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Introduo s Mquinas Trmicas

Turbinas a Vapor e a Gs

Prof. Dr. Luiz Carlos Martinelli Jnior ISBN 978-85-908775-3-0

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Sumrio

TURBINAS A GS ........................................................................................................ 5 CAPTULO 1. INTRODUO .................................................................................... 6

DEFINIES BSICAS ..................................................................................................... 7 PROCESSOS TERMODINMICOS PARA UM GS PERFEITO............................................... 9 ANLISE ENERGTICA DE MQUINAS ......................................................................... 13 APLICAES ................................................................................................................ 14

Como Mquinas Trmicas...................................................................................... 14 Como Turbomquinas Frias .............................................................................. 16

CAPTULO 2. TURBOMQUINAS.......................................................................... 17 TURBINAS A GS ......................................................................................................... 18

Histrico do Desenvolvimento da Turbina a Gs .................................................. 18 Componentes Principais......................................................................................... 25 Classificao da Turbinas a Gs ........................................................................... 30

COMPONENTES PRINCIPAIS.......................................................................................... 39 Compressores ......................................................................................................... 39 Turbinas.................................................................................................................. 48

FUNCIONAMENTO DAS MQUINAS TRMICAS ............................................................. 51 Construo e Princpio de Operao..................................................................... 53

ANLISE DO CICLO ...................................................................................................... 55 Anlise Comparativa do Ciclo ............................................................................... 56 Fluido de Trabalho................................................................................................. 57 Caractersticas de Torque ...................................................................................... 58

CAPTULO 3. MATERIAIS, COMBUSTVEIS E COMBUSTO....................... 59 MATERIAIS .................................................................................................................. 59

Comportamento dos Materiais ............................................................................... 59 Materiais Comumente Utilizados ........................................................................... 66

COMBUSTVEIS E COMBUSTO .................................................................................... 70 Tipos de Combustveis ............................................................................................ 71 Consideraes Sobre Combusto........................................................................... 72

CAPTULO 4. SISTEMA DE CONTROLE E OPERAO .................................. 77 SISTEMA DE ADMISSO DE AR E ESCAPAMENTO. ........................................................ 77

Sistema de Admisso .............................................................................................. 77 Sistema de Escape .................................................................................................. 77

SISTEMA DE PARTIDA E IGNIO.................................................................................. 77 Sistema de Partida.................................................................................................. 77 Sistema de Ignio.................................................................................................. 80

INSTRUMENTAO....................................................................................................... 80 NOES BSICAS DE MANUTENO ........................................................................... 82

Condies que Afetam a Manuteno das Turbinas a Gs.................................... 83 TURBINAS A VAPOR ................................................................................................ 87 CAPTULO 1. INTRODUO .................................................................................. 88 CAPTULO 2. FUNDAMENTOS............................................................................... 88

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EXPANSORES CONVERGENTES E CONVERGENTES-DIVERGENTES................................ 89 PRINCIPIO DA AO E PRINCPIO DA REAO ............................................................. 89 TURBINA DE AO E TURBINA DE REAO................................................................. 91 ESTGIOS MLTIPLOS ................................................................................................. 92 ESTGIOS DE AO E ESTGIOS DE REAO .............................................................. 93

Estgios de Ao .................................................................................................... 93 Estgios de Reao................................................................................................. 94

CAPTULO 3. COMPONENTES BSICOS ............................................................ 96 ESTATOR (RODA FIXA)................................................................................................ 96 ROTOR (RODA MVEL) ............................................................................................... 96 EXPANSOR ................................................................................................................... 96 PALHETAS.................................................................................................................... 97 DIAFRAGMAS............................................................................................................... 98 DISCO DO ROTOR......................................................................................................... 99 TAMBOR ROTATIVO..................................................................................................... 99 COROA DE PALHETAS .................................................................................................. 99 ARO DE CONSOLIDAO.............................................................................................. 99 LABIRINTOS ............................................................................................................... 100 CARCAA .................................................................................................................. 101 MANCAIS DE APOIO (RADIAIS) .................................................................................. 101 MANCAIS DE ESCORA ................................................................................................ 101 VLVULAS DE CONTROLE DE ADMISSO .................................................................. 102

I - Construo Multi-Valve .............................................................................. 102 II - Construo Single-Valve............................................................................ 103

VLVULAS DE CONTROLE DE EXTRAO.................................................................. 104 VLVULAS DE BLOQUEIO AUTOMTICO ................................................................... 105

CAPTULO 4. TURBINAS DE USO GERAL E ESPECIAL................................ 108 TURBINAS DE USO GERAL .......................................................................................... 108 TURBINAS DE USO ESPECIAL ...................................................................................... 108 TIPOS CONSTRUTIVOS USUAIS................................................................................... 109 TURBINA DE FLUXO RADIAL ..................................................................................... 110 TURBINAS USADAS EM INDSTRIAS .......................................................................... 110

CAPTULO 5. TIPOS E APLICAES ................................................................. 111 INTRODUO ............................................................................................................. 111 TIPOS BSICOS........................................................................................................... 112 APLICAES DE TURBINAS DE MLTIPLOS ESTGIOS ............................................... 114

Contrapresso Direta........................................................................................... 114 Contrapresso com Simples Extrao ou Sangria ............................................... 115 Contrapresso com Dupla Extrao ou Sangria ................................................. 115 Contrapresso com Induo................................................................................. 116 Contrapresso com Induo ou Sangria.............................................................. 116 Condensao Direta ............................................................................................. 116 Condensao com Simples Extrao ou Sangria ................................................. 117 Condensao com Dupla Extrao ou Sangria ................................................... 117 Condensao com Induo................................................................................... 117 Condensao com Induo ou Sangria................................................................ 118 Condensao com Vapor de Baixa Presso......................................................... 118

TURBINAS COMPOSTAS EM SRIE E EM PARALELO .................................................... 119

4

TIPOS CONSTRUTIVOS USUAIS................................................................................... 120 CAPTULO 6. MATERIAIS EMPREGADOS ....................................................... 127

CARCAA .................................................................................................................. 127 CONJUNTO ROTATIVO ............................................................................................... 128 PALHETAS.................................................................................................................. 129 EXPANSORES ............................................................................................................. 129 SELAGEM................................................................................................................... 130 MANCAIS ................................................................................................................... 130 PARAFUSOS DA CARCAA ......................................................................................... 130 VLVULAS DE CONTROLE ......................................................................................... 130 ESPECIFICAES DE MATERIAL ................................................................................. 130

BIBLIOGRAFIA TURBINAS A VAPOR ............................................................... 134 BIBLIOGRAFIA TURBINAS A GS ..................................................................... 134 LINKS.......................................................................................................................... 134

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TURBINAS A GS

Teste da turbina do F119

6

Captulo 1. Introduo As turbinas a gs (TG) so turbomquinas que, de um modo geral pertencem ao grupo de motores de

combusto e cuja faixa de operao vai desde pequenas potncias (100 KW) at 180 MW (350 MW no caso de nucleares), desta forma elas concorrem tanto com os motores alternativos de combusto interna (DIESEL e OTTO) como com as instalaes a vapor (TV) de pequena potncia.

Suas principais vantagens so o pequeno peso e volume (espao) que ocupam. Isto aliado versatilidade de operao que apresentam est fazendo com que sua utilizao se encontre em franca ascendncia atualmente. Sendo compostas de turbomquinas (Mquinas Rotativas) as turbinas a gs apresentam uma vantagem bastante grande quando comparadas aos motores alternativos uma vez que nelas h ausncia de movimentos alternativos e de atrito entre superfcies slidas (pisto/camisa do cilindro). Isto significa a quase inexistncia de problemas de balanceamento e, ao mesmo tempo, um baixo consumo de. leo lubrificante (uma vez que o mesmo no entra em contato direto com partes quentes e nem com os produtos de combusto. Disso decorre uma outra vantagem: a elevada confiabilidade que apresentam. Alm disso, quando comparadas s instalaes a vapor, as turbinas a gs praticamente no necessitam de fluido refrigerante o que facilita muito sua instalao. Outro aspecto bastante favorvel das turbinas a gs a baixa inrcia trmica que lhes permite atingir sua carga plena em um espao de tempo bastante reduzido. No caso de estar pr aquecida por exemplo, o tempo entre carga nula e carga plena varia de 2 a 10 segundos. Este aspecto faz com que as turbinas a gs sejam particularmente indicadas para sistema de gerao de energia eltrica de ponta, onde o processo de partida e necessidade da plena carga no menor tempo possvel de suma importncia. Esta tambm uma condio imprescindvel nos sistemas Stand-by ou No-Break, onde o fornecimento ininterrupto de energia condio bsica necessria (Figura 1.1).

Figura 1.1 Centrais Termeltricas no Brasil Normalmente se denomina Turbina a Gs (TG) o conjunto completo do motor ou a instalao da

mesma que composta dos seguintes componentes principais:

- compressor (responsvel pela elevao de presso);

7 - aquecedor do fluido de trabalho e, - a turbina propriamente dita (elemento expansor).

Observa-se que a turbina a nica parte do sistema (conjunto) e que o fludo de trabalho sofre a expanso que , por ela, transformada em energia ou trabalho mecnico.

A construo das turbinas a Gs (da qual trataremos posteriormente, em detalhe) pode ser feita da seguinte maneira:

Instalao de potncia auto-suficiente com sistema de gerador de calor prprio atravs da queima de combustvel (cmara de combusto) Gerao interna de calor (ciclo aberto).

Instalao de potncia depende com introduo de calor independente (direto ou de rejeio) atravs de um trocador de calor gerao externa de calor (ciclo fechado)

Esta possibilidade de mltipla escolha para o mtodo de introduo de calor, aumenta ainda mais a versatilidade de funcionamento das turbinas a gs uma vez que assim ser permitido o uso de uma variedade de combustveis inclusive slido e, at mesmo, o uso de energia nuclear.

Seu campo de aplicao o mais variado possvel e o mais amplo dentre os diversos tipos de motores. Inicialmente elas foram desenvolvidas objetivando fornecimento de trabalho mecnico. Entretanto, o desenvolvimento efetivo s ocorreu em virtude de sua aplicao na aeronutica como elemento propulsor (reator). Enquanto fornecedores de trabalho mecnico as turbinas a gs tem sido utilizadas, de maneira geral, como elemento propulsor para navios; avies (hlice); no setor automotivo, ferrovirio e, principalmente, como acionador de estaes booster de bombeamento (oleodutos e gasodutos) assim como tambm na gerao de eletricidade, principalmente, nas centrais de ponta e sistemas Stand-by e em locais onde peso e volume so levados em conta como o caso das Plataformas Off-shore de extrao de petrleo. Tambm so usadas em locais remotos e de difcil acesso e instalao, pois a sua alta confiabilidade aliada simplicidade de operao permitem inclusive que elas sejam operadas distncia.

