Classificação das turbinas a vapor

• pelo fornecimento de vapor e condições de exaustão; • pelo empacotamento ou arranjo de eixos.

• pelos detalhes do projeto dos estágios.

Fornecimento de vapor e condições de exaustão:

Turbinas de Condensação: Pressão de descarga menor do que a atmosférica

• O tipo de turbina mais empregado para geração de energia

Turbinas de não-condensação (ou Contrapressão): Pressão de descarga superior à atmosférica.

• São amplamente utilizadas em processos fabris onde o vapor de descarga pode ser usado para processo ou aquecimento.

• A pressão de saída é controlada através de uma estação regulatória para manter-se a pressão de processo desejada.

Ainda, quanto ao fluxo de vapor que passa pelas turbinas, temos:

Turbina de Fluxo Direto: O vapor admitido atua do primeiro ao último estágio sem qualquer retirada de vapor.

Condensação Direta:

Aplicações: 1. Quando o vapor de exaustão não pode ser utilizado e a energia deva ser gerada com a menor quantidade possível de vapor. 2. Para assegurar a máxima produção de energia em instalações com capacidade de caldeira limitada.

Contrapressão Direta a) Contrapressão de atmosfera até 5 kgf/cm2 Aplicações: 1. Quando todo ou praticamente todo o vapor de exaustão pode ser usado para processo ou aquecimento. 2. Quando o custo do vapor disponível é baixo. 3. Quando o condensado não puder ser aproveitado no sistema de processo. 4. Para unidades de pequena potência b) Contrapressões de 5 kgf/cm2 até 50 kgf/cm2 Aplicações: 1. Vapor de exaustão utilizado para acionar outros equipamentos. 2. Onde pressões de vapor altas e moderadas são requeridas para o processo.

Turbinas com reaquecimento: Todo o fluxo de vapor admitido na máquina é retirado em um estágio intermediário, reaquecido na caldeira, e retorna ao estágio seguinte da turbina, de onde evolui, através dos estágios finais, até a descarga. Algumas vezes encontramos turbinas com reaquecimento duplo.

Turbinas com Extração Automática: Há uma retirada parcial de vapor em estágios intermediários (um, dois ou três), para fins de aquecimento ou uso no processo industrial.

• A pressão do vapor extraído é mantida constante por meio das válvulas de controle de extração.

• O sistema de controle de uma turbina com extração automática atua simultaneamente sobre as válvulas de controle de admissão e sobre as válvulas de controle de extração, para manter constantes a velocidade da turbina e a pressão do vapor extraído.

Condensação com Simples Extração • Quando as necessidades de vapor no processo são variáveis e intermitentes.

Condensação com Dupla Extração • Quando o processo requer vapor em dois níveis de pressões diferentes.

• Quando as necessidades de vapor no processo são variáveis e intermitentes.

• quando toda a potência requerida não possa ser gerada pela quantidade de vapor requerida para o processo.

Contrapressão com Simples Extração • Quando as necessidades de vapor no processo são variáveis e intermitentes.

• Quando o processo requer vapor em dois níveis de pressão diferentes.

Contrapressão com Dupla Extração • Quando o processo requer vapor em três níveis de pressões diferentes.

• Quando as necessidades de vapor no processo são variáveis e intermitentes.

• Quando for requerido vapor para acionar outros equipamentos no sistema.

Turbinas com Extração Não-Automática:

• Pode haver até nove pontos de retirada de vapor, em diferentes estágios e pressões.

• A pressão do vapor extraído, em cada ponto de extração, de uma turbina com extrações não-automáticas, varia com as flutuações da carga da turbina.

• Estas variações de pressão são inadmissíveis se o vapor estiver sendo extraído para uso em um processo industrial.

• Entretanto, podem ser perfeitamente aceitas se o vapor extraído for usado apenas para aquecimento regenerativo da água de alimentação da caldeira, nos ciclos regenerativos das grandes centrais termelétricas.

