máquinas de fluxo - compressores e turbinas
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MÁQUINAS DE FLUXO
RESUMO
2011
BOMBAS CENTRÍFUGAS
DEFINIÇÃO DE BOMBAS
‐ Bombas são máquinas geratrizes, isto é, que recebem trabalho mecânico
geralmente fornecidos por uma máquina motriz, e o transformam em energia
hidráulica, comunicando ao líquido um acréscimo de energia sob as formas de
energia potencial de pressão e cinética.
CLASSIFICAÇÃO
‐ O modo pelo qual é feita a transformação do trabalho em energia hidráulica e o
recurso para cedê‐la ao líquido aumentado sua pressão e/ou velocidade
permitem classificar as bombas em:
a) Bombas de Deslocamento Positivo;
b) Turbobombas;
c) Bombas Especiais (bombas com ejetor; pulsômetro; bomba de emissão de
ar);
BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO
CARACTERÍSTICA
Uma partícula líquida em contato com o órgão que comunica a energia tem
aproximadamente a mesma trajetória que a do ponto do órgão com o qual está
em contato.
FUNCIONAMENTO
Possuem uma ou mais câmaras em cujo interior o movimento de um órgão
propulsor comunica energia de pressão ao líquido, provocando o seu
escoamento. Proporciona então as condições para que se realize o escoamento
na tubulação de sucção até a bomba e na tubulação de recalque até o ponto de
utilização.
TIPOS
Podem ser:
Palhetas
Pistão Rotativo
Um só Rotor Elemento Flexível
Parafuso Simples
Rotativas
Engrenagens
Rotores Múltiplos Rotor Lobular
Pistões Oscilatórios
Parafusos
Duplo Efeito
Pistão ou Êmbolo
Simples Efeito/Duplo Efeito
Alternativas
Diafragma
TURBOBOMBAS
CARACTERÍSTICAS:
Possuem um órgão rotatório dotado de pás chamado ROTOR, que exerce sobre o
líquido forças que resultam da aceleração que o rotor imprime ao líquido.
A descarga gerada depende das características da bomba, do número de rotações
e das características do sistema de encanamentos ao qual estiver ligada.
A finalidade do rotor é comunicar à massa líquida aceleração, para que adquira
energia cinética e se realize assim a transformação da energia mecânica de que
está dotado. É em essência, um disco ou uma peça de formato cônico dotada de
pás.
O Rotor também é chamado de Impulsor ou Impelidor.
Tipos de Rotores
Fechado: além do disco onde se fixam as pás. Existe uma coroa circular também
preso as pás. Usa‐se para líquidos sem substâncias em suspensão.
Aberto: quando não existe essa coroa circular. Usa‐se para líquido contendo
pastas, lamas, areias, esgotos sanitários.
As turbobombas necessitam de um outro órgão, o difusor, também chamado
recuperador, onde é feita a transformação, em energia de pressão, da maior
parte da elevada energia cinética com que o líquido sai do rotor.
Tipos de Difusores
‐ De tubo reto troncônico, nas bombas axiais;
‐ De caixa com formas de caracol ou voluta, nos demais tipos de bombas
(chamado neste caso simplesmente de coletor ou caracol).
‐ Entre a saída do rotor e o caracol, em certas bombas, colocam‐se palhetas,
devidamente orientadas, as pás guias, para que o líquido que sai do rotor seja
conduzido ao coletor com velocidade, direção e sentido tais que a transformação
da energia cinética em energia potencial de pressão se processe com um mínimo
de perdas por atrito ou turbulências.
‐ Nas bombas de múltiplos estágios, as pás guias ou diretrizes são necessárias.
CLASSIFICAÇÃO DAS TURBOBOMBAS
CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO A TRAJETÓRIA DO LÍQUIDO NO ROTOR
A. BOMBA CENTRÍFUGA RADIAL OU PURA
CARACTERÍSTICAS
O líquido penetra no rotor paralelamente ao eixo, sendo dirigido pelas pás p/ a
periferia, segundo trajetórias contidas em planos normais ao eixo.
VANTAGENS
Pela sua simplicidade, se prestam a fabricação em série, sendo generalizada a sua
construção e estendida sua utilização a grande maioria das instalações comuns de
água limpa, para pequenas, médias e grandes alturas de elevação, e baixas
vazões, possui baixo custo e maior flexibilidade de operação.
DESVANTAGENS
Quando se trata de grandes descargas e pequenas alturas de elevação, o
rendimento das bombas radiais torna‐se baixo e o seu custo se eleva em virtude
das suas dimensões, tornando pouco conveniente empregá‐las.
