Trabalho seguindo as normas ABNT - Tema - Turbinas a vapor

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INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO 
 ENGENHARIA MECÂNICA
ADEMIR BECCALLI JUNIOR
GUILHERME MALOVINI
JOÃO CARLOS BRITO
RENAN CORRÊA FARDIN
WESLEY ANTONIO DE OLIVEIRA DA SILVA
TURBINAS A VAPOR
ARACRUZ-ES
2021
ADEMIR BECCALLI JUNIOR
GUILHERME MALOVINI
JOÃO CARLOS BRITO
WESLEY ANTONIO DE OLIVEIRA DA SILVA
TURBINAS A VAPOR
Trabalho apresentado como requisito de avaliação ao curso de Engenharia Mecânica, do Instituto Federal do Espirito Santo – Ifes Campus Aracruz, referente a disciplina de Metodologia Científica, ministrada pelo professor João Paulo Rodrigues Martins. 
ARACRUZ-ES
2021
REMUMO
A crise energética ocorrida nos anos 90, no Brasil, abriu os olhos da nação para a necessidade de procurar por novas fontes de energia e processos que fossem mais rentáveis economicamente e no âmbito ambiental. Para que se mudasse a forma como a energia era produzida e distribuída, muitas pesquisas foram feitas em diversas áreas, sendo a de turbina a gás uma das quais recebeu maior foco de atenção nos últimos anos. Nesse sentido, têm sido desenvolvidos e implantados, nas últimas décadas, ciclos combinados com base no ciclo de Brayton e ciclos regenerativos que permitem uma melhor utilização das turbinas a gás, aumentando seu rendimento para valores acima de 50%. Além disso, têm tem sido produzidas classes de turbinas a gás (E, F e H) com inovações que permitem a obtenção de rendimentos ainda melhores, sendo a classe H capaz de obter potências de até 400 megawatts para geração de energia
Palavras Chave: Turbinas a gás; rendimento;
ABSTRACT
The energy crisis that occurred in Brazil in the 1990s has opened the nation's eyes to the need of searching for new sources of energy and processes that were more economically and environmentally profitable. In order to change the way energy was distributed, researches were made in several areas, the one of the gas turbine being one of those which received a greater research focus over the years. For the focus of the gas turbine, it has been developed in the past decades, combined cycles based on the Brayton cycle and regenerative cycles that allow a better use of the gas turbines increasing their yield to values above 50%, besides these cycles, it has been developed classes of gas turbines (E, F and H) which allow the turbine to obtain even better yields, the class H being able to obtain power of 400 MegaWatts for power generation
Keywords: Gas Turbine, efficiency, energy,
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS	6
1.	Introdução	7
2.	Como funciona uma turbina a vapor?	8
3.	Porque a turbina a vapor tem um formato escalonado?	9
4.	Exemplo de aplicação	10
4.1	Exemplos de uso de turbinas a vapor na indústria:	10
5.	Classificação das turbinas a vapor	11
A classificação das turbinas a vapor é normalmente feita segundo:	11
5.1	TURBINAS DE AÇÃO E DE REAÇÃO	11
5.2	TURBINAS DE ADMISSÃO TOTAL E PARCIAL	11
5.3	TURBINAS A VAPOR QUANTO À DESCARGA	12
5.4	AS TURBINAS A VAPOR PODEM SER CLASSIFICADAS SEGUNDO OS SEGUINTES CRITÉRIOS:	12
6.	Vantagens e Desvantagens da Turbina a Vapor	14
Vantagens da Turbina a Vapor	14
6.1	Desvantagens da Turbina a Vapor	14
7.	Manutenção das turbinas a vapor	15
7.1	Como preservar o bom funcionamento das turbinas a vapor	15
7.2	Manutenção diária das turbinas a vapor	16
Referências bibliográficas	18
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Turbina a Vapor	6
Figura 2 - Vapor passando entre as palhetas e fazendo a roda girar	7
Figura 3 - Formato escalonado de uma turbina	8
Figura 4 - Demonstrativo do funcionamento da turbina a vapor	9
Figura 5 - Turbina de Admissão Total	10
Figura 6 - Manutenção em Turbina a Vapor	14
Figura 7 - Processo de manutenção	16
1. Introdução
Uma turbina a vapor é uma máquina motriz que utiliza a elevada energia cinética da massa de vapor expandido, fazendo com que forças consideráveis, devidas à variação de velocidade, atuem sobre as pás ao rotor. As forças, aplicadas às pás, determinam um momento motor resultante, que faz girar o rotor. São usadas para o acionamento de geradores elétricos, compressores, turbo bombas sopradores, etc.4
Figura 1 - Turbina a Vapor
Fonte: http://cntq2.hospedagemdesites.ws/wp-content/uploads/2013/05/Turbinas-a-vapor-1.pdf.
