APS TURBINA

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Curso: ENGENHARIA MECÂNICA 
Disciplina: TURBINAS À GÁS, VAPOR E CALDEIRAS. 
Período: 8º 
Professor: Sérgio Souza Dias 
Aluna: Pâmela Berçot dos Santos Monteiro 
Matrícula:1400846 
Proposta de APS 
N° APS: 
1 – V1 
Carga Horária: 
2 h/a 
Data de Aplicação: 
Agosto/2016 
Tema: 
Descrição de funcionamento das Turbinas à Gás e a Vapor. 
Objetivo: 
Fazer um trabalho de pesquisa a Catálogos, Empresas e Sites de Fabricantes de Turbinas à Gás e 
Vapor. 
Competências : Levar em conta a fundamentação teórica aprendida em sala de aula. 
 
Fundamentação Teórica 
Pesquisa e Identificação de elementos e funcionamento de Turbinas à Gás e Vapor. 
 
Atividades 
1ª) Explique o princípio de funcionamento de uma turbina a gás indicando os principais componentes 
desta. 
 
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 de expansão. 
 
 
2ª) Explique o funcionamento e as diferenças entre os compressores radiais e os compressores axiais. 
 
Os compressores rotativos axiais são máquinas de fluxo nas quais a compressão é obtida 
por aceleração axial do fluido. Portanto nesses compressores o fluxo do fluido é paralelo a seu 
eixo. É um compressor dinâmico formado por um ou mais estágios de compressão, sendo cada 
estágio composto por um par rotor/estator, onde o fluido de trabalho escoa paralelo ao eixo do 
rotor. O estator é formado por palhetas estacionárias (fixas) enquanto o rotor é envolvido por 
uma série de palhetas móveis. 
Os compressores radiais são adequados a gases venenosos, inflamáveis, em que se 
precisa comprimir uma grande quantidade de gás a uma alta pressão. 
 
 
3ª) Quais são os componentes básicos de uma câmara de combustão de uma turbina a gás? 
 
A câmara de combustão, também conhecida como combustor, é o componente da turbina 
a gás onde ocorre a combustão, ou seja, onde o combustível é queimado, promovendo o 
aumento expressivo da temperatura do ar. Sendo composta por: bico injetor de combustível, 
zona primária, zona intermediária e zona de diluição. 
 
 
4ª) Quais são os principais requisitos no projeto de uma câmara de combustão de uma turbina a gás? 
 
O projeto da câmara de combustão deve garantir o resfriamento adequado da camisa, 
combustão completa, estabilidade da chama e baixa emissão de fumaça (monóxido de carbono, 
hidrocarbonetos e óxidos de nitrogênio-NOX). 
 
 
5ª) Sabemos que o ar é introduzido na câmara de combustão em estágios. Explique a função do ar 
primário, secundário e terciário na câmara de combustão. 
 
As câmaras de combustão são responsáveis pela queima da mistura de ar e combustível e 
aumentam com isso a energia ‘entregue’ ao fluido. Nessa queima se atinge temperaturas 
elevadíssimas de até 2700 °C que não pode entrar em contato com o próximo estágio de 
paletas da turbina, pois haveria fusão do material das mesmas. Para isso há um fluxo de ar 
secundário que não é queimado e passa em volta da chama para resfriar os gases queimados. 
Esse ar secundário também tem como finalidade fornecer uma quantidade de ar para queima 
suficiente para que a chama não apague devido à alta concentração de oxigênio, sendo o ar 
primário o único que é queimado. 
 
6ª) Fale sobre os tipos e características principais das câmaras de combustão de turbinas a gás. 
 
Os combustores utilizados em uma turbina a gás podem ser do tipo: tubular, tubo-anular, 
anular e externo. 
A câmara de combustão tubular é usada em turbinas industriais de médio e 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, a área frontal é um dado importante. Os combustores 
empregados são do tipo tubo-anular ou anular. Esses combustores produzem uma distribuição 
circunferencial bastante uniforme de temperaturas, na entrada do primeiro estágio da turbina. 
Embora seja de desenvolvimento mais difícil, a câmara de combustão anular é a mais 
empregada em turbinas aeronáuticas modernas, devido ao seu tamanho e à taxa de calor 
liberada. 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. 
 
7ª) Explique o efeito dos seguintes parâmetros na eficiência térmica de uma unidade de potência com 
turbina a gás; temperatura na entrada do compressor, temperatura na entrada da turbina e razão de 
compressão no compressor. 
 
 Turbinas projetadas para operar em ciclo simples, tendo em vista a eficiência térmica do 
ciclo, têm temperatura de saída de gases reduzida ao máximo e têm otimizada taxa de 
compressão. A taxa de compressão é a relação entre a pressão do ar na entrada da turbina e 
na saída do compressor. Por exemplo, se o ar entra a 1 atm, e deixa o compressor a 15 atm, a 
taxa de compressão é de 1:15. 
 
