Compressores e Turbinas

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MÁQUINAS  DE  FLUXO 
 
RESUMO 
 
2011 
 
 
 
 
 
 
 
 
BOMBAS CENTRÍFUGAS 
 
DEFINIÇÃO DE BOMBAS 
‐  Bombas  são  máquinas  geratrizes,  isto  é,  que  recebem  trabalho  mecânico 
geralmente  fornecidos  por  uma máquina motriz,  e  o  transformam  em  energia 
hidráulica,  comunicando  ao  líquido um  acréscimo  de  energia  sob  as  formas de 
energia potencial de pressão e cinética. 
 
CLASSIFICAÇÃO 
‐ O modo pelo qual é feita a transformação do trabalho em energia hidráulica e o 
recurso  para  cedê‐la  ao  líquido  aumentado  sua  pressão  e/ou  velocidade 
permitem classificar as bombas em: 
a) Bombas de Deslocamento Positivo; 
b) Turbobombas; 
c) Bombas Especiais (bombas com ejetor; pulsômetro; bomba de emissão de 
ar); 
 
BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO 
CARACTERÍSTICA 
Uma  partícula  líquida  em  contato  com  o  órgão  que  comunica  a  energia  tem 
aproximadamente a mesma trajetória que a do ponto do órgão com o qual está 
em contato. 
FUNCIONAMENTO 
Possuem  uma  ou  mais  câmaras  em  cujo  interior  o  movimento  de  um  órgão 
propulsor  comunica  energia  de  pressão  ao  líquido,  provocando  o  seu 
escoamento. Proporciona então as condições para que se  realize o escoamento 
na tubulação de sucção até a bomba e na tubulação de recalque até o ponto de 
utilização. 
 
TIPOS 
Podem ser: 
            Palhetas 
            Pistão Rotativo 
      Um só Rotor    Elemento Flexível 
            Parafuso Simples 
Rotativas   
 
            Engrenagens 
      Rotores Múltiplos  Rotor Lobular 
            Pistões Oscilatórios 
            Parafusos 
     
            Duplo Efeito 
      Pistão ou Êmbolo 
          Simples Efeito/Duplo Efeito 
  Alternativas     
Diafragma 
 
 
TURBOBOMBAS 
 
CARACTERÍSTICAS: 
Possuem um órgão rotatório dotado de pás chamado ROTOR, que exerce sobre o 
líquido forças que resultam da aceleração que o rotor imprime ao líquido. 
A descarga gerada depende das características da bomba, do número de rotações 
e das características do sistema de encanamentos ao qual estiver ligada. 
A  finalidade do  rotor é comunicar à massa  líquida aceleração, para que adquira 
energia cinética e se realize assim a  transformação da energia mecânica de que 
está dotado. É em essência, um disco ou uma peça de formato cônico dotada de 
pás. 
O Rotor também é chamado de Impulsor ou Impelidor. 
Tipos de Rotores 
Fechado: além do disco onde se fixam as pás. Existe uma coroa circular também 
preso as pás. Usa‐se para líquidos sem substâncias em suspensão. 
Aberto:  quando  não  existe  essa  coroa  circular.  Usa‐se  para  líquido  contendo 
pastas, lamas, areias, esgotos sanitários. 
As  turbobombas  necessitam  de  um  outro  órgão,  o  difusor,  também  chamado 
recuperador,  onde  é  feita  a  transformação,  em  energia  de  pressão,  da  maior 
parte da elevada energia cinética com que o líquido sai do rotor. 
 
Tipos de Difusores 
‐ De tubo reto troncônico, nas bombas axiais; 
‐  De  caixa  com  formas  de  caracol  ou  voluta,  nos  demais  tipos  de  bombas 
(chamado neste caso simplesmente de coletor ou caracol). 
‐  Entre  a  saída  do  rotor  e  o  caracol,  em  certas  bombas,  colocam‐se  palhetas, 
devidamente orientadas, as pás  guias, para que o  líquido que  sai do  rotor  seja 
conduzido ao coletor com velocidade, direção e sentido tais que a transformação 
da energia cinética em energia potencial de pressão se processe com um mínimo 
de perdas por atrito ou turbulências. 
‐ Nas bombas de múltiplos estágios, as pás guias ou diretrizes são necessárias. 
 
CLASSIFICAÇÃO DAS TURBOBOMBAS 
 
CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO A TRAJETÓRIA DO LÍQUIDO NO ROTOR 
A. BOMBA CENTRÍFUGA RADIAL OU PURA 
CARACTERÍSTICAS 
O  líquido penetra no rotor paralelamente ao eixo, sendo dirigido pelas pás p/ a 
periferia, segundo trajetórias contidas em planos normais ao eixo. 
 
VANTAGENS 
Pela sua simplicidade, se prestam a fabricação em série, sendo generalizada a sua 
construção e estendida sua utilização a grande maioria das instalações comuns de 
água  limpa,  para  pequenas,  médias  e  grandes  alturas  de  elevação,  e  baixas 
vazões, possui baixo custo e maior flexibilidade de operação. 
 