São máquinas térmicas que transformam energia do escoamento contínuo do fluido em energia mecânica por meio de rotação. São frequentemente utilizadas em conjuntos de acionamento de diversos tipos de equipamentos, dentre eles geradores e moendas em usinas de açúcar e álcool. As turbinas podem ser classificadas em dois princípios básicos de funcionamento: por ação ou reação, elas diferem basicamente na forma como ocorre a redução de pressão do vapor.4
2. Como funciona uma turbina a vapor?
No interior das turbinas existem muitas peças as quais falaremos ao longo dos assuntos. Mas hoje vamos destacar e tratar uma das mais importantes que são as palhetas.
Toda palheta de uma turbina a vapor contém um perfil aerodinâmico que ocasiona uma diferença de pressão quando o vapor passa por ela.
Então basicamente, o processo é o seguinte:
1° O vapor entra na turbina a uma determinada temperatura e pressão;
2° O vapor é direcionado para uma peça (placa expansora ou diafragma) que direciona todo o fluxo do vapor para as palhetas;
3° As palhetas estão fixadas em rodas, que por sua vez estão ligadas a um eixo ou o rotor da turbina;5
Figura 2 - Vapor passando entre as palhetas e fazendo a roda girar
Fonte: https://turbivap.com.br/funcionamento-turbina-a-vapor/.
Palhetas, onde em cima do perfil, ou seja, por dentro da palheta ocorre uma pressão maior e por fora, uma pressão menor do vapor.
Essa diferença de pressão ajudada pela força de ação e reação de Newton, cria uma espécie de força de sustentação, e é essa força a responsável por fazer o rotor girar. TURBIVAP ,2020, (ONLINE)
3. Porque a turbina a vapor tem um formato escalonado?
Esse visual escalonado das turbinas a vapor, ou seja, rodas e palhetas sucessivamente maiores ao longo da turbina tem a função de acomodar toda a expansão do vapor.
 
Em qualquer sistema fechado, físico ou químico, nunca se cria nem se elimina matéria, apenas é possível transformá-la de uma forma em outra.
Figura 3 - formato escalonado de uma turbina
Fonte: https://turbivap.com.br/funcionamento-turbina-a-vapor/.
Então, a massa de vapor que entra na turbina obrigatoriamente tem que ser a mesma da saída da turbina.
Além disso, todo sistema pressurizado como uma turbina, que tem o vapor como combustível, toda vez que o ocorre a queda de pressão no processo ocorre um aumento do volume, portanto o fluxo de vapor aumenta.
Para acomodar esse aumento do fluxo de vapor, temos que fazer o aumento das palhetas (áreas de passagem) para manter a velocidade do sistema. Caso contrário a velocidade poderia ser elevada a níveis críticos a ponto de superar os níveis de resistência dos materiais das rodas e palhetas. 
Outro detalhe é que as palhetas menores estão submetidas a temperaturas e pressões mais altas, enquanto que as palhetas maiores sofrem maiores esforços e solicitações mecânicas. TURBIVAP ,2020, (ONLINE)
4. Exemplo de aplicação
São usadas industrialmente principalmente para o acionamento de geradores elétricos, propulsão, compressores, turbo bombas, sopradores entre outras aplicações.
· Centrais termelétricas (convencionais e nucleares para geração de energia elétrica) 
· Propulsão de navios e submarinos 
· Acionamento de máquinas em geral como bombas, compressores, geradores elétricos, ventiladores, secadores de papel, etc.
Figura 4 - Demonstrativo do funcionamento da turbina a vapor
Fonte: https://pt.slideshare.net/GustavoMeloo/fsiicaa
4.1	Exemplos de uso de turbinas a vapor na indústria:
· Usina de Açúcar e Álcool 
· Indústria de Papel e Celulose;
· Indústria Petroquímica 
· Indústria Alimentícia
· Usinas de Processamento de Lixo3
5. Classificação das turbinas a vapor
A classificação das turbinas a vapor é normalmente feita segundo: 
· O modo de atuação do vapor
· O número de estágios
· O númerode pás sobre as quais incide o vapor
· As condições do vapor à descarga da turbina3
5.1	TURBINAS DE AÇÃO E DE REAÇÃO 
Segundo o modo de atuação do vapor no rotor as turbinas a vapor podem ser de ação e de reação. Nas turbinas de ação o vapor se expande unicamente no sistema diretor da máquina (bocais ou canais diretrizes expansores) e não nos canais móveis do rotor, de modo que a pressão sobre as faces das palhetas não varia sensivelmente. 
