TURBINAS A VAPOR - MÁQUINAS de FLUXO

Prévia do material em texto

Disciplina: CCE0246 - MÁQUINAS de FLUXO
Prof. ELCIO ALMEIDA
RECIFE, agosto de 2016
Este material foi elaborado com base nas notas de aulas do Prof. João Roberto Barbosa, do ITA, e do Prof. Luiz Cordeiro da UERJ
AULA - O2 
TURBINAS A VAPOR 
MÁQUINAS DE FLUXO
MÁQUINAS DE FLUXO
Máquina de Fluxo (turbomachine) pode ser definida como um transformador de energia (sendo 
necessariamente o trabalho mecânico uma das formas de energia) no qual o meio operante é 
um fluido que, em sua passagem pela máquina, interage com um elemento rotativo, não se 
encontrando, em qualquer instante, confinado.
Todas as máquinas de fluxo funcionam, teoricamente, segundo os mesmos
princípios, o que traz a possibilidade de utilização do mesmo método de cálculo. De fato, esta 
consideração é plenamente válida apenas quando o fluido de trabalho é um fluido ideal, já que, 
na realidade, propriedades do fluido, tais como volume específico e viscosidade, podem variar 
diferentemente de fluido para fluido e, assim, influir consideravelmente nas características 
construtivas dos diferentes tipos de máquinas.
MÁQUINAS DE FLUXO
Como exemplos de MÁQUINAS DE FLUXO, citam-se:
as turbinas hidráulicas (hydraulic turbines),
as bombas centrífugas (centrifugal pumps),
os ventiladores (fans),
as turbinas a vapor (steam turbines),
os turbocompressores,
as turbinas a gás (gas turbines).
MÁQUINAS DE FLUXO
Elementos construtivos
Não haverá aqui a preocupação de relacionar, exaustivamente, todas as
partes que compõem as máquinas de fluxo, tais como, seu corpo ou carcaça, o
eixo, os mancais, os elementos de vedação, o sistema de lubrificação, etc.,
mas a intenção de caracterizar os elementos construtivos fundamentais, nos
quais acontecem os fenômenos fluidodinâmicos essenciais para o
funcionamento da máquina: o rotor (impeller ou runner) e o sistema diretor
(stationary guide casing).
MÁQUINAS DE FLUXO
Classificação das máquinas de fluxo
Entre os diferentes critérios que podem ser utilizados para 
classificar as máquinas de fluxo, pode-se citar os seguintes:
- segundo a direção da conversão de energia;
- segundo a forma dos canais entre as pás do rotor;
- segundo a trajetória do fluido no rotor.
MÁQUINAS DE FLUXO
Segundo a direção da conversão de energia
Segundo a direção da conversão de energia as máquinas de fluxo
classificam-se em motoras e geradoras.
Máquina de fluxo motora é a que transforma energia de fluido em trabalho mecânico, enquanto; 
Máquina de fluxo geradora é a que recebe trabalho mecânico e o transforma em energia de 
fluido. No primeiro tipo a energia do fluido diminui na sua passagem pela máquina, no segundo, a 
energia do fluido aumenta.
Como exemplos de máquinas de fluxo motoras, citam-se as turbinas hidráulicas e as turbinas a 
vapor . Entre as máquinas de fluxo geradoras encontram-se os ventiladores e as bombas 
Centrifugas.
MÁQUINAS DE FLUXO
Como exemplos de máquinas de fluxo motoras, citam-se as turbinas hidráulicas
e as turbinas a vapor .
Entre as máquinas de fluxo geradoras encontram-se os ventiladores
e as bombas centrifugas 
MÁQUINAS DE FLUXO
Algumas máquinas podem funcionar tanto como motores quanto
geradores de fluxo, como é o caso das bombas-turbinas reversíveis
(reversible pump-turbines) que, dependendo do sentido do fluxo através do
rotor, funcionam como bombas, girando num sentido, ou como Turbinas,
girando em sentido contrário.
MÁQUINAS DE FLUXO
Também é comum encontrar uma máquina de fluxo motora (turbina a gás)
acionando uma máquina de fluxo geradora (turbocompressor), montadas num
mesmo eixo, como acontece nas turbinas de aviação e nos turboalimentadores
(turbochargers) de motores de combustão interna a pistão
MÁQUINAS DE FLUXO
Segundo a forma dos canais entre as pás do rotor
Quanto a forma dos canais entre a pás do rotor, as máquinas de fluxo
classificam-se em máquinas de ação e em máquinas de reação.