Turbina de Indução: Se em uma determinada instalação houver disponibilidade de dois fluxos de vapor, um de alta pressão e outro de média pressão, ambos podem ser combinados para acionar uma turbina de indução.

Condensação com Indução

• Quando existe a possibilidade de se fornecer vapor de baixa pressão em condições variáveis ou intermitentes.

• Quando a potência a ser gerada for maior do que aquela que poderia ser produzida com vapor de baixa pressão disponível.

Contrapressão com Indução

• Quando existe fornecimento variável ou intermitente de vapor vindo do processo ou quando o vapor de exaustão de outro equipamento pode ser aproveitado.

• Quando a potência a ser produzida é maior do que aquela que poderia ser gerada com o vapor disponível na entrada da turbina

Turbina com Extração-Indução: Em alguns casos particulares de instalações onde ora há um consumo de vapor de média pressão, ora há uma produção deste mesmo vapor, pode-se usar uma turbina com extração-indução.

Condensação com extração-indução

• Para fornecer vapor ao processo ou utilizar vapor vindo do processo quando este for disponível.

Contrapressão com Indução ou Sangria

• Quando em determinados períodos de tempo existir excesso de vapor à baixa pressão, e em outros períodos, falta.

Turbinas com duplo fluxo:

Em turbinas de condensação de potência elevada, as áreas necessárias à passagem do vapor crescem exageradamente nos últimos estágios da máquina, o que obrigaria o uso de palhetas de altura excessiva nestes estágios finais. Para diminuir os inconvenientes mecânicos que resultariam destas palhetas muito grandes, emprega-se nestes casos, turbinas com fluxo dividido na descarga.

Empacotamento ou arranjo de eixos: Esta classificação inclui

• Turbinas de componente cruzado.

¾ As turbinas usadas industrialmente dificilmente têm potência superior a 20.000HP (15 MW) e por isso são usualmente máquinas de carcaça única e conjunto rotativo único.

¾ Já para as turbinas de grande potência, usadas nas centrais termelétricas, cuja potência pode chegar a 1.200.000kW, a construção com carcaça única e conjunto rotativo único torna-se praticamente impraticável.

¾ Adotam-se, então, construções compostas, com mais de uma carcaça e mais de um conjunto rotativo.

Turbinas de simples empacotamento: Representam o arranjo básico, onde uma carcaça simples e um eixo são empregados para unidades similares.

Esta turbina tem uma construção típica para máquinas de pequena potência (até no máximo 100 HP). Possui apenas um estágio de pressão, mancais radiais de rolamento e partição vertical da carcaça, que são, todas as três, soluções construtivas empregadas somente em máquinas de pequena potência.

Turbinas de duplo componente: O arranjo é feito em duas ou mais carcaças com os eixos acoplados em linha e movendo um único gerador.

Turbinas de componentes cruzados: Apresentam dois ou mais eixos que não são arranjados em linha. Estes eixos movem dois geradores e normalmente operam em velocidades distintas.

Turbina composta em série, duplo fluxo, com reaquecimento:

¾ Nesta turbina composta em série o vapor é admitido na carcaça de alta pressão, onde trabalha através de seus vários estágios.

¾ O vapor reaquecido é admitido na seção de média pressão, onde trabalha do centro para a esquerda.

¾ O vapor descarregado desta seção é levado por uma tubulação externa para o centro da seção de baixa pressão, onde trabalha com fluxo dividido.

¾ Após percorrer a seção de baixa pressão o vapor é descarregado para o condensador.

Detalhes do projeto dos estágios: Para maximizar a eficiência das turbinas a vapor, o fluido de trabalho é expandido e realiza trabalho em um número de passos ou estágios.

¾ Estes estágios são caracterizados como a energia é extraída do vapor.

¾ Os estágios das turbinas a vapor podem ser de impulso (ação) e de reação.

¾ Em turbinas modernas, a combinação de ambos os tipos de estágio é empregada.