UTILIZAÇÃO
Bombeamento de água limpa, água do mar, condensados, óleos, para pressões de
até 16 kgf/cm² e temperaturas de até 140°C;
Bombas centrífugas também de voluta, para indústria química, petroquímica,
refinarias, indústria açucareira, para água quente até 300°C e pressões de até 25
kgf/cm²;
Bombas de processo podem operar com temperaturas de até 400°C e pressões de
até 45 kgf/cm².
B. BOMBA DIAGONAL OU DE FLUXO MISTO
O líquido sai do rotor com direção inclinada com relação ao eixo. Atende a faixa
intermediária entre a centrífuga e a axial. Parte da energia fornecida ao fluido é
devida à força centrífuga, parte é devida a força de arrasto. Utilizada para vazões
altas e médias cargas manométricas.
B1. BOMBAS HELICO‐CENTRÍFUGA
O líquido penetra no rotor axialmente, atinge as pás cujo o bordo de entrada é
curvo e inclinado em relação ao eixo. Segue uma trajetória que é uma curva
reversa, pois as pás são de dupla curvatura e atinge o bordo de saída, que é
paralelo ao eixo ou ligeiramente inclinada em relação a ele.
B2. BOMBAS HELICOIDAL OU SEMI‐AXIAL
O líquido atinge o bordo das pás, que é curvo e bastante inclinado em relação ao
eixo. A trajetória é uma hélice cônica, reversa e as pás são superfícies de dupla
curvatura. O bordo de saída das pás é bastante inclinada em relação ao eixo. As
bombas desse tipo prestam‐se a grandes descargas (vazões) e pequenas e médias
cargas manométricas. Por serem as pás de dupla curvatura, seu projeto é mais
complexo e sua fabricação apresenta alguns problemas de fundição.
C. BOMBA AXIAL OU PROPULSORA
A água sai do rotor com direção aproximadamente axial com relação ao eixo.
Neste tipo de bomba o rotor é também chamado de hélice. Não são
propriamente bombas centrífugas, pois a força centrífuga decorrente da rotação
das pás não é a responsável pelo aumento da energia da pressão. É indicada para
grandes vazões e baixas alturas manométricas. A energia transmitida ao fluido é
devida puramente às forças de arrasto (propulsão).
Gráfico ‐ Campo de Emprego das Bombas
CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO O NÚMERO DE ROTORES EMPREGADOS
A. BOMBAS DE SIMPLES ESTÁGIO
Nela existe apenas um rotor e, portanto, o fornecimento da energia ao líquido é
feito em um único estágio (constituído por um rotor e um difusor) não se utilizam
para grandes alturas de elevação devido às dimensões excessivas, custo elevado e
baixo rendimento.
B. BOMBAS DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS
Quando a altura de elevação é grande, faz‐se o líquido passar por dois ou mais
rotores sucessivamente fixados ao mesmo eixo e colocados em uma caixa cuja
forma permita esse escoamento.
A passagem do líquido em cada rotor e difusor constitui um estágio na operação
de bombeamento.
São próprias para instalações de alta pressão. Utilizadas para alimentação de
caldeiras com pressões superiores a 250 kgf/cm² e para poços profundos de água
ou na pressurização de poços de petróleo.
CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO O NÚMERO DE ENTRADAS PARA ASPIRAÇÃO
A. BOMBAS DE ASPIRAÇÃO SIMPLES OU DE ENTRADA UNILATERAL
Entrada do líquido se faz de um lado e pela abertura circular na coroa do rotor.
B. BOMBAS DE ASPIRAÇÃO DUPLA OU DE ENTRADA BILATERAL
O rotor permite receber o líquido por dois sentidos opostos. Paralelamente ao
eixo de rotação.
Para permitir a montagem do eixo com os rotores (ou o rotor), a carcaça da
bomba é bipartida para temperatura de bombeamento acima de 205°C e/ou
quando se tratar de líquidos tóxicos ou inflamáveis com densidade menor que
0,7.
FUNCIONAMENTO DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA
‐ A bomba Centrífuga necessita ser previamente enchida com o líquido a
bombear, isto é, deve ser escorvada.
‐ Logo que se inicia o movimento do rotor e do líquido contido nos canais
formados pelas pás, a força centrífuga decorrente deste movimento cria uma
zona de maior pressão na periferia do rotor e, consequentemente, uma de baixa
pressão na sua entrada, produzindo o deslocamento do líquido em direção à saída
dos canais do rotor e à boca de recalque da bomba.
POTÊNCIA NAS BOMBAS CENTRÍFUGAS
POTÊNCIA MOTRIZ: também denomonada consumo de energia da bomba, é a
potência fornecida pelo motor ao eixo da bomba (Lm).
POTÊNCIA DE ELEVAÇÃO: é a potência cedida pelo rotor ao líquido (Le).
POTÊNCIA ÚTIL: é a energia aproveitada pelo líquido para seu escoamento fora da
própria bomba (Lu).