Nas máquinas de fluxo de ação (impulse turbomachines), os canais do
rotor constituem simples desviadores de fluxo, não havendo aumento ou
diminuição da pressão do fluido que passa através do rotor.
Nas máquinas de fluxo de reação (reaction turbornachines), os
canais constituídos pelas pás móveis do rotor têm a forma de injetores (nas
turbinas) ou a forma de difusores (nas bombas e nos ventiladores), havendo
redução, no primeiro caso (turbinas), ou aumento, no segundo caso (bombas e
ventiladores), da pressão do fluido que passa através do rotor.
MÁQUINAS DE FLUXO
Segundo a trajetória do fluido no rotor
Finalmente, segundo a trajetória do fluido no rotor, as máquinas de fluxo
classificam-se em: radiais, axiais, diagonais ou de fluxo misto (ou ainda, semi-axial)
e tangenciais.
Nas máquinas de fluxo radiais (radial flow turbo-machines), o escoamento
do fluido através do rotor percorre uma trajetória predominantemente radial
(perpendicular ao eixo do rotor). Como exemplos de máquinas radiais, citam-se
as bombas centrífugas, os ventiladores centrífugos e a
turbina Francis lenta.
Já, nas máquinas de fluxo axiais (axial flow turbomachines), 
O escoamento através do rotor acontece numa direção paralela ao eixo do rotor
ou axial. Como exemplos de máquinas axiais citam-se os ventiladores axiais,
as bombas axiais e as turbinas hidráulicas do tipo Hélice e Kaplan.
MÁQUINAS DE FLUXO
MÁQUINAS DE FLUXO
MÁQUINAS DE FLUXO
Bomba de pistão, de potência, de duplo efeito.
MÁQUINAS DE FLUXO
MÁQUINAS DE FLUXO
MÁQUINAS DE FLUXO
TURBINAS A VAPOR
Introdução
As turbinas a vapor são máquinas de grande velocidade. Se todo o salto
entálpico disponível se transforma em energia cinética no bocal, a velocidade
do vapor na saída da mesma é muitas vezes superior a velocidade do som, e a
velocidade periférica do rotor para aproveitar com bom rendimento esta
energia, poderia chegar a ser superior ao limite de resistência dos materiais
empregados. Além das altas velocidades, as turbinas a vapor modernas
trabalham em condições super críticas de pressão e temperatura (acima de
250 bar e 600°C, respectivamente).
MÁQUINAS DE FLUXO
MÁQUINAS DE FLUXO
Carcaça de 
turbina sem 
defeitos visuais
Fonte: SIMISA
MÁQUINAS DE FLUXO
Carcaça de turbina a 
vapor multiestágios
Fonte: NG Metalúrgica
MÁQUINAS DE FLUXO
Carcaça de turbina a 
vapor multiestágios
Fonte: NG Metalúrgica
MÁQUINAS DE FLUXO
- Módulos Térmicos extraídos do magmasoftware
Fonte: SIMISA, 2014
MÁQUINAS DE FLUXO
Elementos Construtivos
Uma turbina a vapor é constituída basicamente dos seguintes elementos:
1) Uma carcaça, geralmente dividida em 2 partes longitudinalmente para
facilitar o acoplamento e desmontagem, e que contém o sistema de pás
fixas ou distribuidores;
2) Um rotor com pás em sua periferia, sobre o qual incide o vapor e onde é
feita a transformação na direção e magnitude da velocidade do vapor;
3) Um sistema de comando e válvulas para regular a velocidade e potência
da turbina, modificando a descarga do vapor;
4) Um acoplamento para conexão mecânica com o gerador que vai acionar;
5) Um dispositivo de expansão, sempre constituído de um bocal fixo ou
móvel (diretrizes), no qual a energia de pressão do vapor se transforma
em energia cinética;
6) Junta de labirinto, necessária para reduzir o calor gerado quando
acontece o contato rotor-estator, já que, devido às altas velocidades, o
calor gerado, quando ocorresse qualquer contato, poderia produzir calor
suficiente para fundir o material do rotor ou até mesmo danificar o eixo.
