APOSTILA DE TURBINAS APOSTILA DE TURBINAS © SENAI - SP - 2005 © SENAI - SP - 2005
Trabalho editorado pela Escola SENAI "Hessel Horácio Cherkassky" do Departamento Regional de São Trabalho editorado pela Escola SENAI "Hessel Horácio Cherkassky" do Departamento Regional de São Paulo
Paulo
Coordenação
Coordenação Geral
Geral
Adauir
Adauir Rodrigues
Rodrigues Castro
Castro
Coordenação
Coordenação
Márcio
Márcio Antônio
Antônio Barbosa
Barbosa
Maristela
Maristela de
de Sá
Sá
Elaboração
Elaboração Carlos Carlos Ribeiro Ribeiro Pinheiro Pinheiro da da SilvaSilva
Revisão
APOSTILA DE TURBINAS APOSTILA DE TURBINAS © SENAI - SP - 2005 © SENAI - SP - 2005
Trabalho editorado pela Escola SENAI "Hessel Horácio Cherkassky" do Departamento Regional de São Trabalho editorado pela Escola SENAI "Hessel Horácio Cherkassky" do Departamento Regional de São Paulo
Paulo
Coordenação
Coordenação Geral
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Adauir
Adauir Rodrigues
Rodrigues Castro
Castro
Coordenação
Coordenação
Márcio
Márcio Antônio
Antônio Barbosa
Barbosa
Maristela
Maristela de
de Sá
Sá
Elaboração
Elaboração Carlos Carlos Ribeiro Ribeiro Pinheiro Pinheiro da da SilvaSilva
Revisão
SUMÁRIO
SUMÁRIO
1 TURBINAS...
1 TURBINAS...11 1.1
1.1 FINALFINALIDADIDADES:...ES:...1...1 2
2 TURBINAS TURBINAS HIDRÁULICAS...1HIDRÁULICAS...1 2.1
2.1 TurbTurbina ina PeltoPelton:...n:...1....1 2.2
2.2 TurbTurbina ina FrancFrancis:...is:...2....2 2.3
2.3 TurbTurbina ina KaplaKaplan:...n:...33 3
3 TURBINA TURBINA A A GÁS...GÁS... 44 4
4 TURBINA TURBINA EÓLICA EÓLICA ...66 5
5 TURBINA TURBINA A A VAPOR...VAPOR...77 5.1
5.1 TIPOTIPOS:S: ...7....7 5.1.
5.1.11 Uso Uso gergeral:al: ...8....8 5.1.
5.1.22 EspeEspeciaisciais:: ...8...8 5.2
5.2 CARACCARACTERÍSTERÍSTICASTICAS: : ...8...8 5.3
5.3 FUNCFUNCIONAMIONAMENTO:...ENTO:...88 5.4
5.4 APROVAPROVEITAEITAMENTMENTO O DA DA ENERGIENERGIA CINÉTA CINÉTICA:...ICA:...10...10 5.5
5.5 CLASSCLASSIFICAIFICAÇÃO ÇÃO QUANTQUANTO O AO AO FUNCIFUNCIONAMEONAMENTO:...NTO:...10...10 5.5.
5.5.11 TurbTurbina ina de de ReaçReação;ão;...11....11 5.5.
5.5.22 TurbTurbina de Aina de Ação ou ção ou ImpuImpulsãolsão:...:...1111 5.5.
5.5.33 TurbTurbina ina Mista Mista (de (de ReaçReação ão e e ImpuImpulsãolsão);); ...12...12 5.6
5.6 APROVAPROVEITAEITAMENTMENTO O DA DA ENERGENERGIA CINÉIA CINÉTICA:...TICA:...1313 5.7
5.7 CONSICONSIDERAÇDERAÇÕES ÕES TERMTERMODINÂMODINÂMICAS ICAS SOBRSOBRE E VAPOVAPORR...1414 5.8
5.8 PERDAPERDAS S DA EFICDA EFICIÊNCIA DIÊNCIA DA A TURBTURBINA...INA...15...15 5.9
5.9 TurbTurbina ina de de Ação...Ação...17....17 5.10
5.10 CarcaçCarcaçaa ... 1717 5.11
5.11 CONJUCONJUNTO NTO ROTAROTATIVOTIVO ...1818 5.12
5.12 DIAFRDIAFRAGMAAGMA ...2020 5.13
5.13 MANCAISMANCAIS ...2020 5.1
5.13.13.1 MaMancancais is de de DesDeslizlizamamenentoto ... 2121 5.1
5.13.23.2 RolRolamamenentostos ...22..22 5.13
5.13.2.1.2.1 RolaRolamenmentos tos de de esfeesfera...ra... 2222 5.13
5.13.2.2.2.2 RolaRolamentmentos os de de rolorolos s cilíncilíndricdricos...os... 2323 5.13
5.13.2.3.2.3 RolaRolamentmento o de de rolorolos s de de trontronco co cônicônicoco ...2323 5.13
5.13.2.4.2.4 RolaRolamentmentos os de de AgulAgulhas...has... 2323 5.13
5.13.2.5.2.5 RolaRolamenmento to autoautocompcompensaensadordores es tipo tipo esfeesferara...24....24 5.13
5.13.2.6.2.6 RolaRolamentmentos os autoautocompecompesadosadores res de de roloroloss ...24...24 5.13
5.13.2.7.2.7 RolaRolamentmentos os axiaaxiais is de de esfeesferas ras e e rolorolos cs cônicônicos....os...2424 5.14
5.14 VEDAVEDAÇÃOÇÃO ... 2424 5.14
5.14.1.1 LabiLabirinrintos...tos...2525 5.1
5.14.24.2 AnéAnéis is de de CarCarvão..vão...26..26 5.15
5.15 VÁLVUVÁLVULA DLA DE AE ADMISSDMISSÃO DÃO DE VE VAPOR: APOR: ...27...27 5.1
5.15.15.1 VálVálvulvulas as de de AdmAdmississão ão MúMúltiltiplaplas...s...2727 5.16
5.16 CONTRCONTROLE OLE E E DISPODISPOSITIVSITIVOS OS DE DE SEGUSEGURANÇA.RANÇA...28....28 5.1
5.16.16.1 GoGoververnanadodor r da da TurTurbinbinaa ...28..28 5.1
5.16.26.2 VarVariadiador or de de VelVelociocidadade....de...3131 5.1
5.16.36.3 DesDesararme me por Alta por Alta velvelociocidadadede...31..31 5.1
5.16.46.4 LuLubribrificficaçãação:o:...3333 5.16
5.16.4.1.4.1 LubrLubrificaificação ção das das TurbTurbinas inas peqpequenauenas:...s:...33....33 5.16
5.16.4.2.4.2 LubrLubrificaificação ção das das turbturbinas inas gragrandendes s ::...34...34 5.16
5.16.4.3.4.3 DesaDesarme rme por por baixbaixa a prepressão ssão no no óleoóleo::...3535 5.1
5.16.56.5 OuOutrotros s DisDispospositiitivos de vos de SegSegururanança....ça...36..36 5.17
5.17 TurbTurbina de extração...ina de extração...3636 5.18
5.18 OPERAOPERAÇÃOÇÃO ...38...38 5.1
5.18.18.1 OpOperaeração de Peqção de Pequeuenanas Turbs Turbinainass ...3939 5.1
5.18.28.2 OpOperaeração ção de de GraGrandndes es TurTurbinbinas..as...40..40 5.19
5.22
5.22 PRECAPRECAUÇÕES UÇÕES OPERAOPERACIONACIONAIS:IS: ... 4242 5.23
5.23 ANÁLIANÁLISE DE DEFSE DE DEFEITOEITOS:...S:... 4343 5.2
5.23.13.1 FalFalta ta de de PotPotênênciacia... 4343 5.2
5.23.23.2 ConConsumsumo Exceso Excessivsivo de o de VapVapor...or... 4343 5.2
5.23.33.3 VibVibraração...ção... 4444 5.2
5.23.43.4 VaVazamzamenento Exceto Excessissivo no vo no EngEngaxeaxetamtamentento do o do EixEixoo ... 4545 5.2
5.23.53.5 AquAqueciecimemento e Desnto e Desgagaste doste dos s MaMancancaisis ... 4545 5.2
5.23.63.6 ConConjunjunto Roto Rotattativo nivo não Pão Permermaneanece Alce Alininhahado....do... 4646 5.2
5.23.73.7 AumAumenento Eto Excexcessissivo dvo da Vea Veloclocidaidade de com com PerPerda da de de .Ca.Cargrgaa ... 4747 5.2
