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Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia da BahiaDepartamento de Tecnologia Mecnica e Materiais

Carlos Raphael Guimares Danilo Silva Alves Fernando Astolfo Rafael Costa Sampaio Sheilla Garzaro

ESTUDO SOBRE TURBINAS A VAPOR COM NFASE EM MANUTENO E CONFIABILIDADE

Salvador 2014Carlos Raphael Guimares Danilo Silva Alves Fernando Astolfo Rafael Costa Sampaio Sheilla Garzaro

ESTUDO SOBRE TURBINAS A VAPOR COM NFASE EM MANUTENO E CONFIABILIDADE

Trabalho apresentado como avaliao parcial da disciplina Manuteno de Equipamentos Rotativos ME0301, do curso de Engenharia Industrial Mecnica do Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia da Bahia.

Orientador: Amaro Serinhaem de Arajo Alves Ferreira

Salvador 2014

SUMRIO

1.INTRODUO52.OBJETIVO73.TURBINAS A VAPOR83.1BREVE HISTRICO83.2Fundamentao terica113.3APLICAO143.4PRINCPIOS DE FUNCIONAMENTO143.4.1Turbina de ao e turbina de reao153.4.2Estgios mltiplos183.4.3Estagio de Ao193.4.4Estgios de Reao213.5CLASSIFICAO233.5.1Classificao pelo princpio de funcionamento233.5.2Classificao pela direo do fluxo de vapor233.5.3Classificao pela presso de descarga do vapor243.5.4Classificao pelo nmero de estgios273.5.5Classificao pelo tipo de uso273.5.6Classificao pelo tipo de ligao ao equipamento acionado283.5.7Classificao com relao a sequncia do fluxo de vapor283.6COMPONENTES bsicos283.6.1Expansor283.6.2Estator ou Roda de Palhetas Fixas303.6.3Rotor ou Roda de Palhetas Mveis303.6.4Palhetas303.6.5Diafragmas313.6.6Disco do Rotor323.6.7Tambor Rotativo323.6.8Coroa de Palhetas323.6.9Aro de Consolidao323.6.10Labirintos333.6.11Anis de carvo343.6.12Defletores de leo353.6.13Carcaa353.6.14Mancais de Apoio (radiais)353.6.15Mancais de Escora363.6.16Vlvulas de Controle de Admisso373.6.16.1Multi-Valve373.6.16.2Single-Valve383.6.17Vlvulas de Controle de Extrao393.6.18Vlvulas de Bloqueio Automtico393.7SISTEMAS DE CONTROLE403.7.1Controle de Velocidade403.7.2Governador de Massas Oscilantes413.7.3Governador Mecnico-Hidrulico423.7.4Governado Hidrulico433.7.5Governador com Servo-Motor443.7.6Governado Eletrnico443.7.7Variador de Velocidade463.8SISTEMAS DE SEGURANA463.8.1Proteo contra Sobrevelocidade463.8.2Desarme Manual473.8.3Proteo contra Lubrificao Deficiente473.8.4Proteo por Nvel de Vibrao483.8.5Proteo por Deslocamento Axial do Conjunto Rotativo483.8.6Proteo pela Temperatura dos Mancais483.8.7Proteo contra o Aumento da Presso de Descarga483.8.8Proteo contra Baixa Vazo de Exausto493.8.9Giro Lento493.8.10Isolamento Trmico503.9SISTEMA DE LUBRIFICAO503.9.1Lubrificao com Anel Pescador503.9.2Lubrificao Forada503.9.3Especificao do leo513.10SELEO513.11INSTALAO523.11.1Instalao de Turbinas de Uso Geral523.11.2Instalao de Turbinas de Uso Especial533.12principais falhas em turbinas544.MANUTENO E CONFIABILIDADE EM SISTEMAS564.1EVOLUO DA MANUTENO564.2CONFIABILIDADE, DISPONIBILIDADE e MANUTENABILIDADE584.2.1Conceitos bsicos584.2.2Anlise da Confiabilidade614.2.3Curva da banheira, tipos de falhas e estratgias de manuteno624.2.4Distribuies de probabilidade teis em manuteno644.3CONFIABILIDADE DE SISTEMAS674.3.1Sistemas em Srie674.3.2Sistema em Paralelo684.3.3Sistema em Srie Paralelo694.4Manuteno Centrada na Confiabilidade704.5Ferramentas para aplicao da metodologia MCC734.5.1Analise de Modos de Falhas e Efeitos FMEA734.5.1.1Utilizao do Formulrio de FMEA744.5.1.2Funo do Processo744.5.1.3Modo de Falha Potencial744.5.1.4Efeito Potencial da Falha744.5.1.5Severidade e Classificao744.5.1.6Causa(s) Potencial da Falha754.5.1.7Ocorrncia754.5.1.8Deteco764.5.1.9Nmero de Prioridade de Riscos (NPR) e Aes Recomendadas774.5.1.10Aes Preventiva Recomendada.774.5.2Anlise de Arvore de Falhas FTA774.5.2.1Estrutura bsica da rvore784.5.2.2Nvel hierrquico784.5.2.3Representao deportas lgicas794.5.2.4Representao de eventos804.5.3Comparao entre FTA e FMEA825.ESTUDO DE CASO825.1Descrio da empresa e processo825.1.1Sistema de leo845.1.2Unidade Hidrulica de lubrificao855.2Modelo Fsico e Modelo de Confiabilidade865.3Metodologia925.3.1Etapa 1 - Aplicao da MCC925.3.1.1Resultados945.3.2Etapa 2 Tratamento dos dados coletados945.3.2.1Confiabilidade R(t)965.3.2.2Densidade de probabilidade f(t)965.3.2.3Taxa de falha h(t)976.CONCLUSO997.BIBLIOGRAFIAS100

INTRODUO

Nos dias atuais, as empresas de grande porte tm se utilizado, alm das prticas j bastante difundidas, como TPM (Manuteno Produtiva Total), 5S, Kaizen (Tcnicas de melhoramentos em ambientes de trabalho), QFD (Desdobramento da Funo da Qualidade), FMEA (Modalidade de Falha e Analise de Efeitos), entre outras muitas vezes criadas pelas empresas, as de Manuteno Centrada na Confiabilidade, que vm, a cada dia que passa, ganhando foras e contribuindo para as empresas melhorarem seus desempenhos.A necessidade da confiabilidade de seus meios de manufatura tornou-se um atributo cada vez mais necessrio e obrigatrio s empresas que objetivam atender melhor o usurio de seus produtos ou de servios. A confiabilidade de seus meios produtivos exerce grande influncia na percepo e na avaliao da qualidade, tornandose sinnimo de sucesso no mundo globalizado de hoje (BARROS FILHO 2003).Para produzir bens com alta confiabilidade tornou-se de fundamental importncia para que as empresas possam aumentar sua participao no mercado e proporcionar a satisfao dos clientes atendendo suas expectativas em relao ao comportamento de desempenho das funes do produto. A confiabilidade alm de um atributo, considerada um elemento chave para o sucesso de quem a aplica nos mais diversos meios. O argumento pelo aditivo de custo embutido ao produto, que se denomina como eficincia, est relacionada aos benefcios de um produto com a aplicao da confiabilidade, que so: (i) Menor nmero de paradas no programadas, (ii) Menores custos de manuteno, (iii) Menores perdas por lucro cessante, (iv) Menores possibilidades de acidentes, entre outros. Lafraia (2001) especifica que a confiabilidade de um produto algo que vem do estgio de projeto do produto, mais especificamente na fase de Projeto Informacional, pois, para um produto j em cadeia de produo ou distribuio, nada pode ser feito para melhoria da confiabilidade. Porm de praxe que as falhas a serem previstas na fase de projeto do produto sejam ignoradas sob o ponto de vista que h garantias por parte do coeficiente de segurana adotado durante o dimensionamento dos componentes desse equipamento.

OBJETIVO

Dentre os objetivos almejados com a realizao deste trabalho, listam-se: a) Descrever o princpio de funcionamento e os elementos de uma turbina vapor;b) Conhecer e aplicar o assunto relacionado com a modelagem para a confiabilidade;c) Apresentar um estudo de caso e elaborar o diagrama de blocos de confiabilidade do subsistema de lubrificao de uma turbina a vapor;d) Interpretar o cenrio de falhas utilizando a classificao da Manuteno Centrada na Confiabilidade (MCC);e) Aplicar um modelo matemtico probabilstico de falha do equipamento.

Para modelagem dos dados foi utilizado o software Proconf 2000. Trata-se de um programa computacional projetado para o ajuste de distribuies de tempos de falha para dados de confiabilidade, atravs do uso de mtodos analticos e mtodos grficos. Ele fornece estimativas dos parmetros da distribuio e seus respectivos intervalos de confiana, com clculos do tempo mdio at a falha (MTTF), taxa de risco e confiabilidade para determinado tempo, etc. Uma vez obtido os parmetros da distribuio, seus respectivos grficos podem ser plotados para uma melhor visualizao do comportamento das funes de confiabilidade, taxa de risco, densidade de probabilidade e densidade acumulada de probabilidade.

TURBINAS A VAPOR

0. BREVE HISTRICOA primeira idia de mquina a vapor foi a chamada Eolpila, feita por Heron de Alexandria. Consistia em uma pequena esfera de cobre com dois caninhos torcidos, conforme mostra a figura, e que continha gua em seu interior. Colocada sobre um trip e sobre o fogo, a gua fervia e o vapor que saia pelos caninhos fazia com que a esfera rodasse. Baseada no princpio da reao.

Figura 3.1 - Turbina de HeroOutros dispositivos s foram inventados muito tempo depois, um destes foi criado pelo italiano Giovanni Branca no ano de 1629. O Vapor gerado em uma caldeira era acelerado em um bocal, e ento impactava as ps de um rotor acoplado a um eixo. Obtinha assim movimento de rotao atravs de uma turbina de impulso (ao).

Figura 3.2 - Turbina de Branca

A primeira turbina realmente industrial surgiu em 1884, construda pela engenheiro ingls Charles Parsons, baseada no princpio de reao. Parsons acoplou a turbina em dnamo visando a gerao de energia eltrica.

Figura 3.3 - Turbina de Parsons

Durante a dcada de 1880 Gustaf de Laval produziu as primeiras turbinas a vapor de importncia comercial. Esta era uma mquina simples de uma estgio, sendo o projeto bsico melhorado por C.G.Curtis e A.C.E.Rateau (atravs de estgios de velocidade e de presso respectivamente). Figura 3.4 - Turbina de Laval (de Ao)

Em 1896, o engenheiro Rateau, na Frana, aproveitou a ideia De Laval e projetou sua turbina, colocando vrios discos em serie dentro da carcaa. Neste tipo de turbina o vapor s se expandia nos bocais.

Figura 3.5 - Turbina de Rateau

Em 1900, nos Estados Unidos, surgiu a turbina criada por Curtis cujo diferencial foi colocar entre as duas fileiras de palhetas um arco de palhetas estacionarias preso a carcaa para redirecionar o vapor.

Figura 3.6 - Turbina de CurtisA turbina de vapor Ljungstron, usada principalmente na Europa, uma turbina de fluxo radial. O vapor flui atravs da turbina radialmente pelas ps em rotao. Conjunto de ps que giram em sentidos opostos pelo qual possvel obter velocidades de vapor, relativamente altas. O vapor admitido na parte central e flui radialmente para a periferia.