MÁQUINAS DE FLUXO
MÁQUINAS DE FLUXO
MÁQUINAS DE FLUXO
Classificação das turbinas a vapor
As turbinas a vapor podem ser classificadassegundo os seguintes critérios:
1) Quanto a direção do movimento do vapor em relação ao rotor:
-Turbinas a vapor axiais: são aquelas que o vapor se move dentro do rotor em
direção aproximadamente paralela ao eixo são as mais comuns.
-Turbinas a vapor radiais: são aquelas em que o vapor se desloca
aproximadamente em sentido perpendicular ao eixo da turbina.
-Turbinas a vapor tangenciais: são aquelas em que o vapor se desloca
tangencialmente ao rotor.
MÁQUINAS DE FLUXO
2) Quanto a forma do vapor atuar no rotor:
-Turbinas a vapor de ação: 
quando o vapor se expande somente nos órgãos fixos (pás diretrizes e bocais) e 
não nos órgãos móveis (pás do rotor). 
Portanto, a pressão é a mesma sobre os dois lados do rotor.
-Turbinas a vapor de reação: 
quando o vapor se expande também no rotor, ou seja, quando a 
pressão de vapor na entrada do rotor é maior que na saída do mesmo.
-Turbinas a vapor mistas: 
quando uma parte da turbina a vapor é de ação e outra parte de reação.
MÁQUINAS DE FLUXO
3) Quanto ao número e classe de escalonamentos:
-Turbinas a vapor de um só rotor.
-Turbinas a vapor de vários rotores: 
as quais, segundo a forma dos escalonamentos, podem ser :
- Turbinas a vapor com escalonamento de velocidade
- Turbinas a vapor com escalonamento de pressão
- Turbinas a vapor com escalonamento de velocidade e de pressão
MÁQUINAS DE FLUXO
4) Quanto ao número de pás que recebem o vapor:
-Turbinas a vapor de admissão total: 
quando o vapor atinge totalmente as pás do distribuidor.
-Turbinas a vapor de admissão parcial: 
quando o vapor atinge somente uma parte das pás.
MÁQUINAS DE FLUXO
5) Quanto a condição do vapor de escape:
-Turbinas a vapor de escape livre: 
nas quais o vapor sai diretamente para a
atmosfera. Portanto a pressão de escape é igual a pressão atmosférica.
-Turbinas a vapor de condensador: 
nas quais na saída existe um condensador
onde o vapor se condensa, diminuindo pressão e temperatura. A pressão de
escape do vapor é inferior a pressão atmosférica.
-Turbinas a vapor de contrapressão: nas quais a pressão de escape do vapor é
superior a pressão atmosférica. O vapor de escape é conduzido a dispositivos
especiais para sua posterior utilização (ex: calefação, alimentação de turbina
de baixa pressão, etc).
-Turbinas a vapor combinadas: nas quais uma parte do vapor é retirada da
turbina antes de sua utilização, empregando-se esta parte subtraída para calefação e 
outros usos; o resto do vapor continua a sua evolução normal no
interior da turbina e, na saída, vai para a atmosfera ou ao condensador.
MÁQUINAS DE FLUXO
6) Quanto ao estado do vapor na entrada:
-Turbinas a vapor de vapor vivo: quando o vapor de entrada vem diretamente 
da caldeira. Por sua vez elas podem ser:
- de vapor saturado
- de vapor superaquecido
-Turbinas a vapor de vapor de escape: quando se utiliza a energia contida no
vapor de escape de uma outra máquina térmica (por ex.: a máquina a vapor, 
a turbina de contrapressão, etc). A maioria delas são de vapor saturado.
MÁQUINAS DE FLUXO
MÁQUINAS DE FLUXO
Tipos e Características das turbinas a vapor.
Após a classificação feita no item anterior podemos fazer uma grande
variedade de combinações de modo a obter o tipo mais adequado de turbina a
vapor às nossas necessidades.
Porém, na prática e por diversas razões econômicas e construtivas,
algumas destas combinações não são possíveis.
A seguir, descreveremos alguns modelos típicos de turbinas a vapor.
MÁQUINAS DE FLUXO
1) Turbinas a vapor elementar de ação e de um só estágio:
Conhecida também como turbina De Laval. 