RENDIMENTOS NAS BOMBAS CENTRÍFUGAS
RENDIMENTO MECÂNICO: é a relação entre a potência de elevação e a motriz
r = Le = He
Lm Hm
RENDIMENTO HIDRÁULICO: é a relação entre a potência útil e a de elevação
e = Lu = Hu
Le He
RENDIMENTO TOTAL: é a relação entre a potência útil e a motriz
η = Lu = Hu
Lm Hm
ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS CENTRÍFUGAS
Dentre as razões que conduzem a necessidade de associarmos bombas, citamos:
a) A inexistência, no mercado, de bombas que possam, isoladamente, atender a
vazão necessária;
b) Aumento escalonado de vazões com o correr do tempo;
c) Inexistência no mercado de bombas capazes de vencer a altura manométrica
de projeto.
‐ As razões (a) e (b) requerem associação em paralelo, que consiste em fazer duas
ou mais bombas recalquem em uma ou mais linhas comuns, de forma que cada
bomba recalque uma parte da vazão.
‐ Para satisfazer a razão (c) é necessária a associação em série. Neste caso as
bombas recalcam em linha comum, de tal forma que a anterior bombeia para a
sucção da posterior, que recebe o fluido com maior quantidade de energia de
pressão.
ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS EM PARALELO
‐ É recomendável neste tipo de associação que as bombas tenham as mesmas
características, ou pelo menos muito próximas.
‐ Neste tipo de associação tem‐se:
Bombas operando com a mesma altura manométrica: HB1 = HB2
A vazão do sistema é: QS = Q1 + Q2
ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS EM SÉRIE
‐ Se duas ou mais bombas estão operando em séries as vazões se mantém e as
alturas manométricas totais se somam.
‐ Para a associação em série, a curva resultante tem as seguintes características:
HBS = HBS1 + HBS2 QS = Q1 = Q2
COMPRESSORES
DEFINIÇÃO:
São máquinas operatrizes que transformam trabalho mecânico em energia
comunicada a um gás, preponderantemente sob forma de energia de pressão.
Graças à energia de pressão que adquire, isto é, à pressurização, o gás pode:
‐ Deslocar‐se a longas distâncias em tubulações;
‐ ser armazenado em reservatórios para ser usado quando necessário, isto
é, acumular energia;
‐realizar trabalho mecânico, atuando sobre dispositivos, equipamentos e
máquinas motrizes (motores a ar comprimido, por exemplo).
UTILIZAÇÃO:
Além de ser empregado para comprimir o ar, o compressor é aplicado a
outros gases e misturas de gases, sendo de imensa importância nas instalações
químicas, petroquímicas, mecânicas, na construção civil e outras mais.
Façamos uma referência às aplicações de ar comprimido, conforme as
características dos equipamentos que o utilizam:
a) Equipamentos à pressão de ar ou de ação fechada: trabalhos
submarinos; inflagem de câmaras de ar de veículos; transporte
pneumático.
b) Equipamentos a jato de ar ou de ação livre: resfriadores ou aquecedores
a ar; jateamento de areia; pintura a pistola; metalização; projeção de
revestimentos plásticos.
c) Equipamentos e máquinas de percussão: marteletes a ar comprimido;
perfuratrizes de rocha; bate‐estacas.
d) Motores a ar comprimido de pistões, de palhetas, de engrenagens.
e) Bombas de injeção de concreto.
f) Máquinas ferramentas fixas e portáteis de todos os tipos: furadeiras,
serras, aparafusadeiras, etc.
g) Abertura e fechamento de portas.
CLASSIFICAÇÃO
Os compressores visam conseguir que a pressão do gás venha a alcançar
uma pressão consideravelmente maior do que a pressão atmosférica. Se
classificam em:
a) Compressores de Deslocamento Positivo
O gás é admitido em uma câmara de compressão, que é, por isso, isolada
do exterior. Por meio da redução do volume útil da câmara sob a ação de
uma peça móvel, alternativa ou rotativa, realiza‐se a compressão de gás.
b) Compressores Dinâmicos
O gás penetra em uma câmara onde um rotor em alta rotação comunica às
partículas gasosas aceleração tangencial e, portanto, energia. Atravé da
descarga por um difusor, grande parte da energia cinética se converte em
energia de pressão, forma adequada a transmissões por tubulações a
distâncias consideráveis e à realização de operações específicas.
COMPRESSORES DE DESLOCAMENTO POSITIVO
1) COMPRESSORES ALTERNATIVOS DE PISTÃO
CARACTERÍSTICAS
Podem ser de:
‐ um cilindro, para pressões de 6 a 8 kgf/cm²;
‐ mais de um cilindro: duplex, com dois cilindros e dois pistões; triplex, com
três cilindros e três pistões, e existem outros de ainda maior número de cilindros.
