turbinas

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TURBINAS
NADSON FERREIRA & RODRIGO S. DE SANTANA 
05/06/2021
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	Essa pesquisa tem como objetivo, à exposição sistemática da sobre turbinas , a luz da física, com intuito de gerar aprendizados por meio conceitos teóricos), e expor os campos de aplicação do tema aos alunos dos cursos de engenharia. 
Turbinas
CONCEITO
 A Turbina é uma máquina construída para captar e converter energia mecânica e térmica contida em um fluido em trabalho de eixo. Os principais tipos encontrados são:
Turbinas a vapor, Turbinas a gás, Turbinas hidráulicas, Turbinas aeronáuticas e
Turbinas eólicas.
A forma construtiva básica é a mesma para todos os tipos: um rotor dotado de um certo número de pás ou palhetas ligado a um eixo que gira sobre um conjunto de mancais de deslizamento ou mancais de pastilha (mancais de rolamento, por questões de durabilidade não são usados).
As turbinas podem ser usadas para movimentar um outro equipamento mecânico rotativo, como uma bomba, compressor ou ventilador, ou podem ser usadas para a geração de eletricidade, e nesse caso são ligadas a um gerador. Também têm aplicação na propulsão naval e aeronáutica.
Todos os tipos podem ter uma rotação fixa ou variável, dentro de uma determinada faixa. Contudo, quando são usadas para geração de energia elétrica a rotação costuma ser mantida num valor fixo para manter a frequência da rede constante.
 Turbina para veículos. (Foto: Pixabay)  
O. Turbina a gás (Foto: Desconhecido)  
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 Os A principal diferença entre os diversos tipos é o fluido de trabalho. Em decorrência disso, é claro, há outras, tais como a temperatura máxima de operação, a potência máxima, a vazão mássica de fluido, a pressão de trabalho, os detalhes construtivos e as dimensões.
As maiores já construídas em termos de dimensões são as turbinas hidráulicas; as que trabalham a maiores temperaturas são as turbinas a gás, e as que são submetidas a maior pressão são as turbinas a vapor.
Todos os tipos possuem aplicação em uma ampla faixa de potência, que pode variar de 300 kW, para acionamento de ventiladores, até 1200 MW, estas últimas em instalações nucleares.
As turbinas tem 2 aspectos principais que as caracterizam:
Potência
Eficiência. 
Turbina JT8D de um Boeing 737-200 
Turbina hidrelétrica Pelton.
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FUNÇÃO
	A Turbina a Vapor é um equipamento que aproveita a energia calorífica do vapor (Energia Potencial), que é transformada em Energia Cinética devido a sua expansão através dos bocais. Esta energia será transformada em Energia Mecânica de rotação devido a força do vapor agindo sobre as pás rotativas. Essa energia mecânica pode ser utilizada para mover equipamentos e quando acoplado um gerador a turbina a vapor, se obtém a transformação da energia mecânica em energia elétrica.
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
	No caso ideal, a expansão do vapor no interior da turbina é isentrópica , isto é, ocorre em entropia constante desde a admissão até a descarga. O caso ideal é puramente teórico porque pode ocorrer apenas na ausência total de perdas (devido a atrito, turbulência, etc.). Devido a essas perdas, que ocorrem em qualquer processo termodinâmico real, a entropia de vapor aumenta durante a expansão da turbina. A expansão isentrópica é, portanto, tomada como uma comparação para determinar a eficiência isentrópica de uma turbina real. Esse parâmetro, dependendo do tipo de aplicação e tamanho da turbina, pode variar de 20% a 90%.
O vapor se expande na turbina por várias etapas sucessivas. Essa medida serve para, 
Turbina a Vapor
Principais tipos de Turbinas e suas funções
 
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melhorar a eficiência geral da turbina. Cada estágio consiste de dois conjuntos de lâminas: as do estator (ou bicos) são fixas e integrais com o revestimento da turbina 
CARACTERÍSTICAS COSNTRUTIVAS
A turbina é composta, basicamente de: • Rotor (roda móvel) • Estator (roda fixa) • Bocais • Palhetas • Diafragmas.
Rotor É o elemento móvel da turbina (envolvido pelo estator) cuja função é transformar a energia cinética do vapor em trabalho mecânico através do receptores fixos.
 
O Estator é o elemento fixo da turbina (que envolve o rotor) cuja função é transformar a energia potencial (térmica) do vapor em cinética através dos distribuidores.
 