Como desvantagens das turbinas a gs tm-se o baixo rendimento e a alta rotao, fatores bastante desfavorveis no caso de aplicao industrial.

DEFINIES BSICAS

Calor a forma de energia transferida entre dois sistemas em virtude da diferena de temperatura entre eles.

Ciclo Quando um sistema parte de um estado inicial passa por diversas transformaes e retorna mesmo estado inicial, i. e, quando o estado inicial idntico ao estado final aps as transformaes sofridas.

Energia a capacidade de produzir trabalho. O estado de um sistema ser transformado pela adio ou extrao de energia.

Calor e trabalho so diferentes formas de energia em trnsito, no so contidos em nenhum sistema.

Tanto o calor como o trabalho so funes do caminho e dependem portanto do processo (Eles no so propriedades ou sistemas).

Energia, calor e trabalho so expressos em joules (J) = Newton.m (Nm)

Energia mecnica 60

.2... nbFwMto pi=

8 Entropia Entropia indica o grau de desorganizao do universo. Faz consideraes sobre o grau de

liberdade das molculas (tomos) = TdQS

Estado o estado de um sistema a sua condio a qual definida por suas propriedades.

Grandeza especfica quando a grandeza relacionada unidade de massa.

Processo uma transformao ou srie de transformaes no estado do sistema.

Processo Reversvel Um processo reversvel se o sistema e sua vizinhana podem ser reconduzidos aos seus estados iniciais pela reverso do processo. Um processo reversvel em uma mquina com escoamento somente possvel quando h ausncia de atrito no fludo e transferncia de calor com diferenas de temperatura com degraus muito pequenos. Por ser um processo ideal somente serve como referncia na comparao com processos reais equivalentes.

Processo irreversvel No irreversvel o estado inicial no atingido pela reverso do processo. Como sempre h atrito e as diferenas de temperatura so finitas todos os processos reais so irreversveis.

Processo Adiabtico Quando no h transferncia de calor entre o sistema e a vizinhana durante o processo.

Sistema isolado

Aumenta (diminui) a temperatura da vizinhana na mesma proporo do sistema

Executa o processo rapidamente.

Sistema um conjunto arbitrrio de matria tendo uma fixada identidade.

fora do sistema tm-se a vizinhana

a interface entre sistema/vizinhana chama-se fronteira

Sistema fechado quantidade fixada de matria no h fluxo de matria h troca de calor e trabalho; a fronteira pode mudar (pisto).

Sistema aberto h um fluxo contnuo de matria atravs das fronteiras volume de controle (superfcie de controle). A quantidade da matria ocupando o volume de controle varia com o tempo!

Temperatura a medida do potencial trmico do sistema. Identifica, portanto, o estado do sistema.

Trabalho aquilo que o sistema transfere sua vizinhana quando suas fronteiras so deslocadas pela ao de uma fora.

Trabalho = forma x distncia (na direo das foras).

Trabalho mecnico F.dl = Mto .

9 PROCESSOS TERMODINMICOS PARA UM GS PERFEITO Cinco so os processos termodinmicos para um gs perfeito

- Processo Isovolumtrico (Isocrico) - Processo Isobrico - Processo Isotrmico - Processo Adiabtico Reversvel (Isentrpico) - Processo Politrpico

PROCESSO ISOVOLUMTRICO, ISOCRICO (V = CONSTANTE)

UWQ += Eq. 1 mas: === 0dv0pdvW

ento: == dtcmUQ v

22

11mRTVpmRTVp

=

=

2

1

2

1TT

Pp

= Eq. 2

variao de entropia:

===21

1

221 ln T

Tc

TdTc

TdQS vv Eq. 3

vc

S

eTT

= 12 Eq. 4

Figura 1.2 Diagramas de um processo isovolumtrico

PROCESSO ISOBRICO (P = CONSTANTE)

10

22

11.

.

mRTVpmRTVp

=

=

2

1

2

1

TT

VV

= Eq. 5

==

+=)( 12 VVppdVW

UwQ Eq. 6

Figura 1.3 Diagramas de um processo isobrico

===1

221 ln. T

Tc

TdT

cTdQ

s pp

vp ccR = vp cc >

= dTcmQ p

pc

S

eTT

= 12 vp SS >

PROCESSO ISOTRMICO (T = CONSTANTE) UwQ += )0U( =

mRTVpmRTVp

=

=

22

1.1.

2211 VpVp = Eq. 7

pV = constante (hiprbole eqiltera) Eq. 8

( ) 0V.dpp.dVpVd =+= == tanVp

dVdp

11

Figura 1.4 Diagramas de um processo isotrmico

0U = pois T= constante e U = f(T)

=

====

2

111

1

221

21 lnln p

pVp

VV

mRTVdV

mRTpdVwQ Eq. 9

=

====

2

111

1

221

21 lnln

1pp

TVp

VV

mRTQdQ

TTdQS Eq. 10

=

2

111 lnpp

TVp

S Eq. 11

PROCESSO ADIABTICO REVERSVEL, ISENTRPICO (S = CONSTANTE)

0=+= dUdWdQ pois dQ = 0

0=+ dTmcpdV v ou pV = mRT Eq. 12

assim: teconspV k tan=

0.. 1 =+ dVkVpVdp kk

11

tan===

Vpk

VVkp

dVdp

k

k

Eq. 13

12

Figura 1.5 Diagramas de um processo adiabtico reversvel

PROCESSO POLITRPICO

teconspV tan= onde knk

13 ANLISE ENERGTICA DE MQUINAS

Existem dois possveis aspectos nesta anlise: um o aspecto externo onde a mquina analisada como sendo uma caixa preta e o outro, o aspecto interno, onde so analisados os detalhes de seu funcionamento. Discute-se aqui apenas os Aspectos Externos.

Na anlise externa interessa particularmente ao usurio da mquina. A energia disponvel est em regime permanente, as propriedades do fludo de trabalho permanecem constantes.

Uma anlise com o regime transitrio s de interesse para o fabricante! Neste caso os testes exigem sistema sofisticados de medies, conseqentemente caros (aparelhos registradores), exigindo portanto pessoal altamente qualificado.

Figura 1.7 Esquema da mquina

Aplicando a equao da energia (1a lei da termodinmica).

( )

++++= gzcudpvddwdq 2

2+ energ. qumica + energ. acstica + energ. eletromagntica +. . .

Nas aplicaes em Engenharia

( )

++++= gzcudpvddwdq 2

2 Eq. 19

Simplificaes

Fluxo de massa constante (regime permanente)

Equao da continuidade:

constante..v.21 ==== ACmm &&& Eq. 20 * As propriedades em qualquer ponto do sistema permanecem constantes (sistema aberto) regime

permanente.

Fluxo de calor e/ou trabalho atravs das fronteiras so em taxa uniforme

( )

++++= gzcupvwq

2

2 Eq. 21

14

APLICAES Como Mquinas Trmicas TURBINA A VAPOR

Simplificaes

* Sistema adiabtico (alta velocidade do vapor)

* Variao de energia cintica e potencial so desprezveis.

Figura 1.8 Esquema de uma Turbina a Vapor

)upv(u)pv(w +=+= Eq. 22

ento:

tchhw

p ==

.

logo: Potncia hmwmP == .. &&

Medidas temperatura, massa de vapor

Se considerarmos apenas o bocal de uma turbina de ao, teremos:

15

Figura 1.9 Esquema de um bocal da turbina

= 0pdvw h)pvu(2c2 =+=

mas Tch p= medida da temperatura

TURBINA A GS

Figura 1.10 Esquema de uma Turbina a Gs

Potncia do compressor - hmP arc = .&

Potncia da turbina - hmP gt = .&

Potncia efetiva - ctef PPP =

O calor introduzido Potncia do combustvel iccomb HmP .&=

Em geral retira-se informaes pela medida de temperatura, presso e massa em escoamento.

Vide norma ASME Gas Turbine VDI 2059 B. 1. 3

De modo em geral, nos interessa o rendimento

16

iciccomb

efm

e

s

e

s

Hm

nbF

HmwMto

P

P

PP

EE

&&&& .

60.2..

.

.

1

pi

===

17

( )

( )

czpQmediesQYP

BernoulligHYgzcpw

gzcpvw

pequenotuq

gzcupv

h

wq

=

==

++=

++=

=

++++=

,,,:

..

2

2

)(00

2

2

2

2

Eq. 27

Captulo 2. Turbomquinas As turbomquinas so mquinas rotodinmicas nas quais o fluido de trabalho se desloca

continuamente em um sistema rotativo de ps (rotor), fornecendo ou absorvendo a energia, deste rotor, conforme seja turbina ou compressor respectivamente. Um das caractersticas principais a alta velocidade que o fluido de trabalho pode atingir nestas mquinas (200 a 500 m/s ou mais).

Sendo uma mquina rotativa e permitindo altas velocidades no escoamento trabalham com alta rotao. Isto lhes imprime as seguintes caractersticas:

- so relativamente pequenas em dimenso; - tm pouco peso e apresentam um funcionamento suave (sem oscilaes); - no existem movimentos intermitentes como nos motores de combusto interna - Figura 2.1.

Assim, podem funcionar com grandes potncias (at 500MW) oferecendo, ainda possibilidade de aumento de potncia.

As Turbinas a Gs possuem, alm de outros equipamentos, compressores e turbinas,. Faz-se aqui apenas um comentrio bsico sobre os diversos tipos de turbinas a gs, o seu princpio de funcionamento e suas principais caractersticas.

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Figura 2.1 Comparao entre um Motor e uma Turbina a Gs

TURBINAS A GS

Histrico do Desenvolvimento da Turbina a Gs O uso da turbina a gs como mquina motora tem sido um sonho bastante antigo dos Engenheiros. A

evidncia disto a grande quantidade de estudos no decorrer da histria.

Em 150 A.C., um filsofo e matemtico egpcio, Hero, inventou um brinquedo, o Aeolipile, que rodava sobre uma pequena caldeira de gua (Figura 2.2). Ele verificou o efeito da reao do ar quente ou o vapor movimentado por alguns bocais sobre uma roda.

Figura 2.2 O Aeolipilode Hero

Em 1232 os chineses comeam a utilizar foguetes como armas. A inveno da plvora usa o princpio da reao para lanar os foguetes.

