Básico de Turbinas a Gás_ Petrobras

Prévia do material em texto

E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE
 Manoel Queiroz
 José Augusto Matias
 Jan/2003
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção I - 1
Seção I
TURBINA A GÁS:
· PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
· CICLO BRAYTON
· COMPONENTES BÁSICOS
· APÊNDICES:
· CICLOS TERMODINÂMICOS
· TERMODINÂMICA BÁSICA
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção I - 2
TURBINA A GÁS
1 - INTRODUÇÃO
A invenção da turbina a gás e o desenvolvimento do seu projeto original foram feitos
para acionamento de aviões e pesquisas de propulsão a jato. O emprego de turbinas a
gás para o acionamento de compressores, bombas e geradores foi adaptado, mais
tarde. Devido a sua construção compacta , pequeno peso e a alta potência quando
comparado com os motores tradicionais de combustão interna seu uso tem sido muito
difundido para aplicações industriais.
Em 1930 FRANK WHITTLE apresentou a primeira patente de uma turbina a gás para
produzir um jato de propulsão. A turbina WHITTLE formou as bases das modernas
turbinas a gás.
Recentemente, turbinas a gás de baixo peso (aeroderivadas) foram introduzidas em
aplicação industrial. Neste meio, essas turbinas são comumente denominada geradora
de gás (GG). Seu propósito é a geração de um grande volume de gases de alta energia
que escoa através de uma roda de turbina transformando essa energia em potência, no
eixo.
2- PRINCÍPIO BÁSICO DE FUNCIONAMENTO DE TURBINA A GÁS
A Turbina a gás é uma máquina térmica que utiliza o ar como fluido motriz para
prover energia. Para conseguir isto o ar que passa através da turbina deve ser
acelerado; isto significa que a velocidade ou energia cinética do ar é aumentada. Para
obter esse aumento, primeiramente aumenta-se a pressão e, em seguida, adiciona-se
calor. Finalmente a energia gerada (aumento de entalpia) é transformada em potência
no eixo da turbina .
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção I - 3
Uma turbina a gás produz energia a partir do resultado das seguintes etapas
contínuas do ciclo BRAYTON:
1. Compressão - O ar é admitido e comprimido em um compressor onde as energias
de pressão e temperatura do fluido (ar) aumentam.
2. Combustão - O ar comprimido flui para as câmaras de combustão, onde o
combustível, a alta pressão, é injetado e queimado a uma pressão
aproximadamente constante. A ignição da mistura ar/combustível ocorre durante a
partida, através ignitores. Posteriormente a combustão se auto sustenta.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção I - 4
3. Expansão - Gases em alta temperatura e pressão são expandidos a uma alta
velocidade através dos estágios da turbina geradora de gás, que converte parte
da energia dos gases em potência no eixo para acionar o compressor de ar (
aproximadamente 2/3 da energia gerada com a queima).
4. Exaustão - Em um avião a jato, os gases remanescentes da expansão na turbina
passam através de um bocal para aumentar sua velocidade e, consequentemente,
o impulso (propulsão). Na aplicação industrial, os gases são direcionados para
uma turbina de reação ou potência onde a energia residual (aproximadamente1/3)
da energia gerada, dos gases é convertida em potência no eixo para acionar um
componente como um compressor de gás, gerador elétrico ou uma bomba.
Finalmente os gases fluem para o duto de exaustão, onde sua energia
remanescente pode ainda ser aproveitada em um sistema de recuperação de
calor (aquecimento de água, geração de vapor, aquecimento do ar de combustão,
etc.).
2.1- COMPARAÇÃO ENTRE OS CICLOS DE FUNCIONAMENTO DE MOTORES
Podemos fazer comparação entre os ciclos de funcionamento de uma turbina (ciclo
Brayton) e de um motor convencional de 4 (quatro) tempos (ciclo Otto). Em uma turbina
a combustão ocorre a uma pressão constante, ao passo que em um motor convencional
a combustão ocorre a um volume constante.
Fig. 5 - Comparação entre Ciclos
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção I - 5
2.1.1- O Ciclo Otto
Em ambos os ciclos ocorrem as etapas de admissão, compressão, combustão e
exaustão. Em um motor de ciclo convencional (Otto), essas etapas ocorrem no mesmo
local (cilindro) em tempos diferentes, sendo portanto um ciclo intermitente.
Em uma turbina (ciclo Brayton),
essas etapas ocorrem
continuamente em locais
diferentes com os processos de
compressão, combustão,
expansão e exaustão separados.
Do ponto 1 ao ponto 2 o ar é
admitido, ocorrendo aumento do
volume sem variação da pressão. Do
ponto 2 ao 3 ocorre o movimento
ascendente do pistão acarretando
a redução do volume, aumento da pressão e
conseqüente aumento da temperatura, visto que é um processo de compressão
politrópica. No ponto 3 ocorre a ignição com grande aumento da temperatura da
mistura. O termo, "volume constante", é devido ao fato de que do ponto 3 ao ponto 4, a
combustão da mistura, não ocorre mudança considerável no volume, mas ocorre um
grande aumento da pressão. Do ponto 4 ao ponto 5 ocorre a expansão com queda da
temperatura e da pressão e aumento do volume.
É importante notar que esta é a única etapa em que a energia pode ser extraída
(trabalho extraído do processo). Quando a válvula de exaustão abre, ponto 5 ao ponto2,
resulta em uma rápida queda de pressão a volume constante. O pistão então sobe
forçando os gases remanescentes para a exaustão ( ponto 2 ao ponto 1). O ciclo então
é reiniciado.
2.1.2- O CICLO DE BRAYTON
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção I - 6
As turbinas operam
no ciclo Brayton
(pressão constante)
que comumente é
denominado ciclo
aberto. As etapas
deste ciclo são
mostradas no gráfico P
x V da figura 9. O ar é
admitido e comprimido
do ponto 1 ao ponto 2
com conseqüente
aumento de pressão e
temperatura, e
redução do volume.
Do ponto 2 ao 3 temos
representado a
combustão à
pressão constante,
mas com um aumento acentuado do volume. Este aumento de volume se manifesta em
aumento de velocidade de escoamento dos gases, porque não há mudança acentuada
na área desta seção da turbina. A partir da combustão ocorre a expansão dos gases
nas rodas da turbina causando uma redução da pressão e temperatura e aumento de
volume. Este processo continua do ponto 4 ao 5 através da turbina de potência.
 3- DESCRIÇÃO BÁSICA DE UMA TURBINA A GÁS
A turbina a gás é composta de:
· Gerador de gás (GG):
- compressor de ar
- câmara de combustão
- Turbina de alta pressão (HP)
· Turbina livre ou turbina de potência (PT)
3.1- COMPRESSOR
O compressor é o componente da turbina a gás onde o fluido de trabalho é
pressurizado, sendo sempre empregado o do tipo dinâmico ( centrífugo,axial ou axial
com o último estágio centrífugo ).
O compressor axial trabalha com relações de compressão por estágio baixas, valores
usuais de projeto situando-se entre 1,1/ 1 e 1,4/ 1 , o que resulta em um número grande
de estágios para se atinjam as relações de compressão elevadas, de até 21/1 ,
empregadas em algumas máquinas modernas. Na prática, relações de compressão
muito elevadas são obtidas normalmente com dois ou três rotores axiais, operando em
série, ou por um rotor com vários estágios axiais seguidos por um último estágio
centrífugo.
O compressor axial permite obter altas vazões de ar, até 700 kg/s, e eficiência
isoentrópica muito boa, valores típicos entre 85 a 90 %, sendo por isso empregado em
praticamente todas as turbinas a gás de médio e grande porte.
Um inconveniente do compressor axial é a de apresentar faixa operacional pequena,
entre os limites de surge e choke, o que exige cuidados especiais para evitar o surge
durante os períodos de partida e/ou aceleração.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção I - 7
O compressor de ar é o componente da turbina responsável pelo aumento da
pressão do ar no ciclo Brayton e é acionado pela turbina do gerador de gás.
O compressor axial é empregado nestes casos por ser especificado para maiores
vazões do que os centrífugos com relação ao porte.
Seu princípio de funcionamento é o da aceleração do ar com posterior transformação
em pressão. É composto por uma seção estacionária, onde se encontram instalados os
anéis com aletas estatoras e a seção rotativa composta por um conjunto de rotores com
palhetas. Cada estágio de compressão é composto por um rotor com palhetas e um
anel com aletas estatoras. O rotor com palhetas é responsável pela aceleração do ar,
como um ventilador. É nesta etapa que o ar recebe trabalho para aumentar a energia de
pressão, velocidade e temperatura. O anel de aletas estatoras tem a finalidade de
direcionar o ar para incidir com um ângulo favorável sobre as palhetas do próximo
estágio rotor e promover a desaceleração do fluxo de ar para ocorrer a transformação
da energia de velocidade em pressão. Essas máquinas são projetadas para que a
velocidade na entrada de cada rotor seja a mesma para a condição de máxima
eficiência.
Este processo é repetido nos estágios subsequentes do compressor sendo que cada
estágio promove um pequeno aumento de pressão.