Bocais A turbina a vapor é alimentada através destes elementos. Seu trabalho é obter uma distribuição adequada de vapor.
 
Diafrágma são constituídos por dois semicírculos, que separam os diversos estágios de uma turbina de ação multi-estágio juntamente com o anel de palhetas. 
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FUNCIONAMENTO
 Palhetas móveis são aquelas fixadas ao rotor, enquanto que palhetas fixas são fixadas no estator. As palhetas fixas (guias, diretrizes) orientam o vapor para a coroa de palhetas móveis seguinte. Já as palhetas móveis tem a finalidade de receber o impacto do vapor proveniente dos expansores (palhetas fixas) para movimentação do rotor.
NORMAS 
NBR 10149 – TURBINAS DE VAPOR PARA SERVIÇOS GERIAIS
1.1 Esta norma prescreve requisitos mínimos necessários para o fornecimento de turbinas a vapor para serviços gerais. 
API STD 612:2014 - Petroleum, petrochemical, and natural gas industries - steam turbines - special-purpose applications especifica os requisitos mínimos para turbinas a vapor para aplicações especiais.
Norma API STD 611 . Esta Norma fixa os procedimentos a serem adotados na Montagem de Turbinas a vapor de Uso Geral.
PROJETO
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FUNÇÃO
	O termo turbina a gás é mais comumente empregado em referência a um conjunto de três equipamentos: compressor, câmara de combustão e turbina propriamente dita. Esta configuração forma um ciclo termodinâmico a gás, cujo modelo ideal denomina-se Ciclo Brayton, concebido por George Brayton em 1870.
Este conjunto opera em um ciclo aberto, ou seja, o fluido de trabalho (ar) é admitido na pressão atmosférica e os gases de escape, após passarem pela turbina, são descarregados de volta na atmosfera sem que retornem à admissão.
A denominação turbina a gás pode ser erroneamente associada ao combustível utilizado. A palavra gás não se refere à queima de gases combustíveis, mas, sim ao fluido de trabalho da turbina, que é neste caso a mistura de gases resultante da combustão. O combustível em si pode ser gasoso, como gás natural, gás liquefeito de petróleo (GLP), gás de síntese ou líquido, como querosene, óleo diesel e até mesmo óleos mais pesados.
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
	 O princípio básico de uma turbina a gás é mostrado no diagrama abaixo. Em primeiro lugar, o ar é comprimido por um compressor, e esse ar comprimido é levado 
Turbina a Gás
para a câmara de combustão. Na câmara de combustão, o combustível é continuamente queimado para produzir gás em alta temperatura e pressão. A turbina a gás industrial faz com que o gás produzido na câmara de combustão seja expandido na turbina (um rotor de pás feito conectando diversas lâminas a um disco redondo) para a produção de energia rotacional, que faz com que o compressor funcione na fase anterior. A energia restante é fornecida com um eixo de saída.
 
 
CARACTERÍSTICAS COSNTRUTIVAS
A turbina a gás é mais simples que podemos imaginar, é constituída basicamente pelos seguintes elementos:
I - Turbocompressor; II - Câmara de combustão; III - Turbina a gás; IV - Alternador; V - Motor de arranque e excitatriz. 
 Compressor de ar da turbina a gás pode ser centrífugo ou axial e ambos estão constituídos por um rotor e um difusor, o que constitui um salto (estágio). 
 
A câmara de combustão pode ser simples ou múltipla. As múltiplas são sempre tubulares e as simples podem ser tubulares e anulares. Por sua vez todos estes tipos podem ser de construção horizontal ou vertical. As de construção horizontal são montadas em cima ou ao redor da turbina a gás; as de construção vertical são montadas ao lado da turbina a gás.
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A Turbina a gás propriamente ditapode ser axial ou radial. As axiais são as mais utilizadas. São constituídas de forma parecida às turbinas a vapor e podem ser de ação ou reação.
 