Os compressores alternativos, conforme a atuação do pistão, podem ser:
‐ de simples efeito, quando apenas uma das faces do pistão atua
comprimindo o gás;
‐ de duplo efeito, quando ocorre a ação das duas faces do pistão sobre o
gás
Podem ainda ser classificados em:
‐ compressores de um estágio, que possuem um só cilindro;
‐ compressores de dois estágios ou duplo estágio, nos quais os gás, depois
de sair comprimido do primeiro cilindro, é resfriado e entra num segundo cilindro
para receber nova compressão.
‐ compressores de vários estágios, nos quais o ar passa sucessivamente por
vários cilindros.
O rendimento do compressor de dois estágios é maior do que o de um estágio.
O compressor necessita ser resfriado, e esse resfriamento pode ser a ar
(ventilação natural, ventilação forçada com ventilador) ou a água.
Devemos fazer uma distinção entre os compressores convencionais de ar
comprimido e os compressores de gases diversos chamados compressores de
processo. Estes possiem características construtivas e empregam materiais
altamente resistentes à ação dos gases aos quais se destinam.
Pode‐se dizer que é o tipo mais versátil para a maioria das aplicações industriais,
principalmente quando se trata de ar comprimido, sendo, por isso mesmo, o mais
usado.
VANTAGENS
‐ São facilmente controlados de acordo com a demanda do gás comprimido.
Podem operar em plena carga, meia carga ou em vazio, mediante abertura
automática das válvulas de admissão, de sorte que não há compressão durante os
períodos em que não há demanda de gás comprimido.
‐ Operação econômica.
‐ Manutenção simples.
‐ Uma parcela elevada da energia fornecida ao eixo do compressor é dissipada
sob forma de calor e pode ser aprovaitada para aquecimento de elementos de
uma instalação industrial.
Consumo específico de potência em compressores alternativos
COMPRESSORES DINÂMICOS
Possuem um ou mais rotores parecidos com os das turbobombas e que
giram com elevada rotação no interior de uma caixa. Podem ser dos seguintes
tipos:
1) CENTRÍFUGO OU TURBO COMPRESSOR
Possui pás semelhantes às das bombas centrífugas. A unidade compressora
desse tipo é conhecida na prática como uma centrífuga.
2) HELICOCENTRÍFUGO OU HELICOIDAL
As pás são de dupla curvatura semelhantes, em alguns tipos, às de turbinas
Francis. As vazões obtidas são maiores que as do turbocompressor e as pressões
são menores.
3) COMPRESSOR AXIAL
Possui grande número de palhetas e proporciona um escoamento no
sentido longitudinal. É compressor para grandes descargas – até 1.000.000 m³/h,
com pressão de trabalho de até 6 bars.
4) COMPRESSOR AXIAL‐CENTRÍFUGO
Reúne em um mesmo eixo rotores do tipo axial e rotores centrífugos,
conseguindo aliar as vantagens de vazões elevadas (500.000 m³/h) a pressões de
até 9 bars.
5) COMPRESSOR CENTRÍFUGO SUNDYNE
É um compressor de alta rotação (4.800 a 3.400 rpm), isento de óleo, de
um estágio, pra pressões elevadas com vazões reduzidas (até 3.200 m³/h nos
tipos maiores). Existem dois modelos:
a) O de emissão parcial, para vazões menores. O rotor possui oito lâminas
radiais.
b) O de emissão total, para grandes vazões. O rotor possui de 16 a 19 lâminas
radiais.
FATORES A CONSIDERAR NA ESCOLHA DO COMPRESSOR
Para Baixo Custo de Operação = Baixos Custos de Funcionamento.
‐ Baixo custo de energia.
‐ Alto atendimento se traduz em baixo consumo específico de energia.
‐ Segurança de operação.
‐ Bom balanceamento, mínima vibração, materiais e dimensões adequados, alta
qualidade na fabricação das peças componentes.
‐ Baixo custo de manutenção.
‐ As peças sujeitas desgaste devem ser de fácil substituição e projeto simples,
possibilitando manutenção por pessoal adequado.
‐ Baixo custo de água de resfriamento
‐ Em certos casos, baixo consumo de água de resfriamento
‐ Baixo custo de supervisão
‐Lubrificação automática; drenagem automática de água condensada; dispositivos
de controle e de segurança tornam desnecessária supervisão manual contínua.
Para Baixo Custo de Instalação = Baixos Custos Iniciais
‐ Pequeno espaço necessário.
‐ Compressor de projeto compacto e equipamento auxiliar reduzido economizam
área de construção.
‐ Baixo peso.
‐ Economia de fundações e de equipamentos de levantamento.
‐ Instalação simples.