Figura 3.7 - Turbina Ljungstron

Fundamentao tericaUma mquina motora a vapor tem como objetivo transformar a energia, contida no fluxo contnuo de vapor que receber, em trabalho mecnico. Sabe-se, da 2 Lei da Termodinmica, que somente parte da energia contida no vapor que chega mquina poder ser convertida em trabalho (a chamada energia). A parte restante da energia, que no pode ser transformada em trabalho (a energia), permanece no vapor descarregado pela mquina. O trabalho mecnico realizado pela mquina pode ser o acionamento de um equipamento qualquer, como, por exemplo, um gerador eltrico, um compressor, uma bomba. A energia, que permanece no vapor descarregado pela mquina, , em muitos casos, simplesmente rejeitada para o ambiente, em um condensador. Em outras situaes, entretanto, possvel aproveitar o vapor descarregado pela mquina para fins de aquecimento, por exemplo. Aproveita-se assim sua energia residual, melhorando, em consequncia, de forma significativa o rendimento global do ciclo. Admitindo uma mquina a vapor que trabalhe em regime permanente, seja adiabtica, receba vapor em um estado termodinmico (1) e descarregue este mesmo vapor em um estado (2), tm-se: a) A energia contida no vapor admitido:

( 1 )b) A energia contida no vapor descarregado:

( 2 )c) O trabalho realizado:

( 3 )onde: h entalpia =energia cintica z energia potencial

As variaes de energia cintica e energia potencial so normalmente desprezadas, a no ser em pontos onde a velocidade do vapor assume valores muito altos, como na sada dos expansores. Assim, prtica corrente desprezar nas expresses anteriores, a no ser quando aplicadas a expansores, tanto a energia cintica como a energia potencial, trabalhando apenas com os valores da entalpia. Em uma mquina alternativa a vapor, a energia do vapor convertida diretamente em trabalho mecnico medida que o vapor se expande no interior do cilindro, deslocando o mbolo, que, por sua vez, aciona o sistema biela - manivela produzindo trabalho no eixo. Em uma turbina a vapor a transformao de energia do vapor em trabalho feita em duas etapas. Inicialmente, a energia do vapor transformada em energia cintica. Para isso o vapor obrigado a escoar atravs de pequenos orifcios, de formato especial, denominados expansores, onde, devido pequena rea de passagem, adquire alta velocidade, aumentando sua energia cintica, mas diminuindo, em consequncia, sua entalpia. Em um expansor, alm do aumento de velocidade e da diminuio da entalpia, ocorrem tambm queda na presso, queda na temperatura e aumento no volume especfico do vapor. Na Segunda etapa da transformao, a energia cintica obtida no expansor transformada em trabalho mecnico. Esta transformao de energia pode ser obtida de duas maneiras diferentes: Segundo o princpio da Ao ou segundo o princpio da Reao.As turbinas a vapor so mquinas puramente rotativas, pois a fora acionadora aplicada diretamente no elemento rotativo, o que facilita o seu balanceamento e gerando um nvel de vibraes muito baixo e um funcionamento suave. Essa caracterstica uma vantagem em comparao s mquinas alternativas, visto que nessas ltimas necessrio um sistema para converter o movimento alternativo em movimento rotativo e isso torna mais difcil o balanceamento e gera um nvel de vibrao elevado. Alm das turbinas terem uma alta relao potncia / tamanho.O torque de acionamento praticamente uniforme, sendo uma vantagem em comparao aos motores de combusto interna, os quais tipicamente possuem um torque de acionamento pulsante, devido ao prprio princpio de funcionamento dos motores de combusto interna. Isso torna as turbinas a vapor adequadas para acionar compressores centrfugos, compressores axiais, bombas centrfugas e geradores eltricos; pois esses equipamentos apresentam torque resistente uniforme.Ainda uma vantagem em comparao aos motores de combusto interna, as turbinas a vapor no necessitam e lubrificao interna, por isso o vapor descarregado isento de leo. Esse vapor pode ser utilizado em outras turbinas, outros processos, para aquecimento ou produzir condensado o qual ser reinjetado na caldeira, sem utilizar nenhum tratamento. Obviamente que os mancais das turbinas so lubrificados, porm esses so elementos externos carcaa, sendo impossvel o contato do leo lubrificante com o vapor. Isso gera uma considervel economia com os leos lubrificantes, quando comparamos com os motores a combusto interna, pois nesses o leo tem contato direto com os produtos da combusto, o que encurta significativamente a vida til do leo lubrificante. Alm disso, as turbinas no produzem fascas.Outra caracterstica positiva a possibilidade de variao da velocidade de rotao, bem como a facilidade de controlar essa variao. O que possibilita que a turbina opere em faixas razoavelmente amplas de velocidade, alm de viabilizar uma adequao as demandas especficas das mquinas acionadas. Sendo possvel a utilizao de altas velocidades de rotao.Podemos afirmar tambm que as turbinas so mquinas de grande confiabilidade operacional, pois geralmente operam de forma ininterrupta durante longos perodos desde que as condies operacionais permaneam dentro das faixas previstas no projeto da mquina. Por conta disso, elas so mquinas nicas e normalmente no possuem reservas. O histrico de falhas dessas mquinas bem pequeno, embora quando ocorrem produzem um grande impacto no processo produtivo.Em comparao com outras mquinas a manuteno simples e econmica, porm exige uma mo de obra qualificada e especializada nesse tipo de manuteno a fim de garantir a confiabilidade operacional. Tambm possui uma fcil operao e tem uma vida til bastante longa. Podemos listar como desvantagens que as turbinas no so reversveis, ou seja, s giram numa nica direo, quando as rotaes so baixas necessrio o uso de um sistema de engrenagens nesses casos a eficincia cai significativamente e a eficincia das turbinas pequenas simples pobre.

0. APLICAOAs principais aplicaes so o acionamento de geradores eltricos em centrais termoeltricas, convencionais ou nucleares o acionamento mecnico de equipamentos rotativos (bombas, compressores, ventiladores e etc) em indstrias que possuam gerao de vapor por exigncia de seu processo, o acionamento martimo principalmente para navios de grande porte.

PRINCPIOS DE FUNCIONAMENTOAs duas maneiras bsicas, pelas quais e possvel aproveitar a energia cintica obtida no expansor, para realizao de trabalho mecnico: o princpio da ao e o princpio da reao esto ilustrados nas Figuras 3.8 e 3.9, a seguir.

Figura 3.8 Estgio de Ao

Figura 3.9 - Estgio de Reao

Se o expansor for fixo e o jato de vapor dirigido contra um anteparo mvel, a fora de ao do jato de vapor ir deslocar o anteparo, na direo do jato, levantando o peso W. Se, entretanto o expansor puder mover-se, a fora de reao, que atua sobre ele, far com que se desloque, em direo oposta do jato de vapor, levantando o peso W. Em ambos os casos a energia do vapor foi transformada em energia cintica no expansor e esta energia cintica, ento, convertida em trabalho. Embora nada conhecesse a respeito de turbo-mquinas trmicas, Newton, no sculo XVII, estabeleceu as leis que explicam exatamente os dois princpios apresentados acima. Newton afirmou que e necessrio exercer uma fora para mudar a velocidade (tanto em modulo como em direo) de um corpo em movimento. Este princpio ilustrado na parte direita da figura 3.9. O jato de vapor (um corpo em movimento) tem sua velocidade modificada pelo anteparo circular, colocado em seu caminho. A fora resultante move o anteparo, na direo do jato, e levanta o peso W. Este , em essncia, o princpio da ao.Newton estabeleceu tambm que a cada ao corresponde uma reao igual e contrria. Esta lei a base terica que explica o funcionamento tanto de um foguete espacial ou de um avio a jato puro, como tambm de um esguicho rotativo de jardim. Inicialmente devemos notar que a ao do jato sobre o ar atmosfrico nada tem a ver com o princpio da reao, j que este e perfeitamente vlido tambm em um ambiente sob vcuo. Um foguete espacial, cuja movimentao e baseada exclusivamente no princpio da reao, opera perfeitamente fora da atmosfera. A fora impulsora est no interior do expansor. Imagine que a caixa da Figura 3.9 no tenha abertura alguma e esteja cheia de vapor sob presso. A presso agindo em qualquer parede equilibra exatamente a presso agindo na parede oposta e, havendo balanceamento de foras, a caixa permanecer em repouso. Entretanto, se fizermos um furo em um dos lados da caixa e colocarmos neste furo um expansor, haver, atravs do expansor, um jato de vapor e a presso no expansor ser menor do que a presso no ponto correspondente da parede oposta. O desbalanceamento de foras, ento produzido, far a caixa mover-se na direo oposta a do jato de vapor. Em essncia, este o princpio da reao.

Turbina de ao e turbina de reao Destes dois dispositivos de laboratrio, apresentados nas figuras 3.8 e 3.9, cuja nica utilidade pratica e apresentar os princpio da ao e da reao, e possvel derivar uma turbina de ao e uma turbina de reao rudimentar. Se tivermos um expansor, montado em uma cmara de vapor estacionaria, dirigindo um jato de vapor para uma palheta, montada na periferia de uma roda, teremos uma turbina de ao rudimentar. Se, por outro lado, montarmos a prpria cmara de vapor com o expansor, na periferia da roda e conseguirmos levar vapor, de forma contnua, a esta cmara, atravs de um eixo oco, teremos construdo uma turbina de reao elementar. A construo de uma turbina de reao pura, como esta, apresenta dificuldades de ordem prtica, pois a conduo do vapor atravs do eixo no uma soluo construtiva satisfatria. Por esta razo no se fabricam turbinas de reao pura. Embora estas duas turbinas rudimentares apresentadas ilustrem os princpios bsicos envolvidos, algumas modificaes so necessrias para convert-las em unidades prticas. Em uma turbina de ao real teremos, a no ser em mquinas de potncia muito pequena, no apenas um, mas vrios expansores, em paralelo, constituindo um arco ou um anel de expansores, conforme ocupem apenas parte ou toda a circunferncia. Os anis de expansores so tambm conhecidos como rodas de palhetas fixas. Os expansores dirigem seu jato de vapor na direo no de uma palheta, mas de uma roda de palhetas mveis, conforme ilustra a Figura 3.10. Em um estgio de ao toda a transformao de energia do vapor (entalpia) em energia cintica ocorrer nos expansores. Em consequncia no arco ou no anel de expansores (roda de palhetas fixas) de um estgio de ao haver uma queda na presso do vapor (diminuem tambm a entalpia e a temperatura, enquanto aumenta o volume especfico) e um aumento da velocidade. Na roda de palhetas mveis no haver expanso (queda de presso), pois as palhetas mveis tm seo simtrica e que resulta em reas de passagens constantes para o vapor. No havendo expanso, a velocidade do vapor em ao s palhetas mveis ficar constante. No obstante, haver uma queda de velocidade absoluta do vapor nas palhetas mveis, transformando, assim, a energia cintica, obtida nos expansores, em trabalho mecnico.