DESVANTAGENS 
Quando  se  trata  de  grandes  descargas  e  pequenas  alturas  de  elevação,  o 
rendimento das bombas radiais torna‐se baixo e o seu custo se eleva em virtude 
das suas dimensões, tornando pouco conveniente empregá‐las. 
 
UTILIZAÇÃO 
Bombeamento de água limpa, água do mar, condensados, óleos, para pressões de 
até 16 kgf/cm² e temperaturas de até 140°C; 
Bombas  centrífugas  também  de  voluta,  para  indústria  química,  petroquímica, 
refinarias, indústria açucareira, para água quente até 300°C e pressões de até 25 
kgf/cm²; 
Bombas de processo podem operar com temperaturas de até 400°C e pressões de 
até 45 kgf/cm². 
 
B. BOMBA DIAGONAL OU DE FLUXO MISTO 
O  líquido sai do rotor com direção  inclinada com relação ao eixo. Atende a faixa 
intermediária entre a centrífuga e a axial. Parte da energia  fornecida ao fluido é 
devida à força centrífuga, parte é devida a força de arrasto. Utilizada para vazões 
altas e médias cargas manométricas. 
 
B1. BOMBAS HELICO‐CENTRÍFUGA 
O  líquido penetra no  rotor axialmente, atinge as pás cujo o bordo de entrada é 
curvo  e  inclinado  em  relação  ao  eixo.  Segue  uma  trajetória  que  é  uma  curva 
reversa,  pois  as  pás  são  de  dupla  curvatura  e  atinge  o  bordo  de  saída,  que  é 
paralelo ao eixo ou ligeiramente inclinada em relação a ele. 
 
B2. BOMBAS HELICOIDAL OU SEMI‐AXIAL 
O líquido atinge o bordo das pás, que é curvo e bastante inclinado em relação ao 
eixo. A  trajetória é uma hélice cônica,  reversa e as pás são superfícies de dupla 
curvatura. O bordo de saída das pás é bastante  inclinada em relação ao eixo. As 
bombas desse tipo prestam‐se a grandes descargas (vazões) e pequenas e médias 
cargas manométricas. Por  serem as pás de dupla  curvatura,  seu projeto é mais 
complexo e sua fabricação apresenta alguns problemas de fundição. 
 
C. BOMBA AXIAL OU PROPULSORA 
A  água  sai  do  rotor  com  direção  aproximadamente  axial  com  relação  ao  eixo. 
Neste  tipo  de  bomba  o  rotor  é  também  chamado  de  hélice.  Não  são 
propriamente bombas centrífugas, pois a força centrífuga decorrente da rotação 
das pás não é a responsável pelo aumento da energia da pressão. É indicada para 
grandes vazões e baixas alturas manométricas. A energia transmitida ao fluido é 
devida puramente às forças de arrasto (propulsão). 
 
 
Gráfico ‐ Campo de Emprego das Bombas 
 
 
CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO O NÚMERO DE ROTORES EMPREGADOS 
A. BOMBAS DE SIMPLES ESTÁGIO 
Nela existe apenas um rotor e, portanto, o fornecimento da energia ao  líquido é 
feito em um único estágio (constituído por um rotor e um difusor) não se utilizam 
para grandes alturas de elevação devido às dimensões excessivas, custo elevado e 
baixo rendimento. 
 
B. BOMBAS DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS 
Quando a altura de elevação é grande,  faz‐se o  líquido passar por dois ou mais 
rotores  sucessivamente  fixados ao mesmo eixo e  colocados em uma  caixa  cuja 
forma permita esse escoamento. 
A passagem do líquido em cada rotor e difusor constitui um estágio na operação 
de bombeamento. 
São  próprias  para  instalações  de  alta  pressão.  Utilizadas  para  alimentação  de 
caldeiras com pressões superiores a 250 kgf/cm² e para poços profundos de água 
ou na pressurização de poços de petróleo. 
 
CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO O NÚMERO DE ENTRADAS PARA ASPIRAÇÃO 
A. BOMBAS DE ASPIRAÇÃO SIMPLES OU DE ENTRADA UNILATERAL 
Entrada do líquido se faz de um lado e pela abertura circular na coroa do rotor. 
 
B. BOMBAS DE ASPIRAÇÃO DUPLA OU DE ENTRADA BILATERAL 
O  rotor permite  receber o  líquido por dois  sentidos opostos. Paralelamente  aoeixo de rotação. 
Para  permitir  a  montagem  do  eixo  com  os  rotores  (ou  o  rotor),  a  carcaça  da 
bomba  é  bipartida  para  temperatura  de  bombeamento  acima  de  205°C  e/ou 
quando  se  tratar de  líquidos  tóxicos ou  inflamáveis  com densidade menor que 
0,7. 
 
FUNCIONAMENTO DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA 
‐  A  bomba  Centrífuga  necessita  ser  previamente  enchida  com  o  líquido  a 
bombear, isto é, deve ser escorvada. 
‐  Logo  que  se  inicia  o  movimento  do  rotor  e  do  líquido  contido  nos  canais 
formados  pelas  pás,  a  força  centrífuga  decorrente  deste  movimento  cria  uma 
zona de maior pressão na periferia do rotor e, consequentemente, uma de baixa 
pressão na sua entrada, produzindo o deslocamento do líquido em direção à saída 
dos canais do rotor e à boca de recalque da bomba. 
 