Em 1500, Leonardo da Vinci desenhou um esboo de um dispositivo, o macaco de chamin, que girava pelo efeito dos gases quentes subindo a chamin. Ele criou um dispositivo que usava o ar quente para girar um espeto.

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Figura 2.3 O macaco de chamin de da Vinci

Em 1629, Giovanni Branca desenvolveu uma oficina de estampagem que usava jatos de vapor para girar uma turbina que ento, fornecia trabalho para as mquinas (Figura 2.4).

Figura 2.4 A turbina de Giovanni Branca

Em 1687, Sir Isaac Newton anuncia as leis do movimento. Especificamente, a 3 Lei de Newton afirmava haver um equilbrio entre ao e reao: Para cada ao haver uma reao de mesma fora e intensidade mas em sentido oposto. Um exemplo dessa lei pode ser observada na Figura 2.5. Quando o balo est fechado as foras se equilibram, so iguais em todas as direes. Ao soltar o ar, ocorre uma ao que desequilibra o sistema. A fora a esquerda maior, movendo o balo.

Baseado nessas leis, Newton imaginou um veculo movido por jatos de vapor - Figura 2.6. Estas leis foram a bases da teoria da moderna propulso.

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Figura 2.5 A 3 Lei de Newton

Figura 2.6 A carruagem de Isaac Newton

A primeira concepo da turbina a gs e seu conseqente patenteamento foi proposta em 1791 pelo ingls John Barber -Figura 2.7.

1 Turbina

2 Compressor de Ar ou Gs

3 Cmara de Combusto

4- Receptor

5 Produtor de Gs

Figura 2.7 Desenho da primeira patente de uma turbina a gs (John Barber, 1791)

Dentre as idias originais e subseqente patenteamento importante mencionar John Dumbell, Inglaterra, 1808 e Bresson, Frana, 1837, os quais, em suas concepes j consideraram todos os componentes das atuais turbinas com combusto a presso constante. Entretanto a primeira turbina a gs com combusto a presso constante, realmente construda, foi concebida por J. F. Stolze (1872), a partir da patente de Fernlhougs e cuja fabricao e testes somente ocorreram entre 1900 e 1904 conforme indicado na Figura 2.8.

21

Figura 2.8 - Turbina a gs construda por Stolze (a) Soprador axial mltiplo estgio (b) turbina de reao de mltiplo estgio (c) Pre aquecedor de ar

interessante observar que as melhores concepes e arranjos foram introduzidos a partir dos meados do sculo XIX ocasio em que os estudos tericos de termodinmica (Dalton, Lord Kelvin, Joule, Brayton) tiveram um grande desenvolvimento.

Apesar dos esforos no desenvolvimento da turbina a gs, somente no incio deste sculo que surgiram os primeiros resultados efetivos, embora com um nvel de rendimento muito baixo, pois naquela poca ainda havia limitaes de conhecimentos de aerodinmica e de metalurgia. Como j mencionado Stolze construiu sua turbina a gs entre 1900 e 1904 e, conforme indicado Figura 2.8, ela era composta de uma turbina de reao mltiplo estgio bem como um compressor axial de mltiplo estgio. Alm disso ele utilizou tambm um trocador de calor para o pr aquecimento do ar antes da camada de combusto (presso constante), utilizando para tal o prprio gs de escape da turbina. Apesar desta construo genial, pouco sucesso foi atingido principalmente devido ao baixo rendimento tanto do compressor como da turbina e tambm da temperatura mxima em funo dos materiais disponveis na poca.

Na mesma poca (1903) Armengaud e Charles Lemale tambm construram e testaram, na Sociedade Annima de Turbomotores em Paris, uma turbina a gs cuja particularidade era a injeo de gua para resfriamento. Apesar dos esforos o resultado foi tambm insatisfatrio pois no se conseguiu potncia til alguma. Neste caso foi utilizada uma turbina Curtis e a compresso se fez com um compressor centrfugo de fabricao da empresa Brown Boveri.

Neste mesmo perodo (1903) a General Electric Co. iniciou o desenvolvimento de uma turbina a gs sob orientao do Dr. Sandford A. Moss, da Universidade de Cornell, que realizou em seu trabalho de doutorado (1902) o primeiro estudo do assunto nos Estados Unidos. interessante observar que nestes primeiros estudos a potncia consumida pelo compressor era maior do que a fornecida pela turbina, o que implicava no uso de energia externa para o seu funcionamento (no caso acima mencionado foi utilizado uma turbina a vapor). Mesmo assim estes trabalhos foram vlidos pois como se sabe a GE , no momento, um dos grandes fornecedores de turbinas tanto para uso aeronutico como industrial.

Percebendo que os fracassos no desenvolvimento das turbinas eram atribudos limitao tanto da temperatura mxima como da relao de presso conseguida nos compressores, Holzwarth, em 1909, na Alemanha, mudou a concepo do projeto da turbina considerado a combusto a volume constante (turbina a exploso) em vez de ser a presso constante. Com isto ele eliminaria a limitao do aumento de presso conseguido nos compressores. Quanto limitao de temperatura foi utilizado um sistema de resfriamento a gua, logo uma menor massa de ar foi necessria.

22

O fato da combusto se processar a volume constante possibilita que o ar seja comprimido a uma presso de apenas cerca de daquela necessria ao processo de combusto a presso constante. A firma Brown Boveri chegou a construir uma turbina (Holzwarth) em 1913 projetada para uma potncia de 1000cv, a qual montada e testada forneceu somente 200 cv. O seu desenvolvimento continuou e em 1938 a BBC, em Mannheim, chegou a fabricar com relativo sucesso uma turbina de 5000cv, atingindo um rendimento global de 20%.

Figura 2.9 A Turbina a Gs de Holzwarth

A Westinghouse Electric and Manufacturing Comp., USA, iniciou em 1913 o seu desenvolvimento de turbina a gs, com base em uma patente de Bischof.

Diversas outras tentativas foram realizadas como a de Karavodine, na Frana (1908), Stauber (1918) na Alemanha, mas ainda com pouco sucesso. Em 1935, Profs. Dr. Ackeret e Dr. Keller T.H., Zrich.

Em 1920, Dr. A. A. Griffith desenvolveu uma teoria de projetos de turbinas baseada no fluxo de gs.

interessante observar que at 1937 todos os desenvolvimentos de turbinas a gs eram com finalidade industrial e no conseguiam concorrer com o motor alternativo a pisto, devido ao seu baixo rendimento (mximo 20%).

Um pouco antes do incio da 2 guerra mundial esforos foram realizados no desenvolvimento de turbinas para uso aeronutico, devido principalmente a sua caractersticas de baixo peso e, pequeno volume. Ao mesmo tempo, Whittle (Figura 2.10), em 1930 concebeu e patenteou o uso da reao ou jato como meio propulsor e, neste caso, o uso de turbinas a gs tornou-se imprescindvel. Whittle desenvolveu o primeiro motor com essa finalidade em 1937 - Figura 2.12.

Figura 2.10 Frank Whittle

Em 1936, no mesmo tempo que Frank Whittle estava trabalhando na Gr-Bretanha, Hans von Ohian e Max Hahn, estudantes na Alemanha desenvolveram e patentearam o seu prprio projeto de turbina.

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Em 27 de agosto de 1939 Heinkel (Alemanha), fez voar o seu primeiro avio (o HE178 -Figura 2.11) utilizando o gs como reator ou seja usando jato propulso.

Figura 2.11 O HE178 de Heinkel

Motor: Turbojato HeS 3B Empuxo (antes): 992 lb. (450kg) Empuxo (depois): 1102 lb. (500kg)

Dimenses: Envergadura da Asa: 7,20m (23 ft. 3 in.) rea de Superfcie da Asa: N/A Comprimento: 7,48m (24 ft. 6 in.) Largura: 2,10m (6 ft. 10 in.)

Pesos: Vazio: 1620kg (3572 lb.) Caregado: 1998kg (4405 lb.)

Desempenho: Velocidade Mxima (ao nvel do mar): 435 mph (700 kph)

Figura 2.12 Esquema da Turbina de Whittle

Nesta mesma ocasio os estudos de aerodinmica tiveram um grande progresso pois, com o uso de jato propulso, os avies atingiam maior velocidade. Problemas de instabilidade aerodinmica surgiram forando a procura de novas solues o que conseqentemente trouxe melhores conhecimentos de aerodinmica.

Embora estes estudos tenham sido intensificados, somente no final da guerra (1944 - 1945) que realmente os primeiros avies com propulso conseguiram voar eficientemente.

Em 1942, o Dr. Franz Anslem desenvolveu uma turbina de fluxo axial, a Junkers Jumo 004, usada no Messerschmtt ME262 (Figura 2.13).

24

Figura 2.13 A turbina Junkers Jumo 004

O Heinkel HeS-3b desenvolvia 1100lbs de empuxo e voou acima de 400mph, depois veio o ME262 (Figura 2.14), que lutava a 500mph, mais de 1600 deste foram construdos no final de Segunda Guerra Mundial.

Figura 2.14 ME262 Caa alemo

O uso da turbina a gs como agente propulsor (jato ou reator) simplificou bastante o emprego da prpria turbina a gs pois, nesta aplicao, a potncia, desenvolvida pela turbina utilizada apenas para vencer as perdas e acionar o compressor. Logo aps a 2 guerra, a aviao comercial passou a utilizar a propulso a jato intensivamente. Este uso intensivo aliado aos novos conhecimentos de aerodinmica fizeram com que o desenvolvimento da turbina a gs tivesse um tremendo avano, uma vez que novas concepes e metodologias de clculo possibilitaram a construo de turbomquinas com alto rendimento.

O sucesso foi tanto que a partir dos anos 60 o uso de turbinas a gs foi aumentando e nos anos 70 cerca de 100% dos avies de grande porte j eram impulsionados por turbinas.

Com a melhoria no projeto, mesmo na aplicao industrial, a turbina a gs com combusto a presso constante passou a predominar, devido principalmente a sua simplicidade de construo e quando comparada a turbina com combusto a volume constante. Isto s foi possvel devido a dois fatores: o desenvolvimento do compressor para alta relao de presso e com alto rendimento; e, tambm, o desenvolvimento de novos materiais resistentes a alta temperatura.

Em 1943 a Escher Wyss constri uma TG de 2000kW. Em 1949 tm-se a primeira instalao industrial 12,5MW em St. Denis, Frana, funcionando com um sistema com queima de leo.

Em 1956 a Escher Wyss constris uma TG de 2,3MW com Carvo pulverizado (Figura 2.60) para a gerao de eletricidade e aquecimento, com pi = 4 e tmax = 660C

Na dcada de 70 foi intensificado o uso de Turbinas. Foram construdas instalaes at 50MW (1974 em Oberhausen).