Figura 3.10 - Estgio de Ao e Reao

Em uma turbina de reao comercial teremos sempre vrios estgios, colocados em srie, sendo cada estgio constitudo de um anel de expansores (tambm chamado de roda de palhetas fixas), seguido de uma roda de palhetas mveis, como est apresentado esquematicamente na Figura 3.10. Tanto as palhetas fixas, como as palhetas mveis tm seo assimtrica, o que resulta em reas de passagens convergentes, para o vapor, em ambas. Por esta razo, em uma turbina de reao comercial, parte da expanso do vapor ocorrer nas palhetas fixas e parte ocorrer nas palhetas mveis. Isto representa um desvio do princpio de reao puro, segundo o qual toda a expanso deveria ocorrer nas palhetas mveis. Na realidade o que chamamos comercialmente de turbina de reao uma combinao com grandes saltos de entalpia e onde a preocupao com a eficincia e essencial, seramos levados a velocidades excessivas nas palhetas, incompatveis com sua resistncia mecnica. A soluo para o problema dividir o aproveitamento do salto de entalpia em vrios saltos menores subsequentes, que chamamos de estgios. Mquinas de grande potncia tem, portanto, usualmente, vrios estgios, colocados em srie, podendo ser tanto de ao como de reao. Nas palhetas fixas teremos, portanto, uma expanso parcial do vapor, resultando em uma queda de presso e em um aumento da velocidade. Nas palhetas moves ocorrer o restante da expanso, resultando em uma segunda queda de presso e em um aumento da velocidade do vapor em relao palheta. Entretanto, mesmo havendo um aumento da velocidade do vapor em relao palheta mvel, causada pela expanso, a velocidade absoluta do vapor nas palhetas mveis cair, pois estas atuam, no s como expansores, mas tambm pelo princpio da ao, transformando a velocidade gerada em trabalho mecnico. Define-se como grau de reao, de um estgio de reao, a proporo entre a parte do salto de entalpia que ocorre nas palhetas mveis e o salto de entalpia total do estgio. bastante usual a construo de estgios com grau de reao igual a 50%, embora outras propores possam tambm ser admitidas.

Estgios mltiplos A potncia desenvolvida em turbina a vapor pode ser calculada por:

( 4 )onde: = vazo em massa de vapor h1 = entalpia do vapor admitido h2 = entalpia do vapor descarregado Por isto, mquinas de grande potncia so colocadas entre condies de vapor de admisso (vapor de alta presso) e de descarga (condensador), capazes de fornecer um grande salto de entalpia. Com isto conseguimos desenvolver a potncia necessria, com uma vazo de vapor razovel. Mquinas de menor potncia, entretanto, recebem usualmente vapor em condies menos severas (vapor de media presso) e descarregam em presso positiva (vapor de baixa presso). Embora o salto de entalpia disponvel, entre estas condies de vapor seja menor, as vazes de vapor necessrias no so grandes, devido pequena potncia desenvolvida.Sabemos tambm que a velocidade na sada de um expansor considerada desprezvel a energia cintica na entrada, pode ser medida por:

( 5 )Onde: h1= entalpia na entradah2= entalpia na sada do expansorVemos, portanto, que a velocidade do vapor descarregado por um expansor cresce com o aumento do salto de entalpia desenvolvido no expansor. Por outro lado, como veremos mais adiante, h uma relao definida entre a velocidade da palheta e a velocidade absoluta do vapor que chega a ela (0,5 para um estgio de ao e 1 para um estgio de reao, com grau de reao igual a 50%), para que o estgio apresente eficincia mxima. A velocidade da palheta, por sua vez, limitada a um valor mximo, compatvel com sua resistncia mecnica, uma vez que a fora centrfuga, que age sobre elas, aumenta com o aumento de sua velocidade.Em mquinas de menor potncia, entretanto, o salto de entalpia a aproveitar e usualmente menor. Alm disso decresce a preocupao com a eficincia da mquina e cresce a importncia do custo inicial. Por isto mquinas de pequena potncia so, usualmente, mquinas compactas, constitudas de um s estgio, sempre de ao, embora isto traga algum prejuzo sua eficincia.

Estagio de AoOs estgios de ao podem ser de dois tipos: estgios de presso, tambm conhecidos como estgios Rateau, e estgios de velocidade, conhecidos como estgios Curtis. Os estgios de presso, mostrados na Figura 3.11, so os estgios de ao exatamente iguais aos que temos considerado at agora. Ele ser composto por um arco de expansores e uma roda de palhetas mveis, se for o primeiro estgio da mquina, ou por um anel de expansores (roda de palhetas fixas) e uma roda de palhetas mveis, se for um estgio intermedirio. O estgio de velocidade e composto de um arco de expansores, seguido por duas rodas de palhetas mveis, entre as quais h um arco de palhetas guias. Toda a queda de presso do estgio ocorre nos expansores. A velocidade do vapor, porm, absorvida apenas parcialmente na primeira roda de palhetas mveis. O vapor deixa, ento, esta roda com uma energia cintica ainda elevada que ser aproveitada em uma segunda roda de palhetas mveis. Apenas com a finalidade de reorientar o jato de vapor, para que o esforo sobre a segunda roda de palhetas mveis seja de sentido igual ao do esforo sobre a primeira roda, colocado entre ambas um arco de palhetas guias. importante notar que no h expanso nas palhetas guias, permanecendo constantes, ao longo delas, tanto a presso como a velocidade. Por isso estas palhetas tm formato simtrico e sees de passagem de vapor constantes, semelhana das palhetas mveis de estgios de ao. O estgio de velocidade, que acabamos de descrever, e mostrado a direita da Figura 3.11.

Figura 3.11 - Estgios de Ao

Figura 3.12 - Exemplo de Turbna de AoEm um estgio de velocidade, como apenas metade da velocidade do vapor absorvida por roda, admite-se que a velocidade do vapor na entrada da primeira roda seja igual a quatro vezes a velocidade perifrica da palheta. Por esta razo em um estgio de velocidade conseguimos aproveitar um grande salto de entalpia, embora com algum prejuzo da eficincia. O estgio Curtis tem duas aplicaes caractersticas: como estgio nico de mquinas de pequena potncia e como primeiro estgio de mquinas de grande potncia. No primeiro caso visamos obter uma mquina compacta, de baixo custo inicial, embora com algum prejuzo de sua eficincia, pelo aproveitamento do salto de entalpia disponvel, que no usualmente muito grande, em um nico estgio de velocidade. No caso das mquinas de grande potncia, que recebem usualmente vapor a alta presso e a alta temperatura, vantajoso, para o projeto mecnico da mquina, que o vapor logo no primeiro estgio sofra uma grande queda de entalpia, significa dizer de presso e de temperatura. Isto e possvel com um estgio de velocidade.

Figura 3.13 - Estgio de Ao em funo (a) da velocidade e (b) da temperatura

Estgios de ReaoOs estgios de reao, chamados tambm de estgios Parsons, so sempre constitudos de uma roda de palhetas fixas, seguidas de uma roda de palhetas mveis, conforme mostra a Figura 3.14. Como as turbinas de estgio nico so sempre turbinas de ao, o uso dos estgios de reao restringe-se aos estgios intermedirios e finais das turbinas de reao de estgios mltiplos, pois mesmo nestas o primeiro estgio usualmente um estgio de ao.

Figura 3.14 - Estgio de reao (esquerda) Turbina de reao, de estgios mltiplos (direita)

Figura 3.15 - Exemplo de Turbina de ReaoVantagens: a) Do ponto de vista termodinmico: O ciclo trmico a vapor, do qual a turbina parte integrante, apresenta rendimentos bastante satisfatrios, quando comparados com os ciclos trmicos de outras mquinas (Turbinas Gs e Motores de Combusto Interna) Obs. 1: O rendimento do ciclo trmico a vapor melhora medida que aumentam a potncia das mquinas, as presses e as temperaturas de gerao de vapor. Obs. 2: O aproveitamento da energia liberada pelo combustvel torna-se satisfatrio se o calor residual contido no vapor descarregado pela turbina puder ser aproveitado em processos industriais ou para aquecimento geral. b) Do ponto de vista mecnico: As TV so puramente rotativas, i.e., a fora acionadora aplicada diretamente no elemento rotativo da mquina. Tm balanceamento bastante fcil, resultado em um funcionamento extremamente suave da mquina. Obs. 3: Os impulsos aplicados pelo vapor nas palhetas da turbina so regulares e constantes. Se a carga acionada mantida constante, o torque aplicado no acoplamento da turbina ser bastante uniforme. Obs. 4: uma mquina de alta rotao (3.500 a 6.000 rpm) sendo ideal para acionar bombas e compressores centrfugos. Obs. 5: No h lubrificao interna. Devido a isso o vapor exausto da turbina isento de leo, dispensando- se procedimentos de filtragem e separao do vapor. O leo circula somente atravs dos mancais e do sistema de controle, sendo continuamente filtrado e resfriado. No h problemas de contaminao e a consequente oxidao do lubrificante, podendo o mesmo ter uma vida til longa. Obs. 6: A facilidade de controle e a possibilidade de variao de velocidade feita pelo o governador, bastante simples, precisa e confivel.

Figura 3.16 - Estgios de reao de uma Turbina de Reao

CLASSIFICAOAs turbinas podem ser classificadas em diversas formas, entre elas temos pelo princpio de funcionamento, pela direo do fluxo de vapor, pela presso de descarga do vapor, pelo nmero de estgios, pelo arranjo dos estgios, pelo tipo de uso e pelo tipo de ligao ao equipamento acionado. Em seguida descreveremos cada tipo de classificao.

Classificao pelo princpio de funcionamentoAs turbinas podem ser classificadas de acordo com o princpio de funcionamento, como visto anteriormente, elas podem ser turbinas de ao ou turbinas de reao. Nas turbinas ondem predominam a fora de impulso chamamos de turbina de ao e aquelas onde predominam a fora de reao so chamadas turbinas de reao.

Classificao pela direo do fluxo de vaporNesse tipo de classificao consideramos a direo do fluxo de vapor em relao ao eixo ou ao rotor, sendo divididas em Turbinas de Fluxo Axial, Turbinas de Fluxo Radial e Turbinas de Fluxo Tangencial Helicoidal. As Turbinas de Fluxo Axial so aquelas nas quais o vapor percorre uma direo paralela ao seu eixo. Como so de fcil construo so empregadas com qualquer grau de expanso, sendo necessrio apenas aumentar o nmero de estgios. Esses tipos so as mais utilizadas, sendo que em todas as turbinas de propulso e que acionam geradores eltricos so utilizados esse tipo.Nas Turbinas de Fluxo Radial o vapor percorre na direo do raio geomtrico e as palhetas so montadas perpendicularmente superfcie plana do disco. Esses tipos so subdivididos em radial centrfuga e radial centrpeta. Na primeira a admisso do vapor feita do eixo para a periferia do rotor, enquanto na segunda o vapor admitido da periferia do rotor para o eixo. Nas Turbinas de Fluxo Tangencial Helicoidal o vapor faz um percurso helicoidal.