Trocador de Calor (Regenerador) são utilizados para aquecer o ar que saí do compressor e que se injeta na câmara de combustão, às custas do calor contido nos gases de escape que saem da turbina a gás, aumentando o rendimento.
FUNCIONAMENTO
O ar atmosférico aspirado pelo compressor alimenta a câmara de combustão a uma pressão entre 5 e 8 atm. Na câmara de combustão, se injeta o combustível de forma contínua, por meio de uma bomba adequada. A combustão, que se inicia eletricamente durante o arranque, continua a pressão constante, com temperaturas que alcançam de 650 a 1200oC. Os gases de combustão se expandem sobre o rotor da turbina a gás gerando a energia necessária para acionar o compressor, o gerador e fornecer uma potência útil (30% da potência total).
NORMAS
ISO 19859:2016 – Gas turbine applications – Requirements for power generation – 
Para turbinas a gás, esta norma inclui a definição de especificações de desempenho, segurança, tempo de vida, operacional, manutenção, garantia de qualidade, gestão de projeto, documentação, instalação e comissionamento.
Norma API STD 611 . Esta Norma fixa os procedimentos a serem adotados na Montagem de Turbinas a vapor de Uso Geral.
PROJETO
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FUNÇÃO
	As turbinas hidráulicas são turbinas projetadas especificamente para transformar a energia hidráulica (a energia de pressão e a energia cinética) de um fluxo de água em energia mecânica na forma de torque e velocidade de rotação.
As primeiras turbinas hidráulicas de que se tem notícia foram construídas na colônia romana de Chemtou, na atual Tunísia, no século III ou IV d.C, para acionar moinhos. As primeiras turbinas modernas foram desenvolvidas na França e Inglaterra, no século XVIII, para substituir as rodas de pás como fonte de energia mecânica para fábricas. Nessa aplicação, as turbinas acionavam diretamente as máquinas de fábricas próximas, através de longos eixos ou correias. Desde o final do século XIX elas são usadas quase que exclusivamente para acionar geradores elétricos — quer isoladamente, em fazendas e outros locais isolados, quer agrupadas em usinas ou centrais hidrelétricas.
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
	 Em toda turbina a água entra vindo de um reservatório ou canal de nível mais elevado (e portanto com maior energia) e escapa para um canal de nível mais baixo (e portanto com menor energia). A água de entrada é levada através de um duto fechado até um conjunto de lâminas curvas (palhetas), bocais ou injetores que transferem a energia da água para um rotor. Consequentemente, a pressão e/ou a velocidade da água na saída são menores do que na entrada. A água que sai da turbina é conduzida por um duto, o tubo de sucção, até o reservatório ou canal inferior.
Turbina Hidráulicas
Algumas palhetas são estáticas, outras são fixas no rotor; ambas podem ser ajustáveis para controlar o fluxo e a potência gerada ou, para geração de energia elétrica, a velocidade de rotação. O rotor é suportado axialmente por mancais de escora e contra-escora, e radialmente por mancais de guia. O tubo de sucção geralmente tem diâmetro final maior que o inicial para reduzir a velocidade da água antes de despejá-la no canal inferior.
A potência P que uma turbina pode extrair do fluxo de água será proporcional ao produto da vazão volumétrica (Q) e da queda d'água disponível (H), segundo a fórmula P = ρQHgη; onde ρ é a densidade da água, g é a aceleração da gravidade, e η é a eficiência da turbina, a fração (entre 0 e 1) da energia potencial e cinética da água que é convertida em trabalho mecânico de rotação do eixo ao passar pela turbina. As principais causas da baixa eficiência nas turbinas são as perdas hidráulicas (a energia cinética da água na saída da turbina) e as perdas mecânicas (atrito nos mancais, que converte parte da energia extraída da água em calor). A eficiência típica de uma turbina moderna varia entre 85% e 95%, dependendo da vazão de água e da queda. Para maximizar a eficiência, grandes turbinas hidráulicas são em geral projetadas especificamente para as condições de queda e vazão onde serão instaladas.
 
 
CARACTERÍSTICAS COSNTRUTIVAS
I – Gerador; II – Eixo de acoplamento ; III – Caixa espiral; IV – Mancal de guia; V – Mancal de escora e Rotor . 
 
O Rotor p é composto dde uma estrutura metálica (cubo do rotor) que se acopla ao eixo acionado pela turbina e suporta a coroa do rotor e os polos.
O Gerador a consiste no conjunto rotor-estator que é responsável pela conversão da energia mecânica em energia elétrica.
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O Pré-distribuidor tem a função de suportar as cargas da caixa espiral, tampa da turbina, água que passa em teu interior, e cargas devido ao peso do gerador e das cargas do mancal de escora.
 