25

Componentes Principais As turbinas a gs so constitudas de quatro partes principais (Figura 2.15), a saber:

- Compressor - Figura 2.16; - Cmara de Combusto - Figura 2.17 a Figura 2.19; - Turbina - Figura 2.20 e - Eixo.

Possuem ainda um Bocal de Admisso (Inlet) - Figura 2.21 e um Bocal de Escape (Nozzle) - Figura 2.22 e Figura 2.23). Nas turbinas de uso aeronutico, para um incremento no empuxo das mesmas, instala-se aps a turbina um Ps-Queimador (Afterburner) que, ao ser utilizado gera um jato de fogo pelo bocal de escape - Figura 2.24. O mesmo muito utilizado em turbinas aeronuticas militares.

Figura 2.15 Partes de uma Turbina a Gs

26

Figura 2.16 Compressor de Alta Presso

Figura 2.17 Tipos de Queimadores (Burners)

27

Figura 2.18 A Cmara de Combusto

Figura 2.19 Anel de Combustores (Cannular)

28

Figura 2.20 Turbina Axial

Figura 2.21 Tipos de Bocais de Admisso

29

Figura 2.22 Bocal de Exausto de Gases

Figura 2.23 Tipos de Bocais de Exausto

30

Figura 2.24 O efeito do Afterburner

Classificao da Turbinas a Gs Apesar das muitas aplicaes e dos diversos tipos de turbinas a gs, h entre elas uma srie de aspectos que possibilitam uma classificao. Entre vrias classificaes, pode-se citar:

Quanto ao Ciclo

- Aberto e - Fechado

Quanto Construo

- Leves (Jet-derived GT - derivadas de turbinas aeronuticas - Figura 2.26) e - Pesadas (Heavy-Duty GT - )

Quanto ao Mtodo de Transmisso de Fora

- Livres; - Transmisso Direta; - Transmisso por Engrenagens (Caixa de Reduo ou Ampliao da Rotao)

Quanto Rotao

- Operao em Velocidade Constante (turbo-alternadores) - Operao em Velocidade Varivel (turbo-bombas e turbo-compressores)

Quanto ao Nmero de Eixos

- De um eixo e - De vrios eixos

Quanto Localizao

- Onshore (Interna) Figura 2.28; - Offshore (Externa); - Mvel (on-board) especialmente aplicaes martimas

Quanto Aplicao

31

- Industrial - Figura 2.28; - Martima - Figura 2.30; - Aeronutica

QUANTO AO CICLO As turbinas podem operar em um Ciclo Aberto ou Ciclo Fechado.

Por Ciclo Aberto entende-se que o fluido de trabalho no retorna ao incio do ciclo - Figura 2.25a. O ar, retirado da atmosfera, comprimido, levado cmara de combusto onde, juntamente com o combustvel, recebe uma fasca, provocando a combusto da mistura. Os gases desta combusto ento expandem-se na turbina, fornecendo potncia mesma e ao compressor, e, finalmente, saem pelo bocal de exausto.

Ao contrrio do ciclo aberto, no Ciclo Fechado, o fluido de trabalho permanece no sistema. Para isso, o combustvel queimado fora do sistema, utilizando-se um trocador de calor para fornecer a energia da combusto ao fluido de trabalho - Figura 2.25b.

O ciclo fechado possui algumas vantagens sobre o ciclo aberto, dentre elas:

- a possibilidade de se utilizar combustveis slidos; - a possibilidade de altas presses em todo o ciclo, reduzindo o tamanho da turbomquina em

relao a uma potncia til requerida; - evita-se a eroso das palhetas da turbina; - elimina-se o uso de filtros; - aumento da transferncia de calor devido a alta densidade do fluido de trabalho (alta

presso); - uso de gases com propriedades trmicas desejveis.

Mas este ciclo tem como desvantagem a necessidade de investimento em um sistema externo de aquecimento do fluido de trabalho, envolvendo um ciclo auxiliar com uma diferena de temperatura entre os gases.

(a)

(b) Figura 2.25 Os ciclos Aberto (a) e Fechado (b)

QUANTO CONSTRUO As Turbinas Leves (Figura 2.26) tm como principais caractersticas:

32

- De construo leve; - Alta velocidade e, geralmente, - Mancais de rolamentos, que normalmente no so facilmente acessveis.

Dependendo do tipo, elas podem ter vrios eixos girando em diferentes velocidades (um eixo para o compressor de baixa presso, um para o compressor de alta presso e um outro eixo para a turbina de fora. A turbina de fora pode ser uma do tipo pesado, que recebe gases quentes de uma outra ou outras turbinas derivadas de turbinas - jet-derived.

As duas principais aplicaes de turbinas a gs leves so a produo de energia mecnica e como principal motor para mquinas como bombas e compressores.

Figura 2.26 Turbina Leve, estao de bombeamento da Avon

As Turbinas para Servios Pesados (Heavy Duty Gas Turbine - Figura 2.27) so construdas para aplicaes estacionrias. Compreendem em uma vasta e diversa gama de mquinas, indicadas para gerao de energia (de 10MW a acima de 100MW). Enquanto mquinas de menor potncia so similares as jet-derived, as turbinas de mdia e alta potncia possuem estruturas muito pesadas, volumosas. As cmaras de combusto no so necessariamente circulares, dispostas entorno do cilindro da turbina. Ao contrrio, estas mquinas podem ter uma ou duas cmaras de combusto dispostas separadamente.

Produzem energia mecnica principalmente para turbo alternadores, grandes turbo-compressores ou turbo-bombas. Conseqentemente necessrio incluir estes equipamentos nos estudos sobre vibraes nas turbinas, dificultando o equilbrio nos clculos.

33

Figura 2.27 Turbina para Servios Pesados (Heavy-Duty GT Siemens KWU)

QUANTO AO NMERO DE EIXOS Um ciclo com um eixo apenas, parte da potncia produzida pela Turbina fornecida ao Compressor. Apenas o restante da potncia se destina a potncia til de eixo. No caso de turbinas aeronuticas, toda a potncia gerada ser utilizada internamente.

Um ciclo com dois eixos formado de um gerador de gs, que est ligado ao primeiro eixo, e uma turbina livre, que est ligada ao segundo eixo. No caso de turbinas aeronuticas, a turbina livre substituda por um bocal. A diferena entre os dois ciclos est na operao.

Um ciclo com vrios eixos tem aplicao na aeronutica. Neste caso, o conjunto pode ter um, dois ou trs eixos concntricos com a finalidade de aumentar a razo de presso do ciclo e conseqentemente sua eficincia trmica. A diviso em vrios eixos do gerador de gs tem objetivo de aumentar a eficincia aerodinmica da compresso pois, a compresso em um nico estgio diminuiria a operao da turbina e a eficincia trmica.

QUANTO APLICAO As Turbinas Industriais so essencialmente fixas, Figura 2.29. So utilizadas para gerao de energia mecnica, com rotao constante ou varivel.

As Turbinas Martimas so utilizadas na gerao de energia mecnica e eltrica em navios. So do tipo on board.

Sem dvida o maior desenvolvimento tecnolgico e cientfico da turbina a gs est no campo aeronutico. Por razes de segurana, estratgia, as grandes potncias mundiais investem grandes somas em dinheiro para a pesquisa e desenvolvimento de equipamentos que possam ter grandes eficincias trmicas, grande potncia (empuxo) e que possibilitem altas velocidades (supersnicas). Possui eficincias trmicas altas, chegando a 41% e altas temperaturas de combusto (1800K).

34

Figura 2.28 Turbina Industrial: [1] Admisso, [2] Compressor Axial, [3] Sistema de Combusto, [4] Turbina, [5] Cilindro de Exausto e [6] Difusor de Exausto

Figura 2.29 Esquema de uma Usina de Energia Eltrica com Turbina a Gs

Figura 2.30 Turbina Martima WR 21 ICR da Northrop Corporation

35

As Turbinas Aeronuticas podem ser classificadas ainda pela sua Aplicao:

- Turbohlice - Figura 2.31 e Figura 2.32; - Turbofan - Figura 2.33, Figura 2.34 e Figura 2.42; - Turbojato - Figura 2.37; - Ramjet - Figura 2.39 e Figura 2.40;

As Turbohlice so turbinas a gs que convertem a energia do gs em potncia de eixo. Esse, est acoplado a uma caixa de engrenagem que reduz a rotao para um eixo que tem uma hlice. O compressor deste tipo de motor pode ser centrfugo ou axial, com um ou dois eixos.

Os gases de escape no possuem efeito propulsivo, o que d propulso aeronave a hlice acoplada ao eixo redutor de velocidade. So construdas para vos subsnicos.

Figura 2.31 Turbina Aeronutica Turbohlice

36

Figura 2.32 Turbohlice em corte

As Turbinas Turbofan possuem um grande conjunto frontal de ps que succionam o ar para dentro da turbina. A maior parte do ar succionado passa por fora do motor, i.e., ele no comprimido ou sofre uma baixa compresso. Esse fluxo de ar chamado de Bypass. Esse ar faz a turbina mais silenciosa (ou menos barulhenta!) e fornece um maior empuxo aeronave em baixas velocidades sem aumentar o consumo de combustvel - Figura 2.34. A maioria das aeronaves, principalmente civis, so movidas por turbinas com turbofan, onde 85% do empuxo tem origem no ar de bypass.

Existem vrios tipos de turbinas, com Razes de Bypass grandes ou pequenas, dependendo de sua aplicao (vos subsnicos ou supersnicos, respectivamente - Figura 2.35).

Figura 2.33 Turbina Aeronutica Turbofan

37

Figura 2.34 Fluxo em uma Turbina Turbofan

(a)

(b)

Figura 2.35 Turbinas Turbofan (a) Civil e (b) Militar

O Ar de Bypass pode ser ainda utilizado como um sistema de freio nas aterrissagens, utilizando-se de um sistema de reverso do fluxo de ar - Figura 2.36.

As Turbinas Turbojato (turbojet) so utilizadas para vo supersnico. O ar admitido comprimido de 3 a 12 vezes por um compressor centrfugo ou axial. Depois de misturado ao combustvel e queimado, expande-se em altas velocidades passando pela turbina, que transforma a energia cintica desses em trabalho mecnico.