Classificao pela presso de descarga do vaporCom relao sua presso de descarga, as turbinas podem ser dois tipos bsicos: Turbinas de Contra-presso e Turbinas de Condensao. As Turbinas de Contra-presso so aquelas em que a presso de descarga superior presso atmosfrica, elas podem ser chamadas tambm de Turbinas No-Condensante. Estas por sua vez podem ser subdivididas em Turbinas de Contra-presso de Fluxo Direto, Turbinas de Contra-presso de Extrao No Automtica nica, Turbinas de Contra-presso de Extrao Automtica nica e Turbinas de Contra-presso de Extrao No Automtica Dupla.As Turbinas de Condensao so aquelas que a presso de descarga menor que a presso atmosfrica. Estas por sua vez podem ser subdivididas em Turbinas de Condensao de Fluxo Direto, Turbinas de Condensao de Baixa Presso, Turbinas de Condensao de Fluxo Dividido na Descarga, Turbinas de Condensao de Reaquecimento nico, Turbinas de Condensao de Reaquecimento Duplo, Turbinas de Condensao de Induo, Turbinas de Condensao de Extrao Automtica nica, Turbinas de Condensao de Extrao Automtica Dupla, Turbinas de Condensao de Extrao Automtica Tripla, Turbinas de Condensao de Extrao-Induo e Turbinas de Condensao de Extrao No Automtica nica. Para melhor entendimento, vamos dar as seguintes definies: Turbina de Fluxo Direto (simples fluxo): a turbina em que o vapor admitido atua do primeiro ao ltimo estgio sem qualquer retirada de vapor;

Figura 3.17 - Esquema de Turbina de Fluxo Direto Turbina com Reaquecimento: todo o fluxo de vapor admitido na mquina retirado em um estgio intermedirio, reaquecido na caldeira, e retorna ao estgio seguinte da turbina, de onde evolui, atravs dos estgios finais, at a descarga;

Figura 3.18 - Esquema de Turbina com Reaquecimento Turbinas com Extrao Automtica: h em um, dois ou trs estgios intermedirios, uma retirada parcial de vapor, para fins de aquecimento ou uso no processo industrial. A presso do vapor extrado mantida constante por meio das vlvulas de controle de extrao;

Figura 3.19 Esquema de Turbina com Extrao Automtica Turbinas com Extrao no-automtica: pode haver at nove pontos de retirada de vapor, em diferentes estgios e presses. A presso do vapor extrado, em cada ponto de extrao, de uma turbina com extraes no-automticas, varia com as flutuaes da carga da turbina; Turbina de Induo: se em uma determinada instalao houver disponibilidade de dois fluxos de vapor, um de alta presso e outro de mdia presso, ambos podem ser combinados para acionar uma turbina de induo;

Figura 3.20 - Esquema Turbina de Induo, Turbina com Extrao-Induo: em alguns casos particulares de instalaes onde ora h um consumo de vapor de mdia presso, ora h uma produo deste mesmo vapor, poderemos usar uma turbina com extrao-induo;

Figura 3.21 Esquema Turbina com Extrao-Induo Turbinas com duplo fluxo: em turbinas de condensao de potncia elevada, as reas necessrias passagem do vapor crescem consideravelmente nos ltimos estgios da mquina, o que obrigaria o uso de palhetas de altura excessiva nestes estgios finais. Para diminuir os inconvenientes mecnicos que resultariam destas palhetas muito grandes, emprega-se nestes casos, turbinas com fluxo dividido na descarga.Classificao pelo nmero de estgiosEssa classificao bem intuitiva, as turbinas podem ter um ou mais estgios, tendo apenas um nico estgio denominamos de Turbina Simples, tem dois ou mais estgios denominamos de Turbina Multiestgios. Como foi dito anteriormente a maioria das turbinas comerciais so de multiestgios.

Figura 3.22 - Classificao de turbinas pelo nmero de estgios

Classificao pelo tipo de usoNeste caso as turbinas so divididas em Turbinas de Uso Geral e Turbinas Especiais.As Turbinas de Uso Geral, normalmente so mquinas pequenas e compactas, com potncia inferior a 1000 HP. Elas so produzidas em srie, possuem uma eficincia relativamente baixa e a sua construo visa obter preos baixos. Sua aplicao destinada acionar bombas e ventiladores.As Turbinas Especiais so todas aquelas que possuem potncia superior a 100 HP. So mquinas de grande porte, bastante sofisticadas, so fabricadas especialmente para cada aplicao especfica e possuem uma eficincia alta quando comparada com as de uso geral. Sua principal aplicao o acionamento dos compressores centrfugos e geradores de energia eltrica, mas no ficam restrito a estas aplicaes.Classificao pelo tipo de ligao ao equipamento acionadoEm relao ao tipo de ligao ao equipamento acionado as turbinas podem ser classificadas em duas categorias, as Turbinas de Ligao Direta e as Turbinas de Ligao Indireta. Na primeira o equipamento acionado est diretamente ligado no prolongamento de seu eixo, ou seja, tanto o eixo da turbina como o eixo do equipamento acionado esto alinhados, ocupando assim a mesma linha de centro. Na segunda categoria entre o eixo da turbina e o equipamento acionado existe uma engrenagem redutora de velocidade.

Classificao com relao a sequncia do fluxo de vaporNeste caso caracteriza-se pelo nmero de vezes que o vapor passa pela mesma ordem de palhetas mveis antes de descarregar. As turbinas sero de trs tipos Turbinas de Simples Fluxo, Turbinas de Fluxo em Serie e Turbinas de Fluxo Reentrante. No primeiro tipo o vapor admitido percorre um caminho paralelo ao seu eixo, no segundo o vapor admitido percorre eixos em linha e eixos paralelos (vertical ou horizontal) e no terceiro o vapor trabalha mais de uma vez na mesma e nica coroa de palheta mveis.

COMPONENTES bsicosBasicamente as turbinas a vapor so compostas pelos seguintes componentes: Expansor, Estator ou Roda de Palhetas Fixas, Rotor ou Roda de Palhetas Mveis, Palhetas, Diafragmas, Disco do Rotor, Tambor Rotativo, Coroa de Palhetas, Aro de Consolidao, Labirintos, Defletores de leo, Carcaa, Mancais de apoio e escora; Elementos de controle (perifricos). Nem todos esses elementos esto em todos os tipos de turbina, abaixo iremos descrever os principais componentes das turbinas a vapor e suas funes.

ExpansorOs expansores so restries ao fluxo de vapor e tem como objetivo converter a energia do vapor em energia cintica. O expansor ideal seria um expansor adiabtico reversvel, portanto isoentrpico. Este expansor ideal seria capaz de converter em velocidade todo o salto de entalpia disponvel. A evoluo em um expansor real, entretanto, se dar sempre com aumento de entropia devido s irreversibilidades internas, inevitveis em qualquer escoamento. Assim, haver sempre um certo afastamento entre a performance terica, prevista para um expansor ideal, e a performance que se obtm em um expansor real. A velocidade que se obtm em um expansor real ser sempre menor do que a teoricamente prevista para um expansor ideal. O projeto de um expansor ter, portanto, como objetivo bsico aproxim-lo do modelo ideal, isoentrpico, no sentido de maximizar a energia cintica obtida para um determinado salto de presso. A Figura 3.23 mostra os dois tipos bsicos de expansores: os expansores convergentes e os expansores convergente - divergentes. Os convergentes so usados sempre que a presso de descarga for maior ou igual a 53% da presso de admisso (pequenos saltos de entalpia). Os convergente-divergentes so usados sempre que a presso de descarga for menor que 53% da presso de admisso (grandes saltos de entalpia).

Figura 3.23 - Expansor Convergente e Convergente-Divergente

So montados em blocos com 1, 10, 19, 24 ou mais expansores de acordo com o tamanho e a potncia da turbina, e consequentemente tero formas construtivas especficas, de acordo com sua aplicao.

Figura 3.24 Expansor.Estator ou Roda de Palhetas Fixas o elemento fixo da turbina (que envolve o rotor) cuja funo transformar a energia potencial (trmica) do vapor em energia cintica atravs dos distribuidores.

Rotor ou Roda de Palhetas Mveis o elemento mvel da turbina (envolvido pelo estator) cuja funo transformar a energia cintica do vapor em trabalho mecnico atravs dos receptores fixos.

Figura 3.25 - Estator, Eixo do Rotor e Palhetas Mveis

PalhetasTemos dois tipos de palhetas, as mveis e as fixas. Palhetas mveis so aquelas fixadas ao rotor, enquanto que palhetas fixas so fixadas no estator.As palhetas fixas (guias, diretrizes) orientam o vapor para a Roda de palhetas mveis seguinte. Podem ser encaixadas diretamente no estator (carcaa) ou em rebaixos usinados em peas chamadas de anis suportes das palhetas fixas, que so, por sua vez, presos carcaa.As palhetas mveis tem a finalidade de receber o impacto do vapor proveniente dos expansores (palhetas fixas) para movimentao do rotor. So fixadas ao aro de consolidao pela espiga e ao disco do rotor pelo malhete e, ao contrrio das fixas, so removveis. De uma forma geral so fabricadas em ao inoxidvel ferrtico, por conta de suas caractersticas como boa resistncia mecnica em temperaturas elevadas, boa capacidade de amortecimento de vibraes e boa resistncia eroso.

Figura 3.26 - Fixao da palheta mvel ao disco do rotor

Figura 3.27 - Fixao das Palhetas mveis

DiafragmasSo constitudos por dois semicrculos, que separam os diversos estgios de uma turbina de ao multiestgio. So fixados no estator, suportando os expansores e abraando o eixo sem toc-lo. Entre o eixo e o diafragma existe um conjunto de anis de vedao que reduz a fuga de vapor de um para outro estgio atravs da folga existente entre diafragma-base do rotor, de forma que o vapor s passa pelos expansores. Estes anis podem ser fixos no prprio diafragma ou no eixo. Este tipo de vedao chamado de selagem interna.Os diafragmas dos estgios intermedirios, onde a presso mais elevada, so soldados. J os diafragmas dos estgios finais, onde a presso menor, so normalmente fundidos. As partes estruturais (externas e internas) so de ao carbono nos diafragmas fundidos.

Figura 3.28 - Diafragma com anel de palhetas

Disco do Rotor a pea da turbina de ao destinada a receber o conjunto das palhetas mveis.

Tambor Rotativo basicamente o rotor da turbina de reao, que possui o formato de um tambor cnico onde montado o conjunto das palhetas mveis.

Coroa de Palhetas o conjunto das palhetas mveis montado na periferia do disco do rotor e dependendo do tipo e da potncia da turbina pode existir de uma a cinco coroas em cada disco do rotor.

Aro de Consolidao uma tira metlica, secionada, presa s espigas das palhetas mveis com dupla finalidade: aumentar a rigidez do conjunto, diminuindo a tendncia vibrao das palhetas e reduzindo tambm a fuga do vapor pela sua periferia. So utilizadas nos estgios de alta e mdia presso envolvendo de 6 a 8 palhetas cada seo. Nos estgios de baixa presso, substitudo por um arame amortecedor, que liga as palhetas, no por suas extremidades, mas em uma posio intermediria mais prxima da extremidade que da base da palheta.

Figura 3.29 - Aro de consolidao, Disco rotor, e Coroa de palhetas

Figura 3.30 - Foto de uma seo de palhetas

LabirintosSo peas metlicas circulantes com ranhuras existentes nos locais onde o eixo sai do interior da mquina atravessando a carcaa cuja funo evitar o sada de vapor para o exterior nas turbinas no condensantes e no permitir a entrada de ar para o interior nas turbinas condensantes. Esta vedao chamada de selagem externa.Nas turbinas de baixa presso utiliza-se vapor de fonte externa ou o prprio vapor de vazamento da selagem de alta presso para auxiliar esta vedao, evitando-se assim no sobrecarregar os ejetores e no prejudicar o vcuo que se obtm no condensador. Devem ser de material resistente corroso, tais como ao inoxidvel ou superligas de Cr-Ni como monel, inconel, hastelloy, etc.

Figura 3.31 - (A) Selagem de baixa presso; (B) Selagem de alta presso

Anis de carvoFigura 3.32 - (A) Selagem de baixa presso; (B) Selagem de alta presso

O sistema de vedao por anis de carvo tambm funciona com base no princpio da perda de carga. constitudo de um anel de carvo composto de seces geralmente de 90 ou 120 de arco, mantido com pequena folga sobre o eixo pela ao de um sistema de molas.