Possui um único estágio de pressão e de velocidade, todo o "salto térmico" ocorre 
neste estágio, sendo a transformação de entalpia em energia cinética feita nos 
bocais e a transformação de energia em trabalho feita nas palhetas.
MÁQUINAS DE FLUXO
turbina De Laval. 
MÁQUINAS DE FLUXO
Turbina elementar de ação.
Suas principais 
vantagens são o 
pequeno espaço 
ocupado e a
simplicidade de 
construção. Por 
outro lado, tem uso 
restrito para 
pequenas
potências (até 30 
HP) e trabalham 
em altas rotações.
MÁQUINAS DE FLUXO
2) Turbinas a vapor de ação com um só estágio de 
pressão e vários estágios de velocidade:
Conhecida também como Roda de Curtis. O vapor se expande por 
completo no bocal de entrada, transformando a entalpia em energia cinética. No 
primeiro rotor é convertida toda a diferença de pressão em velocidade.
A transformação da energia cinética em trabalho ocorre em vários estágios
de velocidade, separados por palhetas fixas que apenas mudam a direção do
escoamento, mantendo a velocidade e pressão constantes. Como, por todos os 
estágios, deve passar a mesma quantidade de vapor e a velocidade vai
diminuindo, é necessário que, nas seções por onde passa, o vapor vá
aumentando, o que implica numa variação do diâmetro dos rotores sucessivos.
MÁQUINAS DE FLUXO
Corte de uma turbina a vapor com escalonamento de velocidade (Turbina Curtis).
MÁQUINAS DE FLUXO
Turbina Curtis
MÁQUINAS DE FLUXO
O principal inconveniente dos estágios de velocidade é que, devido as
altas velocidades do vapor, aumentam consideravelmente 
as perdas por atrito, sobretudo se existirem muitos estágios. Esta 
é a causa para que na prática, se adote um pequeno número de estágios.
Em resumo, os estágios de velocidade são particularmente vantajosos
para as turbinas de baixa e média potência (até 4000 HP) que necessitam 
de reduzido número de estágios.
MÁQUINAS DE FLUXO
3) Turbinas a vapor de reação com um só estágio de 
velocidade e vários estágios de pressão:
Conhecida também como turbina de Prazos. É equivalente a várias 
turbinas simples montadas num mesmo eixo, uma em seguida da outra.
A queda total de pressão (salto térmico total) entre a entrada e a saída é
subdividida em um certo número de quedas parciais, uma para cada estágio.
MÁQUINAS DE FLUXO
A Figura mostra as expansões 
sucessivas do vapor em função das 
quedas de pressão em cada estágio 
(representação do trabalho 
específico interno).
Como o volume específico do vapor 
aumenta de um estágio ao outro, as 
seções por onde o vapor passa 
devem ir aumentando 
sucessivamente.
MÁQUINAS DE FLUXO
Turbina com 
escalonamento de 
pressão 
Turbina 
Rateau.
Como as 
diferenças de 
pressão utilizadas 
nos diferentes 
estágios são
reduzidas, as 
velocidades 
adquiridas pelo 
vapor também são 
pequenas, de
forma que as 
perdas por atrito 
serão pequenas, 
permitindo assim 
um maior
número de 
estágios.
MÁQUINAS DE FLUXO
4) Turbinas a vapor de reação de fluxo radial:
Também conhecida como turbina Ljungström. O vapor flui no sentido 
radial desde o eixo até a periferia da máquina. Ambos os sistemas de pás giram 
em direções contrárias. Tem a vantagem de um pequeno custo do sistema de pás
e ocupa pouco espaço.
MÁQUINAS DE FLUXO
A figura mostra uma turbina a vapor de reação axial-radial (turbina Durax) 
onde o vapor entra na turbina a vapor axialmente, se expansiona de forma radial, e na 
sua saída, segue expansionando nas pás.
Esquema de uma turbina de fluxo radial e axial Durax,da ASEA.
MÁQUINAS DE FLUXO
5) Turbinas a vapor de contrapressão:
Não tem condensador e o vapor de escape esta ligado a um aparato que
utiliza vapor a uma pressão mais baixa. É utilizada em industrias em que, além
de gerar sua própria energia elétrica, precisam de vapor a pressões 
moderadas para utilização industrial (aquecimento, por exemplo). É também 
utilizada para aumentar a potência de uma central de vapor já construída, 
sendo denominada, neste caso, "turbina superior". O vapor de escape dela 
entra em algumas ou em todas as turbinas da instalação com menor pressão.