Caixa espiral tem a função de distribuir a água uniformemente a água uniformemente ao redor da turbina
FUNCIONAMENTO
Faz-se circular a água presente num tanque situado a um nível mais elevado (com maior energia) para um mais baixo (de menor energia) passando por um conjunto de lâminas curvas, bocais ou injetores que transformam esta energia proveniente da água em movimento de um rotor, removendo energia e velocidade à água. Estas lâminas podem estar estáticas ou fixas no rotor, sendo ambas ajustáveis de forma a que se possa controlar o fluxo e potência gerada, de acordo com a velocidade de rotação. Por seu lado, o rotor é suportado axialmente por mancais de escora e contra-escora e radialmente por mancais de guia.
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NORMAS
NBR11212 DE 10/2015-Turbinas hidráulicas para pequenas centrais hidrelétricas (PCH) — Elaboração de especificações técnicas — Procedimento.
NBR6445 DE 03/2016-Turbinas hidráulicas, turbinas-bombas e bombas de acumulação
NBR 09969 - 1987 - Turbinas Hidrelétricas, Notas de estudo de Engenharia Elétrica
PROJETO
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FUNÇÃO
	As turbinas costumam ser classificadas em 4 tipos distintos:
• Turbohélice: tem todas as partes citadas menos o bocal. Neste caso a turbina não tem a finalidade apenas de gerar potência para mover o compressor, mas também, de fornecer a potência para o propulsor (ou hélices).
• Turbojatos: tem a configuração básica descrita acima. Atualmente seu uso está sendo reduzido em favor do turbofan, mais eficiente e silencioso. Nas versões militares é comum serem encontrados modelos com pós-queimadores. O objetivo do pós queimador é aumentar a potência da turbina em certas situações mais críticas. O princípio consiste em injetar e queimar uma quantidade adicional de combustível no duto de descarga, após a turbina. Isto é possível, pois ainda há uma grande quantidade de oxigênio nestes gases de escape. A grande vantagem é se aproveitar parte da energia térmica de saída dos gases para vaporizar e fazer a ignição do combustível extra. Quando o combustível é queimado há um aumento ainda maior da temperatura dos gases e com isso ocorre sua expansão. Uma vez que a área da seção de saída não aumenta, para que este volume maior de gases escape precisa acelerar para uma velocidade maior. Com isto gera-se um empuxo extra. 
	
Turbinas Aeronáuticas
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
O ar que entra na turbina é “acelerado” por meio de uma reação química, por meio de uma mistura entre o combustível e oxigênio, injetada na câmara, e uma ignição. Dessa forma, o ar sai a uma velocidade maior, gerando uma força que “empurra” o avião. Como a boca de saída da turbina é menor do que a boca de absorção do ar, com a explosão criada na mistura pela ignição, é gerada uma pressão. Essa pressão é o que ocasiona a força, que é diretamente proporcional à vazão mássica de ar acelerado, e a diferença de velocidade dele entre a entrada e a saída da turbina. 
O ar admitido na turbina passa pelo compressor no qual sofre um aumento de temperatura e pressão. Este ar comprimido é admitido numa câmara de combustão, naqual, sua temperatura aumenta rapidamente num processo isobárico. Na saída da câmara de combustão, os gases quentes e a grande pressão são direcionados para uma turbina, normalmente de múltiplos estágios e ligada ao compressor por um eixo. Nela parte da energia dos gases é extraída para mover o compressor. Contudo os gases ainda saem com grande temperatura e velocidade de modo a impulsionar o avião instaladas.
 
 
CARACTERÍSTICAS COSNTRUTIVAS
I – compressor; II – câmara de combustão ; III – turbina; IV – exaustão de gases. 
 
A câmara de combustão local ode o ar já com alta pressão é misturado com o combustível, ocasionando a combustão.
O Compressor adiciona energia ao fluxo de ar e o comprime aumentando a sua pressão e temperatura.
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O a Turbina Os produtos quentes da combustão que saem do combustor se expandem através da turbina, onde a potência é extraída para dirigir o compressor.
 