Figura 3.33 - Vedao por anel de carvoDefletores de leoTem por finalidade evitar que um possvel vazamento axial de leo, venha a contaminar o sistema de alimentao por intermdio da drenagem do engaxetamento, ou vice-versa, que o vapor venha a se condensar no mancal, causando a contaminao do leo que ali trabalha.

CarcaaA carcaa de uma turbina nada mais que o suporte das partes estacionrias tais como diafragmas, palhetas fixas, mancais, vlvulas, etc. Tambm pode ser chamada de estator. Podem ter partio do tipo axial ou radial. Na grande maioria das turbinas so de partio axial, o que facilita a manuteno. A partio de tipo radial s usada em turbinas pequenas, com potncia inferior a 100 HP. Pode-se utilizar ferro fundido, ao ou liga de ao, dependendo das condies presso e temperatura. Pode ser subdividida ao longo do seu comprimento caracterizando assim as sees de alta e baixa presses.

Figura 3.34 - Exemplo de tipos de carcaa

Mancais de Apoio (radiais)So distribudos, normalmente, um em cada extremo do eixo da turbina com a finalidade de manter o rotor numa posio radial exata. Os mancais de apoio suportam o peso do rotor e tambm qualquer outro esforo que atue sobre o conjunto rotativo, permitindo que o mesmo gire livremente com um mnimo de atrito. So na grande maioria mancais de deslizamento, constitudos por casquilhos revestidos com metal patente, com lubrificao forada (uso especial) o que melhora sua refrigerao e ajuda a manter o filme de leo entre eixo e casquilho.Os casquilhos dos mancais de apoio podem ser de ao, bronze ou ferro fundido, sempre revestidos internamente por uma camada de metal patente. Os moentes (ou colos) dos eixos (regies de trabalho dos mancais radiais) devem ser usinados de maneira a apresentar um timo acabamento superficial, pois qualquer irregularidade poder prejudicar a formao da bolsa (filme) de leo essencial ao correto funcionamento do mancal.

Figura 3.35 - Mancal radial de deslizamento

Mancais de EscoraO mancal de escora responsvel pelo posicionamento axial do conjunto rotativo em relao s partes estacionrias da mquina, ou seja, pela manuteno das folgas axiais. As pastilhas dos mancais de escora so revestidos de metal patente. O colar de escora, sobre o qual se apoiam as pastilhas, pode ser integral com o eixo ou no. No primeiro caso o seu material ser obviamente igual ao do eixo. No segundo caso o colar de escora poder ser de material diferente, ou receber um tratamento trmico diferente, visando aumentar sua dureza e diminuir seu desgaste.

Figura 3.36 - Mancal radial de Escora

Figura 3.37 - Componentes da turbina

Vlvulas de Controle de AdmissoAps estabilizada, a turbina opera entre condies de vapor estveis, nas quais as variaes da carga devem ser atendidas por meio do controle da vazo de vapor admitida na mquina. Esta funo executada, automaticamente, pelas vlvulas de controle de admisso, sob controle de um dispositivo, o regulador (governador). O regulador ligado ao eixo da turbina, diretamente ou por meio de uma reduo, girando, portanto, a uma rotao igual ou proporcional rotao da turbina, e sente as flutuaes da carga por intermdio de seu efeito sobre a velocidade da turbina. Assim, quando ocorre, por exemplo, um aumento de carga, se a vazo do vapor permanecer inalterada, haver uma queda da velocidade da turbina.O regulador sente esta queda de velocidade incipiente e comanda uma abertura maior das vlvulas de controle de admisso, permitindo a passagem de uma vazo maior de vapor, necessria ao aumento da carga e ao estabelecimento da velocidade inicial. Existem dois tipos bsicos para as vlvulas de controle de admisso: a construo multi-valve e a construo single-valve.

Multi-Valve Na construo Multi-Valve o controle da admisso de vapor feito atravs de vrias vlvulas, em paralelo, cada uma alimentando um grupo de expansores. A abertura destas vlvulas sequencial, isto , para uma carga muito baixa, a vazo de vapor necessria seria muito pequena, e estaria aberta, total ou parcialmente, apenas uma vlvula, alimentando, portanto, apenas um grupo de expansores, permanecendo bloqueados os demais grupos. medida que a carga aumenta, exigindo uma vazo maior de vapor, vo sendo abertas, em sequncia, as demais vlvulas, alimentando outros grupos de expansores, at a condio de carga mxima, onde todas as vlvulas estaro totalmente abertas e todos os expansores recebendo vapor. Esta abertura sequencial permite que, medida que a vazo total de vapor cresce, para atender ao aumento da carga, a quantidade de expansores que est recebendo vapor cresa proporcionalmente. Assim, a vazo de vapor atravs de cada expansor em operao, pode ser mantida constante, e igual sua vazo de projeto, a despeito das flutuaes da carga. Isto aumenta bastante a eficincia da turbina, principalmente em condies de baixa carga. Estas vlvulas de admisso de vapor, de construo mltipla e abertura sequencial, so tambm conhecidas, devido sua funo, como vlvulas parcializadoras. Em turbinas de uso especial usamos quase sempre esta construo multi-valve, pois permite obter uma melhor eficincia para a turbina e um controle mais preciso. A abertura sequencial das vlvulas de controle de admisso de vapor pode ser obtida, por exemplo, por meio de vlvulas com hastes de comprimento varivel, acionadas por uma barra horizontal, como mostra a Figura 3.38.

Figura 3.38 - Regulagem composta de multi-vlvulas, proporcionando um maior controle de carga e maior estabilidade da turbina

Single-Valve Em turbinas de uso geral, onde a obteno de uma soluo simples e econmica mais importante que o aumento da eficincia da turbina ou a preciso do controle, usamos a construo single-valve (estrangulamento). Nesta construo, como mostra a Figura 3.14, a vlvula de controle da admisso do vapor nica, admitindo vapor simultaneamente para todos os expansores. Esta construo bastante ineficiente quando a turbina opera com carga baixa e, em consequncia, com baixa vazo total de vapor, que ser dividida igualmente por cada expansor. Isto far com que a vazo em cada expansor seja bastante inferior sua vazo de projeto e prejudicar a eficincia da turbina. Para melhorar sua eficincia com baixa carga, as turbinas single-valve possuem vlvulas parcializadoras, de acionamento manual, que podem fechar grupos de expansores. Quando a turbina estiver trabalhando com baixa carga, o operador poder melhorar a eficincia da mquina, fechando manualmente uma ou mais vlvulas parcializadoras.

Vlvulas de Controle de ExtraoAlgumas turbinas possuem uma retirada parcial de vapor, em um estgio intermedirio e, portanto a uma presso intermediria entre a de admisso e a de descarga, conhecida como extrao. Como a presso em um ponto qualquer ao longo da turbina varia, quando variam as condies de carga da turbina, se a extrao consistir simplesmente em um flange, atravs do qual poderemos retirar vapor, aps um determinado estgio da mquina, a presso do vapor extrado ser influenciada pelas condies de carga da turbina.As vlvulas de controle de extrao funcionam de maneira semelhante s vlvulas de controle de admisso, s que controladas pela presso do vapor extrado, atravs do controlador de presso de extrao, e no pela velocidade da turbina, atravs do governador.

Vlvulas de Bloqueio AutomticoA maneira usual de parar uma turbina a vapor pelo fechamento rpido de uma vlvula, chamada vlvula de bloqueio automtico, colocada em srie com vlvula de controle de admisso, o que corta totalmente a admisso de vapor para a turbina. Esta vlvula tambm conhecida como vlvula de desarme rpido e como vlvula de "trip".O dispositivo de desarme por sobre-velocidade protege a turbina, impedindo que opere em velocidades superiores velocidade de trip, onde as tenses resultantes da fora centrfuga poderiam ser perigosas para a resistncia mecnica do conjunto rotativo da turbina. SISTEMAS DE CONTROLEO sistema de controle de uma turbina a vapor atua no fluxo de vapor que admitido na turbina, para manter o valor desejado de alguma varivel. Esta varivel normalmente a velocidade da turbina, que deve ser mantida constante, qualquer que seja a carga da turbina, desde, claro, que esta no exceda sua capacidade mxima.Em algumas situaes particulares pode haver um controle, em paralelo, sobre outra varivel alm da velocidade da turbina, como por exemplo, em turbina com extrao controlada, onde controlamos, no s sua velocidade, mas tambm a presso do vapor extrado.Outra situao particular, que tambm podemos encontra, o controle de uma varivel que dependa do equipamento acionado pela turbina por meio de uma atuao sobre a velocidade da turbina. o caso, por exemplo, de compressores centrfugos de processo acionado a turbina, onde o controle de capacidade do compressor feito usando-se a varivel de processo que desejamos controlar (vazo, presso de descarga ou presso de suco do compressor) para ajustar o set-point do governador da turbina.Podemos tambm citar o controle de presso de descarga que se faz, em maquinas de contrapresso e fluxo direto, atuando sobre a vlvula de admisso e, em consequncia, sobre o fluxo de vapor admitindo na turbina. Neste caso no ser possvel controlar simultaneamente a velocidade da turbina. Tanto a velocidade como a potncia desenvolvida pela turbina sero funes da vazo de vapor, que admitida na mquina sob controle da presso de descarga. Este tipo de controle usado no caso das turbinas superpostas, onde a velocidade mantida constante, no por seu sistema de controle, mas por sincronismo eltrico, com outro gerador, este sim com controle de velocidade.Podemos listar como variveis do sistema de vapor que se pode controlar so: Presso de admisso de vapor, Temperatura de admisso de vapor, Presso do anel dos expansores, Presso aps o estgio de regulagem, Presso de extrao do vapor, Temperatura de extrao de vapor, Presso de escape de vapor, Temperatura de escape de vapor e Presso de selagem de vapor.

Controle de VelocidadeEstudaremos inicialmente a situao, que, embora mais simples, a encontrada na maioria das turbinas: uma turbina de fluxo direto, com controle apenas de velocidade. A vazo de vapor atravs da turbina ser funo da abertura da vlvula de controle de admisso. A potncia desenvolvida pela turbina em cada instante ser, desde que no seja excedida sua capacidade mxima, determinada pela solicitao da carga acionada. J que as condies do vapor admitido e descarregado pela turbina so mantidas constantes, a vazo de vapor admitida na turbina deve variar proporcionalmente s exigncias de potncia da carga acionada.A velocidade da turbina ficar constante enquanto a potncia exigida pela carga e a abertura da vlvula de admisso de vapor permanecerem constantes. Mas se, por exemplo, a potncia exigida pela carga diminuir e a abertura da vlvula de admisso no for alterada, a velocidade da turbina aumentar, porque estar recebendo vapor em excesso. Para manter a velocidade da turbina a vlvula de admisso de vapor dever ter sua abertura restringida, de maneira a tornar a vazo de vapor admitida adequada s novas condies de carga. Se, ao contrrio, a cargo no eixo da turbina aumentar e a abertura da vlvula de admisso no for alterada, a velocidade da turbina cair. Para manter a velocidade, a vlvula de admisso dever ter sua abertura aumentada admitindo em, consequncia mais vapor para a turbina.Este controle da abertura da vlvula de admisso de vapor, em funo da potncia exigida pela carga acionada, para manter a velocidade da turbina constante, feito automaticamente por um dispositivo conhecido como governador. Abaixo explicaremos os principais tipos de governador

Governador de Massas OscilantesEssa a construo mais simples, onde temos duas massas, que giram a uma velocidade igual ou proporciona a velocidade da turbina e que podem oscilar em torno de um apoio fixo, comprimindo, devido fora centrfuga que sobre elas age, uma mola, a qual est ligada uma haste, a haste do governador. Esta, por sua vez, ligada a vlvula de controle de admisso. A fora centrfuga age sempre no sentido de fechar a vlvula de admisso de vapor, enquanto a fora da mola tende sempre a abri-la.Assim, se a potncia exigida pela carga aumentar, a velocidade da turbina diminui a fora centrfuga, que proporcional ao quadro da velocidade, diminui, permitindo que a mola se distenda e haja sobre a haste do governador, aumentando a abertura da vlvula de admisso e admitindo mais vapor para a turbina. Se, ao contrrio, a potncia exigida pela carga diminuir, a ao do governador ser inversa: a velocidade aumenta a fora centrifuga aumenta, comprime a mola e movimenta a haste do governador no sentido de diminuir a abertura da vlvula de admisso de vapor.

