IV - TURBINAS A VAPOR

1. GENERALIDADES 1.1 Introdução

1- de combustão externa: de êmbolo – máquina a vapor rotativo – turbina a vapor MOTORES 2 - de combustão interna: de êmbolo –p/ faísca, p/ injeção TÉRMICOS rotativo – turbinas a gás pulso-jato

3- de ar comprimido (britadeiras, aparafusadeiras, brocas de dentista)

Esquema de uma unidade de geração de potência a vapor. 1.2 – Vantagens das turbinas em relação às máquinas a vapor - Movimento rotativo (pouca vibração) - Menor relação peso/potênci - Melhor rendimento –menor atrito, sem a perda "triangular" - Menor espaço ocupado - Menor custo de manutenção (embora exija manutenção especializada) - Permitem grandes potências 1.3 Evolução das turbinas a vapor Maiores turbinas a vapor ≈ 1000 MW (equivale a 10.000 motores de 136 CV) Maiores turbinas a gás < 10% pot. das maiores TV Maiores motores Diesel < 5% pot. das maiores TV

1.4 – Aplicações - Centrais termelétricas (convencionais e nucleares para geração de energia elétrica) - Propulsão de navios e submarinos - Acionamento de máquinas em geral como bombas, compressores, geradores elétricos,

ventiladores, secadores de papel, etc. 1.5 – Partes principais: - carcaça com bocais fixos (também chamados de expansores) - eixo rotor com palhetas ou bocais móveis - mancais - sistema de controle de potência - sistema de segurança contra disparo - sistema de lubrificação

`

1.6 Classificação a) Quanto ao funcionamento: - turbinas de ação – a expansão do vapor ocorre só nos bocais fixos. Não há expansão do

vapor enquanto o mesmo passa pelas palhetas do rotor. - turbinas de reação – 0 vapor expande também enquanto passa pelas palhetas do rotor, as

quais têm formato de bocais. O aumento da velocidade causa um efeito de reação sobre as palhetas.

b) Quanto à construção: - Axiais – mais comuns, mais usadas

- Radiais – direção ao fluxo de vapor é normal ao eixo do rotor.

1.7 Tipos básicos de TV com relação à pressão na entrada, na saída e nas extrações: - Turbina de alta pressão – corpo longo, muitos estágios - Turbina de baixa pressão – corpo curto, poucos estágios - Turbina de condensação – com condensador na saída - Turbina de contra pressão – pressão na saída > para atmosférica - Turbina contra extração – para vapor de média pressão em estágio intermediário 2. Turbina elementar de ação ( Turbina de Laval ) 2.1 Definição, funcionamento

É uma turbina de ação de um único estagio. 1° O vapor ao passo para bocal fixo sofre expansão e aumenta velocidade. Ao passar para bocal então ocorre transformação de energia térmica ( entalpia ) em energia cinética ( velocidade ). 2° O vapor a alta velocidade incide sobre pás moveis cedendo parte de sua energia para o rotor /eixo da turbina, para transferencia de quantidade de movimento. Vantagens: construção simples, carcaça sujeita só a pressão de escape. Desvantagem: pequenos Δh para não prejudicar η, pequenas potências.

2.2- Perdas na turbina de Laval: a) Perdas periféricas: Z1 – Perdas por atrito, choques e turbulência no escoamento do vapor nos bocais e nas pás

( ) ( )[ ]22

21

21

2i1 wwcc

21Z −+−= [kJ/kg]

Z2 - Perda por velocidade do vapor na saída

2cZ

22

2 = [kJ/kg]

b) Perdas internas: Z3 - Perda por fuga de vapor: devido às folgas e escape nas vedações. Normalmente prevista por experiências ou literatura e dada em porcentagem.

Z3 = f ( Δp, folgas, vedações )

Z4 - Perda Stodola: Efeito "ventilador" do disco do rotor sobre o vapor (o qual é arremessado radialmente devido à velocidade de rotação) e também por atrito das faces do rotor com o vapor.

