5 TURBINAS A VAPOR 5.1 INTRODUO So mquinas motoras puramente rotativas que transformam a energia contida no fluxo contnuo do vapor dgua em trabalho mecnico. Sua maior aplicao no acionamento de bombas, ventiladores, compressores e geradores de energia eltrica. Tambm so usadas para acionamento de navios. 5.1.1 CARACTERSTICAS MECNICAS

Operam em altas rotaes Torque uniforme Facilidade de controle Grande confiabilidade operacional Ausncia de lubrificao interna Possibilidade de variao da rotao

5.1.2 UTILIZAO

Gerao de energia eltrica Acionamento de equipamentos de processo Acionamento de navios

5.2 CICLO TRMICO SIMPLIFICADO DE UMA TURBINA VAPOR 5.2.1 COMPONENTES E FUNES BOM BA Respo nsvel pela eleva o de press oe conseq uente mente pela press o final do vapor gerado .

CALDEIRA Responsvel pela mudana de fase (lquido vapor). Entrega calor ao fludo. TURBINA A VAPOR Expande o vapor gerando trabalho mecnico. CONDENSADOR Condensa o vapor para retornar ao ciclo. A se perde parte da energia que no gerou trabalho mecnico. 5.3 PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO 5.3.1 EXPANSORES nos expansores que o vapor logo ao entrar na turbina sofre a primeira queda de presso antes de atingir a primeira roda de palhetas mveis. 5.3. 2 RO DA DE PA LH ET AS A O E RE A

O PERGUNTA 42: Que tipo de vapor adequado para o uso em turbinas a vapor?

Um estgio de ao pode ser de presso ou de velocidade. 5.4 COMPONENTES

5.4.1 ESTGIO DE PRESSO

H aumento de velocidade nas palhetas fixas com decrscimo na presso (anel de expansores). Um estgio de presso tambm um estgio de ao porque no h transformao de presso em velocidade nas palhetas mveis . Um estgio de presso composto de : 1 arco de expansores se for o 1 estgio 1 roda de palhetas mveis 1 anel de expansores (palhetas fixas) se for um estgio subse1 roda de palhetas mveis quente

5.4.2 ESTGIO DE VELOCIDADE As palhetas fixas (palhetas guias), apenas redirecionam o fluxo de vapor para entrar na roda seguinte de palhetas mveis. Nas palhetas guias no h queda de presso nem de velocidade. Um estgio de velocidade tambm um estgio de ao porque nas palhetas mveis tambm no h queda de presso (transformao de presso em velocidade). Um estgio de velocidade composto de : 1 arco de expansores 1 roda de palhetas mveis 1 roda de palhetas guias Os estgios de ao (presso ou velocidade ) so usados em turbinas de simples estgio ou como primeiro estgio de turbinas multi-estgio. Apesar dos estgios de ao serem menos eficientes do que os estgio de reao, eles geram uma queda de presso bem maior. Isto faz com que as mquinas de potncia baixa fiquem mais compactas e mais baratas. Nas turbinas multi-estgio (mquinas grandes) fazem com que a presso logo no primeiro estgio caia bastante reduzindo a parede metlica da carcaa e portanto o custo da mquina como um todo. Para as mesmas condies de vapor (presso e temperatura) ou seja, mesmo salto de entalpia, as turbinas de ao tero um nmero de estgios bem menor, porm, sero menos eficientes.

5.4.3 CONJUNTO ROTATIVO

5.4.3.1 PALHETAS So os componentes do rotor diretamente responsveis pela converso da presso do vapor em velocidade (energia cintica) e em outra palavras pela converso da entalpia do vapor em energia mecnica. Como j vimos elas podem ser fixas (solidrias aos diafragmas) ou mveis (rotativas) solidrias ao eixo. Abaixo vemos alguns exemplos de sua fixao.