MÁQUINAS DE FLUXO
Corte longitudinal de 
uma turbina de 
contrapressão 
Escher Wyss.
Potência: 3 MW; 
velocidade: 
10000 rpm; pressão 
de entrada de vapor: 
100 kg/cm2;
temperatura de 
entrada de vapor: 
600°C; 
contrapressão: 
11 kg/cm2.
MÁQUINAS DE FLUXO
6) Turbinas a vapor Tándem-Compound:
Caracterizada por ser constituída por vários corpos. Representa a
concepção das turbinas a vapor mais modernas. O vapor procedente da
caldeira entra no primeiro destes corpos, que é de alta pressão, donde se
expande e, na sua saída, se introduz no corpo seguinte, de menor pressão,
onde sofre nova expansão, e assim sucessivamente. Geralmente, depois da
saída do último rotor, o vapor, a baixa pressão, entra no condensador. Todos
os rotores são montados no mesmo eixo. São utilizadas nas centrais térmicas.
Se a turbina a vapor Tándem Compound permitir que seja extraído vapor
em diferentes pontos intermediários, elas são ditas de extração. Esse vapor
pode ser usado para secagem, aquecimento, etc. A próxima figura ilustra este
tipo de turbina a vapor.
VIDEO
MÁQUINAS DE FLUXO
MÁQUINAS DE FLUXO
Corte longitudinal de uma Turbina Tandém Compound Elliot, de dupla extração.
Observe nesta figura a forma e a disposição de todos os elementos
constitutivos das turbinas a vapor em gera
MÁQUINAS DE FLUXO
Ciclo de Rankine.
MÁQUINAS DE FLUXO
Esquema do ciclo de funcionamento 
combinado de 2 turbinas paralelo,
composto: G - gerador de vapor 
(caldeira); RP - reaquecedor
primário; RI –reaquecimento 
intermediário; AP – corpo de alta 
pressão da turbina; MP1 - corpo de 
média pressão da primeira turbina; 
A1 - gerador elétrico da primeira 
turbina; BP2 -corpos de baixa 
pressão da segunda turbina; 
A2 - gerador elétrico da segunda 
turbina;
C - condensador; B1 - bomba de 
extração do condensador; H1,H2,H3 e 
H4 -aquecedores de água de 
alimentação (recuperadores); 
B2,B3,B4,B5 - bombas de desagüe
dos recuperadores; B6 - bomba de 
alimentação da caldeira.
O fluido superior é aquecido e evaporado na caldeira (G) e conduzido depois à turbina superior (T1) na qual se expande seu 
vapor e se produz energia. O vapor de escape desta turbina é conduzido a um condensador caldeira (C1), onde absorve o calor de 
condensação do fluido superior para a evaporação do fluido inferior do ciclo. O vapor condensado do fluido superior é bombeado 
(por B1) novamente a caldeira (G) e com isso se completa o ciclo superior do ciclo binário. O fluido inferior refrigera o vapor do 
fluido superior no condensadorcaldeira (C1), até sua condensação. Ao mesmo tempo este fluido absorve o calor de condensação 
do fluido superior e se vaporiza. Depois de sua vaporização vai até a caldeira (G) para seu reaquecimento e chega 
posteriormente à turbina inferior onde se expande e produz energia. O vapor de escape se faz passar por um condensador (C2) 
e vai novamente para o condensador-caldeira (C1), completando-se o ciclo inferior e também o ciclo binário. Ainda que se tenha 
inventado muitos ciclos binários, o de maior importância técnica é o que utiliza vapor de mercúrio como fluido superior e vapor 
d'água como fluido inferior.
Ciclos binários:
MÁQUINAS DE FLUXO
Ciclo binário de Rankine, vapor de mercúrio-vapor de água.
MÁQUINAS DE FLUXO
Ciclos para produção de energia e vapor:
Todas as instalações de potência a vapor 
apresentadas até o momento produziam apenas 
energia. Isso por que o vapor que saia da turbina a 
vapor ia direto para o condensador.
MÁQUINAS DE FLUXO
Note que ela consta de uma turbina a vapor de contra pressão, que 
permite que o vapor que sai dela, com certa pressão, seja usado para outros 
fins.