8ª) Sabe-se que o aumento de temperatura na entrada da turbina melhora o rendimento térmico das 
turbinas a gás e que este aumento é limitado por aspectos de resistência de materiais. Quais são as 
soluções tecnológicas para poder trabalhar com temperaturas mais elevadas na entrada da turbina. 
 
 O tipo de material com que a turbina será construída é o principal ponto a ser trabalhada, 
devendo ser constituída de material resistente as altas temperaturas que seu ciclo opera, 
normalmente empregam-se tungstênio, vanádio e outras ligas de alta resistência térmica. 
 
9ª) Explique e justifique os efeitos provocados pela injeção de água ou vapor na entrada da câmara de 
combustão de uma turbina a gás. 
 
 A injeção de refrigerante na câmara de combustão aumenta a massa do fluxo de ar 
através da turbina, em relação àquela que passa através do compressor. A queda de pressão e 
temperatura através das turbinas é reduzida e com isso tem-se um aumento da pressão na 
saída dos gases o que acarreta num aumento de potência (empuxo). A consequente redução na 
temperatura de entrada da turbina devido a injeção de água, permite ao sistema de combustível 
programar um aumento no fluxo de combustível para uma dado valor que possibilitará num 
aumento na rotação máxima do motor, com isso adquirindo um empuxo adicional 
 
10ª) Como funciona um ciclo combinado de potência formado por uma turbina a vapor e uma turbina a 
gás? 
 
 Uma usina que opera em ciclo combinado usa turbinas a gás e a vapor associadas em 
uma única planta, ambos gerando energia elétrica a partir da queima do mesmo combustível. 
Para isto, o calor existente nos gases de exaustão das turbinas a gás é recuperado, produzindo 
o vapor necessário para o acionamento da turbina a vapor. 
 
11ª) 
 
Se o deslocamento da caixa ocorre com velocidade constante, a magnitude das forças citadas apresenta 
a seguinte relação: 
(A) Fp = Fc = Fa 
(B) Fp > Fc = Fa 
(C) Fp = Fc > Fa 
(D) Fp = Fc < Fa 
Resposta: Letra C. 
12ª) Considere uma turbina a gás, que opera em modo fechado, analisada por meio do ciclo de ar-
padrão Brayton, conforme figura a seguir acompanhada do diagrama T × s (temperatura versus 
entropia específica) correspondente. 
 
 
 
Sob essas condições, avalie as afirmações que se seguem. 
 
I. De acordo com as hipóteses de uma análise de ar-padrão, o aumento de temperatura que seria obtido 
no processo de combustão é alcançado por transferênciade calor de uma fonte externa para o fluido de 
trabalho. Esse fluido de trabalho é considerado o ar como gás ideal. 
 
II. O ar, ao passar pela turbina, sairia para a atmosfera em uma condição de temperatura mais alta do 
que quando foi admitido ao compressor. No ciclo de ar-padrão Brayton, idealiza-se um trocador de calor 
entre a turbina e o compressor, para rejeição de calor, a fim de reduzir a temperatura na saída da turbina 
aos níveis da entrada no compressor. 
 
III. Um ciclo de ar-padrão Brayton é composto por quatro equipamentos: um compressor que eleva a 
pressão do ar para sua entrada na turbina, um trocador de calor que é responsável pelo aumento da 
temperatura para a entrada do ar na turbina, uma turbina e outro trocador de calor que reduz a 
temperatura do ar na saída da turbina, aos mesmos níveis de sua entrada no compressor. 
 
 
 
É correto o que se afirmar em 
 a) I, apenas. 
 b) II, apenas. 
 c) I e III, apenas. 
 d) II e III, apenas. 
 e) I, II e III. 
Resposta: Letra E. 
 
 
13ª) Turbinas a gás de fluxo axial apresentam muitas similitudes com turbinas a vapor. Entre essas 
similitudes inclui-se o(s) 
 a) mesmo rendimento térmico dos ciclos termodinâmicos representativos 
 b) uso de hélio como fluido de trabalho 
 c) uso de palhetas retas em todos os estágios 
 d) uso para geração de eletricidade 
 e) problemas gerados pela condensação de vapor 
Resposta: Letra E. 
 