Bocal de propulsão O fluxo de gás saído da turbina se expande até à pressão ambiental através do bocal de propulsão, produzindo um jato de alta velocidade à saída do motor.
FUNCIONAMENTO
Nesses motores, a energia termo-cinética gerada no núcleo é utilizada principalmente para geração de empuxo no bocal de exaustão e toda a massa de ar que é admitida pelo motor, após atravessar o duto de admissão, passa obrigatoriamente pelo núcleo do motor, o qual pode ser do tipo single-spool (como na grande maioria dos motores) ou twin-spool. Além disso, a energia termo-cinética remanescente após a turbina é utilizada para conversão em energia cinética no bocal de exaustão, gerando um considerável aumento de velocidade do escoamento, gerando força propulsiva devido à reação com o ar ambiente. A Fig. 3 mostra os componentes básicos de um motor turbo-jato.
NORMAS
 NBR 15971-4: aeronáutica – vocabulário – parte 4: propulsão aeronáutica.
PROJETO
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FUNÇÃO
 Uma turbina de vento é um gerador eléctrico conduzido por uma turbina de vento (turbina de vento). Seus antecedentes diretos são os moinhos de vento que foram utilizados para a moagem e a produção de farinha. Neste caso, a energia eólica, na verdade, a energia cinética do ar em movimento, fornece energia mecânica para uma hélice do rotor, através de um sistema de transmissão mecânica, o rotor gira um gerador, normalmente um alternador trifásico, que converte a energia mecânica de rotação em energia elétrica.
Existem diferentes tipos de aerogenes, dependendo da potência, o arranjo do seu eixo de rotação, o tipo de gerador, etc.
As turbinas eólicas podem trabalhar isoladamente ou agrupados em parques eólicos ou usinas de geração eólica, espaçadas umas das outras, dependendo do impacto ambiental da turbulência causada pelo movimento das pás.
Para fornecer energia à rede, as turbinas eólicas devem ser equipados com um sistema de sincronização para a frequência da corrente gerada é mantida perfeitamente sincronizado com a frequência da rede.
	
	
Turbinas Eólicas
 
CARACTERÍSTICAS COSNTRUTIVAS
 
Pás: captam o vento, convertendo sua potência ao centro do rotor. São construídas em processo praticamente artesanal a partir de materiais como o plástico e a fibra de vidro. O desenho das pás emprega as mesmas soluções técnicas usadas pela Aeronáutica nos cálculos de engenharia das asas dos aviões.
Rotor: elemento de fixação das pás que transmite o movimento de rotação para o eixo de movimento lento. Um de seus principais componentes é o sistema hidráulico que permite o movimento das pás em distintas posições para otimizar a força do vento ou parar a turbina por completo.
Torre: elemento que sustenta o rotor e a nacele na altura apropriada ao seu funcionamento. Embora a maioria das torres sejam de aço, como foram originalmente construídas, hoje já existe modelos em concreto.
Nacele: compartimento instalado no alto da torre composto por caixa multiplicadora, freios, embreagem, mancais, controle eletrônico e sistema hidráulico. É o componente de maior peso do sistema. Dependendo do fornecedor da turbina, ela pode pesar até 72 tonelada;
Caixa de transmissão: tem a função de transformar as rotações que as pás transmitem ao eixo de baixa velocidade (19 a 30 rpm), de modo que entregue ao eixo de alta velocidade as rotações que o gerador precisa para funcionar (1.500 rpm);
Gerador: converte a energia mecânica do eixo em energia elétrica;
Anemômetro: mede a intensidade, a velocidade e a direção do vento. Esses dados são lidos pelo sistema de controle, que garante o posicionamento mais adequado para a turbina.
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FUNCIONAMENTO
Para gerar eletricidade, o aerogerador (ou turbina eólica) funciona de maneira similar a um moinho de vento, em que a energia das massas de ar é convertida em energia mecânica, auxiliando agricultores com a moagem de grãos e bombeamento de água. Na turbina eólica, o vento movimenta as pás e faz girar o rotor, que transmite a rotação ao gerador, que, por sua vez, converte essa energia mecânica em energia elétrica
NORMAS
 NBRIEC61400-21 DE 10/2010- Turbinas eólicas - Parte 21: Medição e avaliação das características da qualidade da energia de aerogeradores conectados à rede.
PROJETO
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FUNÇÃO
QUEIROZ, M. e MATIAS, J. A. Básico de Turbina a Gás (Apostila). Petrobras, 2003.
RENOVE TECNOLOGÍA S.L. Centrales Térmicas de Ciclo Combinado. Publicado em
2014. Disponível em: <http://www.cicloscombinados.com/index.php/turbinas-de-gas/lasturbinas-de-gas>. Acesso em: 05 ju. 2021.
MORAIS, Luciano Cardoso de. ESTUDO SOBRE O PANORAMA DA ENERGIA ELÉTRICA NO BRASIL E TENDÊNCIAS FUTURAS. Monografia (Especialização) - Curso de Engenharia Elétrica, Unesp, São Paulo, 2015.
MARTINELLE JUNIOR,. Máquinas Térmicas II. Panambi: L.C, 2002. 135 p
	
	
Referências