A instalação consta de uma caldeira (G), um reaquecimento primário (RP) 
de onde o vapor vai para a turbina de contrapressão(CP), a qual aciona um 
gerador elétrico(A). O vapor de escape sai suficientemente aquecido e pode 
servir como um circuito de reaquecimento de um reaquecedor de vapor(RV) 
de onde vai para um pré-aquecedor de água de alimentação(H) e daí ao 
trocador de calor(IC), onde esquenta a água procedente do sistema de 
consumo; o vapor d'água obtido vai para (RV) e depois se dirige ao circuito 
de utilização de vapor (CV).
A água que vem do vapor condensado neste circuito (CV) é impulsionada por 
uma bomba (B1) até o (IC) de onde se reinicia o circuito secundário de vapor.
No circuito primário, a água procedente da condensação do vapor no (IC), é 
impulsionada pela bomba (B2) até o pré-aquecedor (H) e daí impulsionada 
pela bomba (B3) até a caldeira, onde se encerra o ciclo primário de vapor.
MÁQUINAS DE FLUXO
Regulagem das Turbinas a vapor
Existem várias grandezas que devem ser controladas e reguladas para
que as turbinas a vapor funcionem normalmente; entre elas, as três mais
importantes são:
- Regulagem da potência;
- Regulagem da velocidade de rotação;
- Regulagem da pressão.
A seguir veremos em detalhes cada uma delas.
Obs: Há uma interligação entre a primeira e as outras.
MÁQUINAS DE FLUXO
A) Regulagem da potência:
A regulagem da potência da turbina a vapor é feita controlando-se a quantidade de 
vapor admitido no rotor, de acordo com as necessidades de carga.
Esse controle de admissão pode ser feito de 4 formas diferentes:
A1- Regulagem por Estrangulamento (ou Regulagem Qualitativa):
A2-Regulagem por meio de Bocais (Regulagem Quantitativa):
A3-Regulação mista:
A4-Regulagem por by-pass:
A quantidade de vapor que entra na turbina é regulada por meio de uma
válvula de estrangulamento situada na entrada da turbina.
MÁQUINAS DE FLUXO
A1- Regulagem por Estrangulamento (ou Regulagem Qualitativa):
A quantidade de vapor que entra na turbina é regulada por meio de 
uma válvula de estrangulamento situada na entrada da turbina.
Regulação qualitativa: 
(a) esquema de regulação;
(b) processo no plano h-s.
É o mecanismo mais utilizado, 
sobretudo em turbinas de pequena e 
média potência, devido ao seu baixo 
custo inicial já que seu mecanismo é 
simples.
O princípio de funcionamento é 
basicamente o seguinte: a válvula 
(V1) é a válvula geral de admissão 
que se abre ou se fecha totalmente 
com acionamento manual ou 
motorizado; a válvula (V2) é a 
válvula de estrangulamento que 
regula a carga. Ela é acionada por 
um servomotor que se movimenta 
de acordo com a velocidade da 
turbina.
Obs: no processo de 
estrangulamento, todo o vapor 
perde pressão antes de
alcançar a turbina, quando esta 
trabalha com carga parcial.
MÁQUINAS DE FLUXO
A2- Regulagem por meio de Bocais (Regulagem Quantitativa):
Consiste na utilização de uma série de válvulas de seta, uma para 
cada passagem de vapor que sai da caldeira, quantas forem 
necessárias para satisfazer a demanda da carga, cada uma destas 
passagens abastece uma bateria (câmara) de bocais.
Esquema de um regulador mecânico para turbinas
a vapor, com controle de vapor por meio de toberas.
As válvulas se abrem 
sucessivamente de acordo 
com um mecanismoexterior que está diretamente 
relacionado com a velocidade 
da turbina.
A grande vantagem é que se 
permite utilizar o vapor a uma 
pressão praticamente igual a 
pressão da caldeira, já que o 
estrangulamento do vapor
acontece somente na válvula 
que estiver parcialmente 
aberta, ao contrário da 
regulação por 
estrangulamento, na qual todo 
o vapor perde pressão antes 
de
chegar a turbina.
MÁQUINAS DE FLUXO
A3- Regulação mista:
É uma combinação da regulação quantitativa e qualitativa.