Para aumentar o empuxo desta turbina utiliza-se o afterburner ou ps queimadores. O afterburner tem como funo aumentar a temperatura do ar de exausto atravs de uma segunda combusto, i.e., injeta-se combustvel nos gases exaustos provocando, atravs de uma fasca, uma nova combusto. A energia liberada pela combusto aumentar a temperatura dos gases e, conseqentemente, o volume dos mesmos. Como a o bocal de sada (nozzle) tem rea conhecida e constante (varivel nas militares), os gases sairo com uma velocidade muito maior, aumentando o empuxo final - Figura 2.24 e Figura 2.38

38

Figura 2.36 Sistema de Reverso do Ar de Bypass

Figura 2.37 Turbina Aeronutica TurboJet

Figura 2.38 Turbina Aeronutica TurboJet com o afterburner (F100-220)

As Ramjet (Figura 2.39) so motores de reao a ar forado para vos supersnicos, no possui partes mveis. O ar forado para a cmara de combusto pelo movimento para frente do avio, sem compressor, implicando na necessidade de uma alta velocidade do avio para o seu funcionamento.

39

Em conseqncia, uma aeronave utilizando a ramjet, necessita de alguma forma uma outra fora de empuxo que a leve at a velocidade mnima de funcionamento, como por exemplo um outro avio. A NASA, rgo de pesquisa Norte Americano, est desenvolvendo aeronaves de teste, como o X-15 (Figura 2.40).

Figura 2.39 Princpio de Funcionamento da Turbina Ramjet

Figura 2.40 O X-15 (NASA), com Turbina Ramjet

COMPONENTES PRINCIPAIS Comenta-se a seguir sobre os dois principais componentes: compressores e turbinas.

Compressores Os compressores (turbocompressores) so apresentados em dois tipos: o radial ou centrfugo (Figura

2.41) e o axial (Figura 2.42) conforme a direo com relao ao eixo de rotao, do escoamento na sada do rotor.

40

Figura 2.41 Turbina LTS 101, com Compressor Radial ou Centrfugo

Figura 2.42 Turbina CF6N com Compressor Axial

Seus componentes bsicos so um ROTOR, contendo ps, que, no seu movimento de rotao, transferem a energia (potncia) mecnica, recebida no eixo, para o ar (fluido de trabalho) em forma de potncia hidrulica ( v.pPh = ); e, um sistema de aletas (ps fixas) que formam o DIFUSOR (consta basicamente de passagens divergentes que desaceleram o ar aumentando sua presso). Existe ainda a CARCAA onde montado o conjunto.

De um modo geral podemos dizer que, para uma mesma potncia, o tipo radial fornece uma presso maior com uma vazo correspondente menor quando comparado com o tipo axial. Normalmente, no uso em turbina a gs, os do tipo radial so mais adequados para sistemas de pouca potncia enquanto que o axial se ajusta melhor para potncias maiores.

PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO E TEORIA BSICA DOS COMPRESSORES Considera-se a Figura 2.43 e a Figura 2.44, onde esto representados os cortes longitudinais e

transversais atravs do rotor, bem como seus tringulos de velocidade.

41

Figura 2.43 Compressores radial e axial, esquema e corte

Figura 2.44 Compressores radial e axial, tringulos de velocidade

No compressor RADIAL, o ar entra na direo axial do rotor, recebendo energia. , ento, desviado para a direo radial saindo do mesmo e entrando em um sistema de passagem divergente (difusores ou aletas fixas) que desaceleram o ar aumentando, conseqentemente, sua presso esttica.

O ar succionado na entrada do rotor (impeller eye) e ento gira a alta rotao, pelas ps do motor. Nesta situao o ar em escoamento, no rotor estar sujeito ao de uma fora centrfuga, que ser tanto maior quanto maior for a relao dimetro do rotor (D2/D1). Este processo j resultar um aumento de presso esttica ao longo do rotor. O restante da presso esttica do compressor obtido no difusor, onde a alta velocidade do ar saindo do rotor reduzida a um valor prximo daquele ocorrendo na entrada no rotor. usual projetar o compressor de forma que cerca da metade do aumento da presso ocorra no rotor e a outra metade no difusor.

Na Figura 2.45, pode-se observar os tipos de rotores e algumas peculiaridades desta mquina.

No compressor AXIAL, o ar entra na direo axial do rotor, recebendo energia das ps, e prosseguindo, na mesma direo, para entrar no sistema difusor constitudo por aletas (ps fixas) fixadas na carcaa. Neste tipo de mquina, no h o efeito da fora centrfuga m compresso, resultando num menor aumento da presso, por estgio. Por isso, este tipo de compressor sempre usa diversos estgios em sries. Figura 2.46. Tanto as ps (rotor) como as aletas (difusor) possuem perfis aerodinmicos (semelhantes aos de sustentao), Figura 2.44. Neste tipo de mquina, a variao de velocidade atravs das ps e aletas no grande o que permite trabalhar com velocidades mais altas (no momento j existem em uso compressores trans-snicos).

42

Figura 2.45 Compressor Radial, Tipos de Rotor

Um projeto cuidadoso das ps baseado em teoria aerodinmica e experimentos, necessrio no somente para prevenir perdas como tambm para assegurar que no haja os problemas de stall que freqentemente ocorrem nos compressores axiais, principalmente naqueles de muitos estgios, Figura 2.47.

Figura 2.46 Construo de um Compressor Axial

43

Figura 2.47 Efeito stall

A teoria bsica fundamentada no uso das equaes da continuidade, quantidade de movimento e energia aplicadas no volume de controle a ser analisado.

Estes clculos objetivam desenvolver uma mquina que fornea uma determinada vazo e presso e, naturalmente, deseja-se saber tambm qual a potncia utilizada, para o seu funcionamento.

O volume de controle que deve ser analisado aquele envolvendo o rotor e os pontos de mais interesses so aqueles correspondentes sees de entrada e sada onde as equaes acima so aplicadas. Neste caso considera-se o fluxo sendo representado por aquele de uma partcula representativa (linha de corrente).

Neste caso o movimento da partcula pode ser representado pelo tringulo de velocidade, conforme mostra a Figura 2.44.

Esta a maneira mais simplificada para anlise; porm outros mtodos de clculo j existem. H, ainda outros em desenvolvimento como, por exemplo, alguns mtodos numricos.

MTODO DA VAZO Da equao da conservao da massa (continuidade) podem ser determinadas as condies desejadas

para o fornecimento da vazo (regime permanente).

22 .... bDcmm pi=& radial

).(4

..

2int

2 DDcmm ext =pi& axial

Eq. 28

onde fica relacionado a vazo com dimenses caractersticas da mquina.

A energia especificada transferida para o ar, pelo rotor pode ser calculada pela equao do momento e cujo resultado o dado pela equao de Euler (1736).

1122 .. CuuCuuY = Eq. 29

44

Evidente que correes devem ser feitas levando em conta as diversas perdas.

A Eq. 29 acima possibilita a interligao entre as caractersticas fsicas (construtivas) e as operacionais da mquina.

Observando os tringulos de velocidade (relaes trigonomtricas) a Eq. 29 dada pode ser escrita da seguinte forma:

)(21)(

21)(

21 2

221

21

22

21

22 wwuuCCY ++= Eq. 30

ONDE:

)(21 2

122 CC

Aumento de energia cintica

Energia a ser recuperada fora do rotor

Presso dinmica convertida no estator

)(21 2

122 uu

Presso esttica devido a ao de fora centrfuga

Troca no rotor

)(21 2

122 ww

Recuperao de energia cintica convertida em presso esttica devido o efeito difusor das ps

Troca no motor

Analisando a frmula acima, conclui-se que o estgio do compressor axial, tm capacidade de compresso menor pois (u2 = u1). Logo apresenta um termo a menor na transformao de energia.

O trabalho especfico no compressor dado por:

Cc

P

cC YTT

ChhW ==

= )()( 015,0201025 Eq. 31

onde c - rendimento do compressor tendo em vista corrigir as diversas perdas.

Ento, a Potncia do Compressor:

cadc

hhmP

)(

.

01025 = & Eq. 32

e, da Eq. 29:

( ) v.... 1122 && pCuuCuumPh

== Eq. 33

onde:

YHgp ... ==

45

logo da Eq. 31:

1

5,01.

.

1

+=

kk

p

cc

TCY

pi Eq. 34

01501

02.

1TC

YTT

p

c+= Eq. 35

Para os compressores axiais comum utilizar o conceito de grau de reao:

dinest

est

YYY

r+

==

estgio do totalpressorotor no esttica presso

Eq. 36

ALGUMAS CARACTERSTICAS TPICAS DE COMPRESSORES

COMPRESSORES RADIAIS So usados somente para turbinas a gs de pequeno porte at 500 kW (1500 kW em casos

excepcionais como por exemplo em sistemas de segurana stand-by, turboalimentadores e turbinas de propulso de helicpteros, etc.)

Vantagens

- compactas (compresso em um s estgio) - mais resistentes - mais fcil construo

Desvantagens

- rendimento mais baixo - alta relao de dimetro D2/D1 (dificulta uso aeronutico)

Rotor

- semi-aberto (ligas de metal leve) - duplos - Normalmente um ou dois estgios

Grandezas caractersticas (usuais)

46

- velocidade perifrica s

mu 500 a 450

- mxima velocidade do ar na entrada s

m85,0

- mxima velocidade do ar na entrada s

m350 a 200

- ngulo de sada da p 90 a 502 = - Relao de presso-estgio )5(... 3...7,1=stpi

um estgio 5pi dois estgios 7pi

- Vazo

um estgio s

kgmar 30&

dois estgios s

kgmar 60&

COMPRESSORES AXIAIS So usadas para sistemas de turbinas a gs de grande e mdio porte, tais como em centrais

termeltricas, avies, estaes booster, etc. . .

Compressores axiais tem dimetros e escoamento sem muito desvio (no h mudana de direo), o que permite atingir um melhor rendimento que o tipo radial, porm necessita um nmero maior de estgios para a mesma relao de presso).

A fixao das ps no cubo podem ser realizadas de diversas formas como indicado na Figura 2.48.

A cauda de andorinha

B laval

C pinheiro

D cabea de martelo

E suporte

F cravada

G cabea de martelo

H espiga

I cada de andorinha Figura 2.48 Tipos de Fixao de Ps

47

Figura 2.49 A fixao das Ps

Grandezas caractersticas

Velocidade tangencial s

mu 350 a 250

Grau de reao r = 0,5

Velocidade na entrada C0=180 a 210m/s

Correspondente n de Mach M = 0,54 a 0,63

N de Mach crtico 85,0 a 7,0acM

Relao de cubo

- 1 estgio 5,0...4,0 - ltimo estgio 95,0 a 9,0

Relao de comprimento (p) b/D 0,03 a 0,05

Relao de presso (estgio)

- geral 30,1stpi - normalmente 2,1 a 1,1=stpi

Vazo

jato s

kgmar 350 a 30=&

Turbo (fan) s

kgmar 600

48

Central trmica GT s

kgmar 1000&

Nmero de estgios

12 a 106 == ipi dando 16,1 a 19,1=stpi

18 a 1612 == ipi dando 16,1 a 17,1=stpi

Temperatura na compresso

Terica kk

s TT1

12 .