Figura 3.39 - (A) Governador de massas oscilantes; (B) Governador com transmisso mecnica

Governador Mecnico-HidrulicoO governador puramente mecnico, que apresentamos at aqui, embora seja satisfatrio para o controle de turbinas de servios geral, no possui caractersticas, tais como preciso, velocidade de atuao, confiabilidade e fora da sada, adequadas ao controle de turbinas de servios especial. Por isto nestas mquinas de grande porte so utilizados governadores mecnico-hidrulicos ou governadores totalmente hidrulicos.Em um governador mecnico-hidrulico, adiciona-se ao sistema massa-mola do governador puramente mecnico, um sistema hidrulico, que, por meio de um mecanismo de compensao (constitudo pelo pisto amortecedor, pela vlvula agulha e pela vlvula piloto), interfere no equilbrio massa-mola, introduzindo uma fora hidrulica, que modifica e /ou elimina sua regulao inerente e, por meio de um pisto operador, amplia sua fora de sada.Os governadores mecnico-hidrulicos, de acordo com o modelo especifico, podem possuir ainda, sistema de ajuste de velocidade (local ou remoto), ajuste da regulao e limitao de carga. Um governador dito iscrono quando possui regulao nula, isto quando mantm a mesma velocidade no eixo da turbina, qualquer que seja sua carga. Um governador iscrono no permite, portanto, que a velocidade no eixo da turbina diminua medida que a carga aumenta. O elevado custo destes governadores mecnico-hidrulicos, no recomenda seu emprego em turbinas de servios gerais.

Governado HidrulicoUm governador hidrulico simples pode ser construdo, substituindo-se o elemento que sente as flutuaes de velocidade usual, as massa girantes, por uma bomba de leo, de engrenagens ou centrifuga acionada pelo eixo da turbina. A presso de descarga desta bomba ser proporcional ao quadrado da velocidade do eixo da turbina. Esta presso agir sobre o diafragma da vlvula de controle de admisso de vapor, abrindo-a se a velocidade da turbina cair e fechando-a se a velocidade da turbina aumentar, de maneira mant-la sobre controle a despeito das flutuaes de carga.O ajuste de velocidade para uma dada carga obtido por meio de uma vlvula agulha, cuja, abertura que pode ser controlada local ou remotamente, modifica a presso na descarga da bomba. Este governador possui uma regulao inerente, que determinada pela mola da vlvula de controle, alm de apresentar excelente preciso e confiabilidade.

Figura 3.40 - Governador Hidrulico SimplesGovernador com Servo-MotorUm govenador com transmisso hidrulica, conhecida como servo-motor, normalmente usado em turbinas de uso especial, onde a fora da haste do govenador precisa ser ampliada, para que seja capaz de movimentar as vlvulas de controle de admisso.No governador com servo-motor, a haste de sada do governador ligada a uma vlvula piloto e a um cilindro de fora por uma alavanca flutuante, a vlvula piloto, permitindo a admisso de leo de alta presso no cilindro de fora, ou que o leo contido no cilindro seja drenado para o reservatrio, dependendo do sentido do deslocamento da vlvula piloto. Isto mover o mbolo do cilindro de fora, e com ele a vlvula piloto, reconduzindo-a a sua posio neutra, o que far cessar o fluxo de leo para ou do cilindro de fora.

Figura 3.41 - Governador de servo-motor

Governado EletrnicoOs governadores citados anteriormente tm limitaes em suas caractersticas que os tornam inadequados ao controle dos turbo-geradores modernos de grande porte. A eletrnica nos permite construir governadores capazes de atender essas necessidades, melhorando a sensibilidade e aumentado a rapidez na resposta dos governadores.Os governadores eletrnicos so particularmente vantajosos, quando alm da rotao da turbina precisamos controlar outros parmetros, como, por exemplo, presso de extrao ou presso de descarga. Ainda permitem faixas de ajuste de velocidade muito amplas, podem usar o sinal de sada de qualquer instrumento de processo para ajuste do set-point de velocidade, recebem facilmente qualquer sinal do sistema de proteo da turbina e facilitam a automao da turbina.Eles possuem trs elementos bsicos sendo o primeiro um elemento primrio sensor de velocidade, o segundo um sistema de comparao-amplificao-transmisso e por fim um elemento final de correo. O sensor de velocidade usualmente um pickup magntico, colocado em frente a uma roda dentada montada no eixo da turbina, ou, mais raramente, um gerador de im permanente. Ambos geram uma ou, mais raramente, um gerador de im permanente. Ambos geram uma corrente alternada de frequncia proporcional rotao da turbina. Este sinal de velocidade levado ao controlador propriamente dito, onde comparado com a velocidade desejada, e com outros parmetros de limitao ou proteo existentes, resultando da um sinal eltrico de correo, proporcional ao desvio, que enviado ao elemento final de correo.Este elemento final de correo usualmente um conversor eltrico-hidrulico, que recebe o sinal de correo eltrico e o transforma em sinal de presso de leo, que usada para acionar as vlvulas de controle de admisso de vapor da turbina. O sinal eltrico no normalmente usado diretamente para o acionamento das vlvulas de vapor devido aos seus baixos nveis de tenso e corrente.

Figura 3.42 - Conversor Eltrico-HidrulicoVariador de VelocidadeGeralmente, as turbinas utilizam tambm um dispositivo chamado de variador de velocidade ou speed changer. Este visa alterar uma caracterstica de comando do governador, podendo ser a tenso da mola no governador mecnico ou a presso de descarga da bomba de leo no governador hidrulico. Os detalhes construtivos vo dependem do tipo de governador que existe.

SISTEMAS DE SEGURANAQualquer que seja o sistema de controle empregado em uma turbina haver sempre outro sistema, de segurana, independente do sistema de controle, que impedir a velocidade de ultrapassar o limite de segurana, compatvel com a resistncia mecnica de seu conjunto rotativo. O sistema de segurana de uma turbina deve ser projetado de maneira a proteger a turbina, o equipamento acionado e a unidade onde a mesma opera.Entre os dispositivos de proteo alguns funcionam apenas como alarme, dando uma indicao visual ou sonora, de que est ocorrendo determinada situao insegura. Enquanto outros atuam diretamente na mquina, quando se atinge determinada condio insegura, atuam sobre a vlvula de bloqueio rpido fazendo com que esta corte totalmente a admisso de vapor para a turbina e parando a turbina. Existe tambm a possibilidade de inicialmente o dispositivo funcionar como alarme e com o agravamento da situao insegura o dispositivo atuar a vlvula de trip.A proteo do equipamento acionado depende do tipo de equipamento, por exemplo, um compressor centrfugo tm dispositivos de proteo contra nvel de vibrao elevado, baixa presso de leo para os mancais, deslocamento axial do conjunto rotativo, temperatura elevada nos mancais, nvel alto no vaso de suco, temperatura de descarga elevada e surge.

Proteo contra SobrevelocidadeEste sistema de segurana indispensvel, porque medida que a velocidade da turbina cresce, crescem proporcionalmente ao seu quadro, as tenses induzidas sobre o conjunto rotativo, pela fora centrfuga decorrente da rotao da turbina. Por este motivo todo conjunto rotativo de turbina ter, em funo de sua resistncia mecnica, uma velocidade mxima admissvel, acima da qual no pode operar sem risco de dano.Para garantir que a velocidade da turbina jamais ultrapasse esta velocidade mxima admissvel para o conjunto rotativo, toda turbina deve possuir um dispositivo de desarme por sobrevelocidade. Este dispositivo de desarme constitudo normalmente por um peso, excntrico em relao linha de centro do eixo da turbina, montado em um alojamento na ponta deste eixo. Devido sua posio excntrica, atua sobre este peso uma fora centrfuga, que cresce medida que cresce a velocidade de rotao. Apesar da fora centrfuga que sobre ele age, o peso mantido, durante a operao normal da turbina, no interior de seu alojamento pela ao de uma mola. Quando a turbina atinge uma determinada velocidade, conhecida como velocidade de desarme por sobrevelocidade, ou velocidade de trip, a fora centrfuga vence a fora da mola, o peso sai do alojamento e atua sobre um dispositivo extreno que permitir o fechamento da vlvula de bloqueio rpido, cortando o suprimento de vapor e parando, em consequncia a turbina.Esse sistema deve sempre ser independente do sistema de controle de velocidade.

Desarme ManualO operador, quando deseja parar uma turbina a vapor, atua sobre um dispositivo de desarme manual, que permite o fechamento da vlvula de bloqueio rpido. Turbinas de uso geral possuem normalmente apenas uma alavanca de desarme manual local, conhecida como alavanca de trip, j em turbinas de uso especial, o fechamento da vlvula de bloqueio rpido comandado pela despressurizao de um circuito hidrulico que a mantm aberta, o que possibilita alm do desarme manual local um desarme remoto.

Proteo contra Lubrificao DeficienteToda turbina, que possua sistema de lubrificao forada, deve ter dispositivos de proteo contra eventuais falhas do sistema de lubrificao. A varivel normalmente protegida a presso de leo lubrificante na entrada dos mancais. Um problema que provoque a queda da presso de leo at 75% do seu valor nominal um pressostato acender um alarme luminoso em um painel de controle. Caso a presso caia para 50% do seu valor nominal um segundo pressostato enviar um sinal eltrico para a vlvula solenoide, que comandar o fechamento da vlvula de trip.

Proteo por Nvel de VibraoA melhor maneira de avaliar o estado mecnico de um equipamento rotativo em operao acompanhar a evoluo de seu nvel de vibrao. As turbinas apresentam normalmente um aumento progressivo de seu nvel de vibrao antes da ocorrncia de uma falha mecnica. Por esta razo, turbinas de uso especial tm normalmente sensores de vibrao colocados junto aos mancais. Estes sensores podem atuar como instrumentos indicadores ou como alarme. O mais comum a funo e alarme.

Proteo por Deslocamento Axial do Conjunto RotativoAs folgas axiais entre o conjunto rotativo e as partes estacionrias de uma turbina a vapor so mantidas pelo mancal de escora. Um desgaste excessivo ou uma falha do mancal de escora resultaria num grave dano mquina. Por esta razo, turbinas de uso especial possuem sempre um sensor de deslocamento axial, que mede continuamente a posio do conjunto rotativo em relao carcaa, que atua inicialmente como alarme e posteriormente como corte.