Na proximidade da carga normal, que é a zona mais frequente de
funcionamento, a regulagem se faz quantitativamente, variando o grau de
admissão, com o qual se consegue que, nesta zona, a turbina trabalhe 
sempre com bom rendimento; porém, ao passar a cargas menores que 50% 
da carga normal, a regulagem se faz por estrangulamento da válvula, com o 
qual se consegue uma simplificação da instalação.
MÁQUINAS DE FLUXO
A4- Regulagem por by-pass:
É utilizada na sobrecarga da turbina a vapor acima da carga normal.
Regulação de turbinas a vapor por by-pass de alguns escalonamentos.
Ao aumentar a 
carga normal, a 
válvula (V2) se abre 
e assim entra vapor
(depois de sofrer um 
estrangulamento na 
válvula) em um 
ponto intermediário
diretamente sem 
passar por estágios 
anteriores.
MÁQUINAS DE FLUXO
2. EQUAÇÕES BÁSICAS.
Leis que governam o escoamento de um fluido são bem conhecidas e identificadas
pela observação de que a evolução de um sistema físico é caracterizada pela
- massa
- quantidade de movimento
- energia
em cada instante.
A conclusão de que a conservação daquelas propriedades é observada foi um dos
grandes acontecimentos da ciência moderna.
Um escoamento de fluido é considerado conhecido se sua são conhecidas
velocidade
pressão estática
temperatura estática
a qualquer instante.
Em casos em que a temperatura permanece praticamente invariável, a temperatura
não é considerada (como nas turbinas hidráulicas).
MÁQUINAS DE FLUXO
2.1 - Princípio geral da conservação:
a variação da quantidade de uma propriedade extensiva (que depende 
da massa)
em um volume especificado é devida
• à soma (líquida) de fontes (da propriedade) internas;
• ao balanço da quantidade (da propriedade) que atravessa a 
fronteira do volume.
em cada instante.
MÁQUINAS DE FLUXO
Em outras palavras o princípio de conservação estabelece que
a variação de uma propriedade extensiva num volume especificado é 
devida às fontes e sumidouros dessa propriedade no interior do volume, 
mais o fluxo da propriedade através da fronteira do volume, em cada 
instante
• O fluxo é gerado devido ao transporte convectivo do fluido e ao movimento 
molecular (sempre presente).
• O efeito do movimento molecular expressa a tendência do fluido em atingir a 
condição de equilíbrio.
• As diferenças em intensidade da propriedade considerada acarretam
transferência espacial destinadas a homogeneizar o fluido.
• Essa contribuição é proporcional ao gradiente da propriedade 
correspondente (porque a contribuição deve ser nula numa distribuição 
homogênea
MÁQUINAS DE FLUXO
2.2 CONSERVAÇÃO DA MASSA
A terminologia utilizada nestas notas de aula utiliza “equação de conservação” 
para massa, quantidade de movimento e energia, terminologia esta que precisa 
ser entendida em sentido amplo. Há autores que preferem a teminologia “lei da 
conservação de massa, lei da quantidade de movimento de Newton e primeira 
lei da termodinâmica”,aqui chamadas de princípios.
MÁQUINAS DE FLUXO
2.3- SIMPLIFICAÇÃO DAS EQUAÇÕES DE CONSERVAÇÃO
Embora as formas das equações de conservação apresentadas anteriormente
possam ser bastante simples, sua manipulação é bastante complexa. A 
complexidade deve-se ao fato de estarem escritas na forma vetorial e por serem 
tridimensionais.
Mais complexo, ainda, é o processo de sua solução, notadamente para volumes 
de controle de geometrias complexas, como as encontradas nas máquinas em geral.
No estudo das máquinas de fluxo alguns parâmetros globais são de interesse.
Geralmente se procuram relações entre a taxa de escoamento do fluido (vazão) e 
a diferença de pressões (ou de altura de energia) através de um rotor e, portanto, 
não se procura calcular as propriedades do escoamento em todos os pontos da 
máquina, mas apenas à entrada e à saída do rotor. Essas relações dependem do 
tipo de máquina considerada e, portanto, de parâmetros geométricos do rotor. 
Relações fundamentais podem ser obtidas a partir das equações de conservação da 
quantidade de movimento angular a máquinas de geometria simples.