= pi

Para o ar com temperatura de 20 C ( )K293T1 =

T2 = 200 ... 300 ... 500 para 30...12...6=pi

As caractersticas de funcionamento destes dois tipos de compressores so mostrados na Figura 2.50.

a) Rotao

b) Temperatura Figura 2.50 Caractersticas tpicas de compressores

Turbinas As turbinas tambm podem ser radiais ou axiais.

49

TURBINAS RADIAIS

Apresentam somente um estgio com rotor semi-aberto, muito semelhante a do compressor radial. O escoamento, agora, segue contra o efeito da fora centrfuga no sentido radial de fora para dentro. Desta forma muito comum a denominao turbina centrpeta. So turbinas compostas normalmente utilizadas para pequena potncia como, por exemplo, nas turboalimentadores ou turbinas automticas. Podem atingir at 4500kW em instalao com potncia efetiva de 1500kW (lembrar que o compressor consome cerca de 2/3 da potncia da turbina).

O seu rendimento relativamente pequeno devido a folga do rotor, pequenas dimenses, alta diferena de temperatura e oposio da fora centrfuga por ocasio da expanso. Os valores comuns de rendimento so da ordem de 75,0...6,0=t dependendo das dimenses.

Figura 2.51 Turbina centrpeta (radial)

TURBINAS AXIAIS As turbinas axiais so bastante semelhante s turbinas a vapor de reao (normalmente 0,5 para o

grau de reao). Devido a relativamente queda da entalpia nas turbinas a gs, dificilmente so utilizados mais de cinco estgios. Na maioria de 2 a 4 estgios sendo que, para pequena potncia basta 1 estgio. A baixa presso e alta temperatura da turbina a gs possibilitam construo leve.

Materiais resistentes temperatura so necessrios, principalmente tendo em vista a pequena espessura das paredes. Como j mencionado, devido a alta temperatura dos gases e alta rotao, a turbina fica sobrecarregada. Por tanto, materiais resistentes a alta temperaturas so usados o que permite uma temperatura de trabalho de at 600C para turbinas a gs estacionrias e para as usadas na aeronutica at 9000C.

Valores de temperaturas de trabalho maior requerem resfriamento, neste caso possibilitando temperatura de:

Turbinas a gs estacionrias at 950C

Turbinas a gs mveis at 1300C

Devido a isso, diversos mtodos foram propostos para resfriamento de ps como mostra a Figura 2.52.

50

Figura 2.52 Mtodos para resfriamento de ps.

Em uso corrente preferido o resfriamento a ar e neste caso, tm-se os seguintes mtodos de resfriamento: CONVENO FORADA, FILME e TRANSPIRAO, que apresentam entre si vantagens e desvantagens.

O ar de resfriamento provm do prprio compressor e a quantidade requerida para turbina de grande potncia (20 MW) entre 7% a 13% da vazo total, dependendo da temperatura dos gases (800C a 1300C).

Para instalaes menores este valor situa-se entre (4 e 10%).

No tipo mais usado, conveco forada, a quantidade de ar necessria ao resfriamento fica entre 1,5 e 2% da vazo (m) por fileira de ps.

A Figura 2.53 apresenta uma p resfriada por ar e a Figura 2.54 mostra o modo pelo qual o ar de resfriamento introduzido.

51

Figura 2.53 P resfriada a ar

Figura 2.54 Introduo de ar de resfriamento

Quanto ao mtodo de dimensionamento de turbinas tm-se algo semelhante ao projeto de compressores, isto , os fundamentos bsicos de clculo so os mesmos.

Alguns valores caractersticos para turbinas axiais:

Comprimento da p: no mnimo b = 30 mm

Relao de comprimento: b/D ((0,03). . . 0,05. . . 0. 15)

Velocidade de perifrica: u = 200. . . 350. . . 400 m/s

Folgas: (2. . . 4) 10 D

Perda por fuga: 3. . . 5%

Temperatura dos gases na sada: 400. . . 500 C (S. T)

FUNCIONAMENTO DAS MQUINAS TRMICAS

As Turbinas a Gs funcionam segundo o 2o princpio da termodinmica T

dQdS = , de forma cclica que geralmente representada como segue:

52

Gerador de vapor (caldeira) TV

Compressor + cmara de combusto TG

Cmara de combusto MACI

Trabalho mecnico

- elemento rotativo

- pisto alternativo - rotativo

Rejeio de calor

- prpria atmosfera

- condensadores (TV) Figura 2.55 Esquema de funcionamento de mquinas trmicas

Como veremos posteriormente, para o caso de turbinas a gs, o funcionamento destas mquinas pode ser representado por ciclos termodinmicos, compostos por uma srie de transformaes processos teoricamente reversveis e praticamente irreversveis.

Mas de um modo geral temos:

Figura 2.56 Diagramas de processos cclicos

Observar que, sendo o processo cclico, o fludo de trabalho sai da condio0 sofre as diversas transformaes e retorna ao mesmo ponto0.

DQ = dW + dU dQ = dW Eq. 37 interessante ainda, observar que para as mquinas trmicas sempre necessrio uma fonte quente

(introduo de calor) e uma fonte fria (rejeio de calor) bem como uma regio do sistema com alta presso e outra de baixa presso pois a transformao em que o trabalho produzido sempre uma expanso.

53

Construo e Princpio de Operao Considere-se ento, para descrio da operao de turbinas a gs com finalidade da acionamento

(energia mecnica) a Figura 2.57 que representa um dos tipos comuns de instalao para gerao de energia eltrica e de turbinas a gs para aeronutica a Figura 2.15.

Figura 2.57 - Esquema tpico de uma Turbina Gs Industrial

Aqui por meio de um compressor, o ar (comburente) comprimido (elevado a presso) e conduzido uma cmara de combusto onde introduzido o combustvel que pode ser gasoso, lquido ou mesmo slido, e que ser queimado sob uma condio de presso constante, num processo de queima em regime contnuo, aumentando a temperatura dos gases e introduzindo, desta forma, a energia primria no sistema. Os gases de combusto expandem-se na turbina que, por sua vez, transforma esta energia dos gases em energia mecnica a qual dever ser maior do que a energia necessria para acionamento do compressor. Esta diferena de energia a energia mecnica efetiva disponvel.

Numa primeira aproximao pode-se considerar como valor padro atuais para funcionamento no ponto de projeto a distribuio de potncia (energia) entre os diversos componentes da instalao como Pt : Pc:Pef = 3:2:1. Isto significa que a potncia necessria compresso (Pc) consome cerca de 2/3 de potncia liberada pela turbina (Pt). Desta forma a disponibilidade de potncia efetiva (Pef) somente 1/3 da potncia da turbina (Pt). Evidente que estes valores so apenas uma indicao uma vez que perdas ocorrem tanto no compressor como na turbina e isso concorre para o aumento da potncia absorvida (perdida) pelo prprio sistema decrescendo, desta forma, a potncia efetiva disponvel.

A maior ou menor introduo de calor produz respectivamente uma maior ou menor potncia efetiva.

Assim, um aumento muito grande de calor (combustvel) resultar num aumento da potncia sendo, evidente que, para uma determinada vazo de ar, existe um limite para a proporo de introduo de combustvel. A mxima relao combustvel/ar que pode ser usada determinada pela temperatura de trabalho das ps da turbina que operam em condies de alto tensionamento (altos esforos aerodinmicos e mecnicos; alta rotao; e, temperatura constante). Esta temperatura no poder ultrapassar determinado valor crtico (1300C). Este valor, por sua vez, depende da tenso de creep (fluncia) do material usado na construo da turbina, bem como de sua vida til desejada.

Como pode-se ver existem dois fatores que afetam o desempenho da turbina a gs: rendimento dos componentes e temperatura de trabalho da turbina. Quanto mais alto forem, melhor ser o desempenho da instalao. De fato estes fatores foram os que mais concorreram para os fracassos de um grande nmero de tentativas feitas nos primrdios do desenvolvimento das turbinas a gs. Naquela poca, e devido a esses fatores, a maioria das turbinas a gs conseguia apenas, na melhor das hipteses, manter o seu funcionamento.

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Isto significa que, funcionavam sem produzir nenhuma ou quase nenhuma potncia efetiva. Nesta ocasio o rendimento do compressor no era mais que 60% e a mxima temperatura admissvel era na ordem de 470. O rendimento total da turbina a gs depende tambm da relao de presso do compressor ou da instalao. A dificuldade de se obter alta relao de presso com um rendimento adequado do compressor s foi sanada quando novos conhecimentos de aerodinmica puderam ser aplicados neste problema. O desenvolvimento da turbina a gs ocorreu lado a lado com o desenvolvimento dos conhecimentos de aerodinmica e, tambm da metalrgica.

O resultado disso que, no momento, possvel encontrar motores avanados usando relao de presso at 30:1; rendimento de componentes de 85 a 95%; e, temperatura permissvel na entrada da turbina at 1300 C (casos extremos com o uso de cermica at 1500C - Figura 2.58).

Figura 2.58 Escala de Temperatura em um Reator

No incio do desenvolvimento da turbina a gs, dois possveis sistemas de combusto foram propostos: um, a presso constante e, o outro, a volume constante. Teoricamente, o rendimento trmico do ciclo a volume constante maior de que o do ciclo a presso constante, mas as dificuldades mecnicas so muito maiores. Com adio de calor a volume constante, vlvulas so necessrias para isolar a cmara de combusto do compressor e da turbina. A combusto desta forma, intermitente, o que no permite o funcionamento suave da mquina. Apesar do grande esforo, principalmente por parte dos Alemes e Suos, para desenvolver a turbina funcionando com este princpio pouco sucesso foi atingido. Desta forma este princpio foi abandonado.

No ciclo com introduo de calor a presso constante, a combusto ocorre em um processo contnuo, no necessitando de vlvulas o que simplifica muito sua construo e funcionamento. Este tm sido ento aceito como o tipo de ciclo que maiores possibilidades oferece para futuro desenvolvimento (Figura 2.59).