Os bocais ou canais diretrizes podem ser de paredes convergentes ou de paredes convergentes-divergentes, quando o vapor se expande também nos canais móveis do rotor, de modo que a pressão à entrada do mesmo é maior que na saída, a turbina é dita por ser de reação. Algumas turbinas de reação de vários estágios possuem um estágio de ação, no qual acontece uma queda elevada de pressão. Isso determina uma turbina menor e de menor custo. As turbinas a vapor de mono estágio apresentam um único rotor que em geral é um estágio de ação.3
5.2	TURBINAS DE ADMISSÃO TOTAL E PARCIAL 
Estas turbinas são assim classificadas conforme o número de pás sobre as quais incide o vapor. As turbinas são de admissão total quando o vapor é admitido por toda a periferia do rotor, ou seja, o vapor incide simultaneamente sobre todas as pás do rotor. As turbinas são de admissão parcial quando o vapor incide somente em uma parte do rotor. 3
Figura 5 - Turbina de Admissão Total
Fonte: https://pt.slideshare.net/GustavoMeloo/fsiicaa.
5.3	TURBINAS A VAPOR QUANTO À DESCARGA 
As turbinas a vapor se classificam ainda quanto as condições do vapor no escape, ou seja:
· Turbina de escape livre, se o vapor sai diretamente na atmosfera; 
· Turbina de condensação, se o vapor é conduzido a um condensador; 
· Turbina de contrapressão, quando o vapor de descarga é conduzido a um processo em particular. Neste caso a pressão do vapor na descarga é ligeiramente superior à atmosférica; 
· Turbinas combinadas, quando uma parte do vapor é extraído em estágios intermediários da máquina e conduzido a outros equipamentos (trocadores de calor, por exemplo); o vapor restante continua sua expansão pelos estágios de menor pressão da turbina.3
5.4	AS TURBINAS A VAPOR PODEM SER CLASSIFICADAS SEGUNDO OS SEGUINTES CRITÉRIOS: 
· 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. 3
· 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, que 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. 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 
· 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. 3
· 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 a 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.) 3
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.
· 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 doutra máquina térmica (por ex.: a máquina a vapor, a turbina de contrapressão, etc.). A maioria delas são de vapor saturado.3
6. Vantagens e Desvantagens da Turbina a Vapor
Vantagens da Turbina a Vapor 
· Utilização de vapor a alta pressão e alta temperatura. 
· Alta eficiência. 
· Alta velocidade de rotação. 
· Alta relação potência/tamanho. 
· Operação suave, quase sem vibração. 
· Não há necessidade de lubrificação interna. 
· Vapor na saída sem óleo. 
· Pode ser construído com diferentes potências: unidades pequenas (1 MW) ou muito grandes (até 1200 MW). 1
6.1	Desvantagens da Turbina a Vapor 
· É necessário um sistema de engrenagens para baixas rotações. 
· A turbina a vapor não pode ser feita reversível. 
· A eficiência de turbinas a vapor simples e pequenas é baixa1.
7. Manutenção das turbinas a vapor
Para uma perfeita conservação e manutenção de turbinas a vapor, existem procedimentos diários, semanais, mensais e anuais. Dentro dos procedimentos da manutenção de turbinas a vapor são realizadas a inspeção (determinação e avaliação do estado atual do equipamento e de seus componentes) e a revisão (restauração da condição inicial do equipamento). 2
Com o passar do tempo, as turbinas a vapor sofrem desgastes em seus componentes. Esses desgastes podem ser classificados como: naturais, fadiga, corrosão e falhas e/ou rupturas repentinas. A manutenção de turbinas a vapor pode ser efetuada também de forma preventiva com inspeções, revisão parcial e revisão completa do equipamento. MURADÁS, 2017, (ONLINE)
Figura 6 - Manutenção em Turbina a Vapor
Fonte: https://www.muradas.com.br/index.php/news/124-manutencao-de-turbinas-a-vapor
7.1	Como preservar o bom funcionamento das turbinas a vapor
O foco da manutenção de turbinas a vapor é dar condições para que a máquina e os equipamentos funcionem no seu melhor potencial – isto tem a ver com a preservação dos componentes e também com o reparo das falhas.2
E aqui temos que considerar dois aspectos importantíssimos, sendo:
I – A inspeção, que é a avaliação do estado atual dos componentes,
II –A revisão, que restaura as melhores condições do equipamento.2
E isso precisa ser feito da forma certa porque com o passar do tempo, todas as turbinas a vapor sofrem desgaste, perdendo eficiência e confiabilidade
Isso pode resultar em vibrações elevadas, aquecimento de mancais, perda de eficiência, incêndio ou até quebra do equipamento.