‐ Equipamento de instalação simples e adequado para a montagem sobre
amortecedores de borracha em fundações simples (pequenos compressores).
‐ Equipamento elétrico simples
‐ Um compressor projetado para motores e chaves de partida padronizadas
contribui para baixo custo inicial.
‐ Preços moderados.
CONSUMO ESPECÍFICO
Para uma comparação entre vários tipos de compressores, faz‐se referência
à grandeza denominada consumo específico.
Consumo específico é a potência absorvida por unidade de volume de ar e
na unidade de tempo escolhida.
O consumo específico de potência é medido em cv/m³/min, ou em HP/100
pés³/min de descarga livre padrão de ar.
Um consumo específico de 7 vc/m³/min já é bastante baixo, e 6,5
cv/m³/min é considerado extremamente baixo, portanto excelente. Os valores
baixos são obtidos em geral em compressores para capacidade média e grande.
Para se conseguir um bom desempenho, isto é, um baixo consumo de potência, é
preciso que o compressor seja adequadamente resfriado, e que a água de
resfriamento seja fornecida a cerca de 10° abaixo da temperatura ambiente.
Compressores resfriados a ar possuem consumo específico 3 a 5% superior
ao dos resfriados a água, sendo o ventilador responsável por cerca de 1 a 1,5%
deste acréscimo.
O consumo específico de energia é, portanto, um parâmetro da qualidade
de um compressor.
DESCARGA LIVRE PADRÃO (DLP) OU DESCARGA LIVRE EFETIVA (DLE)
É a quantidade de ar livre descarregada por um compressor, corrigida para
as condições de pressão, temperatura e umidade reinantes na admissão.
Considerar‐se‐à na admissão o ar livre, isto é, o ar submetido à pressão
atmosférica, cujo valor corresponde a um coluna de 760 mm de mercúrio, à
temperatura de 15°C e a uma umidade relativa igual a 36%.
Consumo específico de potência em função da descarga. Escolha do tipo de compressor
TURBINAS A VAPOR
DEFINIÇÃO
Turbina a Vapor é a Máquina Térmica que utiliza a energia do vapor sob forma de
energia cinética. Deve transformar em energia mecânica a energia contida no
vapor vivo sob a forma de energia térmica e de pressão.
FUNCIONAMENTO
A turbina é um motor rotativo que converte em energia mecânica a energia
de uma corrente de água, vapor d’água ou gás. O elemento básico da turbina é a
roda ou rotor, que conta com paletas, hélices, lâminas ou cubos colocados ao
redor de sua circunferência, de forma que o fluido em movimento produza uma
força tangencial que impulsiona o rotor, fazendo‐o girar. Essa energia mecânica é
transferida através de um eixo para movimentar uma máquina, um compressor,
um gerador elétrico ou uma hélice. As turbinas classificam como hidráulicas ou de
água, a vapor ou de combustão.
Em uma turbina a vapor, a transformação de energia do vapor em trabalho
é feita em duas etapas. Inicialmente, a energia do vapor é transformada em
energia cinética. Para isso o vapor é obrigado a escoar através de pequenos
orifícios, de formato especial, denominados expansores onde, devido à pequena
área de passagem, adquire alta velocidade, aumentando sua energia cinética, mas
diminuindo em consequência, sua entalpia. Em um expansor, além do aumento
de velocidade e da diminuição da entalpia ocorrem também queda na pressão,
queda na temperatura e aumento no volume específico do vapor.
Na segunda etapa da transformação, a energia cinética obtida no expansor
é transformada em trabalho mecânico. Esta transformação de energia pode ser
obtida no expansor é transformada em trabalho mecânico. Esta transformação de
energia pode ser obtida de duas maneiras diferentes: Segundo o princípio da
Ação ou segundo o princípio da Reação.
EXPANSORES CONVERGENTES E CONVERGENTES‐DIVERGENTES
Os expansores são restrições ao fluxo de vapor e tem o objetivo de
converter a energia do vapor em energia cinética.
Expansores Convergentes: são usados sempre que a pressão de descarga for
maior ou igual a 53% da pressão de admissão (pequenos saltos de entalpia).
Expansores Convergentes‐Divergentes: são usados sempre que a pressão de
descarga for menor que 53% da pressão de admissão (grandes saltos de entalpia).
Expansor
TURBINA DE AÇÃO E TURBINA DE REAÇÃO
Se tivermos um expansor, montado em uma câmara de vapor estacionária,
dirigindo um jato de vapor para uma palheta, montada na periferia de uma roda,
teremos uma “turbina de ação rudimentar”.
Por, outro lado, montarmos a própria câmara de vapor com o expansor, na
periferia da roda e conseguirmos levar vapor, de forma contínua, a esta câmara,
através de um eixo oco, teremos construído uma “turbina de reação elementar”.