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Figura 2.59 Reator com presso constante na Cmara de Combusto

importante observar que na turbina a gs os processos de compresso, combusto e expanso no ocorrem em um nico componente como no caso dos motores alternativos a pisto. Eles ocorrem em componentes separados de forma que podem ser projetados, desenvolvidos e testados individualmente. Alm disso estes componentes podem ser interligados de diversas maneiras de modo a compor a unidade turbina a gs.

O nmero possvel de componentes no limitado aos trs j mencionados. Outros compressores e turbinas podem ser adicionados, com inter-resfriamento entre os compressores e cmaras de combusto de reaquecimento entre as turbinas. Pode, tambm, ser usado um trocador de calor que usa parte da energia dos gases de escape da turbina para pr aquecer o ar entretanto na cmara de combusto. Estes refinamentos podem ser usados para aumentar a potncia efetiva e o rendimento da instalao as custas de um aumento na complexidade, peso (volume) e principalmente custo. importante mencionar que a maneira em que os componentes so interconectados no afeta somente o rendimento total, mas tambm a variao do rendimento com a potncia efetiva e torque de sada com a variao de rotao.

Desta forma, dependendo do tipo de aplicao da turbina a gs, haver um arranjo adequado dos componentes, pois um determinado arranjo poder ser conveniente para o acionamento de um gerador sob carga varivel a uma rotao constante e outro poder ser adequado para o acionamento de compressor ou bomba de estao booster de um gasoduto ou oleoduto cuja potncia varia com o cubo da rotao.

ANLISE DO CICLO A turbina a gs de ciclo fechado, como o prprio nome indica, assim denominada em virtude do

tipo de circulao de seu fluido de trabalho. Assim sendo o processo de combusto tem que ser obrigatoriamente externo.

Sua diferena com relao a TG ciclo aberto est no processo de introduo e rejeio de calor.

A Figura 2.60 mostra o esquema de uma instalao de turbina a gs de circuito fechado, onde o fluido de trabalho a ar e o combustvel carvo pulverizado.

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Figura 2.60 Esquema de turbina a gs ciclo fechado (Eletricidade e aquecimento 2,3 MW)

Outro exemplo o de uma instalao nuclear, conforme mostra a Figura 2.61.

Figura 2.61 Esquema de turbina a gs nuclear (ABB).

Anlise Comparativa do Ciclo Vantagens:

a) Uso de alta presso no ciclo (maior densidade)

- dimenses menores das turbomquinas

- regulagem em larga faixa de operao sem alterao da temperatura (pouca variao do rendimento) regulagem pela presso.

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- melhoria da troca de calor

b) Uso mltiplo de combustvel, inclusive outras fontes de calor (solar, nuclear)

c) Fluido de trabalho no contaminado

- no h corroso e desgaste (turbomquinas)

- no h necessidade de filtros

d) Uso de outros fluidos de trabalho

- melhores propriedades termodinmicas

- gs neutro

Desvantagens:

a) Combusto externa

- uso de sistemas auxiliares

- diferena de temperatura (gases x fluido de trabalho)

- limite mximo de temperatura 770C (trocadores)

b) Uso de trocador de calor resfriamento (gua)

c) Custo, volume e peso maiores

d) Problemas de vedao

- carcaa mais reforada

Fluido de Trabalho Em geral usado ar, CO2 e principalmente Hlio devido suas excelentes propriedades

termodinmicas.

Tabela 1 - Comparao do Hlio com o Ar Grandeza Smbolo Unidade Helio Ar He/Ar Massa especfica kg/m 0,179 1,20 1/7

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Massa molecular M kg/mol 4,0 29 Constante dos gases R kJ/kg.K 2,078 0,287 Expoente Isentrpico k - 1,66 1,40 Calor especfico C kJ/kg.K 5,24 1,0 5 Velocidade do som a m/s 970 330 3 Coeficiente Conduo Calor W/m.K 0,144 0,026 5,5

Apesar do Hlio ser mais caro, tm as seguintes vantagens:

- No h corroso materiais comuns

- Turbomquinas com menor dimenses, devido ao valor maior de a (velocidade do som)

- Menor superfcie de troca de calor ( maior)

- Para mesma temperatura T menor (K maior)

- Materiais mais leves (menos resistentes)

- Alto rendimento, apesar de presso baixa

Em geral TG Hlio so menores e mais econmicas, porm mais caras.

Caractersticas de Torque No caso de turbinas a gs industriais (Pef) importante observar a dependncia do torque com a

rotao para uma determinada potncia uma vez que isto que determina a sua adequao em uma aplicao ou outra. Exemplificando: nas aplicaes com propsito de trao um alto torque de partida particularmente importante. Assim, um circuito pode ser adequado para gerao de energia eltrica (rotao constante) e inadequado para estao de bombeamento ou propulso naval ( 3 Pkn = ).

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Captulo 3. Materiais, Combustveis e Combusto Estes so os itens de grande importncia no aprimoramento das turbinas a gs tanto no aspecto de

aumento de sua potncia como no da melhoria de seu rendimento. Dado a sua importncia os pesquisadores tem concentrado esforos no seu desenvolvimento e aprimoramento tendo em vista atender exigncias ecolgicas.

MATERIAIS Com respeito aos materiais interessante ter em mente, na sua escolha, os aspectos segurana,

confiabilidade, vida til e economia.

Devido a ocorrncia de uma combusto contnua em turbinas a gs aparecer um sobrecarregamento trmico principalmente na cmara de combusto e nas ps do primeiro estgio da turbina. Acrescido a isto existe ainda a corroso devido a agressividade e a existncia de oxignio nos gases de escape ainda quentes. No caso particular da p da turbina existe a ao da fora centrfuga que muito grande uma vez que ela funo do quadrado da rotao e a rotao das turbinas so altas, principalmente naquelas de uso aeronutico. Como se v as turbinas a gs so um caso tpico para uso de materiais resistentes a alta temperatura. Esta alta temperatura so as causas de aparecimento de tenses, devido principalmente aos seguintes fenmenos:

- FLUNCIA e FADIGA as quais devido a sua importncia sero examinadas em detalhes mais adiante.

- MICROTRINCAS que ocorrem devido a rpida mudana de temperatura do gs e conseqentemente do material pela mudana rpida do regime de funcionamento. Sua origem devido as altas tenses trmicas localizadas.

Ainda sob o aparecimento de tenses trmicas, temos:

- DILATAO TRMICA decorrente das diferenas de dilatao entre aos diversos materiais, por exemplo, aos austenticos e martensticos.

- ELASTICIDADE com o aumento de temperatura diminui o mdulo de elasticidade dos slidos (materiais) que conduz mudana da freqncia do natural do rotor e das ps.

Sob o espao ECONOMIA, naturalmente que os materiais mais caros que so os resistentes

A altas temperaturas, ento seu uso fica somente para a cmara de combusto e partes da turbina. Para o compressor usado aos normais ou ligas metlicas leves (principalmente para aviao).

Comportamento dos Materiais Como sabemos quando um material submetido a um esforo ele se deforma. A lei de Hook mostra

que existe uma relao proporcional entre a tenso e a deformao ( = .E), porm isto vlido apenas para a regio elstica do material.

A Figura 3.1 mostra o resultado de um teste de tenso, o qual aps um carregamento ( = F x A) com 350 N/mm2 , uma deformao de 0,2% atingida, a qual desaparece com o descarregamento.

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Aumentando-se o carregamento ele torna-se plstico, permanecendo portanto uma deformao residual por ocasio do descarregamento. Aumentando mais ainda o carregamento, haver a ruptura do material.

Figura 3.1 Diagrama de Tenso Deformao

importante observar que este comportamento depende do tipo de material da temperatura e do tempo de carregamento.

A Figura 3.2 mostra o comportamento de um material, submetido a diversas tenses e o seu tempo de ruptura para cada carregamento. Este tipo de informao da vida til do equipamento, principalmente para as partes que esto sujeitas a maiores temperaturas e esforos.

Figura 3.2 Diagrama de Deformao Tempo e Tenso de Ruptura

FLUNCIA Uma outra caracterstica apresentada pelos metais o ESCOAMENTO OU FLUNCIA, cujo

comportamento indicado na Fig. 3. 3, onde representado o comportamento da deformao com o tempo quando submetida a um determinado carregamento (tenso) e sob ao de temperatura.

As curvas I, II, e III representam =f (tempo) para o mesmo carregamento e diferentes temperaturas, sendo que a temperatura decresce de 1 para 3. Conclui-se que a fratura ocorre mais rapidamente com o aumento da temperatura.

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Figura 3.3 Curvas de fluncia para metais

Tomando como base a curva II, pode-se definir regies distintas para a deformao como segue:

1-2 assim que aplicada a carga, ocorre a deformao elstica.

2-3 fluncia primria, primeiramente rpido a vagarosamente; nesta condio ocorre uma deformao intercristalina, interligada com um amolecimento.

3-4 fluncia com velocidade constante.

4-5 velocidade de fluncia e acelerada at que haja fratura.

Obs: acima do ponto 2 tem-se deformao plstica.

Conhecidas estas caractersticas do material, o projetista pode, em funo das condies de trabalho, determinar a vida til das ps. Evidente que operao da turbina em condies acima da estipulada no projeto, certamente reduzir a sua vida til. Ainda outro aspecto relevante deve ser considerado com relao a deformao uma vez que as tolerncias de fabricao so apertadas e devem permanecer dentro de certos limites para garantir a integridade da mquina.

FADIGA Outro aspecto importante quanto ao comportamento dos materiais a FADIGA que o fenmeno

que ocorre com uma pea metlica que pode falhar quando submetida a tenses cclicas ou flutuantes muito menores que as necessrias para causar fratura em uma aplicao esttica de carga. . As falhas que ocorrem sob condies de carregamento dinmico do tipo supra citado so denominados de Falhas por Fadiga devido ao fato de que as mesmas geralmente ocorrem aps longo tempo em servio. A fadiga tornou-se um problema cada vez mais relevante medida que a tecnologia desenvolveu equipamentos tais como turbinas, bombas, compressores, motores, etc., cujos elementos repetidos. Modernamente, cerca de 90% das falhas mecnicas registradas em servio deve-se fadiga do material.

A falha por fadiga so particularmente insidiosas devido ao fato de que ocorrem sem nenhum aviso prvio. A fadiga sempre resulta em uma fratura frgil sem deformaes apreciveis da pea. . Em escala macroscpica, a superfcie da fratura por fadiga se apresenta geralmente normal direo das tenses principais.