5.4.4 CARCAA

5.4.5 VLVULAS DE CONTROLE DE ADMISSO W = m ( h1 h2 ) W = potncia gerada m = vazo em massa de vapor h1 = entalpia do vapor na admisso h2 = entalpia do vapor na descarga PERGUNTA 43: O que entalpia do vapor? Do que depende?

5.4.6 VLVULA DE BLOQUEIO AUTOMTICO (VLVULA DE TRIP)

O trip de sobrevelocidade um mecanismo de proteo da turbina para impedir velocidades acima da mxima velocidade continua. O mecanismo atua diretamente sobre a vlvula de admisso de vapor fechando-a e parando assim a turbina. A mxima velocidade contnua de uma turbina definida no seu projeto e limita as tenses atuantes no conjunto girante, principalmente palhetas. 5.4.7 MANCAIS

Suportam os esforos axiais e atuam sobre o colar de escora que solidrio ao eixo da turbina. So tambm responsveis pela manuteno das folgas axiais. PERGUNTA 44: Em que direo atua a resultante dos esforos axiais em uma turbina a vapor?

Os mancais radiais so normalmente deslizantes (com lubrificao sob presso) tendo em vista as altas rotaes e esforos atuantes (principalmente para turbinas multiestgio). Como nos demais equipamentos rotativos so responsveis pela manuteno das folgas radiais e suportam o peso do conjunto rotativo. 5.4.8 SELAGEM A selagem em turbinas a vapor pode ser interna ou externa. Externa Nos pontos onde o eixo atravessa a carcaa. Interna - Entre as rodas de palhetas mveis e a carcaa (nos estgios de reao) e entre os diafragmas (suporte das palhetas fixas) e o eixo em qualquer tipo de estgio. Dois tipos de selagem so mais comuns em turbinas a vapor : Labirintos Em turbinas multi-estgio na selagem interna e externa. Anis de carvo Na selagem externa de turbinas de simples estgio. PERGUNTA 45: Que tipo de selagem usada entre as rodas de palhetas mveis e a carcaa num estgio de ao ? 5.4.9 SISTEMA DE LUBRIFICAO 5.4.10 SISTEMA DE CONTROLE GOVERNADOR responsvel por manter a rotao da turbina constante apesar das variaes de carga (vazo). Atua diretamente na vlvula de admisso de vapor. Quando a carga, por exemplo, aumenta

haveria uma tendncia da rotao da turbina cair. Isto de fato no acontece porque o governador atua sobre a vlvula de admisso, abrindo-a, admitindo mais vapor e restabelecendo, assim, a rotao. O governador pode ser mecnico, hidrulico ou eletrnico dependendo do porte da turbina. Abaixo temos um governador mecnico com sistema de massas oscilantes em trs posies distintas . Quais so elas ?

5.4.11 DISPOSITIVO DE GIRO LENTO um dispositivo que atua no eixo de turbinas de grande porte (multi-estgio) imediatamente aps a parada desta. As turbinas grandes operam com altas presses de vapor (acima de 100 Kgf/cm) e por consequncia com altas temperaturas (acima de 500 C). Para evitar o empenamento do eixo, que suporta uma grande carga, e est

muito quente logo aps a parada da mquina, este dispositivo atua girando muito lentamente o seu eixo at que se resfrie. 5.5 SISTEMA DE SEGURANA INSTRUMENTOS 5.5.1 PROTEO DA TURBINA So as seguintes as protees mais comuns que encontramos em uma turbina de uso especial (multi-estgio) : - Excesso de velocidade 110 % da velocidade mxima contnua (trip) - Desarme manual atuao direta na alavanca de trip cortando a admisso de vapor. - Lubrificao deficiente (baixa presso de leo) 1 nvel alarme, 2 nvel desarme. - Vibrao excessiva alarme (s vezes tambm desarme) - Deslocamento axial excessivo alarme e desarme. - Baixa vazo de vapor exausto gera superaquecimento alarme - Aumento da presso de exausto ou contrapresso diminui a potncia e gera superaquecimento atua a vlvula sentinela. 5.5.2 PROTEO DO EQUIPAMENTO ACIONADO Abordamos aqui neste item a proteo do equipamento acionado porque esta atua diretamente na turbina a vapor (no caso de trip). - Vibrao excessiva - Baixa presso de leo de lubrificao - Temperatura elevada na descarga (para compressores) - Deslocamento axial excessivo - Nvel alto no vaso de suco (para compressores) - Baixa vazo 5.5.3 INSTRUMENTOS So os seguintes os instrumentos mais usuais em turbinas vapor de uso especial : - Manmetros e termmetros (para o vapor e sistema de leo) - Sensores de vibrao