Embora estas duas turbinas rudimentares ilustrem os princípios básicos
envolvidos, algumas modificações são necessárias para convertê‐las em unidades
práticas.
TURBINA DE AÇÃO
Em um estágio de ação, toda a transformação de energia do vapor
(entalpia) em energia cinética ocorrerá nos expansores. Em consequência, no arco
ou no anel de expansores (roda de palhetas fixas) de um estágio de ação, haverá
uma queda na pressão do vapor (diminuem também a entalpia e a temperatura,
enquanto aumenta o volume específico) e um aumento da velocidade. Na roda de
palhetas móveis não haverá expansão (queda de pressão), pois as palhetas
móveis têm seção simétrica e que resulta em áreas de passagens constantes para
o vapor.
TURBINA DE REAÇÃO
Na realidade, o que chamamos comercialmente de turbina de reação é uma
combinação com grandes saltos de entalpia e onde a preocupação com a
eficiência é essencial, seríamos levados a velocidades excessivas nas palhetas,
incompatíveis com sua resistência mecânica. A solução para o problema é dividir
o aproveitamento do salto de entalpia em vários saltos menores subsequentes
que chamamos de estágios. Máquinas de grande potência tem, portanto,
usualmente, vários estágios colocados em série, podendo ser tanto de ação como
de reação.
ESTÁGIOS DE AÇÃO
Os estágios de ação podem ser de dois tipos: estágios de pressão, também
conhecidos como estágios RATEAU, e estágios de velocidades conhecidos como
estágios CURTIS.
Os estágios de pressão são compostos por um arco de expansores e uma
roda de palhetas móveis, se for o primeiro estágio da máquina, ou por um anel de
expansores (roda de palhetas fixas) e uma roda de palhetas móveis, se for um
estágio intermediário.
O estágio de velocidade é composto de um arco de expansores, seguido por
duas rodas de palhetas móveis entre as quais há um arco de palhetas guias. Toda
a queda de pressão do estágio ocorre nos expansores. A velocidade do vapor,
porém é absorvida apenas parcialmente na primeira roda de palhetas móveis. O
vapor deixa então esta roda com uma energia cinética ainda elevada.
Estágios de Ação
Estágios de Reação (esq.)‐Turbina de Reação de Estágios Múltiplos (dir.)
ESTÁGIOS DE AÇÃO E ESTÁGIOS DE REAÇÃO
ESTÁGIOS DE AÇÃO
Os estágios de ação podem ser de dois tipos: estágios de pressão, também
conhecidos como estágios Rateau e estágios de velocidade conhecidos como
estágio Curtis.
O estágio de pressão é composto de um arco de expansores e uma roda de
palheta móveis se for o primeiro estágios da máquina, ou por um anel de
expansores (roda de palhetas fixas) e uma roda de palhetas móveis se for um
estágio intermediário.
O estágios de velocidade é composto de um arco de expansores, seguido
por duas rodas de palhetas móveis, entre as quais há um arco de palhetas guias.
Toda a queda de pressão do estágio ocorre nos expansores. A velocidade do
vapor porém, é absorvida apenas parcialmente na primeira roda de palhetas
móveis. O vapor deixa então esta roda com uma energia cinética ainda elevada
que será aproveitada em uma segunda roda de palhetas móveis. Apenas com a
finalidade de reorientar o jato de vapor, para que o esforço sobre a segunda roda
de palheta móveis seja de sentido igual ao do esforço sobre a primeira roda, é
colocado entre ambas um arco de palhetas guias. É importante notar que não há
expansão nas palhtas guias, permanecendo constantes, ao longo delas, tanto a
pressão como a velocidade.
Em um estágio de velocidade, como apenas metade da velocidade do vapor
é absorvida por roda, admite‐se que a velocidade do vapor na entrada da
primeira roda seja igual a quatro vezes a velocidade periférica da palheta. Por
esta razão, em um estágio de velocidade conseguimos aproveitar um grande salto
de entalpia, embora com algum prejuízo da eficiência.
O estágio “CURTIS” tem duas aplicações características: como estágio único
de máquinas de pequena potência e como primeiro estágio de máquinas de
grande potência.
ESTÁGIOS DE REAÇÃO
Os estágios de reação, chamados também de estágios PARSONS, são
sempre constituídos de uma roda de palhetas fixas, seguidas de uma roda de
palhetas móveis. Como as turbinas de estágio único são sempre de ação, o uso
dos estágios de reação restringe‐se aos estágios intermediários e finais das
turbinas de reação de estágios múltiplos, pois mesmo nestas o primeiro estagio é
usualmente um estágio de ação.