Z4 = f ( n , D, L, B, γ ). Normalmente previsto por equações empíricas encontradas na literatura de turbinas. Exemplo:

NSTOD = x ( 1,8 D2 + α D (L+B) )= 6

3

10u

γ [CV] u= m/s

γ [kgf/m3] peso específico do vapor x= 1 para disco livre x= 0,25 – 0,5 para disco em caixa α= 0,7 para baixos coef. de injeção ( 1 a 4 bocais fixos) α= 0,5 para injeção total Z5 - Perda de calor para o ambiente: geralmente muito pequena, pode ser desprezada para turbinas com bom isolamento térmico. Z6 - Perdas mecânicas: atrito nos mancais, nas vedações e energia dissipada por vibrações. Pode também ser incluída a energia consumida para bombas lubrificação e de óleo hidráulico para comando da turbina. 2.3- Rendimentos São calculados em função das perdas. Saltos térmicos: Ideal - ihΔ = h1 - h2i [kJ/kg] Periférico - ( )21 ZZhh ik +−Δ=Δ " Interno - Δhint = ( )54321 ZZZZZhi ++++−Δ "

Efetivo - 61ief hh ∑−Δ=Δ Zi "

Rendimento periférico (ηk)– considera perdas Z1 e Z2 ( perdas periféricas )

ik h

hk

ΔΔ

=η

Rendimento interno (ηint) – considera todas as perdas internas, exceto as perdas mecânicas.

iint h

hint

ΔΔ

=η

Rendimento efetivo (ηe) – considera todas as perdas.

minti

e hhe ηη=

ΔΔ

=η

Rendimento mecânico – só considera as perdas mecânicas.

intm h

he

ΔΔ

=η

Exemplos:

Pe [kW] ηe [ % ]

100 40-50 500 60-65

1000 67-72 20000 80-85

2.4- Potência da turbina Sendo vm& a vazão mássica de vapor fornecida à turbina [kg/s], a equação geral para o cálculo da potência de uma turbina é:

hmP v Δ= & [kW] a) Potência teórica (ou ideal) – a que está disponível no vapor ("potência térmica").

ivi hmP Δ= &

b) Potência periférica: a que chegou nas palhetas do rotor.

kvk hmP Δ= & c) Potência interna: a que chegou no eixo:

intvint hmP Δ= &

d) Potência efetiva: enttregue pelo eixo da TV à máquina por ela acionada.

eve hmP Δ= &

3) Turbinas com estágios de pressão (tipo RATEAU) 3.1- Constituição e operação Quando o Δhi é elevado resulta ci alto e p/ condição de ηk max o "u" também é muito elevado. A solução é dividir o Δhi em estágios para que o u desça a valores aceitáveis. As pressões intermediárias são funções das entalpias de entrada de cada estágio.

3.2- Número de estágios 1- Salto térmico ideal total - Δhi t = h1 – h2i

2- Velocidade periférica: calculada ou adotada u= 60DnΠ

3- Cálculo de Ci : ic

u = x 2

cos 1αϕ

4- Salto térmico ideal para estágio. Δhi= gA

2 Ci

2 [ Kcal/Kg ]

5- Numero de estágios: ne= i

iT

hhΔΔ → no arredondamento deve-se verificar se o “u” está

aceitável. 3.3- Perdas na turbina de ação com estágios de pressão

( ) ( )[ ]22

21

21

2i1 wwcc

21Z −+−= [kJ/kg] (para cada estágio)

2cZ

22

2 = [kJ/kg] (só no último estágio)

As perdas Z3 e Z4 são calculados para cada estágio, como feito para a turbina elementar de Laval, e somadas. Para projeto Z3 ( fugas ) e Z5 ( calor para ambiente ) podem ser desprezadas. A perda Z6 é normalmente obtida a partir do rend. Mecânico. Por exemplo: P (kW) 100 300 500

1000 1500 5000 10000 20000

ηm (%) 92 94 95

96 97 98 99 99,5

3.4 – Potências São calculadas exatamente como para a TV de um estágio. Ver item 2.4.

4 - Turbinas com Estágio de Velocidade (tipo CURTIS) 4.1- Constituição, funcionamento Carcaça, bocal (is) de expansão fixo (s) e sequência de palhetas móveis e palhetas inversoras. A pressão cai apenas nos bocais fixos de entrada. A velocidade diminui a cada estágio. As palhetas inversoras apenas mudam a direção do vapor para entrar no próximo estágio. O número de estágios é geralmente 2, mas pode ser até 4, porém com muita diminuição no rendimento. São usadas para potência de até 2000 CV (1500 kW). Vantagens: - velocidade perif. menor para um mesmo Δhi , quando comparada a TV com estágios depressão. - carcaça só sob P2 de saída.

4.3 – Perdas na Turbina Curtis Z1 – deve ser calculada para os bocais fixos e para toda a seqüência de pás móveis e inversos. Para 2 estágios de velocidade termos:

Z1= ( ) ( ) ( ) ( )[ ]22

21

21

22

22

21

21

2

2WWCCWWCC

gA

i −+−+−+− ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡kgkJ

↑ ↑ ↑ ↑ Bocais Pás Móveis Pás Pás Móveis Fixos 1ª est. Inversoras 2ª est.