O fluxo de ar no compressor se dá paralelo ao eixo ( axial ) numa trajetória helicoidal,
e a seção de passagem é reduzida da admissão para descarga, com o propósito de se
manter a velocidade do ar constante dentro da faixa de operação, uma vez que a
pressão sobe a cada estágio e respectivamente a massa específica (veja a equação da
continuidade). O ganho de pressão e as variações de velocidade a cada estágio podem
ser vistos nas figuras a seguir.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção I - 8
As aletas estatoras do último estágio agem como pás guias de saída, que direcionam
o ar em um fluxo axial estabilizado para a carcaça traseira do compressor e seção de
combustão.
O compressor é projetado para operar com alta eficiência em altas rotações. Para
manter o fluxo de ar estabilizado à baixa rotação, tem-se instalado, na entrada de ar, um
conjunto de aletas móveis guias de entrada (IGV - Inlet Guide Vanes), que
automaticamente, altera o ângulo de ataque das palhetas para o primeiro rotor. A
eficiência é gradualmente aumentada de acordo com o aumento da rotação. As válvulas
de sangria estão instaladas para prevenir o surge em baixas rotações.
O conjunto I.G.V e válvulas de sangria fazem parte do sistema de controle do fluxo
de ar da turbina.
A proteção quanto ao surge se dá através de válvulas de alívio instaladas nos
últimos estágios, que ficam abertas aliviando para atmosfera durante a fase de
aceleração e parada do compressor.
3.2- COMBUSTOR
A combustão em uma turbina a gás é um processo contínuo realizado a pressão
constante. Um suprimento contínuo de combustível e ar é misturado e queimado à
medida que escoa através da zona de chama. A chama contínua não toca as paredes
da camisa da câmara de combustão, sendo estabilizada e modelada pela distribuição
do fluxo de ar admitido, que também resfria toda a câmara de combustão. Podem ser
queimadas misturas com larga faixa de variação da relação combustível - ar, porque a
proporção combustível - ar é mantida normal na região da chama, sendo o excesso de
ar injetado a jusante da chama.
O projeto da câmara de combustão deve garantir resfriamento adequado da camisa,
combustão completa, estabilidade da chama e baixa emissão de fumaça, monóxido de
carbono, hidrocarbonetos e óxidos de nitrogênio. O volume da câmara de combustão é
muito pequeno em relação à taxa de liberação de calor desenvolvida, porque a
combustão é feita a pressão elevada: em turbinas aeronáuticas este volume pode ser
de apenas 5 % do volume que seria necessário em uma caldeira com a mesma taxa de
liberação de calor.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção I - 9
O combustor usado em uma turbina a gás pode ser: tubular, tubo-anular, anular ou
externo.
O combustor tubular é usado em turbinas industriais de médio grande porte,
especialmente em projetos europeus, e em algumas turbinas, automotivas ou auxiliares,
de pequeno porte. Apresentam como vantagens: simplicidade de projeto, facilidade de
manutenção e vida longa devida às baixas taxas de liberação de calor. Podem ser de
fluxo direto ou de fluxo reverso.
Em turbinas aeronáuticas, onde a área frontal é importante, os combustores
empregados são do tipo tubo-anular ou anular. Estes combustores produzem uma
distribuição circunferência de temperaturas bastante uniforme na entrada do primeiro
estágio da turbina.
Embora seja de desenvolvimento mais difícil, o combustor anular é o mais
empregado em turbinas aeronáuticas modernas, devido à sua compacidade.
Combustores anulares são particularmente adequados para aplicações a altas
temperaturas ou com gases de baixo poder calorífico, porque exigem menos ar de
resfriamento, devido à menor área superficial da camisa. A quantidade de ar de
resfriamento requerida pelo combustor é particularmente importante em aplicações com
gases de baixo poder calorífico, porque estes gases exigem muito ar primário, sobrando
pouco ar para resfriamento da câmara. Os combustores anulares são usualmente de
fluxo direto, enquanto os tubo-anulares são normalmente de fluxo direto em turbinas
aeronáuticas e de fluxo reverso em turbinas industriais.
3.3- RODA DE TURBINA
A roda de turbina é o meio mais eficaz para transformar a energia contida em um
fluxo de gás a alta pressão e temperatura em trabalho no eixo.
O gás ao escoar através da turbina perde pressão e temperatura, à medida que se
expande e transforma sua energia em trabalho.
As turbinas empregadas em turbinas a gás são na grande maioria do tipo axiais por
apresentarem maior eficiência isoentrópica, variando entre 75 e 90 %.
Ao contrário dos compressores axiais, antecede as palhetas da roda da turbina as
palhetas estatoras que tem a finalidade de direcionar o fluxo de gás num ângulo
favorável de ataque nas palhetas rotoras e proporcionarem o efeito bocal para que o
fluxo aumente a velocidade.BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção I - 10
A turbina pode ser equipada por vários estágios de palhetas estatoras e rotoras a
depender da aplicação ou projeto, lembrando que as palhetas estatoras são fixadas a
carcaça da turbina e as rotoras as rodas, que por conseguinte são fixadas ao eixo. De
qualquer forma a energia extraída pela roda de turbina é transmitida ao eixo que por sua
vez transfere para o compressor de ar, proporcionando assim a compressão de um
volume de ar para a câmara de combustão fechando o ciclo de funcionamento.
Para aplicação industrial os gases gerados pela turbina a gás é direcionado por meio
de uma peça de transição para uma turbina de potência, que é um conjunto de estágios
de palhetas estatoras e rotoras com a finalidade de extrair potência dos gases gerados
pela turbina a gás ou gerador de gás. Essa energia é transmitida para o equipamento
acionado através de um eixo utilizado um redutor de velocidade ( gerador elétrico ) ou
um multiplicador ( compressores ).
As primeiras turbinas a gás fabricadas para aplicação industriais eram máquinas de
construção pesada, com projeto largamente derivado das práticas utilizadas na
construção de turbinas a vapor. Estas máquinas deram origem às atualmente chamadas
turbinas industriais para serviço pesado (industrial heavy duty gas turbines).
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção I - 11
Essas turbinas têm como principais características: potência elevada; projetos com
pouca restrição quanto a peso e tamanho; carcaças pesadas de partição horizontal;
mancais de deslizamento; combustores de grande diâmetros boa durabilidade e fácil
acesso para inspeção e manutenção; palhetas de seção espessa; compressores e
turbinas axiais com muitos estágios; baixo nível de ruído, devido às baixas velocidades
de admissão de ar normalmente empregadas em seu projeto; baixa relação de
compressão por estágio, propiciando larga faixa de operação estável do compressor.
Suas principais vantagens são: longa vida útil, grande confiabilidade operacional, boa
eficiência térmica e baixo nível de ruído. Suas principais desvantagens são peso e
tamanho.
As turbinas derivadas de aviação tem portanto dois componentes básicos: o gerador
de gás e a turbina de potência. O gerador de gás é uma turbina aeronáutica adaptada
para queimar combustível industrial. A turbina de potência é projetada e fabricada pelo
chamado fornecedor do pacote.
Esse é responsável pelo fornecimento, montagem e testes do conjunto completo, que
inclui, além do gerador de gás e da turbina de potência, todos os acessórios e sistemas
auxiliares, tais como: base e suportes, sistemas de óleo, sistema de combustível,
instrumentação, sistemas de proteção e controle, painéis, filtros de ar, dutos de
admissão e descarga, silenciadores, proteção acústica. O fornecedor normalmente
entrega ao comprador o pacote totalmente montado e testado em sua fábrica.
São características importantes das turbinas derivadas de aviação: facilidade de
instalação e comissionamento, boa adaptabilidade a controle remoto, planejadas para a
manutenção em oficina.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção I - 12
Apendice A Seção 1 – CICLOS TERMODINÂMICOS DA TURBINA A GÁS
a) CICLOS IDEAIS
A análise dos ciclos ideais e de turbinas a gás podem ser encontrados em diversos
textos clássicos de termodinâmica e somente um breve resumo será apresentado. No
caso de ciclo ideal, serão adotados as seguintes hipóteses simplificadoras :
· Compressão e expansão isoentrópicas;
· Desprezadas as perdas de carga nos dutos de sucção , descarga e câmara de
combustão;
· não há perdas de calor pelas paredes da turbina;
· Gás perfeito;
· Vazão mássica constante ao longo do ciclo;
· Fluxo unidimensional.
O Ciclo Brayton
A turbina a gás é um dispositivo que converte calor em trabalho. O ciclo ideal é o
Brayton cujo processo consiste em três principais etapas: compressão do ar, adição de
calor ao fluxo de ar (combustão) e a expansão, conforme é mostrado nas figuras a
seguir:
· Ao usarmos um volume de controle em torno da turbina, podemos afirmar baseado
na 1a Lei da termodinâmica, que toda a energia que entra na turbina é igual a
energia que sai da mesma:
· 
· Q1 = vazão mássica de ar x calor específico do ar x T1
· Qc = vazão mássica do combustível x Poder calorífico do combustível (lhv).