POTÊNCIA NAS BOMBAS CENTRÍFUGAS 
 
POTÊNCIA MOTRIZ:  também  denomonada  consumo  de  energia  da  bomba,  é  a 
potência fornecida pelo motor ao eixo da bomba (Lm). 
 
POTÊNCIA DE ELEVAÇÃO: é a potência cedida pelo rotor ao líquido (Le). 
 
POTÊNCIA ÚTIL: é a energia aproveitada pelo líquido para seu escoamento fora da 
própria bomba (Lu). 
 
 
RENDIMENTOS NAS BOMBAS CENTRÍFUGAS 
 
RENDIMENTO MECÂNICO: é a relação entre a potência de elevação e a motriz 
     
 
    r =  Le    =     He 
                               Lm          Hm 
 
 
 
RENDIMENTO HIDRÁULICO: é a relação entre a potência útil e a de elevação 
 
                       e =  Lu    =     Hu 
                                Le            He 
 
 
RENDIMENTO TOTAL: é a relação entre a potência útil e a motriz 
 
η =  Lu    =     Hu 
                 Lm          Hm 
 
ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS CENTRÍFUGAS 
Dentre as razões que conduzem a necessidade de associarmos bombas, citamos: 
a) A  inexistência, no mercado, de bombas que possam,  isoladamente, atender a 
vazão necessária; 
b) Aumento escalonado de vazões com o correr do tempo; 
c)  Inexistência no mercado de bombas capazes de vencer a altura manométrica 
de projeto. 
‐ As razões (a) e (b) requerem associação em paralelo, que consiste em fazer duas 
ou mais bombas recalquem em uma ou mais  linhas comuns, de  forma que cada 
bomba recalque uma parte da vazão. 
‐  Para  satisfazer  a  razão  (c)  é  necessária  a  associação  em  série. Neste  caso  as 
bombas recalcam em  linha comum, de tal  forma que a anterior bombeia para a 
sucção da posterior, que  recebe o  fluido  com maior  quantidade  de  energia  de 
pressão. 
 
ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS EM PARALELO 
‐  É  recomendável neste  tipo de  associação que  as bombas  tenham  as mesmas 
características, ou pelo menos muito próximas. 
‐ Neste tipo de associação tem‐se: 
 Bombas operando com a mesma altura manométrica:   HB1 = HB2 
 A vazão do sistema é:  QS = Q1 + Q2 
 
 
 
ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS EM SÉRIE 
‐ Se duas ou mais bombas estão operando em séries as vazões se mantém e as 
alturas manométricas totais se somam. 
‐ Para a associação em série, a curva resultante tem as seguintes características: 
 
    HBS = HBS1 + HBS2      QS = Q1 = Q2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
COMPRESSORES 
DEFINIÇÃO: 
São  máquinas  operatrizes  que  transformam  trabalho  mecânico  em  energia 
comunicada  a  um  gás,  preponderantemente  sob  forma  de  energia  de  pressão. 
Graças à energia de pressão que adquire, isto é, à pressurização, o gás pode: 
  ‐ Deslocar‐se a longas distâncias em tubulações; 
  ‐ ser armazenado em reservatórios para ser usado quando necessário, isto 
é, acumular energia; 
  ‐realizar  trabalho  mecânico,  atuando  sobre  dispositivos,  equipamentos  e 
máquinas motrizes (motores a ar comprimido, por exemplo). 
 
UTILIZAÇÃO: 
Além de  ser empregado para  comprimir o  ar, o  compressor é  aplicado  a 
outros gases e misturas de gases,  sendo de  imensa  importância nas  instalações 
químicas, petroquímicas, mecânicas, na construção civil e outras mais. 
  Façamos  uma  referência  às  aplicações  de  ar  comprimido,  conforme  as 
características dos equipamentos que o utilizam: 
a) Equipamentos  à  pressão  de  ar  ou  de  ação  fechada:  trabalhos 
submarinos;  inflagem  de  câmaras  de  ar  de  veículos;  transporte 
pneumático. 
 
b) Equipamentos a jato de ar ou de ação livre: resfriadores ou aquecedores 
a  ar;  jateamento de  areia; pintura  a pistola; metalização; projeção de 
revestimentos plásticos. 
 
c) Equipamentos e máquinas de percussão: marteletes a ar  comprimido; 
perfuratrizes de rocha; bate‐estacas. 
 
d) Motores a ar comprimido de pistões, de palhetas, de engrenagens. 
 
e) Bombas de injeção de concreto. 
 
f) Máquinas  ferramentas  fixas  e  portáteis  de  todos  os  tipos:  furadeiras, 
serras, aparafusadeiras, etc. 
 
g) Abertura e fechamento de portas. 
 