Proteo pela Temperatura dos MancaisAs falhas em mancais de turbinas so usualmente precedidas por um aumento de sua temperatura de trabalho. Assim se monitorarmos a temperatura de trabalho dos mancais, podemos parar a mquina para verificao e/ou reparo dos mancais. A melhor maneira de acompanhar esta temperatura colocar sensores de temperatura dentro do prprio mancal.

Proteo contra o Aumento da Presso de DescargaO crescimento da presso de descarga, acima de seu valor normal de operao prejudicial, visto que diminui a potncia mxima que a turbina pode desenvolver, porque diminui o salto de entalpia disponvel, alm de causar o superaquecimento dos estgios finais e causa um aumento do esforo mecnico devido presso sobre a regio de descarga da carcaa. Por isso toda turbina a vapor possui normalmente proteo contra aumento de presso de descarga. O tipo de proteo empregado varia com o tipo de turbina.Turbinas de uso especial condensantes a proteo consiste normalmente em uma vlvula de segurana colocada no condensador, a qual se abre para a atmosfera quando o condensador perde totalmente o vcuo. As turbinas de uso especial de contrapresso a proteo normalmente consiste em uma vlvula de segurana colocada na linha de descarga da turbina.J nas turbinas de uso geral a proteo usualmente uma vlvula sentinela colocada diretamente na carcaa da mquina. A vlvula sentinela se abre contra a ao de uma mola, a semelhana de uma vlvula de segurana, quando a presso na descarga ultrapassa um determinado valor, ela no tem vazo suficiente para impedir a elevao da presso de vapor. Por isso ela funciona como um alarme visual e sonoro.

Proteo contra Baixa Vazo de ExaustoEm uma turbina com extrao automtica, o fluxo de vapor exausto no pode ser inferior a um valor mnimo, conhecido como mnimo fluxo exausto, para que no haja superaquecimento dos estgios finais. Se o fluxo exausto cair abaixo deste valor mnimo, causando superaquecimento dos estgios finais, normalmente acionado um sinal de alarme no painel de controle.

Giro LentoToda turbina a vapor deve ser previamente aquecida, antes de ser colocada em operao. Este aquecimento deve ser feito com s turbina girando a baixa rotao, pra evitar possveis empenos de seu eixo. Em turbinas de grande porte o resfriamento tambm deve ser feito com o conjunto rotativo girando em baixa rotao.Por esta razo, as turbinas de grande porte possuem uma engrenagem para acionamento lento (turning-gear), montada na ponta de seu eixo, junto ao acoplamento. A esta engrenagem acoplado automaticamente um motor eltrico, que a aciona, durante as partidas e paradas da turbina, girando a turbina em baixa rotao, para aquecimento ou resfriamento.Em turbinas menores a baixa de rotao, necessria durante o aquecimento, obtida por estrangulamento da admisso de vapor. Se a turbina possui vlvula de bloqueio rpido hidrulico, a vazo de vapor pode ser razoavelmente controlada por esta vlvula, permitindo um controle razovel sobre a rotao da turbina durante o aquecimento e partida. Caso essa vlvula seja de acionamento mecnico, deve-se usar a vlvula gaveta de bloqueio da admisso de vapor ou a linha de by-pass se houver.Isolamento TrmicoPara minimizar as perdas de calor para o exterior, bem como para proteo pessoal, as turbinas a vapor tem sua carcaa, bem como as linhas de vapor isoladas termicamente. Em turbinas de contrapresso o isolamento trmico abrange toda a carcaa. J em turbinas condensantes o isolamento trmico restringe-se carcaa de alta presso, j que na carcaa de baixa presso a temperatura baixa.

SISTEMA DE LUBRIFICAOO sistema de lubrificao de uma turbina a vapor tem duas finalidades bsicas: reduzir o atrito nos mancais, permitindo que o conjunto gire o mais livremente possvel, e resfriar os mancais. Qualquer que seja o tipo de lubrificao empregado, os mancais devem ser capazes de absorver os esforos atuantes sobre o conjunto rotativo e permitir que o mesmo gire com o menor atrito possvel. O atrito em um mancal de turbina deve ser sempre fluido. Insto , deve haver sempre um filme de leo separando as superfcies metlicas do casquilho e do eixo. Sendo inadmissvel qualquer contato metlico.

Lubrificao com Anel PescadorNas turbinas de uso geral a lubrificao feita usualmente por meio de um reservatrio de leo, de pequena capacidade, situado no prprio mancal. O leo levado do reservatrio at a parte superior do mancal por um anel pescador. O casquilho superior do mancal possui um rasgo, onde o anel pescador colocado, apoiando-se no eixo. A parte inferior do anel pescador fica em contato com o nvel de leo existente no reservatrio. Quando o eixo da turbina gira, o anel pescador arrastado por atrito, levando leo at o rasgo na parte superior do casquilho. Atravs deste rasgo o leo se introduz na folga existente entre o casquilho e o eixo, lubrificando o mancal e depois retornando para o reservatrio. Esse sistema adequado para turbinas pequenas, quando a turbina cresce em potncia esse sistema torna-se insuficiente.

Lubrificao ForadaEm turbinas de uso especial o sistema de lubrificao utilizado sempre um sistema de lubrificao forada. Os principais componentes desse sistema so as bombas de leo, a vlvula de controle de alta presso, a vlvula de controle de baixa presso, o acumulador, os resfriadores de leo, os filtros de leo, o alarme e corte por baixa presso de leo e o sistema de purificao do leo.Existem sempre duas bombas de leo, a principal e a reserva, na descarga de cada uma destas bombas deve haver uma vlvula de segurana, dando retorno para o reservatrio, para impedir que a presso ultrapasse um determinado limite mximo. A vlvula de controle de alta presso mantm a presso do leo constante na descarga da bomba, enquanto a de baixa presso utilizada para reduzir a presso do leo antes dele chegar aos mancais. O acumulador tem como funo retardar a queda de presso no ramo de alta presso. Os resfriadores de leo so tambm em dupla de modo que possa tirar um deles pra manuteno sem interferir no funcionamento do sistema, assim como os filtros.

Especificao do leoO leo utilizado deve ser um leo mineral puro, refinado de boa qualidade. Deve receber aditivos anticorrosivo, antioxidante, antiemulsificante e antiespumante. O leo lubrificante durante o seu trabalho pode ser contaminado, tendo como as contaminaes mais comuns a gua, gs e a formao e espuma. Por isso faz-se necessrio ter um sistema de purificao do leo o qual pode ser externo ou interno ao sistema de lubrificao.

SELEOPara definir qual turbina deve-se utilizar fundamentalmente os seguintes aspectos: A potncia que se deseja gerar; A rotao da mquina acionada; As Condies inicial e final do vapor; As flutuaes de carga; A eficincia desejada; A durabilidade requerida; A garantia Operacional.

O projeto e o dimensionamento dessas turbinas devem conter: Estudo termodinmico da quantidade de energia que deseja-se produzir; Dimensionamento da turbina para a potncia desejada: esquema de velocidades, quantidade de palhetas por estgios, quantidade de estgios, materiais a serem empregados (temperaturas de trabalho); Dimensionamento dos demais elementos de construo.

Atualmente tem se utilizado a seguinte filosofia de seleo de turbina, para mquinas de pequena potncia utilizam-se ou turbinas De Laval ou turbinas Curtis, para turbinas de mdia e grande potncia vai depender do princpio de funcionamento predominante. Sendo de ao utilizamos uma turbina de Rateau ou uma Curtis-Rateau. Sendo de reao utilizamos uma turbina De Laval Parsons ou uma Curtis-Parsons.

INSTALAO

Instalao de Turbinas de Uso GeralA montagem de uma turbina de uso geral uma operao bastante simples, pois este tipo de turbina, alm de ser uma mquina de pequeno porte, normalmente recebida na obra j montada, juntamente com o equipamento acionado. Em linhas gerais devemos seguir as seguintes etapas: Construo da base de concreto, com a locao dos chumbadores; Montagem do conjunto turbina-equipamento acionado sobre a base de concreto; Nivelamento do conjunto; Verificao do alinhamento entre o eixo da turbina e o eixo do equipamento acionado; Verificao da posio dos flanges de admisso e descarga de vapor da turbina com relao s tubulaes; Aperto dos chumbadores da base; Enchimento com argamassa de cimento e areia, grouteamento, do espao vazio entre a base metlica e o bloco de concreto da base; Aperto dos parafusos dos flanges das linhas de vapor para a turbina; Verificao final do alinhamento entre a turbina e o equipamento acionado; Colocao de pinos guia entre a turbina e a base metlica e entre o equipamento acionado e a base metlica.

Instalao de Turbinas de Uso EspecialA montagem de turbinas de uso especial uma tarefa mais complexa e que exige cuidados maiores. A maioria delas so transportadas inteiras, no sendo abertas durante a sua instalao, porm algumas turbinas de porte muito grande so transportadas desmontadas, sendo sua montagem feita no local de instalao. Abaixo segue as etapas para a instalao de uma turbina de grande porte que foi transportada desmontada: Construo das Fundaes de Concreto; Montagem da base metlica sobre a fundao de concreto; Montagem da metade inferior da carcaa sobre a base metlica; Nivelamento da metade inferior da carcaa; Aperto dos chumbadores; Enchimento com argamassa de cimento e areia, grouteamento, do espao vazio entre a base metlica e a fundao de concreto; Limpeza cuidadosa da metade inferior da carcaa; Montagem da metade inferior dos respectivos encaixes na carcaa; Alinhamento dos centros dos mancais radiais com relao ao centro dos diafragmas; Montagem dos labirintos de selagem; Montagem do conjunto rotativo; Acionamento manual do conjunto rotativo para verificao de possveis interferncias; Retirada do conjunto rotativo para verificar arestas nos labirintos; Recolocao do conjunto rotativo; Medio das folgas radiais e axiais; Limpeza e montagem dos diafragmas e labirintos na tampa da carcaa; Montagem da tampa da carcaa; Acionamento manual do conjunto rotativo para verificao de possveis interferncias; Retirada da tampa da carcaa para verificar sinais de interferncias nos labirintos; Limpeza e inspeo da superfcie da junta horizontal da carcaa; Recolocao da tampa da carcaa; Aperto dos parafusos da carcaa; Alinhamento entre os eixos da turbina e do equipamento acionado; Aplicao de isolamento trmico da carcaa; Montagem dos sistemas auxiliares, instrumentos e tubulaes.

principais falhas em turbinas A partir da instalao e comissionamento da turbina, considerando que os testes de performance sero realizados regularmente em total concordncia com as instrues de operao e nenhuma irregularidade foi encontrada, devem ser realizadas periodicamente as inspees, as revises parciais e a reviso completa (Overhaul). O desgaste pode ser influenciado pela prpria mquina (materiais utilizados; fator de segurana de projeto e qualidade da fabricao), pelo processo (qualidade do vapor, temperatura de trabalho, umidade do vapor, partculas estranhas e procedimentos de parada e partida) e pelo modo de operao (carga parcial, sobrecarga e operao contnua ou intermitente).Os principais pontos de desgastes nas turbinas a vapor so os mancais, o palhetamento, as fitas de labirintos, a carcaa, o porta palhetas de baixa presso, segmentos injetores, vlvulas de controle e a vlvula de fecho rpido.

Figura 3.43 - Pontos de desgaste de uma turbina a vapor

Abaixo listaremos alguns problemas possveis por componente.Nos segmentos injetores so: Bordas de sada do vapor desgastadas devido a impacto de partculas slidas e Impacto por elementos slidos.