· Qe = vazão mássica dos gases de exaustão x calor específico dos gases da
exaustão x T4
W = Potência líquida (útil) na ponta do eixo da turbina
compressor
Turbinas
Câmara
gases de exaustãoCombustível
Ar Potência Líquida
1
2 3 volume de controle
4
Turbina que opera segundo o ciclo Brayton
em um volume de controle
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção I - 13
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 e é assumido que o calor específico do ar permanece constante.
Colocando-se um volume de controle em torno da turbina, conforme é mostrado no
esquema acima, pode-se escrever que sua a eficiência é:
· hht = 
Qc
W
Mas olhando-se, para a variação de energia que ocorre em cada etapa do ciclo da
turbina a gás que são : compressão , combustão e a expansão que ocorre nas turbinas,
podemos escrever:
hht = 
Qc
W
= 
)23(
)12()43(
ttcp
ttcpttcp
-
---
 = 1-
23
14
tt
tt
-
-
 e,
introduzindo-se a relação isoentrópica entre pressão e a temperatura de um gás ideal
que é 
1
1
2
1
2 -
÷
ø
ö
ç
è
æ
=
k
k
t
t
p
p
, onde K é o coeficiente isoentrópico, temos que a máxima
eficiência que pode ser obtida em um ciclo ideal de Bryton é:
hht máximo = 1-
1
1
2 -
÷÷
ø
ö
çç
è
æ k
k
p
p
 = 1-
2
1
t
t
A eficiência do ciclo de uma turbina a gás e fortemente influenciado pela razão de
compressão (p2/p1), no compressor de ar . Se aumentarmos a pressão através do
compressor o rendimento global da turbina a gás irá aumentar em função do aumento
da temperatura T3, que por sua vez é limitante por considerações metalúrgicas das
partes quentes da máquina. Na realidade, esta eficiência dificilmente irá exceder 55%,
em função do rejeito térmico na exaustão da máquina, porque a temperatura de
descarga é significativamente maior que a temperatura ambiente. Assim, uma parte
considerável da energia do combustível colocada na câmara de combustão não poderá
ser aproveitada dentro do ciclo Brayton.
 compressão
expansão
combustão
(pressão cte)
P2
P1
Ciclo aberto teórico da turbina a gás S
T
4
3
2
1
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção I - 14
Outra consideração que podemos fazer pelo diagrama T x S, do ciclo de Bryton, é que
a adição de calorna 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.
a) CICLOS REAIS
Denominamos ciclo real, aquele em que a compressão e a expansão são
considerados como transformações irreversíveis. Nas transformações reais ocorre
aumento de entropia, mesmo sem que haja intercâmbio de calor entre o sistema e o
exterior. O desempenho dos ciclos reais diferem consideravelmente do desempenho
dos ciclos ideais pelas seguintes razões:
· Os processos de compressão e expansão são irreversíveis, envolvendo, portanto,
aumento de entropia;
· Há perdas de pressão devido ao atrito de fluido nas câmaras de combustão e dutos
de admissão e exaustão;
· Há necessidade de incremento no trabalho de compressão a fim de compensar o
atrito nos mancais e acionamento de equipamentos auxiliares ( offtakes);
· Os valores de cp e g do ar variam ao longo do ciclo devido às variações de
temperatura e, no caso de combustão, devido a alterações na composição química;
· À primeira vista pode parecer que a vazão mássica através da turbina é maior do
que a do compressor devido a injeção de combustível. Na prática, de um a dois por
cento do ar comprimido é retirado com o propósito de refrigerar os discos e as
palhetas das partes quentes. Além disso, a relação combustível/ar é da ordem de
0,01 a 0,02. Desta forma, para cálculos preliminares, é possível assumir que a
vazão mássica através do compressor de ar é igual as das turbinas. Cumpre
observar que turbinas aeronáuticas de última geração , operam com temperaturas
na turbina de alta pressão (HP) elevadas, o que demanda maior quantidade de ar
para refrigeração. Neste caso, a aproximação de vazão constante ao longo da
turbina seja constante, não é correta em caso de avaliação precisa.
A qualidade da compressão e da expansão depende, em grande parte do projeto
aerodinâmico do compressor, das turbinas e da fabricação. Como, em termos práticos, é
impossível obter-se compressão e expansão isoentrópicas ( fricção e atritos
intermoleculares estão presentes), são utilizados parâmetros denominados rendimentos
isoentrópicos para definir a potência útil e o rendimento térmico do ciclo.
0
20
40
60
80
100
0 2 4 6 8 10 12 14
Relacão de pressão P2 / P1
R
en
di
m
en
to
 %
 
Rendimento do Ciclo de Brayton em função de P2 / P1
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção I - 15
· Eficiência Isoentrópica de compressão. (hIC)
Vimos, no caso dos ciclos ideais que compressão e expansão ocorrem sem perdas. A
realidade, porém, é diferente e durante os processos termodinâmicos que ocorrem na
turbina a gás ocorre incremento de entropia .
Para o diagrama temperatura x entropia, que considera as ineficiências sobre um ciclo , se
analisarmos isoladamente o compressor, temos:
)1'2.(. ttCpmCW ideal -= ;
);12.(. ttCpmCW real -= então:
12
1'2
)12.(.
)1'2.(.
tt
tt
ttCpm
ttCpm
CW
CW
real
ideal
IC
-
-
=
-
-
==h
;
· Eficiência Isoentrópica da Expansão (hIE) ;
De modo análogo ao compressor, existem perdas relacionadas ao processo de expansão
realizado pela turbina. Estas perdas resultam num decremento do trabalho disponível para
uma dada vazão de compressão. Assim, analisando este processo para a expansão da
turbina, temos:
);'43.(.)'43( ttCpmhhmEW ideal -=-=
);43.(.)43( ttCpmhhmCW real -=-= então:
'43
43
)'43.(.
)43.(.
tt
tt
ttCpm
ttCpm
EW
EW
ideal
real
IE
-
-
=
-
-
==h ;
Efeito das ineficiências sobre o ciclo da turbina a gás
3
Pressão
S
1
2’ 2
T
4
4’
ciclo teórico
ciclo real
compressão
Expansão
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção I - 16
· Eficiência de Combustão
O processo de combustão não é perfeito. Há formação de fuligem , Co, etc., além de
hidrocarbonetos não queimados. Portanto, o aumento de temperatura será inferior àquele
obtido se todo combustível fosse queimado. Eficiências típicas de combustão situam-se por
volta de 98%.
· Outras perdas
Outras perdas de potência inerentes a uma turbina a gás são as perdas mecânicas que
ocorrem nos mancais e selos , bem como a potência que é retirada diretamente no seu eixo
para o acionamento de bomba mecânica de óleo lubrificante.
Os fabricantes de turbinas a gás métodos matemáticos computacionais para o projeto de
turbinas a gás e definir as curvas de performance esperada. Apesar disto, o ciclo real de
uma turbina a gás requer o prévio conhecimento das eficiências da compressão e expansão
isoentrópicas, das perdas de pressão na câmara de combustão e nos dutos de sucção e
descarga , bem como a eficiência de combustão. Estes dados são obtidos por testes
experimentais ou análise computacional de dinâmica dos fluidos. Os valores a seguir são
típicos de eficiências empregadas em turbinas a gás modernas:
Dutos de sucção e filtro de ar hsucção » 99%
Compressor axial hIC » 90%
Câmara de combustão hCC » 98%
Turbinas hIE » 90%
Sistema de exaustão hexaustão » 99%
Eficiência mecânica hmecãnica » 99%
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção I - 17
Apendice B Seção 1 - TERMODINÂMICA BÁSICA
1.1 - Termodinâmica básica
Para uma perfeita compreensão do princípio de funcionamento, definiremos, a
seguir, alguns conceitos de termodinâmica básica:
Grandezas
VELOCIDADE - É uma grandeza que corresponde a relação entre o espaço
percorrido e tempo gasto para percorre-lo. É dividida em velocidade escalar e vetorial. A
escalar expressa o valor, enquanto a vetorial expressa o valor e o sentido.
r
v
e
t
=
D
D
ACELERAÇÃO - É a grandeza vetorial que corresponde a variação da velocidade no
tempo.
r
a
v
t
=
D
D
TEMPERATURA - É a sensação de quente ou frio. Representa o grau de agitação
das moléculas.
MASSA - É a quantidade de matéria.
IMPULSO - É o produto da massa pela velocidade. É a propriedade de um corpo em
movimento que determina o período de tempo requerido para traze-lo à condição de
repouso sob ação de uma força constante.
FORÇA - É um agente capaz de produzir ou cessar um movimento.
PRESSÃO - É a relação entre uma força e a área na qual ela está atuando. Também
pode ser definida como sendo o número de choques das moléculas nas paredes de um
recipiente por unidade de tempo.
Leis de Newton
1°.LEI - Um corpo em repouso tende a permanecer em repouso, um corpo em
movimento tende a permanecer em movimento.
A resultante de forças em um corpo é igual a 0 (zero) quando o corpo estiver em
repouso ou em movimento retilíneo uniforme.