Z2= 2

22C

gA

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡kgkJ

( só no último estágio )

Fugas de vapor: Z3 pode ser desprezada ( pressões constantes ). Perda Stodola: Z4 pode ser desprezada porque γ é baixo por baixa pressão nos estágios. Calor para o ambiente: Z5 pode ser desprezada se bem isolada termicamente. Perdas mecânicas: Z6 em função de mη (ver itens 2.3 e 3.3). 4.4 –Rendimentos a) Condição de rendimento periférico máximo:

2cos1 1αϕ

ei ncu

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

Devido ao fator en/1 é possível ter-se velocidade periférica mis baixos. De ( 1 ) temos que

Ci= ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

2cos 1αϕ

une Ou seja ne vezes maior

Como Δhi= 2

2 iCgA ( depende do quadrado de Ci )

O salto isoentrópico permissível para ne estágios de velocidade será:

( Δhi )ne = n2e ( Δhi )1 est. Pressão

No entanto o comportamento de ηk é de queda acentuada conforme aumenta o número de estágios. ηk max. Cai à medida que ne aumenta. Isto deve- se a grande velocidade C1 ( aumento dela com ne ) que faz Z1 aumentar.

Conclusão : Estágios de velocidade permitem Δhi maiores mas com sacrifício de ηk

b) Rend. Periférico: ηk = ( )

i

i

i

k

hZZh

hh

Δ+−Δ

=ΔΔ 21

c) Rend. Interno: ηint = ( )

i

i

i hZZZZZh

hh

Δ++++−Δ

=ΔΔ 54321int

e) Rend. Mecânico: em função do porte (ver itens 2.3, 3.3 e 4.3). 4.5 – Potências: idêntico ás TV de estágios de pressão São calculadas exatamente como para a TV de um estágio. Ver item 2.4. 4.6 – TV com estágios de pressão x TV com estágio de velocidade: TIPO VANTAGEM DESVANTAGEM Estágios de Pressão - Perda Z1 baixa →ηk

elevado -Δp entre estágios → maior perda por fugas de vapor - massa específica do vapor alta nos primeiros estágio → ↑Z4

Estágio de Velocidade - massa específica do vapor baixa (pressão baixa na carcaça) → Z4 ↓ - Permite maiores Δhi - Pouca perda por fugas (Δp ≅ 0 entre estágios)

Perda Z1 alta → ηk baixo

Para aliar as vantagens dos 2 tipos usam-se TV mistas: a) Estágios de pressão (RATEAU) com 2 ou mais estágios de velocidade (CURTIS )

“embutidos"; b) Dois estágios de velocidade (CURTIS) no início seguido de estágios de pressão. 5 - Turbinas de Reação (tipo PARSONS) 5.1- Constituição, funcionamento

Cada estágio é constituído de bocais fixos ( BF ) seguidos de bocais móveis ( BM ). Ocorre expansão tanto nos BF como nos BM que giram com o rotor.

5.2- Perdas em um Estágio

( ) ( )[ ]22

2i2

21

2i1 WWCC

21Z −+−= [kJ/kg]

↑ ↑ BF BM

É menor que nas de ação porque Ci - C1 é menor Z2=

22C

21 (só no ultimo estágio)

Z3= fugas são mais acentuadas que nas de ação pois tem-se Δp nos BM Z4, Z5, Z6 ( Stodola, calor para ambiente e mecânica ) semelhantes às TV de ação. 5.3- Rendimentos

a) Condição de ηkmax =ic

uϕ cos α1

( para grau de reação ρT = 0,5 ) b) Rend. Perif. , int. , efetivo: ηk , ηint, ηef, ηm idêntico ao que já foi visto para a TV ação. 5.4- Potências – Cálculo e definições idênticos às TV de ação. 5.6- Comparação das turbinas de reação com as de ação Vantagem - rendimento maior (por ηK maior). Desvantagem: maior número de estágios e perda por fugas ( Z3 maior, devido à queda de pressão contínua nas partes fixas e móveis de todos os estágio). Turbinas de ação são mais simples e baratas porém têm menor rendimento e, conseqüentemente, maior consumo de vapor. São utilizadas em instalações de menor porte (menor potência). Combinação de TV’s de ação e reação são comuns em instalações de médio e grande porte, com a finalidade de aliar as vantagens dos dois tipos. Na combinação utiliza-se TV de ação para os estágios de alta pressão e reação nos estágios de baixa pressão.