MÁQUINAS DE FLUXO
3. PRINCÍPIOS DE CONSERVAÇÃO APLICADOS ÀS MÁQUINAS DE FLUXO
Equações na forma vetorial completa não são adequadas para cálculos.
São genéricas e podem, portanto, ser aplicadas a qualquer tipo de fluido e não 
apenas para água e ar, que são os fluidos mais comuns.
O dimensionamento das máquinas de fluxo e o cálculo de seu desempenho são 
realizados através de versões simplificadas dessas equações.
O tratamento a ser dado a todas as máquinas de fluxo é unificado.
Entretanto, não é possível a obtenção de equações simplificadas que sirvam para 
escoamentos incompressíveis e compressíveis devido à compressibilidade 
(a densidade varia significativamente nos escoamentos compressíveis).
MÁQUINAS DE FLUXO
Para introduzir a 1.ª lei da termodinâmica,
escolher um sistema fechado indo de um estado de equilíbrio, 
para outro estado de equilíbrio, com o trabalho
como única interação com o meio ambiente.
Num processo termodinâmico, como o visto acima, sofrido por 
um gás, há dois tipos
de trocas energéticas com o meio exterior: 
O trabalho realizado (t) e o calor trocado (Q).
Como conseqüência do balanço energético, tem-se a variação 
da energia interna (DU).
Para um sistema constituído de um gás perfeito,
tem-se que: (DU= Q – tQ = DU + t).
MÁQUINAS DE FLUXO
Processo Isobárico
Não há necessidade de definirmos o processo
isobárico (pressão constante), pois na definição
de trabalho termodinâmico, já vimos como
neste processo, o gás realiza e recebe trabalho.
Processo Adiabático
Um processo realizado de modo que o 
sistema não receba nem forneça calor é 
chamado adiabático.
Para Q = nulo, então, DU = trabalho
Processo Isotérmico
No processo isotérmico, a 
temperatura permanece constante, 
portanto a variação da energia
interna é nula, todo o calor recebido 
é convertido em trabalho.
T = cte, portanto (P1/T1) = (P2/T2)
Processo Isométrico
Outro processo que merece atenção é
quando o sistema opera de maneira que o volume
permanece constante, ou seja , não realiza
e nem recebe trabalho.
Trabalho nulo = volume constante
Temos t= 0, então, Q = DU.
MÁQUINAS DE FLUXO
2ª lei da Termodinâmica
Clausius: É impossível um sistema operar
de modo que o único efeito resultante seja
a transferência de energia na forma de calor,
de um corpo frio para um corpo quente.
Exemplo: Refrigerador
Kelvin-Planck: É impossível para qualquer
sistema operar em um ciclo termodinâmico
e fornecer trabalho líquido para sua
vizinhança trocando energia na forma de calor
com um único reservatório térmico.
MÁQUINAS DE FLUXO
MÁQUINAS DE FLUXO
hl (hf)
hv (hg)
hlv (hfg)
Vl (vg)
Vv (vg)
Vlv (vfg)
sl (sf)
sv (sg)
slv (sfg)
entalpia do líquido
entalpia do vapor
entalpia de vaporização
volume específico do líquido
volume específico do vapor
volume específico de vaporização
entropia do líquido
entropia do vapor
entropia de vaporização
kcal/kg (btu/lb)
kcal/kg (btu/lb)
kcal/kg (btu/lb)
m3/kg (ft3/lb)
m3/kg (ft3/lb)m3/kg (ft3/lb)
kcal/kg°C(btu/lb°F)
kcal/kg°C(btu/lb°F)
kcal/kg°C(btu/lb°F)
Tabelas de vapor saturado
P – pressão absoluta – kgf/cm2 (lb/in2)
T – temperatura – °C (°F)
MÁQUINAS DE FLUXO
p
T
h
V
s
pressão absoluta
temperatura
entalpia
volume específico
entropia
kgf/cm2 (lb/in2)
°C (°F)
kcal/kg (btu/lb)
m3 /kg (ft3/lb)
kcal/kg°C(btu/lb°F)
MÁQUINAS DE FLUXO
MÁQUINAS DE FLUXO
MÁQUINAS DE FLUXO
MÁQUINAS DE FLUXO
MÁQUINAS HIDRÁULICAS
MÁQUINAS HIDRÁULICAS
OBRIGADO