 
CLASSIFICAÇÃO 
  Os  compressores visam  conseguir que a pressão do gás venha a alcançar 
uma  pressão  consideravelmente  maior  do  que  a  pressão  atmosférica.  Se 
classificam em: 
 
a) Compressores de Deslocamento Positivo 
O gás é admitido em uma câmara de compressão, que é, por  isso,  isolada 
do exterior. Por meio da redução do volume útil da câmara sob a ação de 
uma peça móvel, alternativa ou rotativa, realiza‐se a compressão de gás. 
   
b) Compressores Dinâmicos 
O gás penetra em uma câmara onde um rotor em alta rotação comunica às 
partículas  gasosas  aceleração  tangencial  e,  portanto,  energia.  Atravé  da 
descarga por um difusor, grande parte da energia cinética se converte em 
energia  de  pressão,  forma  adequada  a  transmissões  por  tubulações  a 
distâncias consideráveis e à realização de operações específicas. 
 
 
 
 
 
 
COMPRESSORES DE DESLOCAMENTO POSITIVO 
 
1) COMPRESSORES ALTERNATIVOS DE PISTÃO 
 
CARACTERÍSTICAS 
Podem ser de: 
  ‐ um cilindro, para pressões de 6 a 8 kgf/cm²; 
  ‐ mais de um cilindro: duplex, com dois cilindros e dois pistões; triplex, com 
três cilindros e três pistões, e existem outros de ainda maior número de cilindros. 
 
  Os compressores alternativos, conforme a atuação do pistão, podem ser: 
  ‐  de  simples  efeito,  quando  apenas  uma  das  faces  do  pistão  atua 
comprimindo o gás;  
  ‐ de duplo efeito, quando ocorre a ação das duas  faces do pistão sobre o 
gás 
 
  Podem ainda ser classificados em: 
  ‐ compressores de um estágio, que possuem um só cilindro; 
  ‐ compressores de dois estágios ou duplo estágio, nos quais os gás, depois 
de sair comprimido do primeiro cilindro, é resfriado e entra num segundo cilindro 
para receber nova compressão. 
  ‐ compressores de vários estágios, nos quais o ar passa sucessivamente por 
vários cilindros. 
 
O rendimento do compressor de dois estágios é maior do que o de um estágio. 
O  compressor  necessita  ser  resfriado,  e  esse  resfriamento  pode  ser  a  ar 
(ventilação natural, ventilação forçada com ventilador) ou a água. 
Devemos  fazer  uma  distinção  entre  os  compressores  convencionais  de  ar 
comprimido  e  os  compressores  de  gases  diversos  chamados  compressores  de 
processo.  Estes  possiem  características  construtivas  e  empregam  materiais 
altamente resistentes à ação dos gases aos quais se destinam. 
Pode‐se dizer que é o tipo mais versátil para a maioria das aplicações industriais, 
principalmente quando se trata de ar comprimido, sendo, por isso mesmo, o mais 
usado. 
 
VANTAGENS 
‐  São  facilmente  controlados  de  acordo  com  a  demanda  do  gás  comprimido. 
Podem  operar  em  plena  carga,  meia  carga  ou  em  vazio,  mediante  abertura 
automática das válvulas de admissão, de sorte que não há compressão durante os 
períodos em que não há demanda de gás comprimido. 
‐ Operação econômica. 
‐ Manutenção simples. 
‐ Uma parcela elevada da energia  fornecida ao eixo do  compressor é dissipada 
sob  forma de  calor e podeser aprovaitada para aquecimento de elementos de 
uma instalação industrial. 
 
Consumo específico de potência em compressores alternativos 
 
COMPRESSORES DINÂMICOS 
  Possuem  um  ou mais  rotores  parecidos  com  os  das  turbobombas  e  que 
giram  com elevada  rotação no  interior de uma  caixa. Podem  ser dos  seguintes 
tipos: 
1) CENTRÍFUGO OU TURBO COMPRESSOR 
  Possui pás semelhantes às das bombas centrífugas. A unidade compressora 
desse tipo é conhecida na prática como uma centrífuga. 
2) HELICOCENTRÍFUGO OU HELICOIDAL 
  As pás são de dupla curvatura semelhantes, em alguns tipos, às de turbinas 
Francis. As vazões obtidas são maiores que as do turbocompressor e as pressões 
são menores. 
 
3) COMPRESSOR AXIAL 
  Possui  grande  número  de  palhetas  e  proporciona  um  escoamento  no 
sentido longitudinal. É compressor para grandes descargas – até 1.000.000 m³/h, 
com pressão de trabalho de até 6 bars. 
 
4) COMPRESSOR AXIAL‐CENTRÍFUGO 
  Reúne  em  um  mesmo  eixo  rotores  do  tipo  axial  e  rotores  centrífugos, 
conseguindo aliar as vantagens de vazões elevadas (500.000 m³/h) a pressões de 
até 9 bars. 
 
 
 
5) COMPRESSOR CENTRÍFUGO SUNDYNE 
  É um compressor de alta  rotação  (4.800 a 3.400  rpm),  isento de óleo, de 
um  estágio,  pra  pressões  elevadas  com  vazões  reduzidas  (até  3.200  m³/h  nos 
tipos maiores). Existem dois modelos: 
a) O  de  emissão  parcial,  para  vazões menores. O  rotor  possui  oito  lâminas 
radiais. 
b) O de emissão total, para grandes vazões. O rotor possui de 16 a 19 lâminas 
radiais. 
 