5.23.83.8 OscOscilailação de ção de VeVeloclocidaidadede ... 4747 5.2
5.23.93.9 ResResposposta ta LeLenta....nta... 4747 5.23
5.23.10.10 VálvuVálvula la de de EmerEmergêngênciacia... 4747 5.23
5.23.11.11 VálvuVálvula la de de EmerEmergêngênciacia... 4848 6
6 EJETORES...EJETORES... 4949 6.1
6.1 FuncFuncionamionamento ento / / DescriDescrição...ção... 5050 6.1.
6.1.11 BocaBocal:...l:... 5151 6.1.
6.1.22 Zona Zona de de mistmisturaura:: ... 5151 6.1.
6.1.33 DifuDifusor:sor: ... 5151 6.2
6.2 TipoTipos s / / InstalInstalação ação / / OperaOperação...ção... 5151 6.2.
6.2.11 EjetoEjetores res a a VapoVapor:...r:... 5151 6.2.
6.2.22 EjetoEjetores res a a LíquLíquido:ido: ... 5252 6.3
6.3 INSTINSTALAÇÃALAÇÃO:O: ... 5252 6.4
6.4 OPERAOPERAÇÃO:...ÇÃO:... 5252 7
1 TURBINAS
1 TURBINAS
1.1 FINALIDADES:
1.1 FINALIDADES:
Máquina motriz destinada a transformar em energia mecânica a energia
Máquina motriz destinada a transformar em energia mecânica a energia
cinética de um fluido em movimento. O movimento do fluido através da
cinética de um fluido em movimento. O movimento do fluido através da
turbina é sempre causado por diferencial de pressão entre pontos situados
turbina é sempre causado por diferencial de pressão entre pontos situados
antes e depois da turbina. As turbinas possuem essencialmente dois órgãos
antes e depois da turbina. As turbinas possuem essencialmente dois órgãos
principais:
principais:
•• Um fixo, chamUm fixo, chamado estator, ado estator, no qual no qual existem existem os dispositos dispositivos ivos que permitem que permitem aoao fluido adquirir energia cinética à custa de perda de pressão (teorema de fluido adquirir energia cinética à custa de perda de pressão (teorema de Bernouilli)
Bernouilli)
•• E um móvel, E um móvel, chamado chamado rotor, desrotor, destinado a tinado a transformar transformar em mem movimento rotatovimento rotativoivo
(energia mecânica) a energia cinética do fluido. (energia mecânica) a energia cinética do fluido. Os órgãos auxiliares são:
Os órgãos auxiliares são:
•• Os Os reguladores reguladores de de velocidade;velocidade;
•• Os Os componentes componentes do do sistema sistema de de lubrificação;lubrificação;
•• Os Os engaxetamentos engaxetamentos e e selagem.selagem.
Quando toda a transformação da energia de pressão em energia cinética é feita Quando toda a transformação da energia de pressão em energia cinética é feita
nos órgãos fixos, as turbinas são ditas de ação; quando parte da transformação é nos órgãos fixos, as turbinas são ditas de ação; quando parte da transformação é também feita por órgãos móveis, as turbinas são denominadas de reação.
também feita por órgãos móveis, as turbinas são denominadas de reação. Dependendo do fluido empregado, as turbinas são classificadas em:
Dependendo do fluido empregado, as turbinas são classificadas em:
•• Hidráulicas; Hidráulicas;
•• A A gás;gás;
•• Aerodinâmicas; Aerodinâmicas;
•• Eólicas Eólicas (vento)(vento) •• A A vapor.vapor.
2
2 TURBINAS
TURBINAS HIDRÁULICAS
HIDRÁULICAS
As turbinas hidráulicas, surgiram na Franç
As turbinas hidráulicas, surgiram na França em 1824, com Claude Burdin, e forama em 1824, com Claude Burdin, e foram aperfeiçoadas com o correr dos tempos, e
aperfeiçoadas com o correr dos tempos, e com esses melhoramentos ecom esses melhoramentos e modificações, hoje em dia essas máquinas po
modificações, hoje em dia essas máquinas podem atingir rendimentos superioresdem atingir rendimentos superiores a 90%. Basicamente elas são divididas em três tipos principais:
a 90%. Basicamente elas são divididas em três tipos principais:
2.1
2.1
TURBINA
TURBINA PELTON
PELTON
::
Neste tipo, a água age exclusivamente por sua energia cinética. Ela passa através Neste tipo, a água age exclusivamente por sua energia cinética. Ela passa através de um ejetor e é dirigida sobre as palhetas do rotor. O controle da potência
de um ejetor e é dirigida sobre as palhetas do rotor. O controle da potência fornecida pela turbina é feito através de uma agulha existente no ejetor, e que fornecida pela turbina é feito através de uma agulha existente no ejetor, e que
permite regular, dentro de certos limites, a quantidade de água. A velocidade com que a água sai do ejetor é aproximadamente constante, pois só depende da altura da queda. Por essa razão, tais turbinas são apenas aplicáveis onde às quedas d'água apresentam alturas consideráveis, capazes de provocar grandes
velocidades na saída do ejetor.
2.2
TURBINA FRANCIS:
Neste tipo, a água, após convenientemente orientada nas palhetas diretoras do estator, penetra no rotor agindo tanto por seu peso como por sua velocidade. Esta
3
turbina, com projeto adequado das palhetas no rotor, pode ser usada numa faixa muito ampla de valores da descarga e de altura.
2.3
TURBINA KAPLAN:
Em princípio parecidas com as turbinas Francis de alta velocidade específica, este tipo de turbina, cujo rotor se assemelha a uma hélice de navio, é sobretudo usado
nas grandes vazões e pequenas quedas. Diferentemente dos tipos anteriores, no controle das turbinas Kaplan altera-se o passo das palhetas do rotor.
Os tipos de turbinas hidráulicas anteriormente descritos são principalmente usados nas centrais hidráulicas, onde se constrói uma barragem no leito do rio, formando o que se denomina reservatório ou lago. A diferença de altura entre o reservatório e o rio a jusante da barragem fornece a pressão necessária para o escoamento da água. Ao entrar na turbina, a água, já perdeu quase toda a energia de pressão e possui apenas energia cinética (menos no caso de certas turbinas Francis e sobretudo das turbinas Kaplan, essencialmente de reação, nas quais a água age principalmente por seu peso). Ao sair da turbina, possui apenas a energia necessária para o escoamento até o rio. Nestas centrais hidráulicas, as turbinas, geralmente de eixo vertical, acionam geradores de energia elétrica diretamente acoplados. A energia elétrica gerada, que nas grandes usinas atingem centenas de milhares de quilowatts, é então transmitida a grandes distâncias.
3 TURBINA A GÁS
Conquanto também não seja novo o princípio de funcionamento das turbinas a gás, sua aplicação prática é bastante recente. Nelas, o ar atmosférico é
comprimido por um compressor rotativo (axial ou centrífugo) e em seguida conduzido às câmaras de combustão nas quais é queimado o combustível injetado. Com o aumento de temperatura, os gases resultantes, consistindo em parte do ar inicialmente comprimido misturado aos produtos da combustão,
aumentam de volume. Usando-se a diferença de pressão existente entre a câmara de combustão e a atmosfera, provoca-se a expansão destes gases nos
expansores, com o conseqüente aumento da velocidade.
Estes gases em alta velocidade são então dirigidos para as palhetas do rotor,
havendo uma composição de vetores semelhante à uma turbina a vapor. Este rotor com as palhetas móveis, ou turbina, propriamente dita, está quase sempre fixado sobre o mesmo eixo do compressor. Se assim é, entende-se que uma máquina construída segundo este princípio só poderá funcionar se a potência desenvolvida pela turbina for superior à potência absorvida pelo compressor. Na primeira
máquina construída isto não se verificou pois os rendimentos do compressor e da turbina eram ainda muito baixos. Estiveram então as turbinas a gás relegadas ao abandono, até que os conhecimentos adquiridos em aerodinâmica permitiram atingir os rendimentos mínimos necessários para a obtenção de potência útil.
Embora sejam, basicamente, máquinas de construção muito simples, há um sério problema. a enfrentar: a eficiência global é proporcional à temperatura absoluta dos gases na entrada do rotor, isto é, quanto mais alta esta temperatura maior a eficiência do conjunto. Entretanto, restrições metalúrgicas impedem que tais temperaturas ultrapassem a faixa de 800°C a 1.200°C, dependendo do material das palhetas, embora este seja, sempre, uma liga de altíssima resistência. Estas restrições têm origem no fenômeno do “creep” , isto é, a elongação lenta porém permanente do material quando submetido a tensões de tração a temperaturas elevadas.