2°.LEI - A força agindo sobre um corpo produz uma aceleração cuja direção é a
mesma da força aplicada e sua amplitude é proporcional a força e inversamente
proporcional a massa do corpo.
r
r
a
F
m
=
3° .LEI- A toda ação corresponde uma reação, igual, mas oposta.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSESeção I - 18
Energia
É a capacidade de realizar trabalho. Se divide em energia cinética e energia
potencial.
ENERGIA CINÉTICA (Ev) - É a energia que um corpo possui quando em movimento.
ENERGIA POTENCIAL DE ALTURA (Eh) - É a energia que um corpo possui em
função da altura em que ele se encontra.
ENERGIA POTENCIAL DE PRESSÃO (Ep) - É a energia que um fluido possui
quando submetido a uma pressão.
ENERGIA INTERNA (u) - É a energia potencial do fluido associada a sua
temperatura.
TRABALHO (W) - É a energia associada ao deslocamento de uma partícula. Todo
deslocamento de um corpo necessita de trabalho para se realizar.
CALOR (Q) - Energia térmica em trânsito no sentido da maior para menor
temperatura.
ENTALPIA (h) - É o nível energético em que um fluido se encontra. Podemos dizer
que é a soma da energia de pressão com a energia interna.
ENTROPIA (S ) - É uma variável matemática que expressa a energia relacionada ao
grau de afastamento em que um processo se realiza em comparação a idealidade.
Propriedades do Fluído
MASSA ESPECÍFICA (r) - É a relação entre a massa e volume do fluido.
r =
m
v
VISCOSIDADE (m) - É a propriedade que representa a maior ou menor facilidade do
fluido em escoar.
PESO MOLECULAR (PM) - É a massa de um mol de uma substância (1 mol
eqüivale a 6,023 x 1023 moléculas). Um mol de qualquer gás ocupa 22,4 litros na
Condições Normais de Temperatura e Pressão (C.N.T.P.) ( 0 oC e 1 atm).
FATOR DE COMPRESSIBILIDADE (Z) - É o fator empregado para corrigir o volume
do gás real com relação ao volume do gás ideal, nas mesmas condições de pressão e
temperatura.
Z V r
V i
=
CALOR ESPECÍFICO (c) - É o coeficiente que indica o grau de dificuldade de troca
térmica. É o calor necessário para que uma grama de um fluido varie de 14,5 oC para
15,5 oC. Para a água, o calor específico é 1 cal/g oC.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção I - 19
Para o gás, tem-se dois calores específicos:
- Calor específico a volume constante ( cv ) - É o calor necessário para que uma
grama de um gás varie 1°C, mantendo seu volume constante.
- Calor específico a pressão constante ( cp ) - É o calor necessário para que uma
grama de um gás varie 1°C, mantendo sua pressão constante.
Ao se aquecer um gás a volume constante a temperatura sobe mais rápido do que a
pressão constante, pois neste caso, além da temperatura subir, uma parte do calor
cedido é transformado em trabalho no deslocamento das moléculas para se manter a
pressão. Com isso a variação de temperatura é menor. Sendo assim o calor necessário
para aquecer um gás a pressão constante é maior do que a volume constante.
C Cp v>
COEFICIENTE ISOENTRÓPICO (K) - É a relação entre o cp e o cv. Expressa a maior
ou menor facilidade que um gás tem em ser comprimido. Quanto maior o K mais
trabalho é demandado para a compressão.
k
c
c
p
v
=
Equação universal dos gases
A pressão do gás em um recipiente é diretamente proporcional a temperatura, ou
seja, quanto maior a temperatura maior a pressão e vice-versa.
Ex: Ao se deixar um botijão de gás exposto ao sol, sua temperatura irá aumentar,
proporcionando o aumento da pressão.
A pressão do gás é inversamente proporcional ao volume, ou seja, quanto maior o
volume menor a pressão e vice-versa.
Ex: A bomba manual utilizada para encher pneu de bicicleta. Ao ser reduzido o
volume para deslocar o ar, a pressão sobe.
A pressão do gás é diretamente proporcional ao número de moléculas (n) em um
dado recipiente.
Analisando-se conjuntamente as três condições temos:
Pressão (P) é diretamente proporcional ao produto de n e da temperatura (T) e
inversamente proporcional ao volume específico (V).
NOTA
As propriedades do fluido se alteram ao serem alteradas as condições
de pressão e temperatura, sendo que o peso molecular é o único que não
se altera.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção I - 20
Para obtermos uma equação temos que utilizar uma constante para correção das
unidades, é a constante universal dos gases (R), que possui vários valores, a depender
das unidades utilizadas.
P
n R T
V
P V n R T= Û =
. .
. . .
.
Equação da continuidade
A vazão de um fluido em escoamento é o produto da seção transversal (S) com a
velocidade do fluido (v).
Q S v= r. .
Com base nesta equação podemos concluir que para uma vazão constante, se
ocorrer uma redução da seção transversal a velocidade é aumentada e vice-versa.
Leis da termodinâmica
LEI ZERO DA TERMODINÂMICA
Retrata a existência da temperatura e estabelece o zero absoluto, onde as moléculas
se encontram inertes. São as escalas kelvin (K) e Rankine (R).
1° LEI DA TERMODINÂMICA
Retrata a conservação da energia, onde fica esclarecido que a energia total do fluido
não se altera sem interação com o meio. E o meio somente interage com o sistema
(fluido) através do calor ou trabalho. Podemos dizer, que ao se aquecer um fluido e o
mesmo realizar trabalho (está recebendo calor e cedendo trabalho) a diferença entre o
calor recebido e o trabalho cedido é a variação da energia total do fluido. É o que fica
efetivamente com o fluido.
Q W Et Et+ = -2 1
Sendo
Et Ep Ev u Eh= + + +
Como exemplo temos, que, ao se aquecer isobaricamente o gás num cilindro, a
temperatura irá aumentar e o gás irá se expandir realizando trabalho ao deslocar o
êmbolo. A diferença entre o calor recebido e o trabalho realizado pelo gás é a variação
da energia total do gás.
NOTA
As unidades de pressão e temperatura utilizadas devem estar em valores
absolutos.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção I - 21
2° LEI DA TERMODINÂMICA
Retrata a existência da máquina térmica, onde fica estabelecido que se pode extrair
trabalho de uma máquina que possua uma fonte quente ( alta temperatura ) e uma
fonte fria ( baixa temperatura ). Quanto maior a diferença de temperatura entre as duas
fontes, maior será o trabalho extraído.
Efeito difusor e efeito bocal
Para fluxo subsônico, ao se analisar o escoamento de um fluido numa tubulação,
verifica-se que onde a seção transversal é aumentada, a velocidade é reduzida e vice-
versa. Nestas situações, ao se analisar as energias do fluido, verifica-se que, se a
energia de velocidade é aumentada, outro tipo de energia tem que ser reduzida, pois a
soma das parcelas de energia de velocidade, pressão, altura e temperatura não se
altera, com base na primeira lei da termodinâmica. Isso significa que o fato da redução
ou ampliação da seção transversal da tubulação, na qual o fluido escoa, não provoca
nenhuma de calor ou trabalho, mantendo-se constante a energia total. Como exemplo
analisaremos o escoamento de um líquido numa tubulação num mesmo plano
horizontal, onde se tem uma redução da seção transversal. Neste caso:
Q S v= r. .
para líquidos r varia pouco e como S foi reduzido, a velocidade é aumentada, pois a
vazão é constante.
Analisando a equação de conservação de energia:
Et Ep Ev u Eh= + + +
onde Et permanece inalterada e considerando que:
· u é constante, pois não há alteração da temperatura,
· Eh é constante, pois não há alteração da altura,
· Ev aumenta pois a velocidade aumentou,
· Concluímos que:
· Ep diminui ou seja, a pressão caiBÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção II - 1
Seção II
SISTEMAS AUXILIARES
· SISTEMA DE AR DE COMBUSTÃO
· CAIXA ACÚSTICA (HOOD)
· SISTEMA DE AR DE VENTILAÇÃO
· SISTEMA DE ÓLEO LUBRIFICANTE
· SISTEMA DE ÓLEO DE COMANDO
· SISTEMA DE PARTIDA
· SISTEMA DE COMBUSTÍVEL
· SISTEMA DE CONTROLE DE FLUXO DO AR .
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção II - 2
IINNTTRROODDUUÇÇÃÃOO
As informações, contidas neste trabalho, são oriundas dos manuais de operação e
manutenção fornecidos pelos diversos fabricantes e empacotadores de turbomáquinas.
O objetivo destas anotações é familiarizar o treinando com as características gerais dos
principais sistemas auxiliares que permitem o funcionamento de uma turbina a gás utilizada
na área industrial, como também apresentar a filosofia de sequenciamento, intertravamento
e controle da turbina a gás.
Observação: Os diversos valores de pressão, temperatura, etc. informados, ao longo da
apostila, são valores típicos encontrados em diversos pacotes com turbina a gás.