FATORES A CONSIDERAR NA ESCOLHA DO COMPRESSOR 
Para Baixo Custo de Operação = Baixos Custos de Funcionamento. 
‐ Baixo custo de energia. 
‐ Alto atendimento se traduz em baixo consumo específico de energia. 
‐ Segurança de operação. 
‐ Bom balanceamento, mínima vibração, materiais e dimensões adequados, alta 
qualidade na fabricação das peças componentes. 
‐ Baixo custo de manutenção. 
‐ As peças  sujeitas   desgaste devem  ser de  fácil  substituição e projeto  simples, 
possibilitando manutenção por pessoal adequado. 
‐ Baixo custo de água de resfriamento 
‐ Em certos casos, baixo consumo de água de resfriamento 
‐ Baixo custo de supervisão 
‐Lubrificação automática; drenagem automática de água condensada; dispositivos 
de controle e de segurança tornam desnecessária supervisão manual contínua. 
Para Baixo Custo de Instalação = Baixos Custos Iniciais 
‐ Pequeno espaço necessário. 
‐ Compressor de projeto compacto e equipamento auxiliar reduzido economizam 
área de construção. 
‐ Baixo peso. 
‐ Economia de fundações e de equipamentos de levantamento. 
‐ Instalação simples. 
‐  Equipamento  de  instalação  simples  e  adequado  para  a  montagem  sobre 
amortecedores de borracha em fundações simples (pequenos compressores). 
‐ Equipamento elétrico simples 
‐  Um  compressor  projetado  para  motores  e  chaves  de  partida  padronizadas 
contribui para baixo custo inicial. 
‐ Preços moderados. 
CONSUMO ESPECÍFICO 
  Para uma comparação entre vários tipos de compressores, faz‐se referência 
à grandeza denominada consumo específico. 
  Consumo específico é a potência absorvida por unidade de volume de ar e 
na unidade de tempo escolhida. 
  O consumo específico de potência é medido em cv/m³/min, ou em HP/100 
pés³/min de descarga livre padrão de ar. 
  Um  consumo  específico  de  7  vc/m³/min  já  é  bastante  baixo,  e  6,5 
cv/m³/min  é  considerado  extremamente  baixo,  portanto  excelente.  Os  valores 
baixos são obtidos em geral em compressores para capacidade média e grande. 
Para se conseguir um bom desempenho, isto é, um baixo consumo de potência, é 
preciso  que  o  compressor  seja  adequadamente  resfriado,  e  que  a  água  de 
resfriamento seja fornecida a cerca de 10° abaixo da temperatura ambiente. 
  Compressores resfriados a ar possuem consumo específico 3 a 5% superior 
ao dos  resfriados a água, sendo o ventilador  responsável por cerca de 1 a 1,5% 
deste acréscimo. 
  O consumo específico de energia é, portanto, um parâmetro da qualidade 
de um compressor. 
 
DESCARGA LIVRE PADRÃO (DLP) OU DESCARGA LIVRE EFETIVA (DLE) 
  É a quantidade de ar livre descarregada por um compressor, corrigida para 
as  condições  de  pressão,  temperatura  e  umidade  reinantes  na  admissão. 
Considerar‐se‐à  na  admissão  o  ar  livre,  isto  é,  o  ar  submetido  à  pressão 
atmosférica,  cujo  valor  corresponde  a  um  coluna  de  760  mm  de  mercúrio,  à 
temperatura de 15°C e a uma umidade relativa igual a 36%. 
 
Consumo específico de potência em função da descarga. Escolha do tipo de compressor 
 
TURBINAS A VAPOR 
 
DEFINIÇÃO 
Turbina a Vapor é a 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. 
 
FUNCIONAMENTO 
  A turbina é um motor rotativo que converte em energia mecânica a energia 
de uma corrente de água, vapor d’água ou gás. O elemento básico da turbina é a 
roda  ou  rotor,  que  conta  com  paletas,  hélices,  lâminas  ou  cubos  colocados  ao 
redor de sua circunferência, de forma que o fluido em movimento produza uma 
força tangencial que impulsiona o rotor, fazendo‐o girar. Essa energia mecânica é 
transferida através de um eixo para movimentar uma máquina, um compressor, 
um gerador elétrico ou uma hélice. As turbinas classificam como hidráulicas ou de 
água, a vapor ou de combustão. 
  Em uma turbina a vapor, a transformação de energia do vapor em trabalho 
é  feita  em  duas  etapas.  Inicialmente,  a  energia  do  vapor  é  transformada  em 
energia  cinética.  Para  isso  o  vapor  é  obrigado  a  escoar  através  de  pequenos 
orifícios, de formato especial, denominados expansores onde, devido à pequena 
área de passagem, adquire alta velocidade, aumentando sua energia cinética, mas 
diminuindo em consequência, sua entalpia. 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. 
Na segunda etapa da transformação, a energia cinética obtida no expansor 
é  transformada em  trabalho mecânico. Esta  transformação de energia pode ser 
obtida no expansor é transformada em trabalho mecânico. Esta transformação de 
energia  pode  ser  obtida  de  duas  maneiras  diferentes:  Segundo  o  princípio  da 
Ação ou segundo o princípio da Reação. 
 