Por outro lado, as temperaturas nas câmaras de combustão atingem facilmente de 1.800°C a 2.200°C, e o processo usado para resfriar estes gases consiste em introduzir um grande excesso de ar. Isto faz com que os gases que passam pelas palhetas contenham bastante oxigênio, obrigando, por isso, ao uso de ligas
inoxidáveis no rotor. Este problema já foi, em parte, resolvido, mas ainda assim as turbinas a gás são os motores de combustão interna de menor eficiência. Esta eficiência pode, em verdade, ser aumentada à custa de algumas sofisticações no projeto, como colocação de resfriadores intermediários entre os vários estágios de
compressão e preaquecimento do ar da câmara, à custa dos gases de escape. Tais soluções, por outro lado, encarecem sobretudo a construção.
Graças, no entanto, a algumas características especiais como a grande
simplicidade mecânica; a ausência de peças submetidas a movimento alternativo, proporcionando deste modo um funcionamento isenta de vibrações; a capacidade de operar com urna gama muito ampla de espécies de combustíveis; a grande relação entre a potência produzida e o peso e o volume ocupado; e a grande facilidade de partida, as turbinas a gás impuseram-se nos mais variados campos de aplicação.
Em aeronáutica, por exemplo, estão substituindo totalmente os motores
convencionais, seja na propulsão a jato ou nos turbo-hélices (no primeiro caso, o rotor produz apenas a energia necessária para o compressor, sendo o restante da energia aproveitada para a obtenção de empuxo; no segundo caso, é o próprio rotor que através de um sistema redutor de velocidade angular, movimenta a hélice). Outras aplicações das turbinas a gás são o acionamento de sopradores para alto-forno de siderurgia, compressores para gasodutos, bombas e geradores de energia elétrica. Neste último emprego, as turbinas a gás apresentam a grande vantagem de serem as únicas máquinas motrizes de centrais elétricas que
dispensam totalmente o uso de água.
4 TURBINA EÓLICA
A energia dos ventos vem sendo considerada uma alternativa interessante para a crise de energia de origem térmica.
5 TURBINA A VAPOR
Embora a idéia do aproveitamento da energia do vapor remontasse a 130 a.C., com Heron, somente em 1883 o engenheiro sueco Carl G. P. de Laval
desenvolveu a primeira turbina a vapor de aplicação prática, empregada no acionamento de uma batedeira centrífuga para leite, produzindo a potência de 5 c.v. Nas turbinas a vapor, utiliza-se a diferença de pressão entre o gerador de vapor (caldeira) e a atmosfera, ou, no caso das instalações maiores, entre a caldeira e o condensador barométrico.
Portanto a turbina a vapor é uma máquina térmica que transforma a energia interna do vapor em trabalho mecânico rotativo de um eixo. Nas turbinas a vapor, como em qualquer outra máquina térmica, somente parte da energia do vapor é transformada em trabalho; a parte restante permanece inerente ao vapor
descarregado pela máquina. A transformação de energia em trabalho é feita em duas etapas.
• Na primeira etapa a energia interna do vapor é convertida em energia cinética.
• Na segunda etapa, a energia de velocidade é transformada em trabalho mecânico.
5.1
TIPOS:
Nas indústrias são empregados dois tipos de turbinas: as de uso geral e as
especiais.
5.1.1 Uso geral:
Para acionamento de bombas, batedeiras centrífugas e ventiladores. Normalmente são pequenas e compactas, com potência inferior a 1000HP, são produzidas em série, em que se visa principalmente um baixo custo, mesmo com sacrifício da eficiência da máquina e sua descarga na grande maioria das vezes se dá para a atmosfera.
5.1.2 Especiais:
São máquinas de grande porte, bastante sofisticadas, com potência
superior a 1000HP. São fabricadas especialmente para cada aplicação, e a
eficiência tem fundamental importância e a descarga do vapor exausto se
dá para um condensador barométrico.
5.2
CARACTERÍSTICAS:
As turbinas a vapor apresentam as seguintes características: a- Máquinas puramente rotativas;
b- Possibilidade de variação de velocidade; c- Ausência de lubrificação interna;
d- Facilidade de operação e controle; e- Grande confiabilidade operacional; f- Não produzem faíscas;
g- Suportam campanhas operacionais longas; h- Manutenção simples e econômica;
i- Vida útil bastante longa.
5.3
FUNCIONAMENTO:
As turbinas a vapor funcionam, do seguinte modo: Primeiro lugar :,
Há necessidade de possuirmos vapor d’água (vindo de uma caldeira ou gerador de vapor) com uma certa temperatura de preferência o vapor deverá ser seco ou, por outras palavras, não conterá umidade (que é prejudicial ao funcionamento da turbina). Este vapor é chamado vapor vivo ou superaquecido. Para cada nível de pressão há tratamentos diferenciados da água de caldeira. Segundo lugar
Devemos entender que o vapor sob pressão e com alta temperatura possui alta energia -energia potencial. A energia potencial é aquela que se encontra
disponível, “represada”, aguardando apenas a abertura de uma válvula ou comporta para que ela se torne efetivamente utilizável.
Terceiro lugar
Vem finalmente a nossa turbina. Ela possui logo na entrada, uma válvula de
controle que se abre na medida exata para permitir a passagem da quantidade de vapor vivo, necessária para o uso na turbina, nas condições de operação em que ela se encontra (válvula governador ). Logo depois, o vapor chega a uma câmara, onde existe uma série de perfis especiais, chamados bocais, ou também
expansores.
Quando o vapor passa por esses orifícios bocais ou expansores, presa à parte fixa da turbina; esta transformação é feita à custa da evolução do vapor de uma
pressão alta para uma pressão mais baixa: esta evolução é chamada de salto entálpico do vapor, sendo que a velocidade com que ele sai dos expansores é proporcional à raiz quadrada deste salto. O vapor em alta velocidade é dirigido então de encontro às palhetas do rotor, de tal modo que a resultante entre a velocidade absoluta do vapor e a velocidade periférica das palhetas, que é a
velocidade relativa entre o vapor e as palhetas, determine o ângulo com que estas devem ser colocadas. Como o formato das palhetas obriga a uma mudança de direção no escoamento do vapor, obtém-se através de reação a energia mecânica desejada.
Em outras palavras, quando o vapor passa pelos bocais, ele se expande. A expansão quer dizer: perda de pressão, junto com aumento de volume e com algum abaixamento de temperatura, ou seja o vapor perdeu parte da energia potencial que possuía. E que ganho com isso? O vapor ganhou velocidade. Ao passar pelo bocal ou expansor, o vapor troca parte da sua energia potencial
por energia cinética. Esta última forma de energia tem muito a ver com a
mecânica, pois está ligada à velocidade. O aproveitamento da energia cinética para obtenção de trabalho mecânico pode ser feito de duas maneiras, princípios de ação, e de reação.
5.4
APROVEITAMENTO
DA
ENERGIA
CINÉTICA:
O dispositivo da figura baseia-se no princípio de que para modificar a velocidade de um corpo em movimento, é necessário exercer uma força sobre ele.
O jato de vapor (corpo em movimento) que sai do bocal de uma caixa fixa, tem sua velocidade modificada ao encontrar o anteparo de um carrinho situado em sua frente. A força resultante empurra o carrinho no sentido de levantar peso P. O dispositivo baseia-se no princípio de que a cada ação corresponde uma reação igual e contrária.
O jato de vapor que sai do bocal de uma caixa móvel dá origem uma força reativa que empurra o carrinho no sentido de levanta o peso P.
Todas as turbinas a vapor estão baseadas nestes dois princípios descritos
anteriormente. No primeiro caso tem-se o princípio de ação ou de impulsão, e no segundo, tem-se o princípio de reação. Dispositivos rudimentares elucidando como os princípios de ação e de reação são aproveitados nas turbinas .
5.5
CLASSIFICAÇÃO
QUANTO
AO
FUNCIONAMENTO:
5.5.1 Turbina de Reação;
Na turbina de reação, o vapor está dentro do rotor, exercendo pressão igualmente em todas as paredes internas. As palhetas fixas do corpo orientam o vapor através de passagens entre as palhetas móveis instaladas na periferia do rotor. O vapor perde pressão em ambos os tipos de palhetas (fixas e móveis) e só tem a
velocidade elevada nas palhetas fixas. O vapor na turbina, diminui de pressão com a expansão, enquanto que, o fluido do no compressor (ou na bomba) aumenta de pressão pela compressão sofrida. O vapor cede energia na turbina e o fluido recebe energia no compressor (ou bomba).
A expansão do vapor pode ser realizada em um ou mais estágios dentro da turbina. De forma análoga à compressão do fluido no compressor.
A velocidade do rotor é função da velocidade do vapor. Esta por sua vez, é função da queda de pressão nos bocais. Logo é de grande utilidade a expansão por estágios. Isto elimina o
inconveniente de elevada velocidade por causa de uma grande expansão em um só estágio.