7.2	Manutenção diária das turbinas a vapor
O 1º ponto para fazer a manutenção de turbinas a vapor é considerar a inspeção diária desses equipamentos como forma de verificar possíveis anormalidades ou falhas, fazendo ajustes necessários ou programando uma parada para manutenção mais abrangente.
A ideia é apenas executar a verificação de itens que podem prejudicar o funcionamento dessas turbinas sendo que vai haver a troca de peças ou inclusão de serviços apenas em casos identificados como necessários.2
Então, o que se deve observar nesse tipo de manutenção das turbinas a vapor? Você verificar os seguintes pontos:
· Os níveis e temperaturasde óleo,
· A temperatura dos mancais,
· Vazamentos de vapor
· Vazamentos de óleo
· Níveis de vibração
· Ruídos (sons diferentes do que são habituais).2
A manutenção semanal das turbinas a vapor cuida da manobra da válvula de admissão a fim de prevenir contra “colagem” devido a depósitos pegajosos e à corrosão. Na manutenção mensal deve-se trocar o óleo, examinar os barramentos do sistema de regularização do movimento e checar a operação com velocidade acima do normal. 
Na manutenção anual das turbinas a vapor é importante verificar todas as folgas e ajustagens, remover e limpar a tela retentora de impurezas do óleo, inspecionar a válvula do regulador de velocidade, inspecionar e limpar a válvula de admissão, desmontar, limpar e inspecionar os elementos da cadeia cinemática, examinar se nos mancais há desgaste e, se necessário, substituir os componentes, verificar e limpar os reservatórios de óleo e sua câmara de resfriamento, examinar o rotor, discos e lâminas e demais recomendações que podem ser obtidas por empresas que realizam este tipo de serviço.2
Figura 7 - Processo de manutenção
Fonte: https://www.muradas.com.br/index.php/news/124-manutencao-de-turbinas-a-vapor
Referências bibliográficas 
1. DIMAN SERVIÇOS MECÂNICOS (SP). MANUTENÇÃO DE TURBINAS A VAPOR. In: MANUTENÇÃO DE TURBINAS A VAPOR. Ribeirão Preto-SP, 15 maio 2017. Disponível em: https://www.diman.com.br/manutencao-turbinas-vapor. Acesso em: 15 maio 2021.
2. MURADÁS MANUTENÇÃO MONTAGEM. MANUTENÇÃO DE TURBINAS A VAPOR. In: MURADÁS MANUTENÇÃO MONTAGEM. MANUTENÇÃO DE TURBINAS A VAPOR. [S. l.], 20 ago. 2017. Disponível em: https://www.muradas.com.br/index.php/news/124-manutencao-de-turbinas-a-vapor. Acesso em: 15 maio 2021.
3. DE MELO, Gustavo. Turbina a vapor. In: DE MELO, Gustavo. Maquinas térmicas: Turbinas a vapor. 27/06/2013. Apresentação de slide (3° periodo) - Universidade tecnológica de federal do parana, [S. l.], 27/06/2013. Disponível em: https://pt.slideshare.net/GustavoMeloo/fsiicaa. Acesso em: 15 maio 2021.
4. OFICINA DE TRABALHO – NR13. Oficina de Trabalho – NR13. Turbina a vapor. In: CONFERARAÇÃO NACIONAL DO TRABALHADORES NO RAMO QUIMICO. Maquinas térmicas. [S. l.: s. n.], 06/07/2013. Disponível em: http://cntq2.hospedagemdesites.ws/wp-content/uploads/2013/05/Turbinas-a-vapor-1.pdf. Acesso em: 15 maio 2021.
5. TURBIVAP. Funcionamento TURBINA A VAPOR. In: Funcionamento TURBINA A VAPOR. [S. l.], 28 abr. 2020. Disponível em: https://turbivap.com.br/funcionamento-turbina-a-vapor/. Acesso em: 15 maio 2021.