Princípio de Funcionamento da Turbina a Vapor

No interior da turbina, o vapor é distribuído em bocais formados por estágios axiais axiais sucessivos de palhetas radiais, cuja disposição é alternada entre fixadas ao corpo (carcaça) da turbina, e palhetas móveis, presas ao eixo (ver

Fotografia 1).

As turbinas a vapor podem ser classificadas segundo diferentes critérios. Quanto à finalidade, podem ser (LORA; NASCIMENTO, 2004):

 Para geração de energia elétrica: utilizadas para acionar um gerador elétrico. Geralmente, operam com velocidade síncrona (1800 ou 3600 rpm) devido à interligação a sistemas elétricos, e com potências na faixa de 16 a 1.300 MW;

 Para acionamento mecânico: utilizadas para acionamento de equipamentos mecânicos, tais como, ventiladores, bombas, compressores, propulsão de navios e outros grandes equipamentos girantes. Normalmente, operam com velocidades de 900 a 10.000 rpm e potências na faixa de 500 kW a 10 MW.

Com relação ao princípio de funcionamento, as turbinas a vapor podem ser classificadas em dois tipos fundamentais:

 Turbinas de ação (ou impulso): possuem bocais fixos (também chamados de diafragmas distribuidores fixos) que guiam a vazão de vapor para a formação de jatos de alta velocidade que incidem sobre as palhetas do rotor (pás angulares rotativas fixadas radialmente no rotor da turbina), convertendo a energia cinética em trabalho mecânico. Apenas nos bocais fixos ocorre queda de pressão, enquanto que nas palhetas do rotor o vapor atravessa à pressão constante, atuando sobre elas unicamente em virtude de sua velocidade (ver Figura 3Erro! Autoreferência de

indicador não válida. – lado esquerdo).

 Turbinas de reação: neste tipo de turbina as palhetas do rotor são construídas na forma de bocais convergentes. Desta maneira, utilizam, ao mesmo tempo, a pressão do vapor e a sua expansão nas palhetas do rotor. Parte da expansão do vapor ocorre nas palhetas fixas do estator e outra parte nas palhetas móveis, provocando uma queda de pressão gradativa em relação ao percurso do vapor nas palhetas fixas e móveis, com um aumento e uma redução da velocidade do vapor na mesma proporção (ver Figura 3Erro! Autoreferência de indicador não válida. – lado direito).

Figura 3 - Tipos fundamentais de turbinas a vapor: ação (esquerda) e reação (direita).

Fonte: (LORA; NASCIMENTO, 2004).

Define-se estágio expansão de uma turbina como grupo em linha radial de bocais distribuidores fixos seguidos de um conjunto rotativo radial de palhetas móveis, tendo o primeiro a função de converter a energia cinética do vapor em trabalho mecânico, enquanto que o segundo tem a função de redirecionar o fluxo de vapor e converter parte da energia térmica do fluxo que escoa em energia cinética, aumentando a velocidade do fluxo para a palheta móvel seguinte (LORA; NASCIMENTO, 2004).

As turbinas também podem ser classificadas quanto à descarga de vapor. De acordo com esta classificação, destacam-se os seguintes tipos:

 Turbina de contrapressão de fluxo direto;

 Turbinas de contrapressão com sangria ou extração(ões) controlada(s);  Turbina de condensação de fluxo direto;

 Turbina de condensação com extrações;  Turbina de condensação com reaquecimento.

O termo “contrapressão” é utilizado para indicar que o vapor na saída da turbina está a uma pressão igual ou superior à atmosférica, que é uma condição necessária para atender às demandas de vapor em temperaturas superiores a 100ºC. As turbinas de contrapressão, geralmente, são instaladas em indústrias onde há necessidade de vapor nos processos de fabricação (LORA; NASCIMENTO, 2004).

As turbinas de condensação descarregam vapor para um condensador a uma pressão menor que a pressão atmosférica, a fim de aumentar a eficiência térmica do ciclo Rankine, mediante ao aumento máximo da queda de entalpia.

As turbinas a vapor se diferenciam também conforme a direção do fluxo no interior da turbina. Desta maneira, podem-se ter os seguintes tipos:

 Turbina de fluxo axial: o escoamento do vapor através das palhetas é paralelo ao eixo da turbina;

 Turbina de fluxo radial: o escoamento do vapor através das palhetas ocorre na direção radial ao eixo, podendo ser radial centrifuga, quando o vapor passa do centro para a periferia, ou radial centrípeta, quando o vapor escoa da periferia para o centro.

A maioria das turbinas modernas é de fluxo axial, sendo que as mesmas podem ser encontradas em três configurações distintas:

 Fluxo simples: quando o fluxo de vapor principal escoa no mesmo sentido desde a sua entrada até a sua saída, no último estágio;

 Fluxo duplo: quando o fluxo principal é admitido no centro do eixo e é dividido em dois sentidos axiais opostos com relação ao rotor. Esse tipo de arranjo é aplicado para as seguintes finalidades: redução dos esforços axiais à zero (esforços causados pelas forças do fluxo de vapor nas palhetas móveis) e redução do tamanho das palhetas dos últimos estágios;

 Fluxo reverso: apresentam duas carcaças, sendo uma interna e outra externa, onde o fluxo de vapor flui em um sentido através de em um grupo de estágios, sendo então conduzido externamente para um segundo grupo de estágios em sentido axialmente oposto. As principais vantagens na utilização deste tipo de turbina são a redução dos esforços axiais,

melhoria do resfriamento da carcaça interna e possibilidade de partidas mais rápidas.

A Figura 4 mostra a simbologia típica utilizada para a representação das turbinas comentadas acima.

Figura 4 - Representação simbólica de turbinas

Fonte: (MANUAL DE CURSO INTERNO DA AMT, 2013).

A

Tabela 1 traz as principais características das turbinas da CTE da AMT, nas quais estão instalados os atuadores alvos deste trabalho. Todas as quatro turbinas são de mesma concepção e grandeza: do tipo por condensação de vapor com extrações, de impulso axial horizontal simples, com eixo único com múltiplos estágios (alguns de ação e outros de reação).

Tabela 1 - Principais dados técnicos das Turbinas da CTE da AMT

Fonte: (Manuais e dados de placa dos equipamentos da AMT).

As diferenças entre as mesmas se dão somente devido a pequenos aspectos relacionados à potência, número de extrações e estágios de expansão, abaixo descritas.

# Turbina Pot. Nom. (MW) Vaz. Nom. Vapor Entr. (t/h) Pres. Nom. Vapor Entr. (Kgf/cm2 g) Temp. Nom. Vapor Entr. (°C) Pres. Nom. Exaustão (mmHg) Rotação (rpm) # extrações # estágios 1 66 250 85 510 -710 3600 4 12 2 66 250 85 510 -710 3600 4 12 3 75 251 99 540 -710 3600 5 14 4 75 251 99 540 -710 3600 5 14