SISTEMAS AUXILIARES
SISTEMA DE AR DE
COMBUSTÃO
SISTEMA DE ÓLEO
LUBRIFICANTE
SISTEMA DE
PARTIDA
SISTEMA DE
CONTROLE DE
VAZÃO DE AR
SISTEMA DE
VENTILAÇÃO DO
HOOD
SISTEMA DE ÓLEO
HIDRÁULICO
SISTEMA DE GÁS
COMBUSTÍVEL
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção II - 3
SSIISSTTEEMMAA DDEE AARR DDEE CCOOMMBBUUSSTTÃÃOO
FFUUNNÇÇÃÃOO::
Fornecer ar atmosférico filtrado, com grau de impureza ,umidade e características
controlados. Conduzindo o ar ao compressor da turbina e, também conduzir os gases da
descarga para a atmosfera ou para o sistema de recuperação, conforme a configuração do
sistema, com menor ruído e mínimas perdas de cargas possíveis.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção II - 4
CCOONNSSTTIITTUUIIÇÇÃÃOO DDOO SSIISSTTEEMMAA::
·· CCAAIIXXAA DDEE FFIILLTTRRAAGGEEMM::
A principal função é eliminar as partículas superiores a 1 micra e desumidificar o ar
externo e, consequentemente o sal que está em solução iônica na água. Este ar deve
ser suficientemente puro para evitar incrustação, erosão, deterioração e corrosão dos
componentes internos da turbina, principalmente as palhetas estatoras e rotoras do
compressor de ar e das turbinas, como também evitar o entupimento dos canais de
refrigeração das aletas e palhetas da turbina. Normalmente feita de aço carbono ou aço
iinnooxx..
A caixa, em geral, é constituída de:
- Filtros
§ TELAS : Usada para a retenção de insetos.
§ VENEZIANAS : Proteção contra chuva e impacto de objetos de grande
dimensões.
§ ESTÁGIO(S) DO TIPO INERCIAL : Elimina as partículas pesadas e gotas de
água. A eficiência é diretamente proporcional a velocidade do fluxo do ar.
§ ESTÁGIO(S) DO TIPO COALESCENTE : Coalesce a umidade e retém as
partículas maiores que 8 a 10 micras, com eficiência de 90%. Formado por fibras
sintéticas.
§ SISTEMA DE RECOLHIMENTO DE ÁGUA : Recolhe a água retira nos primeiros
estágios, com sifões para evitar a entrada de ar pelo mesmo.
§ ESTÁGIO DO TIPO ALTA EFICIÊNCIA : Retendo as partículas iguais ou maiores
que 1 micra, com eficiência de 90%. Normalmente são usados filtros tipo bolsa.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção II - 5
- JANELAS BY-PASS : Abre evitando a excessiva pressão negativa, devido a alta perda
de carga quando os filtros estão muitos sujos, evitando danos no Gerador de Gás (GG)
caso este succione os dutos e/ou filtros.
· DUTO DE ADMISSÃO:
Este duto conduz o ar, reduzindo a seção que é grande no filtro, para a entrada do
compressor do Gerador de Gás. Sendo revestido acusticamente (para evitar a
propagação dos ruídos de alta freqüência devido a aspiração). Deve ser inspecionado
regularmente, principalmente na parte interna, para poder verificar a sua integridade e o
perfeito estado de limpeza.
DUTO DE ESCAPE:
Este duto elimina os gases “queimados” da turbina para a chaminé e/ou algum sistema
de recuperação de calor. Suportando a alta temperatura dos gases de escape (400 a
500 ºC),. O duto é normalmente constituído em aço carbono refratário ou de aço inox,
revestido de lã de rocha, para proteção acústica e térmica, com externa de chapa de aço
inoxidável.
FFoottooss ddee eelleemmeennttooss ddee ffiillttrroo ::
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção II - 6
·· 
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção II - 7
·· 
·· JJUUNNTTAA DDEE CCOOMMPPEENNSSAAÇÇÃÃOO ((EEXXPPAANNSSÃÃOO))::
São usadas várias juntas. Com a finalidade de absorver os deslocamentos radiais e
axiais entre caixa de filtragem, silenciador, duto(s) de entrada, turbina, duto(s) de saída,
silenciador e recuperador, eliminando a transmissão de vibração de uma parte para a outra.
·· SSIILLEENNCCIIAADDOORREESS::
Reduzir o nível de ruído devido a passagem, em alta velocidade, do ar na sucção e
dos gases na descarga.
·· IINNSSTTRRUUMMEENNTTAAÇÇÃÃOO::
Os instrumentos típicos são:
INDICADORES (PDI) E/OU TRANSMISSORES DE PRESSÃO DIFERENCIAL (PDT): Indica
a perda de carga do sistema de filtragem, ou seja, o nível de sujeira dos elementos filtrantes,
definido a necessidade de lavagem e/ou troca dos elementos.
A medição da perda de carga no duto de sucção versus a rotação do Gerador de Gás
corrigida pela temperatura do ar na sucção permite definir o nível de sujeira do compressor
de ar.
PRESSOSTATO DE PRESSÃO DIFERENCIAL (PDSH): Permite o alarme e/ou shutdown
devido a alta perda de carga nos elementos filtrantes.
MICRO-SWITCHES (ZSH) : Instalados nas janelas de by-pass, indicando a sua abertura.
SENSORES DE GÁS : Utilizados a quando a sucção da turbina estar instalada em área
classificada. Calibrados em 10% do LIE (Limite Inferior de Explosividade) para alarme e 20%
para o shutdown da turbomáquina. Preferência para os sensores infra-red.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção II - 8
CAIXA ACÚSTICA (HOOD):
FFUUNNÇÇÃÃOO::
É um invólucro para isolar a turbina, tendo como principal função a proteção acústica
diminuindo o ruído até níveis aceitáveis, máximo de 85 D.B. a 1 metro do hood. Como
funções secundárias temos a proteção térmica e o aumento da eficiência no combate a
incêndio.
CCOONNSSTTIITTUUIIÇÇÃÃOO DDOO HHOOOODD::
·· PPAARREEDDEESS::
CHAPA EXTERNA : De aço carbono pintada ou de açoinox.
CAMADA DE MATERIAL ANTI-VIBRATÓRIO E DE INSONORIZAÇÃO : Na parte interna
da chapa.
CAMADAS DE LÃ DE ROCHA: Lã de rocha de diferentes densidades, insonorizantes e
anti-inflamáveis.
PELÍCULA DE PROTEÇÃO : Contra respingos de óleo e hidrocarbonetos diversos,
resistindo às temperaturas máximas do invólucro.
CHAPA PERFURADA : De aço inoxidável.
·· PPOORRTTAASS::
Duas a quatro grandes para manutenção e diversas portas menores de acesso com
abertura anti-pânico e visor.
·· RREESSIISSTTÊÊNNCCIIAA DDEE AAQQUUEECCIIMMEENNTTOO::
Aquece o interior do hood diminuindo a umidade quando a máquina está em stand-by.
ANOTAÇÕES
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção II - 9
SISTEMA DE AR DE VENTILAÇÃO
FFUUNNÇÇÃÃOO
Retira o calor, dissipado pelo processo de combustão na câmara do Gerador de Gás, da
caixa acústica, mantendo a temperatura inferior a 60/70 ºC, evitando danos aos
equipamentos (eletrônicos ou não) instalados no interior do hood. Integrado ao sistema de
ar de ventilação temos o sistema de detecção de fogo e gás.
CCOONNSSTTIITTUUIIÇÇÃÃOO DDOO SSIISSTTEEMMAA::
·· FFIILLTTRROO::
Ou utiliza os mesmos filtros do sistema de ar de combustão ou filtro independente,
neste caso normalmente formado de um estágio do tipo coalescente.
·· DDUUTTOO DDEE EENNTTRRAADDAA EE SSAAÍÍDDAA::
Conduz o ar filtrado ao interior do casulo e exaure o ar aquecido para uma área segura.
·· DDAAMMPPEERRSS::
Instalados nos dutos de entrada e saída do ar de ventilação da caixa acústica. São
fechados em caso de disparo de CO2, quando da detecção de fogo.
·· VVEENNTTIILLAADDOORREESS::
Instalados no duto de entrada (pressão positiva) ou no duto de saída do hood (pressão
negativa), forçando a circulação do ar com a conseqüente retirada do calor dissipado
pela turbina a gás.
·· JJAANNEELLAASS AANNTTII--RREETTOORRNNOO::
Instalado a saída ou entrada do ventilador evitando a recirculação do ar caso o
ventilador esteja parado com os outros em funcionamento.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção II - 10
·· GGAARRRRAAFFAASS DDEE CCOO22 OOUU PPÓÓ QQUUÍÍMMIICCOO
Permitir a extinção do fogo. No caso de hood utiliza-se o CO2, caso contrário utiliza-se o
pó químico.
·· IINNSSTTRRUUMMEENNTTAAÇÇÃÃOO::
Os instrumentos típicos são:
INDICADOR (PDI) E/OU TRANSMISSOR DE PRESSÃO DIFERENCIAL (PDT): Informa
a pressurização ou despressurização do casulo em relação a atmosfera.