EXPANSORES CONVERGENTES E CONVERGENTES‐DIVERGENTES 
  Os  expansores  são  restrições  ao  fluxo  de  vapor  e  tem  o  objetivo  de 
converter a energia do vapor em energia cinética. 
Expansores  Convergentes:  são  usados  sempre  que  a  pressão  de  descarga  for 
maior ou igual a 53% da pressão de admissão (pequenos saltos de entalpia). 
 
Expansores  Convergentes‐Divergentes:  são  usados  sempre  que  a  pressão  de 
descarga for menor que 53% da pressão de admissão (grandes saltos de entalpia). 
 
 
Expansor 
 
TURBINA DE AÇÃO E TURBINA DE REAÇÃO 
  Se tivermos um expansor, montado em uma câmara de vapor estacionária, 
dirigindo um jato de vapor para uma palheta, montada na periferia de uma roda, 
teremos uma “turbina de ação rudimentar”. 
  Por, outro lado, montarmos a própria câmara de vapor com o expansor, na 
periferia da roda e conseguirmos  levar vapor, de forma contínua, a esta câmara, 
através de um eixo oco, teremos construído uma “turbina de reação elementar”. 
  Embora  estas  duas  turbinas  rudimentares  ilustrem  os  princípios  básicos 
envolvidos, algumas modificações são necessárias para convertê‐las em unidades 
práticas. 
 
TURBINA DE AÇÃO 
Em  um  estágio  de  ação,  toda  a  transformação  de  energia  do  vapor 
(entalpia) em energia cinética ocorrerá nos expansores. Em consequência, noarco 
ou no anel de expansores (roda de palhetas fixas) de um estágio de ação, haverá 
uma queda na pressão do vapor (diminuem também a entalpia e a temperatura, 
enquanto aumenta o volume específico) e um aumento da velocidade. Na roda de 
palhetas  móveis  não  haverá  expansão  (queda  de  pressão),  pois  as  palhetas 
móveis têm seção simétrica e que resulta em áreas de passagens constantes para 
o vapor. 
 
TURBINA DE REAÇÃO 
Na  realidade,  o  que  chamamos  comercialmente  de  turbina  de  reação  é  uma 
combinação  com  grandes  saltos  de  entalpia  e  onde  a  preocupação  com  a 
eficiência  é  essencial,  seríamos  levados  a  velocidades  excessivas  nas  palhetas, 
incompatíveis com sua resistência mecânica. A solução para o problema é dividir 
o  aproveitamento do  salto de entalpia em  vários  saltos menores  subsequentes 
que  chamamos  de  estágios.  Máquinas  de  grande  potência  tem,  portanto, 
usualmente, vários estágios colocados em série, podendo ser tanto de ação como 
de reação. 
 
 
ESTÁGIOS DE AÇÃO 
  Os estágios de ação podem ser de dois tipos: estágios de pressão, também 
conhecidos como estágios RATEAU, e estágios de velocidades conhecidos como 
estágios CURTIS. 
  Os estágios de pressão são compostos por um arco de expansores e uma 
roda de palhetas móveis, se for o primeiro estágio da máquina, ou por um anel de 
expansores  (roda de palhetas  fixas) e uma  roda de palhetas móveis,  se  for um 
estágio intermediário. 
  O estágio de velocidade é composto de um arco de expansores, seguido por 
duas rodas de palhetas móveis entre as quais há um arco de palhetas guias. Toda 
a  queda  de  pressão  do  estágio  ocorre  nos  expansores. A  velocidade  do  vapor, 
porém é absorvida apenas parcialmente na primeira roda de palhetas móveis. O 
vapor deixa então esta roda com uma energia cinética ainda elevada. 
 
 
Estágios de Ação 
 
Estágios de Reação (esq.)‐Turbina de Reação de Estágios Múltiplos (dir.) 
 
ESTÁGIOS DE AÇÃO E ESTÁGIOS DE REAÇÃO 
ESTÁGIOS DE AÇÃO 
  Os estágios de ação podem ser de dois tipos: estágios de pressão, também 
conhecidos  como  estágios  Rateau  e  estágios  de  velocidade  conhecidos  como 
estágio Curtis. 
  O estágio de pressão é composto de um arco de expansores e uma roda de 
palheta  móveis  se  for  o  primeiro  estágios  da  máquina,  ou  por  um  anel  de 
expansores  (roda  de  palhetas  fixas)  e  uma  roda  de  palhetas móveis  se  for  um 
estágio intermediário. 
  O estágios de velocidade é composto de um arco de expansores, seguido 
por duas rodas de palhetas móveis, entre as quais há um arco de palhetas guias. 
Toda  a  queda  de  pressão  do  estágio  ocorre  nos  expansores.  A  velocidade  do 
vapor  porém,  é  absorvida  apenas  parcialmente  na  primeira  roda  de  palhetas 
móveis. O vapor deixa então esta  roda com uma energia cinética ainda elevada 
que será aproveitada em uma segunda  roda de palhetas móveis. Apenas com a 
finalidade de reorientar o jato de vapor, para que o esforço sobre a segunda roda 
de palheta móveis  seja de  sentido  igual ao do esforço  sobre a primeira  roda, é 
colocado entre ambas um arco de palhetas guias. É importante notar que não há 
expansão nas palhtas  guias, permanecendo  constantes, ao  longo delas,  tanto a 
pressão como a velocidade. 
  Em um estágio de velocidade, como apenas metade da velocidade do vapor 
é  absorvida  por  roda,  admite‐se  que  a  velocidade  do  vapor  na  entrada  da 
primeira  roda  seja  igual  a  quatro  vezes  a  velocidade  periférica  da  palheta.  Por 
esta razão, em um estágio de velocidade conseguimos aproveitar um grande salto 
de entalpia, embora com algum prejuízo da eficiência. 
  O estágio “CURTIS” tem duas aplicações características: como estágio único 
de  máquinas  de  pequena  potência  e  como  primeiro  estágio  de  máquinas  de 
grande potência. 
 