5.5.2
Turbina
de
Ação
ou
Impulsão
:
Turbina de ação ou impulsão. Na,figuraA abaixo, onde se vê na parte central um corte longitudinal, na parte inferior o desenvolvimento dos bocais e palhetas; e na parte superior o diagrama de variação da pressão e velocidade do vapor. O vapor, após passar pela válvula de
admissão, entra no bocal com pressão p0 e velocidade v0. Ao fluir pelo bocal a
pressão cai para o valor p1 e a velocidade é elevada para ov1, havendo aí a
transformação de energia de pressão em energia de velocidade (energia cinética). As partículas do vapor animadas com velocidade v1 incidem sobre as palhetas
móveis causando o aparecimento da força motora.
No caso mostrado na, fig. A, tem-se uma turbina de um único estágio. Nas turbinas de mais de um estágio, figuras. B e C, o vapor que está saindo das palhetas
móveis do primeiro estágio entra nas palhetas fixas ao corpo da turbina, sofrendo uma mudança na sua direção, e valor numérico conforme o tipo da palheta fixa. Ao sair destas palhetas fixas, também denominadas bocais, o vapor incide nas
palhetas móveis do segundo estágio, dando origem à outra força motora. A soma das forças motoras do primeiro e segundo estágio dará a força motora resultante. Se a turbina fosse de mais estágios, o processo continuaria como descrito acima, e a força motora total seria a soma das forças dos vários estágios.
5.5.3 Turbina Mista (de Reação e Impulsão);
Turbinas combinadas: existem casos em que o projetista associa em uma única turbina os dois tipos descritos acima. Este tipo de turbina, logicamente, deve ser de múltiplos estágios, como exemplo, pode ser citado o caso de uma turbina com os primeiros estágios do tipo de impulsão simples e os últimos, formando um conjunto separado, do tipo impulsão-reação. Na figura ao lado temos uma turbina mista GE.
5.6
APROVEITAMENTO
DA
ENERGIA
CINÉTICA:
Com os melhoramentos introduzidos na construção das caldeiras, as pressões iniciais tornavam-se cada vez maiores. Isto acarretava velocidades também cada vez mais elevadas na saída dos expansores e, para que as turbinas tivessem um rendimento aceitável, as velocidades periféricas dos rotores deveriam atingir valores muito altos. Como estas velocidades estavam limitadas pela resistência dos materiais empregados, as potências das turbinas ficava também limitada. Várias soluções foram então imaginadas com o objetivo de contornar este problema. Nos EUA, o engenheiro Curtis construiu uma turbina com estágios velocidade, isto é, embora todo o salto entálpico fosse feito numa única placa de expansores, havia várias rodas de palhetas móveis, todas naturalmente fixadas a um eixo apenas, sendo colocado entre cada roda móvel um conjunto de palhetas diretrizes destinadas a reorientar o vapor. Tal solução teve imediatamente ampla aceitação, mas os estudos posteriores vieram demonstrar que, para um número maior do que duas rodas móveis e urna diretriz, a turbina tornava-se
excessivamente cara.
Na França, Rateau idealizou a turbina com estágios de pressão, que consistia apenas em dividir o salto entálpico total numa série de saltos menores, cada um deles dispondo de sua placa de expansores e de sua roda móvel, estas sempre fixadas a um eixo comum.
Na Inglaterra, Parsons apresentou a sua turbina de reação, na qual parte do salto do vapor se dá nos expansores e parte nas palhetas.
Cada uma das soluções acima descritas apresenta suas vantagens e
desvantagens. Com o desenvolvimento crescente da técnica de projeto das turbinas, as grandes máquinas passaram a ser construídas mesclando-se as três soluções apontadas: na entrada do vapor, apresentam uma roda Curtis, quase sempre com dois estágios de velocidade; na parte intermediária, vários estágios Rateau e, na parte final, estágios Parsons.
As modernas turbinas a vapor desenvolvem potências elevadíssimas, da ordem de centenas de milhares de cavalos-vapor. O principal campo de aplicação das
turbinas consiste no acionamento de hélices para navios ou de geradores de energia elétrica, e, neste caso, são instalados em locais onde não há quedas d'água para aproveitamento.
Embora o vapor circula em circuito fechado entre a caldeira e a turbina, isto é, embora a água de alimentação da caldeira provenha da condensação do vapor que passou pela turbina, as centrais térmicas a vapor necessitando de uma enorme quantidade de água para o resfriamento dos condensadores. As turbinas a vapor de pequena e média potência são usadas onde existe sobra de vapor gerado para uma outra finalidade qualquer, como, por exemplo, acionar um compressor ou bombas em processos industriais nas fábricas de tecidos, de papel e celulose, usinas de açúcar, refinarias, petroquímicas, etc.
5.7
CONSIDERAÇÕES
TERMODINÂMICAS
SOBRE VAPOR
Energia térmica é uma forma de energia associada com o movimento
desordenado das moléculas dentro de uma substância. Para uma dada substância, a quantidade de energia térmica é medida pela temperatura, quanto maior a
temperatura mais energia térmica está presente. Todavia, um aumento de energia térmica não eleva necessariamente a temperatura se há uma mudança de fase, como na água em ebulição. Portanto:
Calor , “é uma modalidade de energia que é transmitida de um corpo para outro quando, entre eles, existe uma diferença de temperatura”
Temperatura, “é uma grandeza que permite avaliar o grau de agitação térmica das moléculas de um corpo, energia térmica”.
Energia Térmica, está associada ao movimento desordenado ou energia cinética das moléculas.
Entalpia, é uma função termodinâmica de estado (pressão, volume e temperatura) igual à soma da energia interna com o produto da pressão pelo volume. ∆H = ∆E +
PV
Adiabático, esse termo aplicado à termodinâmica implica na ausência de troca de
calor entre o sistema e o ambiente. Isto pode ser conseguido na prática, (1)
isolando o sistema; (2) mantendo a vizinhança próxima à mesma temperatura que o sistema; (3) realizando o processo rapidamente.
Entropia, as equações termodinâmicas nos dizem como calcular as variações de entropia e é uma função de estado, da matéria que tende sempre a aumentar, quando consideramos o universo como um todo. Embora a termodinâmica não dê um quadro significativo da entropia ao nível molecular, a mecânica estatística é baseada numa interpretação molecular da entropia. Sem levar em consideração, neste momento, os argumentos matemáticos de mecânica estatística, pode ser observado, porém, que a entropia é uma medida direta, quantitativa da
probabilidade relativa de um estado particular de um sistema e, ao mesmo tempo, uma medida da desordem ou caos do estado. Ex.: O ferro magnetizado, menor entropia que o ferro não magnetizado, pois tem um arranjo mais ordenado que o não magnetizado. O vapor de água antes de entrar num bocal de uma turbina, as moléculas de vapor d’água estão juntas, quando se expande no bocal às moléculas se distribuirão ao acaso com aumento da
entropia.
Temperatura crítica, de um gás é a temperatura acima da qual o gás não pode ser liquefeito por compressão. Pressão crítica, de um gás é a pressão mínima que deve ser exercida sobre ele para liquefazei-lo em sua temperatura crítica.
Distinção entre gases e vapores
• Gás: “é qualquer substância que se encontra a uma temperatura maior que a sua temperatura crítica.”
• Vapor : ”é qualquer substância gaseiforme que se encontre a uma temperatura menor que a sua temperatura crítica.”
Pressão de vapor : Suponhamos um líquido encerrado em um vaso fechado, munido de manômetro sensível. As moléculas do líquido vaporizado chocam-se com as paredes do recipiente e exercem uma pressão idêntica à exercida por qualquer gás. Esta pressão denomina-se pressão de vapor do líquido.
Ebulição: é a vaporização tumultuosa que se processa a uma temperatura
determinada, em toda a massa líquida, acompanhada de abundante formação de bolhas.
Evaporação: é a vaporização lenta que se processa em qualquer temperatura, apenas na superfície livre do líquido.
Calefação: é a vaporização que se processa quando se coloca um líquido sobre uma superfície aquecida a uma temperatura bastante superior à temperatura de ebulição do líquido.
Pressão máxima de vapor : a pressão máxima de um líquido só depende da natureza do líquido e da temperatura. É a pressão exercida pelo vapor, em equilíbrio com o líquido que lhe deu origem.
Temperatura de ebulição: de uma substância líquida é aquela na qual a pressão máxima de vapor do líquido se torna igual à pressão que ele suporta.
Vapor saturante: ou saturado é aquele que se encontra em equilíbrio com o líquido que deu origem.
Vapor seco, superaquecido, não saturante ou não saturado: é aquele que exerce uma pressão menor que a máxima para a temperatura em que se encontra.