INDICADOR (TI) E/OU TRANSMISSOR DE TEMPERATURA (TT): Informa a
temperatura interna do hood. .
TERMOSTATO DE TEMPERATURA (TSH/TSHH): Alarme e/ou trip devido a
temperatura alta interna do hood.
MICRO-SWITCHES NOS DAMPERS (ZSL): Indica se os dampers estão abertos,
permitindo o perfeito funcionamento do sistema de ventilação.
SENSORES DE GÁS: Instalados, aos pares, nos dutos de entrada e saída. Calibrados
em 20% do LIE (Limite Inferior de Explosividade) para alarme e 60% para o shutdown.
SENSORES DE FOGO: Normalmente supervisiona pontos críticos, como o governor e
manifold de combustível. Normalmente instalados aos pares, o alarme ocorrerá caso
um só detecte ou o trip caso os dois detectem.
SENSORES DE CALOR (TSH): Utilizados para complementar a detecção de fogo.
Principalmente em lugares que os sensores de fogo não possam ser usados (sem hood
em área abertas) ou de pontos de difícil observação
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção II - 11
SISTEMA DE ÓLEO LUBRIFICANTE
FFUUNNÇÇÃÃOO::
Fornecer óleo na pressão (1,5 a 4 kgf/cm2) e temperatura (40 a 70 °C) adequada, permitindo
a lubrificação os mancais, engrenagens da caixa de acessórios, caixa multiplicadora ou
redutora e equipamento acionado; e o resfriamento dos mancais da parte quente,
principalmente nas máquinas heavy-duty durante a fase de pós-lubricação após a parada da
máquina.
O controle da pressão e temperatura do óleo, dentro do range operacional admissível pela
turbomáquina, é importante para a integridade dos mancais e consequentemente os rotores
(devido as folgas extremamente apertadas), evitando intervenções precoce. Tanto a alta
como a baixa temperatura altera a viscosidade e consequentemente prejudica a lubrificação
e retirada do calor dos mancais, isto também ocorre caso haja alteração da pressão,
principalmente no mancal tipo “tilt-pad”, cuja a alteração da cunha de óleo acarreta o
aumento da vibração.
OOBBSSEERRVVAAÇÇÃÃOO::
O óleo usado no sistema de óleo lubrificante das turbinas industriais é o mineral (tipo Lubrax
TR-46), nas turbinas aero-derivadas, além do sistema de óleo lubrificante mineral temos um
sistema de óleo lubrificante exclusivo para o GG que utiliza o óleo sintético. A constituição
de ambos os sistemas são semelhantes.
CCOONNSSTTIITTUUIIÇÇÃÃOO DDOO SSIISSTTEEMMAA::
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção II - 12
·· RREESSEERRVVAATTÓÓRRIIOO DDEE ÓÓLLEEOO::
No sistema com óleo mineral o tanque tem grande capacidade, sendo este de 4.000 a
20.000 litros, principalmente se o mesmo tanque atende também ao sistema de óleo de
selagem dos compressores de gás. O volume do tanque de óleo sintético é de 300 a
500 litros. Os reservatórios são feitos de aço carbono ou inox e possuem suspiro para
ventar os vapores sendo, as vezes, equipados com recuperadores de névoa.
·· BBOOMMBBAASS::
Fornece o óleo ao sistema com pressão adequada. No sistema de lubrificação com óleo
sintético normalmente encontramos duas bombas e no sistema com óleo mineral são
três, a saber:
BOMBA PRINCIPAL: Bomba existente em ambos os sistemas e normalmente é
acionada mecanicamente, através da caixa de acessórios, pelo Gerador de Gás (GG)
ou pela Turbina de Potência (PT). Funciona durante toda a fase da operação da turbina.
BOMBA AUXILIAR (PRÉ-PÓS LUBRIFICAÇÃO): Bomba existente no sistema com óleo
mineral e é acionada por motor de corrente alternada, funciona durante a fase de pré-
lubrificação (antes e durante a partida) e na fase de parada e pós-lubrificação.
BOMBA DE EMERGÊNCIA (BAKCUP OU RESERVA):: Bomba existente no sistema
com óleo mineral e é acionada por motor de corrente continua, fornecida por banco de
baterias, funciona durante a fase de parada e pós-lubrificação caso a bomba auxiliar
não pressurize o sistema adequadamente.
BOMBAS SCAVENGE: Bomba existente em turbina aeroderivada acionada, através da
caixa de acessórios, pelo Gerador de Gás (GG). Tem como função retirar o óleo da
caixa do mancal.
·· TTRROOCCAADDOORR DDEE CCAALLOORR::
Normalmente são duplos com válvulas de três vias permitindo a troca/alinhamento do
trocador com a turbina em operação. Os vários tipos de trocadores existente podem ser
aplicados no sistema de óleo lubrificante. No trocador tipo água/óleo é importante que a
pressão do óleo seja superior a pressão da água, isto evita a contaminação do óleo pela
água.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção II - 13
··FFIILLTTRROO::
São duplos com válvulas de três vias para permitir a troca em operação, os elementos
são, normalmente, do tipo cartucho com capacidade de filtragem de 10 a 70 micra
absolutos.
·· IINNSSTTRRUUMMEENNTTAAÇÇÃÃOO::
Os instrumentos típicos são:
VÁLVULAS DE ALIVIO (PSV): Normalmente instalada na saída das bombas de óleo,
protegendo o sistema contra altas pressões.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção II - 14
INDICADORES DE PRESSÃO (PI): Informa a pressão de saída das bombas, permite a
regulagem das bombas.
VÁLVULA DE CONTROLE DE PRESSÃO (PCV): Controla a pressão no header de
óleo, requerida pelo sistema, através do retorno do óleo para o tanque.
VÁLVULA DE TEMPERATURA (TCV): Válvula de três via, permite controlar a
temperatura do óleo, requerida pelo sistema, dosando o fluxo do óleo que passa de
trocador de calor com o que passa por fora do trocador.
INDICADOR (PDI) E/OU PRESSOSTATO DE PRESSÃO DIFERENCIAL (PDSH):
Informa a pressão diferencial alta no filtro de óleo, indicado a necessidade da troca dos
elementos filtrantes.
INDICADOR (TI) E/OU TRANSMISSOR DE TEMPERATURA (TE): Informa a
temperatura no header de óleo lubrificante.
TERMOSTATO (TSH/TSHH/TSL): Alarme e/ou trip devido a alta temperatura do óleo
lubrificante. Podemos encontrar também alarme devido a baixa temperatura.
INDICADOR (PI) E/OU TRANSMISSOR DE PRESSÃO (PT): Informa a pressão no
header de óleo lubrificante.
PRESSOSTATO (PSL/PSLL): Alarme e/ou trip devido a baixa pressão no header do
óleo lubrificante.
TRANSMISSOR DE TEMPERATURA (TE): Do tipo RTD (PT-100) ou termopar.
Instalados, diretamente, no mancal e/ou nos drenos de retorno de óleo do mancal,
permitindo a supervisão individual de cada mancal.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção II - 15
SSIISSTTEEMMAA DDEE ÓÓLLEEOO DDEE CCOOMMAANNDDOO
FFUUNNÇÇÃÃOO::
Fornecer óleo na pressão (10 a 70 kgf/cm2) requerida pelos comandos hidráulicos. Este
sistema também é conhecido por sistema de óleo hidráulico ou de alta pressão. Utiliza o
mesmo óleo usado no sistema de óleo lubrificante.
CCOONNSSTTIITTUUIIÇÇÃÃOO DDOO SSIISSTTEEMMAA::
· BBOOMMBBAA:
 Eleva a pressão do óleo, captando-o no header de óleo lubrificante ou diretamente do
tanque.
· FFIILLTTRROO::
São duplos com válvulas de três vias, os elementos com capacidade de filtragem de 3 a
30 micra absolutos.
·· IINNSSTTRRUUMMEENNTTAAÇÇÃÃOO::
Os instrumentos típicos são:
VÁLVULA DE CONTROLE DE PRESSÃO (PCV): Controla a pressão de óleo, requerida
pelo sistema.
INDICADOR (PDI) E/OU PRESSOSTATO DE PRESSÃO DIFERENCIAL (PDSH):
Informa a pressão diferencial alta no filtro de óleo.
INDICADOR (PI) E/OU TRANSMISSOR DE PRESSÃO (PT): Informa a pressão no
header de óleo de comando.
PRESSOSTATO (PSL/PSLL): Alarme e/ou trip devido a baixa pressão do óleo de
comando.
SSIISSTTEEMMAA DDEE PPAARRTTIIDDAA
FFUUNNÇÇÃÃOO::
O sistema de partida tem duas funções. A primeira é retirar o Gerador de Gás (GG) da
inércia e leva-lo a uma determinada rotação conhecida como velocidade de purga ou de
ventilação ou de crank, e o mantém nessa rotação durante a fase conhecida como fase de
purga ou de purga (30 a 180 segundos) permitindo a “limpeza” interna da turbina com o ar
limpo. A segunda função acontecerá durante a fase de partida, logo após a fase de purga, é
auxiliar na aceleração do Gerador de Gás durante a ignição e início da formação dos gases
de exaustão, até a velocidade de Idle, conhecida também como velocidade de macha lenta
ou rotação de sustentação, após atingir esta velocidade o sistema de partida é desligado.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção II - 16
OOBBSSEERRVVAAÇÇÃÃOO::
A função do sistema de partida é o mesmo em qualquer turbina a gás, porém a sua
implementação física pode ser diferente para o mesmo modelo de turbina, adequando-se a
necessidade do usuário.