ESTÁGIOS DE REAÇÃO 
  Os  estágios  de  reação,  chamados  também  de  estágios  PARSONS,  são 
sempre  constituídos  de  uma  roda  de  palhetas  fixas,  seguidas  de  uma  roda  de 
palhetas móveis. Como as  turbinas de estágio único são sempre de ação, o uso 
dos  estágios  de  reação  restringe‐se  aos  estágios  intermediários  e  finais  das 
turbinas de reação de estágios múltiplos, pois mesmo nestas o primeiro estagio é 
usualmente um estágio de ação. 
 
Estágio de ação e de reação 
 
VANTAGENS DAS TURBINAS A VAPOR 
a) Do ponto de vista termodinâmico: 
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) 
b) Do ponto de vista mecânico: 
‐ As Turbinas a Vapor são puramente rotativas  isto é, a força acionadora é 
aplicada  diretamente  no  elemento  rotativo  da  máquina.  Têm 
balanceamento  bastante  fácil,  resultando  em  um  funcionamento  bem 
suave da máquina. 
‐  É  uma  máquina  de  alta  rotação  (3.500  a  6.000  rpm)  sendo  ideal  para 
acionar bombas e compressores centrífugos. 
‐ Não há lubrificação interna. O óleo circula somente através dos mancais e 
do sistema de controle, sendo continuamente filtrado e resfriado. 
‐ A facilidade de controle e a possibilidade de variação de velocidade feita 
pelo governador é bastante simples, precisa e confiável. 
 
CLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS A VAPOR 
 
SEGUNDO TRAJETÓRIA DESCRITA POR UMA PARTÍCULA DE VAPOR EM RELAÇÃO À 
BASE DA TURBINA 
 
TURBINAS AXIAIS 
O vapor flui axialmente de boquilhas dispostas radialmente em torno do rotor. 
 
TURBINAS RADIAIS (tipo Ljungstrom) 
O vapor se dirige de dentro para fora radialmente através de canais formados por 
palhetas móveis dispostas axialmente. 
 
TURBINAS TANGENCIAIS 
O  vapor é  conduzido  tangencialmente ao  rotor. O escoamento no  rotor é uma 
composição de escoamento axial e radial. 
 
 
CONFORME O MODO DE ATUAÇÃO DO VAPOR NO ROTOR 
 
TURBINAS DE AÇÃO 
O vapor se expande unicamente em órgãos fixos (boquilhas ou expansores) e não 
nos móveis  (rotores),  de modo  que  a  pressão  sobre  as  faces  das  palhetas  dos 
mesmos não varia sensivelmente. 
TURBINAS DE REAÇÃO 
O  vapor  se  expande  também  no  rotor,  de  modo  que  a  pressão  à  entrada  do 
mesmo é maior que na saída. 
 
TURBINAS MISTAS (de ação e reação) 
A parte  inicial da turbina é construída para a ação (alta pressão) e a outra parte 
como turbina de reação. 
 
CONFORME O NÚMERO DE ESCALONAMENTOS (ESTÁGIOS) 
 
 Turbinas de um único rotor. 
 Turbinas de vários conjuntos de pás no mesmo eixo. 
 Turbinas com recuperação direta da energia de saída na diretriz seguinte. 
 Turbinas com recuperação indireta da energia de saída na diretriz seguinte. 
 
CONFORME O NÚMERO DE PÁS SOBRE AS QUAIS INCIDE O VAPOR 
 
TURBINAS DE ADMISSÃO TOTAL 
O vapor enche por completo toda a coroa de pás. 
TURBINAS DE ADMISSÃO PARCIAL 
O vapor incide inicialmente somente sobre uma parte da coroa. 
 
CONFORME AS CONDIÇÕES DO VAPOR DE ESCAPE DA TURBINA 
 
TURBINA DE ESCAPE LIVRE 
O vapor sai diretamente na atmosfera. 
 
TURBINA DE CONDENSAÇÃO 
O vapor vai para um condensador. 
 
TURBINA DE CONTRAPRESSÃO 
O vapor de escape é conduzido a dispositivos especiais para a sua posterior 
utilização, como por exemplo, na calefação. 
 