5.8
PERDAS DA EFICIÊNCIA DA TURBINA
Uma turbina a vapor é normalmente calculada utilizando a taxa de vapor , que é a quantidade de vapor requerida pela turbina para produzir uma potência (HP/h) para uma velocidade específica. A taxa de vapor é uma função direta da eficiência da turbina.
O consumo de vapor pode ser expresso em (kg de vapor por HP. H ou kg de vapor por kWh).
A energia total disponível do vapor é calculada por uma expansão isoentrópica. Para um dado inicial da pressão de vapor, temperaturas de entrada e exaustão
(kcal / kg de vapor) podem ser obtidas de tabelas (do fabricante) ou pelo gráfico de Mollier.
A energia calculada pode ser convertida em HP, kW, como a taxa de vapor teórica por HPh ou kWh. A taxa teórica de vapor é para uma eficiência de turbina de
100%.
A eficiência da turbina é dada por:Eficiência
vapor de atual Taxa vapor de teórica Taxa ou h h h h ... ... ... ... ... ... 2 1 3 1 − − =
A taxa atual de vapor para uma turbina é maior do que a taxa teórica, por causa das perdas que ocorrem na turbina quando convertida da energia térmica
(potencial, energia de pressão) em energia mecânica. A energia que resta no vapor exausto da turbina é maior do que aquele depois de uma expansão isoentrópica. Temos o gráfico.
1- Energia no vapor na temperatura e pressão inicial;
2- Energia no vapor exausto para uma expansão isoentrópica; 3- Energia atual no vapor na pressão e temperatura de exaustão.
(Tabela 1) Eficiências típicas para Turbinas a vapor Estágios ( HP ) Eficiência
(%) Entalpia exaustão(kcal/kg) (kcal/kg)
Taxa de vapor Kg/kwh Simples 500 30 691,7 75,0 11,57 5 1000 55 630,6 136,1 6,31 7 4000 65 605,6 161,1 5,33 9 10000 75 566,7 200,0 4,63
Baseado na entalpia de entrada = 766,7 kcal/kg
5.9
TURBINA DE AÇÃO
5.10 CARCAÇA
A carcaça, é constituída pelo cilindro envoltório da turbina. No seu interior giram os discos, ou o tambor, montados no eixo.
As carcaças dispõem de dispositivos adequados para suportar diversas peças estacionárias tais como, os diafragmas (nas turbinas de ação), as palhetas fixas (nas turbinas de reação), os bocais, as válvulas de controle e de desarme rápido, os mancais, etc.
Normalmente as carcaças são fundidas ou de chapas trabalhadas e soldadas, é partidas radialmente ou axialmente por permitir maior facilidade para manutenção. A simples remoção da metade superior da carcaça permite pleno acesso a seus
internos para inspeção e reparos.
O tipo de carcaça partida radialmente só é usado em turbinas pequenas, com potência inferior a 100HP.
Em turbinas de grande porte, as carcaças são construídas em duas seções:
• Carcaça de alta pressão;
• Carcaça de baixa pressão.
Devido ao seu tamanho, além de partidas axialmente, são também seccionadas transversalmente.
As faces justapostas das carcaças são rigorosamente usinadas, com fino acabamento, para se constituírem em juntas estanques ao serem
aparafusadas.
Os materiais mais usados na construção das carcaças são: ferro, aço carbono e aço-liga, fundidos.
Para reduzir a perda de calor com o exterior, as carcaças são revestidas
externamente com isolamento térmico e recobertas de chapas finas protetoras.
5.11 CONJUNTO ROTATIVO
Nas turbinas de ação o conjunto rotativo é constituído pelos discos ou rotores montados no eixo . Na periferia dos discos são fixadas as palhetas móveis, através das quais a energia cinética do vapor é transformada em trabalho mecânico.
Os discos são de aço carbono ou aço-liga, forjados, usinados, e montados no eixo pelo processo de prensagem a quente e enchavetados.
O conjunto eixo/discos também pode ser feito de construção integral, isto é, em uma só peça. Esta opção é adotada para turbinas de alta rotação e/ou operando a alta temperatura.
As palhetas das turbinas devem ter um perfil tal que, quando instalados nos discos formem canais de seção uniforme, pois terão a função apenas de modificar a
direção de escoamento do vapor.
Devem ser em número suficiente para orientar adequadamente o fluxo de vapor sem turbilhonamento. Teoricamente, a pressão do vapor deveria ser a mesma em ambos os lados das palhetas, entretanto, na prática, há uma pequena diferença devido à perda de carga.
Para dar maior rigidez às palhetas de uma mesma fila, estas têm seu topo
encaixado numa cinta externa. Quando a altura das palhetas é grande, a cinta é substituída por um arame amortecedor que interliga as palhetas numa posição intermediária.
As palhetas são geralmente forjadas e usinadas com um esmerado acabamento para reduzir ao mínimo as perdas por atrito. São feitas de aço liga, à base de cromo-níquel-manganês.
Nas turbinas de reação o conjunto rotativo é constituído pelo tambor montado no eixo, e as palhetas encaixadas na sua periferia. Estas palhetas têm uma
configuração de modo a formar canais de seções variáveis, como os expansores. As pressões são diferentes em cada lado das palhetas, necessitando portanto, de
se reduzir ao mínimo à fuga do vapor pelo topo das mesmas.
O eixo é o elemento transmissor do trabalho mecânico. Nele estão montados os discos ou o tambor.
O eixo deve ser projetado para que as deflexões sofridas sejam menores que as folgas radiais entre as partes estacionárias e rotativas. Deve ser, também,
concêntrico ao longo de toda sua extensão. Eixo empenado causa vibração, além de acelerar o desgaste dos mancais, labirintos, etc.
Em uma extremidade do eixo, fica montado o acoplamento que é o elemento de transmissão do movimento rotativo da turbina para a máquina acionada. Na outra extremidade, está o mecanismo de ligação com o regulador de velocidade e mecanismos de desarme.
5.12 DIAFRAGMA
Os diafragmas, são os elementos que separam dois discos
adjacentes de uma turbina de ação de multi-estágios. Neles estão instalados os arcos de expansores dos estágios intermediários e finais.
Normalmente, os diafragmas são confeccionados em duas metades havendo um dente numa metade e uma reentrância na outra, a fim de permitir o perfeito
assentamento de ambas. Eles são montados na carcaça por um sistema de ranhuras.
Na parte central dos diafragmas,
estão instalados os labirintos, que são elementos de vedação entre os estágios intermediários.
5.13 MANCAIS
Os mancais são peças destinadas a apoiar o eixo e suportar outros esforços radiais e axiais que atuem sobre o conjunto rotativo.
Segundo a direção da carga que suportam, os mancais podem ser:
• Radiais,
• Axiais ou de escora,
• Mistos (combinação radial/axial).
Os mancais radiais são também responsáveis pela manutenção das folgas radiais entre o conjunto rotativo e as partes estacionárias, e o mancal axial é responsável pelo posicionamento do conjunto rotativo, ou em outras palavras, pela manutenção das folgas axiais.
Outra classificação genérica para os mancais é segundo a predominância do tipo de atrito atuante. Nestas condições, podem ser:
− − rolamento de to deslizamen de mancais
5.13.1 Mancais de Deslizamento
Os mancais de deslizamento, são empregados para condições de cargas severas e baixas velocidades, enquanto que os mancais de rolamentos, só são
empregados para cargas moderadas, menor atrito e altas velocidades . Nas turbinas de ação, o critério de emprego de mancais é o seguinte:
{
− − − − to deslizamen axial mancal to deslizamen radiais mancais HP de acima rolamento axial mancal to deslizamen radiais mancais HP até rolamento de mancais HP até potência ... ... 1 ... ... 2 ... 1000 ... ... ... ... 1 ... ... 2 ... ... 1000 .... ... ... ... 2 . ... ... 20 ....Geralmente, nas turbinas de reação, os mancais empregados são de deslizamento. São usados em máquinas pesadas, sujeitas a grandes carregamentos ou em equipamentos de baixa velocidade.
A figura mostra mancais radiais de deslizamento. No caso particular do mancal apresentar parede muito delgada, ele é chamado de casquilho.
Os mancais são ajustados com um diâmetro interno um pouco maior que o diâmetro do eixo. Esse espaço entre o eixo e o mancal é chamado de folga. A folga é prevista para compensar dilatação para introdução e distribuição de
lubrificante, para neutralizar pequenos desalinhamentos e para permitir a rotação livre do eixo a qualquer momento. Normalmente são peças bipartidas com
ranhuras na parte internas, mas podem ser inteiriças denominadas buchas. São fabricados de matérias macios como bronze e ligas de metais leves.
O tipo de mancal axial de deslizamento mais usado nas turbinas a vapor é o chamado mancal Kingsbury .
O eixo com o colar estão na parte superior do desenho apenas para facilitar a visualização do conjunto.