CCOONNSSTTIITTUUIIÇÇÃÃOO BBÁÁSSIICCAA DDOO SSIISSTTEEMMAA::
· MMOOTTOORR DDEE PPAARRTTIIDDAA:
Fornece o torque necessário ao Gerador de Gás (GG), sendo os mais utilizados na
Petrobras:
§ MOTOR ELÉTRICO + CONVERSOR DE TORQUE
§ MOTOR ELÉTRICO + BOMBA HIDRÁULICA + MOTOR HIDRÁULICO.
§ MOTOR ELÉTRICO ACIONADO POR VARIADOR DE FREQÜÊNCIA (VFD)
§ MOTOR PNEUMÁTICO
· RROODDAA LLIIVVRREE ((CCAATTRRAACCAA)) // EEMMBBRREEAAGGEEMM:
Transmite a força somente no sentido do sistema de partida para o Gerador de Gás
(GG), desaclopando mecanicamente o sistema quando a rotação do GG é maior do que
a do sistema de partida.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção II - 17
Sistema de partida com motor elétrico.
Foto de um sistema de partida com a aplicação de motor elétrico com variador de
freqüência
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção II - 18
SSIISSTTEEMMAA DDEE CCOOMMBBUUSSTTÍÍVVEELL
FFUUNNÇÇÃÃOO::
Fornecer o combustível gasoso ( gás natural ) ou líquido (diesel) dentro da pressão e
temperatura, vazão e características necessárias para o atendimento aos diversos regimes
operacionais da turbina.
OOBBSSEERRVVAAÇÇÃÃOO::
A implementação do sistema de combustível pode variar em um mesmo modelo de turbina,
devido aos diversos empacotadores e necessidade do cliente.
A qualidade do combustível é fundamental para a vida útil dos componentes da parte
quente, contaminantes diminuem a vida útil dos injetores, câmara de combustão, peça de
transição (transition piece), distribuição HP e LP e rotores HP e LP, acarretando falhas
prematuras. É importante durante a fase de projeto, anterior a aquisição da turbomáquina, o
envio da análise da composição do(s) combustível(eis) aos futuros fornecedores. A
composição definirá os tipos de proteções (coating) a serem aplicados na superfície dos
componentes e estabelece a vida útil dos mesmos e os ciclos de manutenções.
Quando há dois sistemas de combustível (gás natural e diesel por exemplo), a transferência
de combustível é feita automaticamente com a turbina em operação e sem variação de
velocidade. Normalmente o inicio da comutação é automática quando há problema no
fornecimento do combustível “principal”, o inicio do retorno é, normalmente, manual.
Em sistemas bi-combustíveis gás/líquido, normalmente, é necessário um sistema de “purga”.
Durante o funcionamento com combustível gás, o próprio gás é injetado também pelo injetor
líquido permitindo a sua refrigeração e durante o funcionamento com combustível líquido o
ar do compressor GG é injetado (soprado) pelo injetor gás permitido a sua refrigeração e
limpeza.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção II - 19
CCOONNSSTTIITTUUIIÇÇÃÃOO DDOO SSIISSTTEEMMAA::
· VVÁÁLLVVUULLAA MMAANNUUAALL:
Isolaro pacote, principalmente em caso de manutenção ou hibernação da turbina.
· VVÁÁLLVVUULLAA DDEE CCOORRTTEE ((SSDDVV))::
Isolar automaticamente o pacote quando a turbina esta parada.
· FFIILLTTRROO::
Garantir o combustível limpo ao sistema.
·· BBOOMMBBAA::
EElleevvaa aa pprreessssããoo ddoo ccoommbbuussttíívveell llííqquuiiddoo..
· SSEEPPAARRAADDOORR DDEE CCOONNDDEENNSSAADDOO:
No sistema de combustível gás remove o condensado que é altamente prejudicial a
turbina.
· AAQQUUEECCEEDDOORR::
Aquece o gás garantido a temperatura de no mínimo 20 °c acima do dew point, evitando
a formação de condensado.
· VVÁÁLLVVUULLAA DDEE CCOONNTTRROOLLEE DDEE PPRREESSSSÃÃOO ((PPCCVV)):: No sistema de combustível gás
controla a pressão do combustível. Importante para manter a estabilidade da variável
controlada, principalmente em turbogeradores.
· GGOOVVEERRNNOORR::
Conjunto de válvulas e dispositivos que controlam o fluxo de gás para a turbina, e é
basicamente constituído de:
1° VÁLVULA SHUT-OFF: 1° Válvula de corte de combustível.
VÁLVULA DA TOCHA/PILOTO/IGNITOR: Permite o envio do combustível para a injetor
piloto (tocha) durante a fase de partida.
INJETOR PILOTO/TOCHA/IGNITOR: Permite a chama inicial que “acenderá” o injetor
principal. No conjunto tocha encontra-se a vela de ignição.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção II - 20
VÁLVULA DE PURGA: Encontrada no sistema gás, purga rapidamente o gás existente
no sistema quando da parada da turbina.
VÁLVULA BY-PASS: Encontrada no sistema líquido controla a pressão do combustível
líquido a montante da válvula de reguladora de fluxo. Também pode Ter a função de
purgar o sistema em caso de parada.
2° VÁLVULA SHUT-OFF: 2° Válvula de corte de combustível.
VÁLVULA REGULADORA OU DOSADORA: Conjunto atuador/válvula que controla o
gás combustível enviado ao injetores. É comandada pelo “Controle de Velocidade da
Turbina”, do painel de controle da turbina, em função da carga solicitada e limitações
máximas a serem atendidas.
VÁLVULA DE DISTRIBUIÇÃO: Usada no sistema de combustível líquido (diesel)
quando os injetores tem duplos orifícios, permitindo a correta pulverização do líquido.
·· IINNSSTTRRUUMMEENNTTAAÇÇÃÃOO::
Os instrumentos típicos são:
TRANSMISSOR DE FLUXO: Permite a medição do combustível
INDICADOR (PDI) E/OU PRESSOSTATO DE PRESSÃO DIFERENCIAL (PDSH):
Indica a pressão diferencial alta no filtro de combustível.
INDICADOR (PI) E/OU TRANSMISSOR DE PRESSÃO (PT): Informa a pressão do
combustível no header e/ou intervalvular (entre as válvulas shut-offs).
PRESSOSTATO (PSL/PSLL/PSH/PSHH): Alarme e trip devido a baixa e alta pressão
de combustível.
INDICADOR (TI) E/OU TRANSMISSOR DE TEMPERATURA (TE): Informa a
temperatura do gás combustível
TERMOSTATO (TSL/TSLL): Alarme e/ou trip devido a baixa temperatura do gás
combustível.
CAIXA DE IGNIÇÃO: Envia energia elétrica para a vela, existente na tocha, permitindo
a centelha.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção II - 21
SSIISSTTEEMMAA DDEE CCOONNTTRROOLLEE DDEE FFLLUUXXOO DDOO AARR
FFUUNNÇÇÃÃOO::
Ajustar a vazão do compressor de ar do gerador de gás, mantendo sua curva de
desempenho na máxima eficiência de acordo com condição operacional exigida pelo
processo e evitando os fenômenos aerodinâmicos, tais como stall e surge, principalmente
este último e pode causar graves danos a turbina a gás. Outra função do sistema é a
selagem dos mancais e resfriamento das palhetas das turbinas.
CCOONNSSTTIITTUUIIÇÇÃÃOO DDOO SSIISSTTEEMMAA::
· INLET GUIDE VANE (IGV):
São palhetas estatoras que permite rotacionar, em relação ao seu eixo de fixação. Isto
permite variar o ângulo de incidência do ar, diminuindo ou aumentando a eficiência do
estágio compressor e consequentemente controlando o volume de fluxo de ar.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção II - 22
VÁLVULA DE SANGRIA (BLEED VALVE):
São válvulas que aliviam parte do ar de estágios intermediários ou na saída do
compressor de ar do GG, evitando o fenômeno de surge.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção II - 23
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção III - 1
Seção III
SISTEMAS CONTROLE DA TURBINA A GÁS:
· SISTEMA DE PROTEÇÃO DA TURBINA A GÁS
· PRINCIPAIS VARIÁVEIS SUPERVISIONADAS E CONTROLADAS
· FILOSOFIA DE SEQUENCIAMENTO
· PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO CONTROLE DE
COMBUSTÍVEL
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção III - 2
IINNTTRROODDUUÇÇÃÃOO
As informações, contidas neste trabalho, é oriunda dos manuais de operação e manutenção
fornecidos pelos diversos fabricantes e empacotadores de turbomáquinas, como outras
apostilas originadas internamente pela E&P.