Estágio de ação e de reação
VANTAGENS DAS TURBINAS A VAPOR
a) Do ponto de vista termodinâmico:
O ciclo térmico a vapor do qual a turbina é parte integrante, apresenta
rendimentos bastante satisfatórios quando comparados com os ciclos
térmicos de outras máquinas (Turbinas à Gás e Motores de Combustão
Interna)
b) Do ponto de vista mecânico:
‐ As Turbinas a Vapor são puramente rotativas isto é, a força acionadora é
aplicada diretamente no elemento rotativo da máquina. Têm
balanceamento bastante fácil, resultando em um funcionamento bem
suave da máquina.
‐ É uma máquina de alta rotação (3.500 a 6.000 rpm) sendo ideal para
acionar bombas e compressores centrífugos.
‐ Não há lubrificação interna. O óleo circula somente através dos mancais e
do sistema de controle, sendo continuamente filtrado e resfriado.
‐ A facilidade de controle e a possibilidade de variação de velocidade feita
pelo governador é bastante simples, precisa e confiável.
CLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS A VAPOR
SEGUNDO TRAJETÓRIA DESCRITA POR UMA PARTÍCULA DE VAPOR EM RELAÇÃO À
BASE DA TURBINA
TURBINAS AXIAIS
O vapor flui axialmente de boquilhas dispostas radialmente em torno do rotor.
TURBINAS RADIAIS (tipo Ljungstrom)
O vapor se dirige de dentro para fora radialmente através de canais formados por
palhetas móveis dispostas axialmente.
TURBINAS TANGENCIAIS
O vapor é conduzido tangencialmente ao rotor. O escoamento no rotor é uma
composição de escoamento axial e radial.
CONFORME O MODO DE ATUAÇÃO DO VAPOR NO ROTOR
TURBINAS DE AÇÃO
O vapor se expande unicamente em órgãos fixos (boquilhas ou expansores) e não
nos móveis (rotores), de modo que a pressão sobre as faces das palhetas dos
mesmos não varia sensivelmente.
TURBINAS DE REAÇÃO
O vapor se expande também no rotor, de modo que a pressão à entrada do
mesmo é maior que na saída.
TURBINAS MISTAS (de ação e reação)
A parte inicial da turbina é construída para a ação (alta pressão) e a outra parte
como turbina de reação.
CONFORME O NÚMERO DE ESCALONAMENTOS (ESTÁGIOS)
Turbinas de um único rotor.
Turbinas de vários conjuntos de pás no mesmo eixo.
Turbinas com recuperação direta da energia de saída na diretriz seguinte.
Turbinas com recuperação indireta da energia de saída na diretriz seguinte.
CONFORME O NÚMERO DE PÁS SOBRE AS QUAIS INCIDE O VAPOR
TURBINAS DE ADMISSÃO TOTAL
O vapor enche por completo toda a coroa de pás.
TURBINAS DE ADMISSÃO PARCIAL
O vapor incide inicialmente somente sobre uma parte da coroa.
CONFORME AS CONDIÇÕES DO VAPOR DE ESCAPE DA TURBINA
TURBINA DE ESCAPE LIVRE
O vapor sai diretamente na atmosfera.
TURBINA DE CONDENSAÇÃO
O vapor vai para um condensador.
TURBINA DE CONTRAPRESSÃO
O vapor de escape é conduzido a dispositivos especiais para a sua posterior
utilização, como por exemplo, na calefação.
TURBINAS COMBINADAS
Parte do vapor é subtraída da máquina antes de sua total utilização, e é
conduzida a outros dispositivos (para calefação, por exemplo). O restante
do vapor continua sua evolução no interior da turbina, passando a um
condensador ou diretamente à atmosfera.
TURBINAS A GÁS
DEFINIÇÃO
O termo turbina a gás é mais comumente empregado em referência a um
conunto de três equipamentos: compressor, câmara de combustão e turbina
propriamente dita. Esta configuração forma um ciclo termodinâmico a gás, cujo
modelo ideal denomina‐se Ciclo Brayton. Este conjunto opera em ciclo aberto, ou
seja, o fluido de trabalho (ar) é admitido na pressão atmosférica e os gases de
escape, após passarem pela turbina, são descarregados de volta na atmosfera
sem que retornem à admissão.
A palavra “gás” não se refere à queima de gases combustíveis, mas sim, ao fluido
de trabalho da turbina, que é neste caso a mistura de gases resultante da
combustão.
UTILIZAÇÃO
Turbinas a gás são amplamente empregadas na propulsão de aviões e outros
tipos de aeronaves. Isto se deve principalmente à sua alta densidade de potência,
em relação a outras máquinas como os MCI. Ou seja, as turbinas a gás geram
maiores potência comparadas a máquinas do mesmo peso.
FUNCIONAMENTO
A turbina a gás é uma máquina feita para empurrar, usando a terceira lei de
Newton. A ação de forçar massa em forma de gases quentes para uma direção
gera uma força em sentido contrário.