Compõe-se basicamente de um colar preso ao eixo e de várias sapatas
pivotadas em anéis, chamados anéis de nivelamento, montados na carcaça. As sapatas têm apoio semi-esférico a fim de permitir que elas se acomodem em diferentes inclinações de acordo com a película de óleo.
5.13.2 Rolamentos
Os rolamentos empregados nas turbinas são, em geral, de uma carreira de esferas. São empregados em máquinas sujeitas a maiores velocidades e menores atritos.
Eles têm capacidade de absorver cargas tanto nos sentidos radiais, como nos sentidos axiais. Podem ser:
• De esferas são apropriados para velocidades mais elevadas;
• De rolos podem ser cilíndricos, tronco cônicos ou abaulados (na forma de
barril);
• De agulhas são recomendados para sistemas oscilantes, com cargas
elevadas e choques. 5.13.2.1 Rolamentos de esfera Fabricações simples, robustas e versáteis, exigem pouca manutenção e apropriados para baixas cargas e altas velocidades.
5.13.2.2 Rolamentos de rolos cilíndricos Com uma carreira de rolos e com gaiola podem suportar cargas radiais pesadas e operar em altas rotações. Sem gaiola, suportam cargas radiais pesadas porem com velocidades mais baixas que os com gaiola.
5.13.2.3 Rolamento de rolos de tronco cônico
Possuem pista simples ou dupla, são apropriados para cargas combinadas nas direções axiais e radiais. A capacidade de suportar a carga axial é determinada pelo ângulo da pista do anel externo, quanto maior for este ângulo tanto maior a capacidade de carga axial.
5.13.2.4 Rolamentos de Agulhas
Têm alta capacidade de suportar cargas e são delgados, aplicados onde o espaço é limitado.
5.13.2.5 Rolamento autocompensadores tipo esfera Possuem duas carreias de esferas.
5.13.2.6 Rolamentos autocompesadores de rolos Possuem duas carreiras de rolos . As duas pistas do anel interno são inclinadas.
Além de cargas radiais, os rolamentos podem também suportar cargas axiais, atuando em ambos os sentidos.
5.13.2.7 Rolamentos axiais de esferas e rolos cônicos.
São construídos para suportar cargas puramente axiais
5.14
VEDAÇÃO
Pelas folgas existentes entre as partes estacionárias e o conjunto rotativo pode ocorrer fuga de vapor das zonas de maior pressão para as de menor pressão.
25
Nos pontos onde o eixo atravessa a carcaça, se a pressão no seu interior for inferior que a pressão atmosférica (caso das turbinas de condensação), haverá infiltração de ar para dentro da turbina. Em situação inversa, pressão no interior da carcaça maior que a atmosférica, haverá vazamento de vapor para o exterior. A infiltração de ar tende a elevar a pressão no condensador influindo
negativamente na potência útil da turbina.
O vazamento de vapor também reduz a potência útil da máquina além de aumentar o consumo específico de vapor.
Daí então a necessidade de se reduzir ao mínimo às perdas provocadas por fugas de vapor ou por infiltração de ar para dentro da turbina.
Os principais sistemas de selagem utilizados nas turbinas são:
{
os labir erestágios misto carvão de anéis os labir eixo do saídas nas selagem int int int 5.14.1 LabirintosOs labirintos são peças anelares dotadas internamente de uma série de aletas circulares, e externamente, de um dispositivo de encaixe. Podem ser partidos em dois ou mais segmentos.
Os labirintos devem ser ajustados de tal maneira que a folga entre o eixo e as bordas das aletas seja mínima.
O vapor se expande progressivamente ao atravessar as aletas sofrendo uma queda de pressão e ainda provocando uma perda de carga por turbilhonamento.
5.14.2 Anéis de Carvão
Como o próprio nome indica, são segmentos circulares de carvão formando um anel e mantidos juntos ao redor do eixo pela ação de uma mola helicoidal de tração que se encaixa na sua periferia.
Em geral, os anéis são tripartidos em segmentos iguais de tal modo que, quando montados, deixem uma pequena folga entre o anel e o eixo a fim de reduzir ao mínimo a passagem de vapor.
Para evitar que os anéis de carvão girem com o eixo, instalam-se dispositivos de trava.
Quando a selagem visa impedir a entrada de ar para dentro da turbina, como é o caso da descarga das turbinas de condensação, costuma-se injetar vapor numa pressão ligeiramente superior à atmosférica, num trecho intermediário dos
labirintos ou dos anéis de carvão.
5.15
VÁLVULA DE ADMISSÃO DE VAPOR:
A válvula de admissão, de vapor, também chamada de válvula do governador ,
tem a função de controlar a passagem de vapor para os bocais da turbina comandada pelo governador através de um sistema de transmissão mecânico (sistema de alavanca), ou hidráulico (servo-motor), ou a combinação de ambos. As válvulas de admissão de vapor das turbinas podem ser:
• Simples ;
• Múltiplas.
As válvulas simples abastecem de vapor todos os bocais simultaneamente. A válvula de admissão simples torna-se ineficiente para c caso de turbinas
funcionando com carga baixa, pois o pequeno fluxo de vapor será dividido igualmente com cada bocal, a uma vazão inferior à sua vazão de projeto. Alguns fabricantes contornam esse problema instalando a carcaça da turbina,
válvulas extras, chamadas de válvulas de sobrecarga, com a finalidade de suprir ou cortar vapor para grupos de bocais.
As válvulas de sobrecarga são operadas manualmente. Quando a turbina estiver funcionando com baixa carga, o operador deve fechar uma ou mais válvulas de sobrecarga, a fim de melhorar a eficiência da turbina.
5.15.1 Válvulas de Admissão Múltiplas
As válvulas de admissão múltiplas como o próprio nome indica, são várias válvulas em paralelo, cada uma abastecendo um grupo de bocais. Sua abertura (ou fechamento) é gradativa.
Cada válvula vai sendo aberta (ou fechada) à medida que a carga aumenta (ou diminui). Neste caso, o fluxo de vapor em cada bocal pode ser mantido
constante.
• Por um sistema de cames;
• Por uma barra atuando em válvulas com hastes de comprimento variável.
5.16
CONTROLE E DISPOSITIVOS DE
SEGURANÇA
Como qualquer máquina motriz, a turbina a vapor tem que atender à carga que lhe é imposta pela máquina acionada; ou, em outras palavras: a turbina deve fornecer a potência exata que lhe é solicitada pela máquina acionada.
Havendo variação de carga, haverá alteração na potência fornecida pela turbina. A variação de carga também tende a provocar uma variação na velocidade da
turbina. Por isso, as turbinas têm um mecanismo de comando capaz de assumir o controle das situações operacionais.
Normalmente esse controle é feito no fluxo de vapor admitido na turbina através de uma ou mais válvulas projetadas especificamente para esse fim; são as chamadas de válvulas do governador ou válvulas de admissão de vapor.
O mecanismo que comanda a abertura e o fechamento da(s) válvula(s) de admissão de vapor é chamado de governador ou regulador de velocidade. Normalmente esse comando atua automaticamente.
O controle das turbinas pode ser empregado para:
a- Manter constante sua rotação como no caso de acionar geradores elétricos; b- Manter estável a pressão descarga de compressores ou bombas acionadas
pela turbina;
c- Manter constante a pressão do vapor na saída da turbina, no caso de turbinas de contrapressão.
5.16.1 Governador da Turbina
Nas turbinas a vapor são empregados diversos tipos de governador. O governador mais elementar, é o
regulador tipo Watt , de esferas giratórias, baseado na ação da força centrífuga.
Consiste basicamente de dois pesos articulados que giram a uma velocidade igual à velocidade da turbina e atuam contra a compressão de uma mola. Sob a ação da força centrífuga, os pesos podem oscilar em torno da articulação e
movimentar uma haste central.
Se a velocidade da turbina, aumenta, os pesos articulados se abrem forçando a haste central empurrar uma alavanca que,
por sua vez, atuará na válvula de admissão no sentido de reduzir a área de passagem de vapor; passando menos vapor, a velocidade volta a decrescer.
Se a velocidade da turbina diminui, essa operação se efetua de maneira inversa. Os pesos articulados se fecham e a haste central atuará na válvula de admissão no sentido de aumentar a área de passagem de vapor; passando mais vapor, a velocidade volta a crescer.
Note-se, porém, que a velocidade da turbina varia na razão inversa da carga que lhe é imposta. Isto é: sé a carga aumenta, a velocidade diminui, ou ao contrário, se a carga diminui, a velocidade aumenta.
Esse tipo de governador chamado de governador mecânico, oferece
simplicidade e robustez, mas sua aplicação é limitada devido a dois fatores básicos:
a- Lentidão de resposta corretiva;
b- A força que ele é capaz de exercer só pode ser aumentada pelo aumento do tamanho do governador.