 
14ª) Cogeração é o nome dado a um sistema de eficiência energética elevada, baseada na geração 
simultânea de energias elétrica e térmica a partir de um combustível renovável ou não renovável. 
Exemplos de fontes renováveis são: biomassa florestal, bagaço da cana, óleos vegetais, casca de arroz e 
lixo, enquanto que na categoria das não renováveis estão diesel, óleo combustível, gás natural, carvão 
mineral e urânio. Duas características da cogeração são 
a) menores impactos ambientais e menor dependência do supridor de energia elétrica. 
b) menor dependência do supridor de energia elétrica e maior risco de falta de energia. 
c) maior risco de falta de energia e menor receita com a venda de excedentes. 
d) menor receita com a venda de excedentes e menores impactos ambientais. 
 
Resposta: Letra A 
 
 
 
 
15ª) 
 
A geração de energia elétrica a partir de usinas termelétricas ganhou espaço no parque gerador 
brasileiro nos últimos anos. A tecnologia a ciclo combinado, onde sistemas de geração a gás e vapor 
operam em conjunto, tem sido empregada nessas usinas. A figura acima apresenta um esquema 
simplificado do princípio de funcionamento de uma usina termelétrica a ciclo combinado. Na figura, os 
elementos indicados pelas letras G, H e J correspondem, respectivamente, a 
a) turbina a vapor, condensador e evaporador. 
b) admissão, turbina a vapor e evaporador. 
c) condensador, bomba de circulação e evaporador. 
d) compressor, turbina a gás e torre de resfriamento. 
e) compressor, turbina a vapor e condensador. 
Resposta: Letra E 
 
 
16ª) As turbinas a vapor são máquinas capazes de aproveitar a energia interna do vapor e convertê-la 
em energia cinética, através do escoamento do vapor pelas palhetas móveis. Em geral, nas aplicações de 
geração de energia elétrica, no nível de Sistemas Elétricos de Potência (SEP), as turbinas a vapor 
empregadas são de: 
 
a) condensação com múltiplos estágios . 
b) condensação com um único estágio. 
c) contrapressão com múltiplos estágios. 
d) contrapressão com um único estágio. 
e) evaporação com único estágio. 
Resposta: Letra A. 
 
 
 
 
17ª) A geração de energia elétrica por meio de termelétricas a carvão mineral tem ganho espaço 
recentemente no Brasil, apesar das diversas questões ambientais envolvidas. Sobre essa fonte de 
energia, analise as afirmativas a seguir. 
 
I – O carvão brasileiro é caracterizado por seu alto poder calorífico, com baixo teor de enxofre, sendo 
que os processos de beneficiamento necessários não oneram seus custos. 
II – A competitividade do carvão no Brasil é afetada pelos custos elevados de produção, pelos encargos 
de preservação ambiental como também pela disponibilidade de gás natural junto às áreas produtoras. 
III – O esforço no desenvolvimento de tecnologias limpas no uso do carvão para geração de energia 
elétrica está associado, principalmente, ao fato de ser o combustível fóssil mais poluente entre os demais. 
Está correto o que se afirmar em: 
 
a) I, apenas. 
b) II, apenas. 
c) I e III, apenas. 
d) II e III, apenas. 
e) I, II e III. 
Resposta: Letra D. 
 
 18ª) A Central Termelétrica a Ciclo Combinado, cujos gases obtidos na combustão transferem calor 
diretamente à Turbina a Vapor antes de se expandir na Turbina a Gás, caracteriza a configuração de 
uma Central: 
a) a Ciclo Aberto. 
b) a Ciclo Fechado. 
c) em Série. 
d) em Paralelo. 
e) em Série-Paralelo 
 
Resposta: Letra D. 
 
 
19ª) Para aumentar a eficiência de Centrais Termelétricas a Vapor de grande capacidade, é muito 
utilizado o reaquecimento do vapor junto ao aquecimento regenerativo, método que: 
a) tem como limitação a dificuldade de manter a umidade do vapor dentro dos limites adequados. 
b) tem maior eficiência do ciclo, quanto maior for o salto térmico do reaquecimento. 
c) pode propiciar a redução da eficiência do ciclo, se houver a necessidade de um 
consumo adicional de combustível. 
d) verifica um aumento da umidade no último estágio da turbina. 
e) Terá maior eficiência que o ciclo convencional. 
 
Resposta: Letra C. 
 
20ª) Em um processo fabril composto de dois estágios, observa-se que a energia térmica liberada pelo 
primeiro estágio é utilizada no processo do segundo. Um engenheiro, a fim de diminuir o consumo total 
de energia da fábrica, utiliza essa mesma energia térmica para gerar energia elétrica por meio de um 
processo de cogeração. Com essa solução, a planta industrial: 
 
a) terá um ganho energético. 
b) terá uma perda energética. 
c) terá ganho ou perda energética, dependendo da quantidade de energia utilizada pelo segundo 
estágio. 
d) terá ganho ou perda energética, dependendo dos rendimentos dos equipamentos. 
e) ficará inalterada em termos de balanço energético. 
 
Resposta: Letra B.