- Sensores de deslocamento axial - Tacmetro - Indicador de dilatao da carcaa 5.6 CLASSIFICAO DAS TURBINAS 5.7.1 QUANTO AO USO

USO GERAL - Pequenas potncias e at 6.000 rpm

- Simples estgio

USO ESPECIAL Grandes potncias

- Multi-estgio - Rendimentos maiores 5.7.2 QUANTO AO VAPOR EXAUSTO

CONDENSANTES CONTRA PRESSO EXTRAO/CONDENSAO 5.7 DANOS MAIS COMUNS EM UMA TURBINA VAPOR 5.7.1 MANCAIS Os danos podem ser causados por lubrificao deficiente ou vibrao excessiva ou ainda alguma solicitao inadequada. 5.7.2

LABIRINTOS Desgaste ou roamento devido a deslocamento axial excessivo. 5.7.3 INCRUSTAO E/OU DEPSITO NAS PALHETAS Causados por qualidade deficiente da gua. Normalmente depsito de sais. 5.7.4 EROSO DAS PALHETAS Principalmente as palhetas dos ltimos estgios de turbinas condensantes ou em turbinas de contra-presso devido a presena de condensado no vapor ( vapor sem o grau de superaquecimento necessrio. 5.8 MATERIAIS MAIS USUAIS Abaixo um exemplo dos materiais mais comumente empregados na fabricao dos principais componentes de uma turbina vapor.

COMPONENTE MATERIAL 1CARCAA DE ALTA P. CARCAA DE BAIXA P. EIXO AO CARBONO FUNDIDO (A216 Gr WCB) AO CARBONO FUNDIDO (A216 Gr WCB) USINADO A PARTIR DE BARRA DE AO LAMINADA TEMP. MODERADAS AISI 4140 USINADAS A PARTIR DE CHAPAS DE A.C. LAMINADAS TEMP. MODERADAS AO INOX. FERRTICO 12%Cr USINADAS DE BARRAS LAMINADAS A QUENTE (AISI 403) AO INOX. FERRTICO 12%Cr USINADOS A PARTIR DE BLOCO FORJADO (AISI 405) AO INOXIDVEL (AISI 4140) AO CARBONO COM REVESTIMENTO DE METAL

MATERIAL 2AO BAIXA LIGA FUNDIDO (Cr-Mo) A217 Gr WC9 CHAPAS SOLDADAS DE A.C. USINADO A PARTIR DE BARRA DE AO FORJADA MAIORES TEMP. USINADAS A PARTIR DE DISCOS FORJADOS DE AO LIGA (Cr-Ni-Mo) AISI-4340

RODAS

PALHETAS

EXPANSORES

FUNDIDOS (MESMO MATERIAL) PARA OS ESTGIOS FINAIS MONEL, INCONEL BRONZE OU FERRO FUNDIDO COM O MESMO

SELAGEM MANCAIS RADIAIS

PATENTE (BABBIT) MANCAIS DE ESCORA 5.9 NORMAS IDEM

REVESTIMENTO IDEM

PERGUNTA 47: Quais as normas aplicveis s turbinas a vapor? CURSO : EQUIPAMENTOS ROTATIVOS 64