O objetivo destas anotações é familiarizar o treinando com as características gerais das
turbinas a gás, os principais sistemas auxiliares que permitem o funcionamento de uma
turbina a gás utilizada na área industrial, como também apresentar a filosofia de
sequenciamento, intertravamento e controle da turbina a gás aplicado em geradores
elétricos.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção III - 3
 SSIISSTTEEMMAA DDEE PPRROOTTEEÇÇÃÃOO DDAA TTUURRBBIINNAA AA GGÁÁSS
PPRRIINNCCIIPPAAIISS VVAARRIIÁÁVVEEIISS SSUUPPEERRVVIISSIIOONNAADDAASS EE CCOONNTTRROOLLAADDAASS
IINNTTRROODDUUÇÇÃÃOO
O sistema de proteção da turbomáquina, como em outros tipos de processos, objetiva evitar
que os limites operacionais sejam ultrapassados. O principal objetivo do Sistema é garantir a
segurança operacional e a integridade da máquina, mantendo a máxima disponibilidade. Há
várias variáveis sendo supervisionadas, muitas das quais foram vistas nos sistemas
auxiliares descritos anteriormente. As principais variáveis que este sistema protege são:
· TEMPERATURAS EXCESSIVA
· SOBREVELOCIDADES
· VIBRAÇÕES ELEVADAS
· DESLOCAMENTO AXIAL
· SURGE (é um fenomeno, a variável lida costuma ser variação da vazão e/ou pressão de
ar)
TTEEMMPPEERRAATTUURRAA DDOOSS MMAANNCCAAIISS
Os mancais são componentes importante para o bom funcionamento da turbina, o peso dos
conjuntos rotores e a alta velocidade de rotação aliada a alta temperatura que estes
mancais estão sujeitos, principalmente no mancal traseiro GG, mostra o grande esforço que
estão sujeitos durante o funcionamentos da turbina.
Na Turbina industrial (heavy duty), normalmente, são usados mancais de deslizamento do
tipo “tilt pad”,as pastilhas são de aço revestidos de metal patente (liga que contem estanho
e chumbo) e . Dependendo da sua composição, este material começa a “escoar” a partir de
140 °C. Por razões de segurança, sua temperatura é limitada, geralmente em 125 °C para
trip e em 110 °C para alarme, quando a medição é efetuada diretamente nos mancais.
Usualmente, são usados termopares ou RTD´s para este fim. A temperatura do óleo no
header é na faixa de 40° a 60°C.
É comum, contudo, a medição de temperatura indireta nos retornos de óleo dos mancais,
apesar de não ser uma medição tão precisa quanto a leitura direta. Neste caso. O valor de
alarme situa-se em 115°C para trip e 90 °C para alarme.
Na Turbina aeroderivada os mancais são de rolamentos, portanto permite temperaturas
maiores e normalmente a medição de temperatura é realizada no retorno de óleo do mancal,
sendo o alarme entorno de 150° e o trip entorno de 170°C. A temperatura do óleo no header
é na faixa de 80 a 115°C.
No mancal de rolamento a suportação é pontual, ou seja, tem área reduzida. O que acarreta
Como o contato neste tipo de mancal é pontual, é alta a tensão que estes mancais são
submetidos, podendo levar a desgastes excessivos, tanto que é utilizado detetor de limalhas
para verificar o estado de desgaste dos referidos mancais.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção III - 4
TTEEMMPPEERRAATTUURRAA DDEE QQUUEEIIMMAA ((PPAARRTTEESS QQUUEENNTTEESS))
As partes quentes da turbina, constituídas pelos injetores de combustível (fuel
nozzles), câmara de combustão (combustion chamber), peça de transição (transition piece),
distribuições (nozzles) e rotores (rotors) são submetidos a temperaturas muito altas devido à
combustão e a conseqüente passagem dos gases. Os vários materiais, utilizados são
resistentes às altas temperaturas, porém existem limites aos quais não podem ser
ultrapassados durante a operação da máquina. A expectativa de vida útil das partes quentes
reduz-se a metade caso opere a máquina com 20 a 25°C acima da Temperatura dos Gases
de Exautão (EGT).
Conforme norma API 616, recomenda o uso de termopares duplos ou a medição por dois
grupos de termopares, sendo um grupo para controle e supervisão (proteção )e o outro
grupo somente para proteção da máquina e através de um circuito redundante e externo ao
circuito aonde se realiza o controle.
Os termopares são elementos de medição de degradam rapidamente quando comparados
aos outros elementos de medição. Com o decorrer do tempo ele apresenta leitura mais
abaixa do que realmente é, isto permitirá que a turbina opere com temperatura acima do
valor limite, o que acarreta a redução da vida útil dos componentes. Portanto é
recomendado a troca periódica dos termopares.
SSOOBBRREEVVEELLOOCCIIDDAADDEE
Os rotores das turbomáquinas possuem limites superior de velocidades devido a força
centrifuga aos quais estão submetidos. Como também estão submetidos a alta temperatura,
a palheta esta sujeita a “fluência” de sua estrutura molecular, o que poderá levar ao
“roçamento” e a quebra da palheta. Por essas razões é importante o controle das rotações,
evitando que ultrapasse a máxima rotação de GG ou PT e supervisão/intertravamento
(proteção) para alarme e trip caso atinja a sobrevelocidade GG e PT.
A norma API 616 exige duplo sensores de velocidade PT, sendo que um sensor para
controle e supervisão/intertravamento e o outro é usado exclusivamente para proteção
máquina, através de um circuito redundante e externo ao circuito que realiza o controle.
Os sensor são constituído de uma bobina no qual passa uma corrente elétrica criando um
campo magnético, o sensor esta montado junto a uma roda dentada acoplada ao eixo ou da
turbinas GG ou da PT. A roda dentada ao girar permitirá a variação do fluxo magnético.
Quando o sensor esta num vale, da roda dentada, a relutância magnética é alta, portanto o
fluxo magnético é baixo, quando o sensor esta próximo ao dente, a relutância é baixa e
consequentemente o fluxo é alto, com a variação do fluxo magnético O sensor enviara ao
painel é um trem de pulsos de freqüência proporcional à velocidade da turbina.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção III - 5
MMOONNIITTOORRAAÇÇÃÃOO DDEE VVIIBBRRAAÇÇÃÃOO EE DDEESSLLOOCCAAMMEENNTTOO AAXXIIAALL
Devido a alta rotação do gerador de gás (GG) e da turbina de potência (PT) e as folgas
entre estas partes rotativas e as partes estacionárias serem muito pequenas, na ordem de
0,1 a 0,6 mm, a monitorarão das vibrações é importantíssima.
Vibrações elevadas podem aumentar o desgaste dos mancais, roçamento das partes
móveis nas partes fixas, esforços cíclicos elevados, fadiga, etc. levando a queda na
eficiência e dano permanente e com isso elevado índice de indisponibilidade.
Para monitorar os níveis de vibração., existem três tipos de sensores de vibração:
SSEENNSSOORR DDEE PPRROOXXIIMMIIDDAADDEE
Este sensor é constituído de uma bobina na ponta (Tip) de um probe, a função da bobina é
produzir um campo magnético próximo ao eixo da máquina.
 
Uma vez que o eixo é feito de material magnético (aço), o campo magnético terá a sua
amplitude variada em função da distância do sensor ao eixo, ou seja, o eixo ao se aproximar
da ponta do sensor, diminui a relutância magnética com o conseqüente aumento do campo
magnético, a variação do campo magnético acarreta a indução de uma tensão. Esta tensão
é função da distância da ponta (Tip) do sensor ao eixo monitorado. Como o sensor mede a
distância ao eixo, ele mede efetivamente a amplitude vibração do eixo em relação à
carcaça.
O sinal produzido é de deslocamento, ou seja, amplitude do deslocamento e é expresso
normalmente em microns pico a pico ou MIL pico a pico.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção III - 6
Disposição dos probes
Neste tipo de monitoração de vibração é necessário a colocação de dois sensores a 90°, a
vibração pode ser dada em um plano que garantirá a medição tanto no eixo X como no eixo
Y.
O monitor no painel alimenta um conversor de sinal que chamamos de proximitor, a tensão
de alimentação normalmente é de 24 volts negativo. O proximitor alimenta o probe e recebe
uma tensão AC, a variação da tensão AC é função da vibração e é transformada, vide
gráfico a seguir, pelo proximitor e é enviada ao monitor no painel
Gráfico mostrando a relação da tensão de saída do proximitor em função da distância
(GAP) do sensor ao eixo
Detalhe do proximitor
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE Seção III - 7
Instalação típica de sistema de monitoração de vibração em um eixo.
Um ponto importante neste tipo de sistema é o casamento de impedância entre o probe,
cabo de extensão e proximitor. É necessário a verificação da curva do sistema quando
houver a troca de um ou mais componentes e a necessidade de confirmar o correto
funcionamento do sistema.
 BÁSICO DE TURBINAS A GÁS
E&P-SSE/UN-BC/ST/EGMSE