TURBINAS COMBINADAS 
Parte do  vapor é  subtraída da máquina antes de  sua  total utilização, e é 
conduzida a outros dispositivos  (para calefação, por exemplo). O  restante 
do  vapor  continua  sua  evolução  no  interior  da  turbina,  passando  a  um 
condensador ou diretamente à atmosfera. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TURBINAS A GÁS 
DEFINIÇÃO 
O  termo  turbina  a  gás  é  mais  comumente  empregado  em  referência  a  um 
conunto  de  três  equipamentos:  compressor,  câmara  decombustão  e  turbina 
propriamente dita. Esta configuração  forma um ciclo  termodinâmico a gás, cujo 
modelo ideal denomina‐se Ciclo Brayton. Este conjunto opera em ciclo aberto, ou 
seja, o  fluido de  trabalho  (ar) é admitido na pressão atmosférica e os gases de 
escape,  após  passarem  pela  turbina,  são  descarregados  de  volta  na  atmosfera 
sem que retornem à admissão. 
A palavra “gás” não se refere à queima de gases combustíveis, mas sim, ao fluido 
de  trabalho  da  turbina,  que  é  neste  caso  a  mistura  de  gases  resultante  da 
combustão. 
 
UTILIZAÇÃO 
Turbinas  a  gás  são  amplamente  empregadas  na  propulsão  de  aviões  e  outros 
tipos de aeronaves. Isto se deve principalmente à sua alta densidade de potência, 
em  relação  a outras máquinas  como os MCI. Ou  seja,  as  turbinas  a  gás  geram 
maiores potência comparadas a máquinas do mesmo peso. 
 
FUNCIONAMENTO 
A  turbina  a  gás  é  uma  máquina  feita  para  empurrar,  usando  a  terceira  lei  de 
Newton. A ação de  forçar massa em  forma de gases quentes para uma direção 
gera uma força em sentido contrário. 
Todas as peças que estão dentro da Turbina a Gás têm a finalidade de captar o ar 
e expulsá‐lo com a maior velocidade possível. 
Para fazer isto, em uma turbina de tamanho adequado a uso para aeromodelo, é 
usado um compressor radial que ao girar expulsa o ar a grande velocidade para a 
sua  periferia.  Ou  seja,  este  compressor  retira  energia  mecânica  do  eixo  e 
transfere esta energia para o ar. Este ar com alta velocidade é obrigado a passar 
pelo  difusor  que  com  passagens  divergentes,  reduzem  a  velocidade, 
transformando esta velocidade em pressão. 
Este  ar  sob  pressão  entra  na  câmara  de  combustão,  onde  recebe  energia  pela 
queima  do  combustível,  e  se  expande  ao  ser  aquecido.  Este  ar  quente  e  sob 
pressão  é  obrigado  a  passar  pelo  estator  da  turbina,  que  pela  forma  das  suas 
palhetas, direciona este ar em alta velocidade para o rotor da turbina. Ao alcançar 
o rotor, o ar entrega uma parte da sua energia, ao obrigá‐lo a girar. 
Observar que a  turbina somente  tem a  finalidade de  fornecer energia mecânica 
para o compressor. A sobra de energia do ar do escapamento é que é utilizada 
como energia de propulsão. 
 
 
Turbina a Gás 
 
VANTAGENS  
 Tendem a ser mais compactas, isto é, tem uma maior razão potência/peso 
(até 70% em relação a outros motores). Por  isso, elas são adequadas para 
sistemas  de  transportes  como  aviões,  navios  e  até  mesmo  transporte 
terrestre. 
 Partida e parada mais rápidas. 
 Tempo de resposta baixo. 
 Equipe de operação e manutenção reduzida. 
 Consome menos matéria prima na fabricação. 
 Menor custo. 
 Produz menos vibração. 
 (Quase) não requer água de resfriamento. 
DESVANTAGENS 
 Menor potência específica. 
 Menor eficiência. 
 Menor vida útil. 
 Mais sensível à qualidade do combustível. 
 Muitos componentes sob alta tensão mecânica. 
 Ruídos de alta freqüência. 
 Necessidade de grande quantidade de ar. 
 Produção de grande quantidade de gases quentes (objetivo). 
 Não pode ser consertado na planta. 
RAZÃO DE POTÊNCIA 
Parcela significativa da potência da turbina é utilizada para acionar o compressor 
(back‐work). 
 
 
TURBOGERADORES 
Turbinas  a  gás  dedicadas  à  geração  de  energia  elétrica  são  divididas  em  duas 
principais categorias, no que se refere à concepção.  
São elas as pesadas Heavy‐Duty, desenvolvidas especificamente para a geração de 
energia elétrica ou propulsão naval e as aeroderivativas, desenvolvidas a partir de 
projetos anteriores dedicados a aplicações aeronáuticas. 
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°C e 650°C. 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 à entrada e 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. 
Turbinas a gás específicas para operar em ciclo combinado, são desenvolvidas de 
modo a maximizar a eficiência  térmica do  ciclo  como um  todo. Desta  forma,  a 
redução  de  temperatura  dos  gases  de  escape  não  é  necessariamente  o  ponto 
mais crítico, em termos de eficiência, uma vez que os gases de saída da turbina 
ainda são utilizados para gerar potência. 
 
OUTRAS APLICAÇÕES 
Turbinas a gás também podem acionar diversos outros tipos de máquina movidas 
por eixo, tais como navios, ônibus, helicópteros, locomotivas, tanques de guerra, 
bombas e compressores (externos ao próprio ciclo da turbina).