Para contornar esses fatores adversos, os fabricantes associam ao mecanismo de pesos centrífugos, sistemas hidráulicos dos mais variados.
A figura ao lado, por exemplo, apresenta um desenho esquemático bastante elementar de um governador mecânico associado a um sistema hidráulico composto de uma válvula piloto ligado a um servo-motor.
A haste do governador, através de uma alavanca flutuante, atua na válvula piloto, que por sua vez, efetua uma dessas operações:
• Envia óleo de alta pressão para o servo-motor obrigando o pistão a se
mover no sentido de abrir 2 válvula de admissão (caso de redução de velocidade da turbina);
• Drena o óleo do servo-motor obrigando o pistão a se mover, devido à ação da mola, no sentido de fechar a válvula de admissão (caso de aumento de velocidade da turbina).
Um governador puramente hidráulico é mostrado na figura abaixo, onde o
mecanismo de pesos centrífugos é substituído por uma bomba de engrenagens, recebem o sinal de variação de rotação através de um sistema hidráulico. O sistema de pesos é substituído por uma bomba de óleo cuja rotação é igual ou proporcional à rotação da turbina. As variações de rotação implicam numa variação da pressão de descarga da bomba, pressão esta que atua através de um sistema hidráulico na válvula de admissão de vapor.
Este sistema é mais empregado para turbinas de grandes capacidades. O esquema da figura mostra um regulador deste tipo que se vê, na parte inferior esquerda, um eixo que aciona duas bombas. A bomba centrífuga A de dupla sucção não interessa diretamente para o controle, servindo apenas para
pressurizar a sua descarga não importando qual seja a variação de sua pressão com a variação de rotação. Esta bomba A serve apenas como uma
alimentadora de óleo.
A bombaB constituída simplesmente de um cilindro oco, admite óleo suprido pela bomba A através do orifício E para a câmara F entra no cilindro em rotação pelos diversos orifícios radiais C existentes. Pela ação da força centrífuga, o óleo da câmara F tem alguma dificuldade em escoar pelos furos C, pois é criada uma pressão na câmara F pela rotação da bomba B. Esta pressão varia
diretamente com a rotação da bomba. O óleo que entra pelos furos C se escoa pelos orifícios D para o reservatório. No centro do cilindro existe uma abertura para suspiro.
A variação na rotação da turbina causa uma variação na pressão óleo nas câmaras F e G. Esta pressão de óleo atua no fole H contra a ação da mola J cuja regulagem é feita pelo volante V, aumentando ou diminuindo a abertura de passagem de óleo na bandeja K, o óleo suprido pela bomba principal A através
do orifício regulávelM, que vaza para o reservatório através de K, terá sua pressão alterada na linha L aciona o pistão N, abrindo as passagens de óleo de alta pressão (óleo do servo-motor), através do carretel P. Este óleo de alta pressão (note-se que é outro sistema de óleo, com bomba independente)
aciona o pistão U que, através de um sistema de alavancas, controla a abertura da válvulaT.
As turbinas de maior porte, geralmente usadas em centrais termelétricas no acionamento de geradores de energia elétrica, têm controle de rotação e também de pressão de exaustão ou contrapressão, dependendo do tipo. Quando se trata de turbina de condensação, isto é, aquelas em que todo o vapor consumido é condensado no condensador a uma pressão abaixo da atmosférica (vácuo), o controle é feito praticamente só na rotação.
A pressão de descarga da bomba, proporcional à rotação da turbina, atua sobre um fole conectado à válvula de admissão de vapor. Há governadores que se comportam de modo a conservar constante a velocidade da turbina, mesmo que haja variação de carga. Outros, não ter esta propriedade; permite una queda de velocidade quando a carga aumenta; ou vice-versa, permitem um aumento de velocidade quando a carga diminui.
5.16.2 Variador de Velocidade
De um modo geral, as turbinas a vapor vêm equipadas de outro dispositivo de controle, além do governador, chamado de variador de velocidade ou ajustador de velocidade.
O variador de velocidade visa alterar uma característica de comando do governador. No caso de governador mecânico, o variador de velocidade modifica a tensão da mola do governador; enquanto que no governador hidráulico, o variador atua modificando a pressão de descarga da bomba de óleo.
Um tipo de variador de velocidade, bastante simples e muito empregado nas turbinas de uso geral, consiste de um volante A uma haste roscada presa a uma mola conectada à extremidade da alavanca do governador.
5.16.3 Desarme por Alta velocidade
Toda turbina tem um mecanismo de segurança para protegê-la contra um aumento excessivo de velocidade, em conseqüência de uma retirada súbita de carga ou de falha no governador.
Esse mecanismo, chamado de limitador de velocidade, tem atuação automática e independente do governador. Sua função é impedir que a velocidade da turbina ultrapasse o limite de segurança compatível com a resistência mecânica do conjunto rotativo.
O limitador de velocidade possui três elementos básicos:
• Um sistema de transmissão; • Um elemento que corta
rapidamente o suprimento de vapor.
Em geral, o elemento captador de sinal é constituído de um pino encaixado diametralmente na
extremidade do eixo mantido dentro dele pela ação de uma mola. O pino deve ter um lado mais pesado que o outro.
A transmissão do sinal é efetuada por uma alavanca tendo numa extremidade um gatilho.
Na figura (1) alavanca de rearme na posição normal, (2) alavanca de rearme na posição de parada.
O corte de vapor é feito por uma válvula de atuação instantânea. Esta válvula é projetada para cortar instantaneamente o suprimento de vapor para os bocais da turbina. Tem funcionamento independente da válvula do governador e é
comandada por um mecanismo de atuação.
Esse mecanismo só atua automaticamente no sentido de fechar a válvula se estiver corretamente armado. Ocorrendo o desarme, ele não tem condições de
rearme automático. O rearme deve ser feito manualmente pelo operador da máquina.
Seu princípio de funcionamento é o seguinte: se a rotação da turbina aumentar demasiadamente, a força centrífuga faz o pino vencer a ação da mola e sua cabeça saindo do eixo aciona uma alavanca que desarma um sistema de gatilho, permitindo fechar rapidamente uma válvula de entrada de vapor. Caso necessário, esse desarme também pode ser feito manualmente pelo operador da máquina.
Convém ressaltar que o rearme do sistema não é automático; deve ser feito manualmente pelo operador.
5.16.4 Lubrificação:
Nas turbinas a vapor como em qualquer máquina, têm-se sempre peças interligadas cujas superfícies em contato estão animadas de movimentos
relativos, dando origem às forças de atrito, que se opõe a esses movimentos. O atrito produz calor, aquecendo as peças de máquina que ficam cada vez mais quentes até ocasionar a paralisação do mecanismo, virtude de dilatação
acentuada ou até mesmo fusão das peças superaquecidas.
Por conseguinte vê-se que é da maior importância reduzir ao mínimo atrito metálico a fim de minorar a perda de
calor como também diminuir o desgaste das peças. Isso se consegue pela
interposição de um fluído adequado entre as superfícies, chamado
lubrificante, que impede o contato direto dessas superfícies. Além de impedir contato direto de duas
superfícies em movimento relativo, o lubrificante ainda tem a função de :
• Dissipar o calor gerado;
• Proteger as superfícies contra a corrosão;
• Remover as partículas provenientes do desgaste das peças, ou outros materiais estranhos.
5.16.4.1 Lubrificação das Turbinas pequenas
:
A lubrificação dos mancais das turbinas, de pequeno porte é feita, geralmente, por anel em banho de óleo.
Um anel de diâmetro bem maior que o do mancal fica repousando sobre o eixo e com a parte inferior mergulhada no óleo. Com a rotação do eixo, o anel gira lentamente e arrasta o óleo do cárter para o eixo, e daí, para o mancal.
5.16.4.2 Lubrificação das turbinas grandes :
As turbinas de grande porte são lubrificadas normalmente por um sistema de circulação forçada do óleo. O óleo também serve para o sistema hidráulico de regulagem da turbina.
Uma bomba principal de óleo, acionada pelo eixo da turbina, aspira óleo do cárter descarrega no sistema.
O óleo passa por um filtro F1 (ou F2, pois há 2 filtros de óleo para se poder
limpar um quando o outro estiver em operação). Após o filtro, parte do óleo vai para o sistema de regulagem. voltando desses elementos ao cárter.
Uma parte do óleo passa por um resfriador e daí para os mancais, retornando depois ao cárter.
As válvulas de alívio instaladas ao longo das tubulações servem para controlar as pressões de óleo dos sistemas de regulagem e de lubrificação.