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A falha por fadiga pode ser facilmente reconhecida pelo aspecto caracterstico da superfcie fraturada, a qual apresenta duas regies distintas (Figura 3.4 e Figura 3.5), ou seja, uma regio lisa, resultado da ao friccional da propagao das trincas de fadiga, e uma regio rugosa que corresponde rea de fratura dtil Instantnea quando o material no pode suportar estaticamente as tenses aplicadas. Geralmente, o progresso da fratura de fadiga (regio lisa) indicado por uma srie de anis mais ou menos concntricos em torno do ponto de iniciao da falha. Este ponto de iniciao da falha geralmente coincide com pontos de concentrao de tenses (cantos vivos, por ex. ), entalhes, incluses, etc.

Figura 3.4 Esquema de uma fratura em eixo

Figura 3.5 Exemplo de Fratura por Fadiga em um parafuso {1}

Trs fatores bsicos so necessrios para causar uma falha por fadiga:

- Uma tenso mxima de grandeza suficientemente alta - Uma variao suficientemente grande da tenso aplicada (variao ou flutuao) - Um nmero suficientemente alto de ciclos da tenso aplicada

Alm destes trs fatores principais, podemos adicionar uma srie de outras variaes tais como: concentrao de tenses, estrutura metalrgica, corroso, temperatura, tipo de carregamento, tenses combinadas, etc., todas incluindo na ocorrncia da falha por fadiga.

Desde que no existe ainda uma explicao satisfatria das causas de fadiga em metais, torna-se necessrio discutir todos estes fatores de um ponto de vista essencialmente emprico.

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A Figura 3.6 mostra os tipos gerais de ciclos de tenso flutuante que podem causar falhas por fadiga. Mostra o ciclo senoidal, o qual corresponde a uma situao ideal que pode ser reproduzida nas mquinas de Teste de Fadiga por flexo rotativa.

Figura 3.6 Ciclos que ocasionam fadiga

O ciclo senoidal pode ser encontrado em alguns casos prticos de eixos operando a velocidade constante sem sobrecargas. Para este tipo de ciclo, as tenses mximas so iguais as tenses mnimas. A figura (b) mostra o ciclo senoidal com tenso mdia, no qual a tenso mxima diferente da tenso mnima devido existncia de uma tenso esttica mdia em torno da qual se define a variao senoidal das tenses. No caso particular da figura (b) as tenses do ciclo so sempre positivas, ou seja, so sempre de trao; podero ocorrer ciclos deste tipo com tenses s de compresso, ou mistos de trao e compresso. A figura (c) mostra um ciclo de tenses irregulares ou aleatrias, o qual pode ser encontrado em elementos tais como ps situadas em locais com instabilidade aerodinmica.

A apresentao bsica de dados tecnolgicos de fadiga feita atravs do Diagrama -N, (ou curva de fadiga) o qual mostra a dependncia da vida de uma amostra do material, em termos do nmero de ciclos at a falha por fadiga, (N), com a tenso alternativa () do ciclo de tenso aplicado. No diagrama deve estar especificada a tenso mdia do ciclo. Geralmente, o diagrama - N feito a partir de ciclos com tenso mdia nula (vide Figura 3.6-a) obtidos em mquinas de teste de fadiga por flexo rotativa. A Figura 3.7 a seguir ilustra dois diagramas -N tpicos para este tipo de teste, feitos com amostras de ao doce (AISI- 1020 normalizado) e de liga de alumnio (2024 T3).

Como pode ser observado na figura, o nmero de ciclos que o metal pode suportar antes de falhar, aumenta com diminuio da tenso aplicada. A menos que seja especificamente indicado, N tomado, como o nmero de ciclos que causa fratura completa na amostra testada. Normalmente, os testes de fadiga para baixos valores de tenso so levados a efeito at 107 ciclos para materiais ferrosos e at 5x108 ciclos para no ferrosos.

Para alguns materiais de importncia tecnolgica, como o ao e o titnio, o diagrama -N torna-se horizontal a partir de um certo valor de tenso. Para tenses abaixo deste valor limitante, que se denomina de limite de fadiga(inf) o material poder suportar um nmero infinito de ciclos sem falhar por fadiga. Muitos no ferrosos, como alumnio, magnsio, cobre e suas ligas, apresentam um diagrama -N sempre decrescente com o aumento do nmero de ciclos, ou seja, no apresentam um verdadeiro limite de fadiga pois o diagrama nunca chega a ser horizontal.

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Figura 3.7 Curva de Fadiga

Nestes casos o limite de fadiga definido para 108 ciclos no diagrama -N.

CORROSO A corroso pode ser considerada como o ataque gradual e contnuo de um metal por parte do meio

circunvizinho que pode ser a atmosfera mais ou menos contaminada das cidades ou um meio qumico, lquido ou gasoso. Como resultado de reaes qumicas entre os metais e elementos no-metlicos contidos nesses meios, tem-se mudana gradual num composto ou em vrios compostos qumicos, que so geralmente xidos ou sais.

Admite-se que a corroso no passa de uma forma de atividade qumica ou, mais precisamente, eletroqumica. A velocidade do ataque e sua extenso dependem no s da natureza do meio circunvizinho, como igualmente do tipo do metal ou liga sofrendo a ao corrosiva.

Quando um metal no corri, admite-se que se produz alguma reao qumica entre ele e o meio que o circunda, com formao de uma camada fina, a qual adere superfcie metlica e a mantida por foras atmicas. Se, por qualquer motivo, essa camada protetora for destruda momentaneamente, ela ser instantaneamente restabelecida e a leso do metal , por assim dizer, automaticamente sanada.

Geralmente a proteo contra a corroso feita criando-se sobre superfcie do metal uma pelcula protetora que separa o metal-base do meio corrosivo. Essa pelcula protetora pode ser criada artificialmente, mediante depsito propositado de uma outra substncia - metlica ou orgnica - sobre a superfcie do metal a proteger ou, naturalmente, i.e., pela formao de um composto qumico, mantido sobre a superfcie metlica por foras atmicas, composto esse que resulta da reao de certos elementos de liga introduzidos no metal com o meio circunvizinho.

Alm do mecanismo da formao de uma pelcula de xido para explicar a resistncia corroso, outros dois mecanismos tm sido propostos:

- Absoro de gs oxignio por tomos de cromo na camada superficial dos aos contendo esse elemento de liga e;

- Produo de uma distribuio favorvel de eltrons entre o ferro e o cromo, auxiliada pela absoro do oxignio e prejudicada por hidrognio.

O primeiro mecanismo, formao de pelcula de oxignio, ainda o mais aceito. De qualquer modo, a presena da pelcula superficial de cromo, de espessura inferior a dois centsimos de mcron, indispensvel para conferir resistncia corroso. A concentrao de cromo nesta pelcula maior que a do

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metal e tanto a espessura da pelcula como o seu teor em cromo aumenta medida que se melhora o polimento superficial.

Os mais importantes metal no sentido de ligar-se ao ferro em condies econmicas para formar as pelculas protetoras discutidas acima so, na realidade, relativamente poucos e incluem o cromo, o nquel e, em menor grau, o cobre, o silcio, o molibdnio e o alumnio.

O cromo , de fato, o elemento mais importante e quando usado em elevados teores, acima de 10%, o mais eficiente de todos, sob a maioria das condies, se bem que os aos ao cromo e ao cromo-nquel no sejam resistentes em certos meios, como cido clordrico.

Parece que nenhum dos elementos citados, ss ou combinados, em teores abaixo de 1% retarda materialmente a corroso com exceo do cobre que j em teores de 0,2% retarda definitivamente a corroso atmosfrica, melhorando a resistncia dos aos corroso atmosfrica de 03 a 05 vezes, em relao aos aos sem cobre.

A passividade dos aos resistentes corroso depende essencialmente dos seguintes fatores:

- Composio qumica; - Condies de oxidao - Figura 3.8; - Susceptibilidade corroso localizada ("pitt") - Figura 3.9; - Susceptibilidade corroso intergranular - Figura 3.10.

Figura 3.8 Exemplo de Oxidao

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Figura 3.9 Exemplo de Corroso Localizada

Figura 3.10 Exemplo de Corroso Intergranular {1} EROSO

Os compressores operando em atmosfera suja, cheia de partculas (poeira), sofrem a ao da eroso pelas mesmas, devido grande velocidade de seus componentes. A alterao das caractersticas das superfcies acarreta alterao do rendimento do compressor e fragilizao mecnica, o que no desejvel.

As turbinas sofrem a eroso da mesma forma, desde que haja partculas considerveis no fluxo de gs quente. A combusto inadequada pode formar minsculas partculas de carbono que podem provocar a eroso das palhetas.

Para evitar esse problema vital a utilizao de filtros na entrada do compressor e inspecionar rigorosamente o sistema de combustvel para assegurar combusto adequada.

Materiais Comumente Utilizados Os metais tm sido tradicionalmente utilizados em aplicaes onde h altos esforos e, ao mesmo

tempo, alta temperatura. Por volta de 1930 devido ao desenvolvimento da tecnologia de vapor a alta temperatura e petroqumica, esforos foram concentrados na descoberta de materiais resistentes a alta temperatura. Esta procura de materiais resistentes a alta temperatura resultou em um nmero bastante grande de ligas para alta temperatura em especial as a base de nquel. At recentemente as turbinas a gs vinham utilizando somente materiais metlicos na sua construo. Atualmente h uma tendncia, ainda em fase experimental, de se utilizar materiais ligados no metlicos.

De um modo em geral, os reatores trabalham com temperaturas e rotaes muito altas o que impe uma vida til da ordem de, aproximadamente 5.000 horas de funcionamento enquanto que para as turbinas industriais o funcionamento real de cerca de 100.000 horas.

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Na escolha de materiais para turbina, um dos aspectos mais importantes a ser considerado a alta tenso resistiva (tempo de aplicao) (Zeitstandfestigkeit fluncia) do material.

Para o teste de indeformabilidade um corpo de prova submetido a uma fora de trao constante sob temperatura constante. A curva de tenso resistiva fornece informaes sobre a dependncia do tempo necessria fratura com a tenso.

A Figura 3.11 mostra o comportamento da tenso resistiva com a temperatura.

Tomemos como exemplo a temperatura de 700oC onde para ( 1000/B ) teremos 215N/mm2 significando que, para esta temperatura e este carregamento, aps 1.000 horas ocorrer a fratura do corpo de prova.

Figura 3.11 Tenso resistiva

Os materiais disponveis e com boa qualidade resistiva so:

- Aos cromo - Aos cromo nquel austenticos - Aos CrNi de alta liga, Cr-Ni-Co-Fe - Ligas a base de nquel, - Ligas a base de cobalto, conforme indicado na Tabela 2 onde se v sua designao e composio

qumica.

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Figura 3.12 Resistncia (Creep)

Figura 3.13 Resistncia (Creep)