Todas as peças que estão dentro da Turbina a Gás têm a finalidade de captar o ar
e expulsá‐lo com a maior velocidade possível.
Para fazer isto, em uma turbina de tamanho adequado a uso para aeromodelo, é
usado um compressor radial que ao girar expulsa o ar a grande velocidade para a
sua periferia. Ou seja, este compressor retira energia mecânica do eixo e
transfere esta energia para o ar. Este ar com alta velocidade é obrigado a passar
pelo difusor que com passagens divergentes, reduzem a velocidade,
transformando esta velocidade em pressão.
Este ar sob pressão entra na câmara de combustão, onde recebe energia pela
queima do combustível, e se expande ao ser aquecido. Este ar quente e sob
pressão é obrigado a passar pelo estator da turbina, que pela forma das suas
palhetas, direciona este ar em alta velocidade para o rotor da turbina. Ao alcançar
o rotor, o ar entrega uma parte da sua energia, ao obrigá‐lo a girar.
Observar que a turbina somente tem a finalidade de fornecer energia mecânica
para o compressor. A sobra de energia do ar do escapamento é que é utilizada
como energia de propulsão.
Turbina a Gás
VANTAGENS
Tendem a ser mais compactas, isto é, tem uma maior razão potência/peso
(até 70% em relação a outros motores). Por isso, elas são adequadas para
sistemas de transportes como aviões, navios e até mesmo transporte
terrestre.
Partida e parada mais rápidas.
Tempo de resposta baixo.
Equipe de operação e manutenção reduzida.
Consome menos matéria prima na fabricação.
Menor custo.
Produz menos vibração.
(Quase) não requer água de resfriamento.
DESVANTAGENS
Menor potência específica.
Menor eficiência.
Menor vida útil.
Mais sensível à qualidade do combustível.
Muitos componentes sob alta tensão mecânica.
Ruídos de alta freqüência.
Necessidade de grande quantidade de ar.
Produção de grande quantidade de gases quentes (objetivo).
Não pode ser consertado na planta.
RAZÃO DE POTÊNCIA
Parcela significativa da potência da turbina é utilizada para acionar o compressor
(back‐work).
TURBOGERADORES
Turbinas a gás dedicadas à geração de energia elétrica são divididas em duas
principais categorias, no que se refere à concepção.
São elas as pesadas Heavy‐Duty, desenvolvidas especificamente para a geração de
energia elétrica ou propulsão naval e as aeroderivativas, desenvolvidas a partir de
projetos anteriores dedicados a aplicações aeronáuticas.
O compressor utilizado geralmente trabalha com fluxo axial, tipicamente com 17
ou 18 estágios de compressão. Cada estágio do compressor é formado por uma
fileira de palhetas rotativas que impõem movimento ao fluxo de ar (energia
cinética) e uma fileira de palhetas estáticas, que utiliza a energia cinética para
compressão. O ar sai do compressor a uma temperatura que pode variar entre
300°C e 450°C. Cerca de metade da potência produzida pela turbina de potência é
utilizada no acionamento do compressor e o restante é a potência líquida gerada
que movimenta um gerador elétrico.
Saindo da câmara de combustão, os gases têm temperatura de até 1250°C. Após
passar pela turbina, os gases são liberados ainda com significante disponibilidade
energética, tipicamente a temperaturas entre 500°C e 650°C. Considerando isso,
as termelétricas mais eficientes e de maior porte aproveitam este potencial
através de um segundo ciclo termodinâmico, a vapor (ou Ciclo Rankine).
Estes ciclos juntos formam um ciclo combinado, de eficiência térmica
frequentemente superior a 60%. Ciclos simples a gás têm tipicamente 35%.
Turbinas projetadas para operar em ciclo simples, tendo em vista a eficiência
térmica do ciclo, têm temperatura de saída de gases reduzida ao máximo e têm
otimizada taxa de compressão. A taxa de compressão é a relação entre a pressão
do ar à entrada e saída do compressor. Por exemplo, se o ar entra a 1 atm, e deixa
o compressor a 15 atm, a taxa de compressão é de 1:15.
Turbinas a gás específicas para operar em ciclo combinado, são desenvolvidas de
modo a maximizar a eficiência térmica do ciclo como um todo. Desta forma, a
redução de temperatura dos gases de escape não é necessariamente o ponto
mais crítico, em termos de eficiência, uma vez que os gases de saída da turbina
ainda são utilizados para gerar potência.
OUTRAS APLICAÇÕES
Turbinas a gás também podem acionar diversos outros tipos de máquina movidas
por eixo, tais como navios, ônibus, helicópteros, locomotivas, tanques de guerra,
bombas e compressores (externos ao próprio ciclo da turbina).