Além da bomba principal de óleo, existe uma bomba auxiliar com dispositivo para entrar automaticamente em operação. Quando houver falha na principal. Esta bomba auxiliar é utilizada também nas partidas e paradas da turbina principal para suprir de óleo o sistema de lubrificação. No cárter, há um
indicador de nível de óleo e um dreno para extração de água contaminada no óleo.
5.16.4.3 Desarme por baixa pressão no óleo:
Toda turbina com mancais lubrificados por um sistema forçado, sob pressão, tem um dispositivo que desarma o sistema de gatilho do limitador de velocidade no caso da pressão de óleo cair abaixo de um valor prefixado.
As figuras apresentam desenhos esquemáticos de um sistema de atuação múltipla. O desarme funciona por sobrevelocidade e por baixa pressão de óleo. Além disso, tem uma particularidade importante: a instalação de uma válvula
5.16.5
Outros Dispositivos de Segurança
Dependendo da necessidade, ainda pode-se instalar outros dispositivos de segurança nas turbinas. Exemplos:
a- Desarme por baixa pressão diferencial entre mancais; b- Válvula sentinela na carcaça;
c- Desarme por alta temperatura nos mancais; d- Desarme por alta temperatura no vapor de saída; e- Desarme por vibração elevada; etc.
5.17
TURBINA DE EXTRAÇÃO
Nas centrais termelétricas da refinarias, e nas industrias em geral, e comum o
emprego de do tipo de extração ou de contrapressão. Isto se deve ao fato de se ter necessidade de vapor para aquecimento na área industrial.
Empregam-se então turbinas que admitem vapor superaquecido a uma pressão alta retirando parte de sua energia para transformação em energia elétrica, fornecendo o vapor saturado para o aquecimento industrial. Para estes casos, a utilização mais comum é de turbinas de extração serão descritas superficialmente logo abaixo sob o ponto de vista operacional.
A figura acima, mostra o esquema em corte, de uma turbina de extração. Pode ser observados que entra uma quantidade de vapor W1 com pressão P1 nos estágios
de alta pressão (conjunto do lado esquerdo), sendo que uma parte deste vapor e extraído após passar pelos estágios de alta pressão (quantidade W2 com pressão
P2) e a parte restante W3 entra para os estágios de baixa pressão saindo destes
para o condensador com pressão P3.
Então, o vapor consumido realmente pela turbina para gerar energia elétrica é o que passa pelos estágios de alta e baixa pressão (quantidades diferentes). O vapor retirado entre os estágios de alta e de baixa, denominados vapor de extração, é enviado para o consumo em aquecimento industrial.
Nota-se que sempre deve ser W1 = W2 + W3.
No caso de haver uma solicitação maior de carga elétrica ou motriz, a rotação tende a baixar, mas o regulador de rotação abre automaticamente a válvula de admissão de vapor para suprir a demanda maior de energia solicitada pelo
gerador. Aumentando então a quantidade de vapor W1, considerando que a
quantidade demandada para aquecimento industrial W2 permaneceu constante,
haverá um aumento na pressão P2. Isto resultará numa atuação do regulador de
pressão de extração abrindo a válvula de admissão de vapor para os estágios de baixa pressão aumentando o valor de W3.
Desta maneira, quantidades W1 e W3maiores passarão pelos estágios da turbina
fornecendo a energia demandada pelo gerador, enquanto que a quantidade W2
permaneceu praticamente constante.
Se acontecer de haver uma demanda maior de vapor exaustão para aquecimento, a pressãoP2 diminuirá fazendo atuar o regulador de pressão para fechar a válvula
de admissão para os estágios de baixa pressão. Isto causará uma diminuição na potência fornecida ao gerador pela turbina que fará cair à rotação. Esta queda provoca a atuação do regulador da rotação no sentido de abrir a válvula de admissão de vapor para os primeiros estágios aumentando a quantidade admitida, restabelecendo o equilíbrio. Qualquer quer outra situação de operação pode ser analisada
como as situações consideradas acima mostram um esquema de regulagem em turbinas de extração.
Um outro componente da turbina que pode ser considerado como integrante do sistema governador é o dispositivo de desligamento de emergência. Este
dispositivo atua através do sistema governador para fechar totalmente a entrada de vapor para a máquina quando uma situação anormal indesejável existir.
Pode ser operado manual ou automaticamente. Geralmente é comandando automaticamente por sistemas de proteção contra
sobrevelocidade da turbina,
superaquecimento de mancais, vibração excessiva, lubrificação deficiente, etc.
5.18
OPERAÇÃO
A operação de turbinas a vapor requer que sejam tomados certos cuidados, muitos deles comuns a todos os tipos e tamanhos de turbinas, e outros inerentes a cada uma delas em particular.
Os fabricantes fornecem todas as instruções e cuidados operacionais que são de grande valia para o bom funcionamento da turbina. Logicamente, a dificuldade e complexidade operacional é função de cada máquina em particular. Por exemplo, uma turbina de pequeno porte, de estágios simples, de condensado total, que
aciona uma bomba comum, e de operação muito mais simples do que uma turbina de grande porte, de múltiplos estágios, de extração e condensação, com controle de rotação e pressão de extração rigorosos, que acionam um gerador de energia e elétrica de uma Central Termelétrica. Os cuidados a serem tomados e a
complexidade operacional no segundo caso são muito maiores que no primeiro. Embora existam muitas diferenças entre os vários tipos de turbina sob ponto de vista operacional, muita coisa existe em comum. De um modo geral, as seguintes considerações devem ser levadas em conta na operação de umaturbina a vapor.
5.18.1 Operação de Pequenas Turbinas
Para turbinas de pequeno porte, proceda como se segue:
1- Drene todo o vapor condensado das linhas de admissão e vapor exausto; 2- Abra todas as válvulas de dreno situadas na parte inferior da carcaça; 3- Verifique o nível de óleo nos mancais e restabeleça, se necessário; 4- Rearme os mecanismos de desarme rápido;
5- Abra totalmente a válvula de vapor exausto;
6- Abra a válvula de admissão de vapor o suficiente para fazer girar o rotor, fechando-a em seguida;
7- Certifique-se que não há ruídos estranho;
8- Estabeleça a circulação de água de refrigeração nos mancais;
9- Abra novamente a válvula de admissão de vapor até ã turbina atingir uma rotação de 200 a 300 rpm;
10- Feche os drenos quando tiver certeza que não há mais condensado no interior da turbina;
11- Certifique-se que os anéis de lubrificação estão girando e carregando óleo para os mancais;
12- Abra mais, gradativamente, a válvula de admissão de vapor até a turbina atingir sua velocidade normal de operação;
13- Verifique se o governador assumiu o controle da máquina; caso positivo, abra totalmente a válvula da linha de admissão de vapor.
OBS.: Não ponha a turbina em serviço sem estar sendo controlada pelo governador.
5.18.2 Operação de Grandes Turbinas
Para dar partida a uma turbina a vapor, com condensação, proceda como se segue:
1- Verifique o nível de óleo no reservatório; se estiver baixo, abasteça-o até atingir o nível correto;
2- Ligue a bomba auxiliar de óleo e verifique se a pressão de descarga está normal e se o óleo está circulando pelos mancais;
3- Abra todas as válvulas de dreno situadas na parte inferior da carcaça da turbina, para extrair o vapor condensado;
4- Drene também o condensado das linhas de alimentação de vapor; 5- Abra as válvulas de injeção de vapor de selagem;
6- Estabeleça a circulação de água no condensador; 7- Ligue a bomba de extração de condensado;
8- Ponha a selagem do vapor de alta pressão nas condições de partida; 9- Ponha a selagem do vapor exausto nas condições de partida;
10- Ligue o ejetor de ar do condensado e feche quebrador de vácuo; 11- Feche os drenos da carcaça nos estágios onde já há vácuo;
12- Teste o sistema de desarme por baixa pressão de óleo lubrificante; 13- Com o vácuo parcialmente estabelecido, abra rapidamente a válvula de
admissão de vapor o suficiente para fazer girar o rotor, fechando-a logo em seguida;
14- Verifique se há ruídos estranhos;
15- Não havendo ruídos estranhos, abra novamente a válvula de admissão
deixando passar vapor suficiente para fazer girar o rotor numa rotação de 200 a 500 rpm; mantenha essa rotação por 1/2 hora a fim de aquecer
gradativamente por igual o rotor e a carcaça da turbina;
OBS. IMPORTANTE - Não se deve permitir que o rotor fique parado por tempo apreciável, enquanto o vapor estiver sendo admitido na turbina. 16- Restabeleça o fluxo de vapor e aumente pouco a pouco a velocidade da
turbina, demorando de 10 a 15 minutos para atingir a velocidade normal de operação: se o rotor vibrar muito, reduza a rotação e continue o quecimento com 200 a 500 rpm até o aumento de velocidade não produzir mais
