxido de carbono. Um exemplo 
desses gases é aquele obtido da gaseificação do carvão com o ar. 
O poder calorífico do gás não deve superar 10% de variação, conquanto 
variações de até 20% têm sido encontradas na prática. Nestes casos, pode 
ocorrer a necessidade de serem feitas adaptações nos queimadores. 
Queimadores especialmente projetados têm tornado possível até mesmo o uso 
de gases com poder calorífico tão baixo quanto 990 kcal/Nm³. 
A tabela a seguir apresenta o resumo das principais especificações para os 
combustíveis gasosos de médio e alto poder calorífico utilizados em turbinas a 
gás. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 37
Especificação Básica dos Combustíveis Gasosos para Turbinas a Gás 
Propriedades Especificações 
Contaminantes 
sólidos 30 ppm máximo, 10 mícrons,máximo 
umidade 0,25% acima da saturação, máximo 
gases secos 13,41/1000m³, máximo 
hidrocarbonetos Condensação nula com queda de 6,7 ºC 
Poder Calorífico 
limites 2.670 – 44.500 kcal/Nm³ 
tolerância + 10% do nominal 
Ponto de Fulgor, limites Razão entre a maior e menor temperatura: 
2,7 mín.
Enxofre Problema somente para caldeira de 
recuperação
Metais alcalinos e sulfatos 5 ppm em metais alcalinos equivalentes, 
sulfatos, máximos
Composição e Propriedade do Gás Natural da Bolívia, Argentina e Brasil 
Componentes Bolívia Argentina Brasil 
 
% 
molar 
% 
molar 
% 
peso
% molar 
associado
% molar 
não 
associado 
% molar 
processado
Metano 86,80 91,98 82,91 68,07 91,98 87,59
Etano 7,52 3,24 5,48 16,29 3,24 9,13
Propano 3,39 1,15 2,85 9,36 1,15 0,36
Butano 1,11 0,27 1,76 3,68 0,54 - 
Pentano 0,28 0,09 0,73 0,89 0,18 - 
Hexano 0,08 0,06 0,29 0,22 0,06 - 
Heptano 0,04 0,04 0,23 0,08 0,04 - 
Nitrogênio 0,53 1,34 2,11 0,69 1,34 1,18
Dióxido de 
Carbono 
0,25 1,47 3,64 0,72 1,47 1,74
Peso Molecular 18,895 17,79 
Cp / Cv 1,272 1,291 
PCS (kcal / Nm³) 9970 9300 8500 a 12500 
PCI ( kcal / Nm³) 8970 8389 11180 8389 8500
Metais alcalinos 
e sulfatos 0,65 0,6152 0,8127 0,6152 0,6242
 
 38
2.8.2 
Combustíveis Líquidos 
a) Combustíveis Líquidos de Petróleo 
Os combustíveis líquidos de uso mais freqüente em turbinas a gás são os 
derivados de petróleo. Os combustíveis derivados de petróleo para uso em 
turbinas a gás podem ser divididos basicamente em dois tipos: 
• Destilados Puros – normalmente queimados sem problemas, desde que não 
contaminados durante o transporte e estocagem. Incluem os destilados 
leves (nafta, gasolina, querosene, diesel, óleo combustível leve) e os 
pesados (óleo combustível pesado e os destilados para fins navais). Neste 
grupo, particularmente, a nafta e os destilados pesados podem ser 
considerados de disponibilidade difícil ou localizadas. De forma geral, esses 
combustíveis são livres de componentes formadores de cinzas e não 
requerem aquecimento para atomização durante a injeção na câmara de 
combustão. 
• Destilados Formadores de Cinzas – requerem aquecimento e tratamento 
prévios e incluem os crus de petróleo, óleos residuais abrandados e óleos 
residuais pesados. A própria classificação deste grupo demonstra sua 
principal característica: a presença de contaminantes diversos, dependendo 
da origem, que exigem tratamentos rigorosos. Além disso, sua alta 
viscosidade implica em um preaquecimento para o seu manuseio e 
atomização. 
As principais características dos combustíveis líquidos de petróleo utilizados 
em turbinas a gás são: poder calorífico; viscosidade; peso específico; ponto de 
fulgor; teor de cinzas e teor de metais. 
Propriedades dos Combustíveis Líquidos para Turbinas a Gás 
Propriedades Querosene Óleo Residual 
Peso Específico (g/cm³, 38 ºC) 0,78 a 0,83 0,92 a 1,05 
Viscosidade (cSt, 38 ºC) 1,4 a 2,2 100 a 1.800 
Ponto de Fulgor (ºC) 55 a 80 80 a 130 
Ponto de Orvalho (ºC) -45 -10 a 35 
Poder Calorífico (kcal/kg) 615 a 10.835 10.065 a 10.395 
Impurezas Filtráveis (%máximo) 0,002 0,2 
Enxofre (%) 0,01 a 0,1 0,5 a 4 
Nitrogênio (%) 0,002 0,2 
Cinza (%) 1 a 5 100 a 1.000 
Sódio + Potássio (ppm) 0,5 1 a 350 
Vanádio (ppm) 0,1 5 a 400 
Chumbo (ppm) 0,5 25 
Cálcio (ppm) 1 50 
 
 39
Análise Típica (Base Seca) de Óleo Diesel 
Composição % em Peso 
Carbono 12,5 
Hidrogênio 75,3 
Oxigênio (+ halogêneos) 11,5 
Enxofre (máximo) 0,7 
Nitrogênio --- 
Cinza --- 
Água de Destilação traços 
b) Álcoois 
Os álcoois considerados para uso nas turbinas a gás são o metanol (CH3OH) e 
o etanol (CH2H5OH). Esses combustíveis líquidos possuem características 
técnicas muito favoráveis para serem queimados em turbinas a gás, asseguram 
excelente desempenho e baixo nível de emissões. 
Para o uso dos álcoois são necessárias também modificações nas máquinas. A 
exemplo da nafta e do querosene, também o seu uso requer bombas 
especialmente projetadas, capazes de trabalhar com líquidos de baixa 
lubricidade e viscosidade. 
 
 
 
 
 
 
 
 1
 
 
Razão Social: Qualitech Engenharia S/C Ltda 
Endereço: Rua Pelotas, 608 - Vila Mariana 
04012-002 - São Paulo – SP 
CNPJ: 60.908.274/0001-05 
Inscrição 
Estadual: Isento 
CCM: 9.645.041-0 
CREA: 365731 - 6a Região 
Telefone: (55 11) 5084-5828 
Fax: (55 11) 5084-1958 
E-mail: e-mail@qualitech-eng.com.br 
qualitech_engenharia@consultant.com 
Home Page: http://www.qualitech-eng.com.br 
Ampliação da Usina Termelétrica da REPLAN que consiste basicamente da implantação de dois grupos 
turbo-geradores a gás de 19 MW cada, duas caldeiras de recuperação de calor e equipamentos 
eletromecânicos auxiliares. A consolidação do projeto básico e a elaboração do projeto executivo foram 
realizadas pela QUALITECH. 
 2
 
QUALITECH ENGENHARIA S/C Ltda