Figura 3.44 - Desgaste de Componentes

Nas palhetas e labirintos so: Corroso (pittings); Impactos por objetos ou partculas estranhas; Incrustaes; Aumento das folgas devido a desgaste; Eroso; Desgaste do material por eroso/corroso.

Nos mancais so: Desagregao de metal patente; Trincas e defeitos no metal patente: fabricao.

Nas palhetas so: Eroso e corroso devido qualidade do vapor; Eroso e corroso devido deficincia na operao; Danos mecnicos devido toques de partes fixas com mveis; Impactos por corpos estranhos.

MANUTENO E CONFIABILIDADE EM SISTEMAS

0. EVOLUO DA MANUTENOSiqueira (2005) descreve que, desde 1930, a evoluo da manuteno pode ser rastreada atravs de trs geraes (Figura 4.1)

Figura 4.1 - Evoluo dos sistemas de manutenoComo pode ser visto na Figura 4.1, a primeira gerao dos sistemas de manuteno caracteriza-se pelo uso da manuteno corretiva. No modelo de gesto adotado neste perodo, a preveno da falha de um equipamento no era uma prioridade, pois, nessa poca, de uma maneira geral, os sistemas produtivos eram relativamente simples e super-concebidos. Isso tornava esses sistemas produtivos confiveis e de fcil reparo. Como consequncia, no havia a prtica da manuteno sistemtica de qualquer espcie, somente a limpeza, a manuteno e as rotinas de lubrificao.Esse modelo de gesto da manuteno teve relativo sucesso at meados da II Guerra Mundial, a partir da qual as presses sobre o setor produtivo aumentaram devido s demandas por bens de todos os tipos; alm disso, a disponibilidade de mo de foi reduzida drasticamente. Tal cenrio levou ao aumento da mecanizao e, de forma geral, aumentou o grau de tributos tcnicos das mquinas empregadas nos processos de manufatura; dessa forma, eventuais reparos causados por falhas inesperadas j no eram triviais e despendiam de mais tempo. Assim, o tempo de inatividade tornou-se bastante significante, ao ponto de gerar uma ruptura com o modelo de gesto da manuteno anterior.Surgiu, nesse contexto, o que denominaremos de gerao 2. Nesse novo sistema de manuteno, passou a vigorar a ideia de que falhas em equipamentos poderiam e deveriam ser evitadas, o que se convencionou denominar como manuteno preventiva. Esse tipo de manuteno caracteriza-se, principalmente, pelas revises de equipamentos, realizadas em intervalos fixos. Com isso, constatou-se um considervel aumento no custo da manuteno em relao a outros custos operacionais.Desde meados dos anos setenta, o processo de mudana na indstria ganhou impulso ainda maior, pois o tempo de mquinas paradas afetava, cada vez mais, a capacidade produtiva, reduzindo a produo, aumentando os custos operacionais e interferindo na prestao de servio aos clientes. Na produo, os efeitos da paralisao eram agravados pelo movimento mundial no sentido de sistemas Just-In-Time (JIT filosofia japonesa que combate aos desperdcios, onde uma das prticas a reduo dos estoques), o que impulsionou a filosofia da Manuteno Produtiva Total.De acordo com Siqueira (2005), com o surgimento do Boeing 747, aeronave que foi um marco tanto em nveis de automao, quanto em relao ao nmero de passageiros transportados, com a triplicao do nmero de assentos, o modelo de certificao at ento aplicado pela FAA (Federal Aviaton Authority) nos Estados Unidos, mostrou-se pouco adequado, surgindo, assim, a necessidade de se desenvolver novas metodologias capazes de reduzir a probabilidade de ocorrncia de uma falha significativa. Isso motivou a criao de uma Fora-Tarefa na United Airlines, em 1968, conhecida pela sigla de MSG-1 (Maintenance Steering Group), encarregada de rever a aplicabilidade dos mtodos existentes a essas aeronaves. O relatrio dessa comisso introduziu os conceitos de Manuteno Centrada na Confiabilidade (RCM), atendendo a solicitao do Departamento de Defesa americano.Desde o seu surgimento, a RCM vem se confirmando como uma das mais importantes tecnologias contemporneas de manuteno; sua aplicao foi expandida para vrios ramos de atividade humana, onde haja necessidade de manter o funcionamento dos diversos tipos de equipamentos e processos (SIQUEIRA, 2005). A sua contribuio, dentro de um sistema produtivo, evidenciada por uma maior disponibilidade da planta industrial ao menor custo, isto , quanto maior esta disponibilidade, menor a demanda de servios e, consequentemente, a reduo de custos, favorecendo o crescimento da produtividade (PINTO, 1999).Segundo esses mesmos autores, para que esse acrscimo da produtividade seja atingido, os principais desafios enfrentados pelos gerentes de manuteno so: Selecionar as tcnicas mais adequadas para lidar com cada tipo de falha no processo, a fim de cumprir todas as expectativas dos proprietrios de ativos, das pessoas que utilizam do patrimnio e da sociedade como um todo; Contar / estimular o apoio ativo e a cooperao de todas as pessoas envolvidas no processo produtivo.

No processo de tomada de deciso, de uma maneira geral, o profissional da manuteno necessita de coletar e de organizar as informaes acerca de todo um sistema de trabalho (PIAZZA 2000). Sob a tica da RCM, a aquisio e organizao das informaes obtidas devem ser sistematizadas segundo algumas das definies que faremos a seguir.

CONFIABILIDADE, DISPONIBILIDADE e MANUTENABILIDADE

Conceitos bsicos Antes ainda de darmos continuidade ao assunto necessrio ter-se em mente os seguintes conceitos bsicos: Item: Termo geral que designa qualquer parte, subsistema, sistema ou equipamento que possa ser considerado individualmente e ensaiado separadamente. Componente: um item que pode falhar apenas uma vez, um sistema reparvel pode ser reparado pela substituio dos componentes falhos. Falha: Perda de funo. Funo: Toda e qualquer atividade que o item desempenha, sob o ponto de vista operacional. Falha funcional: Incapacidade de qualquer item atingir o padro de desempenho esperado. Causa da falha: Circunstncia que induz ou ativa um mecanismo de falha. Modo de falha: Conjunto de efeitos pelos quais uma falha observada. Vida til: Intervalo de tempo durante o qual um item desempenha sua funo com a taxa de falha especfica, ou at a ocorrncia de uma falha no reparvel. Taxa de falhas (): Frequncia com que as falhas ocorrem, num certo intervalo de tempo, medida pelo nmero de falhas para cada nmero de operaes do sistema ou componente. Tempo Mdio Entre Falhas (TMEF): Do ingls Mean Time Between Failure (MTBF) que representa o inverso da taxa de falhas quando a mesma constante. O Tempo Mdio Entre Falhas definido pela equao:

( 6 )Confiabilidade a probabilidade de que um item ir sobreviver a um determinado perodo de funcionamento, nos termos especificados de condies de funcionamento, sem falhas. A probabilidade condicional de falha mede a probabilidade de que um determinado item ao entrar numa determinada idade ou intervalo ir falhar durante esse perodo. Se a probabilidade condicional de falha aumenta com a idade, o item mostra caractersticas de desgaste. A probabilidade condicional de falha reflete o efeito negativo global da idade sobre a confiabilidade. manuteno interessa a probabilidade de que o item sobreviva a um dado intervalo (de tempo, ciclo, distncia, etc.). Esta probabilidade de sobrevivncia denominada de confiabilidade. (SIQUEIRA, 2005)O conceito de disponibilidade utilizado para apurar o tempo que os equipamentos ficam disposio para atuarem de forma produtiva. O tempo disponvel do equipamento simplesmente o tempo que o equipamento est operando somado ao tempo de standby. O tempo de indisponibilidade o tempo que o equipamento permanece sob interveno de reparo ou aguardando a equipe de manuteno.A ReliaSoft Brasil (2006) afirma que os usurios querem produtos que estejam prontos para o uso quando estes necessitam deles. Isto vai ao encontro da disponibilidade, ou seja, a aptido de um item no desempenho de sua funo designada quando requerido para uso. A disponibilidade de um produto depende do nmero de falhas que ocorrem (confiabilidade), de quanto tempo se leva para sanar essas falhas (manutenabilidade) e da quantidade de apoio logstico reservado para a manuteno.Enquanto a confiabilidade tenta reduzir a frequncia ou severidade de falhas em sistemas, a manutenabilidade concentra-se em diminuir o tempo da durao de falhas em um sistema e reestabelecer o funcionamento no menor tempo possvel. A Manuntenibilidade tambm considerada uma caracterstica de projeto e instalao de um item, que expresso pela probabilidade de que o tempo de manuteno no ultrapassar um determinado valor, quando o item operado e mantido por pessoas e procedimentos prescritos. A manutenibilidade tem por finalidade indicar em que tempo mdio a equipe de manuteno ter sucesso no reparo. um indicativo de performance, porm no isolado O tempo mdio para reparo (MTTR) dado por (LEWIS, 1994).

( 7 )Os fatores aleatrios devem ser considerados na determinao do MTTR e da m(t) incluem desde a capacidade para diagnosticar a causa da falha at a disponibilidade de equipamento e pessoal habilitado para os procedimentos de reparo. Tempos mdios entre falhas (MTBF) para itens reparveis e tempos mdios at o reparo (MTTR) so medidas referenciais para a gesto da manuteno. Podem ser obtidas para um dado intervalo de tempo e em condies especficas de operao, mas a extrapolao requer distribuies de probabilidades. Dado que se tenha um conjunto finito de tempos at a falha e at o reparo, o MTBF (Mean Time Between Failure) e o MTTR (Mean Time To Repair) so, respectivamente, as mdias aritmticas destes tempos. O MTBF similar ao MTTF (Mean Time To Failure), aplicvel a componentes no reparveis, cuja vida termina na primeira falha. O MTBF representado matematicamente pelas equaes 8 e 9 (Lafraia, 2001), nas quais TBF indica o tempo entre falhas, TTR indica o tempo para reparo e N o nmero de ciclos.

( 8 )

( 9 )Estas expresses valem para um conjunto finito de observaes. Caso se deseje extrapolar ao tempo da amostra, necessrio determinar a distribuio de mxima verossimilhana que descreve o fenmeno e aplicar a equao (7), que gera expresses para o valor esperado, obtendo uma estimativa mais acurada para MTBF e MTTR. Neste artigo, foi usado software que usa os modelos cannicos das distribuies. Segundo a NBR-5462 (1994), a disponibilidade a capacidade de um item estar em condies de executar uma certa funo em um dado instante ou durante um intervalo de tempo determinado, levando-se em conta os aspectos combinados de sua confiabilidade, manutenibilidade e suporte de manuteno, supondo que os recursos externos requeridos estejam assegurados. Dado que se tenham o MTBF e o MTTR, possvel calcular a disponibilidade de um equipamento por (10). A disponibilidade indica a probabilidade de que o equipamento esteja disponvel para a produo.

( 10 )

Anlise da ConfiabilidadeA confiabilidade descrita com o emprego de funes. Quatro funes apoiam a anlise da confiabilidade: Funo confiabilidade R(t), Funo probabilidade de falha F(t), Funo densidade de probabilidade de falha f(t), Funo taxa de falha h(t).

Dado um conjunto de condies operacionais, a funo confiabilidade R(t) de um componente ou sistema a probabilidade que o sistema no venha a falhar (sobreviva) at o tempo t. A funo probabilidade de falha F(t) o complemento de R(t). A funo densidade de probabilidade fdp ou pdf (probability density function) a probabili