Duas maneiras, pelas quais e possível aproveitar a energia cinética obtida no expansor, para realização de trabalho mecânico:

Principio de ação Principio de reação

• Em um estágio de ação toda a transformação de energia do vapor (entalpia) em energia cinética ocorrerá nos expansores, em conseqüência haverá uma queda na pressão do vapor e um aumento da velocidade

• Na roda de palhetas móveis não haverá expansão (queda de pressão), pois as palhetas móveis têm seção simétrica e que resulta em áreas de passagens constantes para o vapor

• Não havendo expansão, a velocidade do vapor em ação às palhetas móveis ficará constante

• Não obstante, haverá uma queda de velocidade absoluta do vapor nas palhetas móveis, transformando assim a energia cinética, obtida nos expansores, em trabalho mecânico.

• Em uma turbina de reação comercial teremos sempre vários estágios, colocados em serie, sendo cada estágio constituído de um anel de expansores (também chamado de roda de palhetas fixas), seguido de uma roda de palhetas móveis

• Tanto as palhetas fixas, como as palhetas móveis têm seção assimétrica, o que resulta em áreas de passagens convergentes,para o vapor em ambas.

• Por esta razão, em uma turbina de reação comercial, parte da expansão do vapor ocorrerá nas palhetas fixas e parte ocorrerá nas palhetas móveis.

• Nas palhetas fixas teremos, portanto, uma expansão parcial do vapor, resultando em uma queda de pressão e em um aumento da velocidade.

• Nas palhetas moves ocorrerá o restante da expansão, resultando em uma segunda queda de pressão e em um aumento da velocidade do vapor em relação à palheta.

• Entretanto, mesmo havendo um aumento da velocidade do vapor em relação à palheta móvel, causada pela expansão, a velocidade absoluta do vapor nas palhetas móveis cairá, pois estas atuam, não só como expansores, mas também pelo princípio da ação, transformando a velocidade gerada em trabalho mecânico.

Turbina de ação simples ou de Laval:

• Este tipo de turbina consiste em um ou mais bocais fixos que descarregam vapor sobre uma fileira de palhetas moveis montadas num disco acoplado a um eixo (Rotor)

• A expansão do vapor ocorre completamente nos bocais

• As palhetas moveis não conseguem absorver toda a energia cinética do vapor, conseqüentemente a velocidade do vapor na saída é alta, constituindo-se numa perda de energia.

• Possui baixo rendimento, entretanto pela sua simplicidade de projeto e construção é recomendada para pequenas potências.

Turbina Curtis (Velocidade Escalonada):

• Como forma de aproveitar as perdas de energia experimentadas nas turbinas de ação simples (velocidade residual relativamente alta), são adicionadas duas ou mais filas de palhetas moveis, intercalando-se entre elas palhetas fixas.

• As palhetas fixas são montadas na carcaça e tem como único propósito direcionar o jato de vapor sobre as palhetas moveis.

Turbina Rateau (Pressão Escalonada):

• Ao invés de a queda total de pressão ocorrer em um único bocal (ou conjunto de bocais) a queda de pressão é dividida em duas ou mais fileiras de bocais.

• Com este arranjo se obtém um efeito semelhante ao que se teria com um arranjo de duas ou mais turbinas de Laval em série.

• A vantagem reside em que se pode obter uma velocidade de palhetas mais adequada em termos de resistência de materiais.

Turbina Curtis-Rateau:

• O desenvolvimento desta turbina partiu do principio de se conseguir velocidades de pás ideais (portanto maiores rendimentos) utilizando-se um uma combinação de estágios Curtis (escalonamento de Velocidade) e estágios Rateau (escalonamento de Pressão)

• O emprego do estágio Curtis ocasiona grande perda de pressão e de temperatura do vapor permitindo o uso de matérias mais leves e baratos nos estágios Rateau, assim como turbinas mais curtas.

Turbina Parsons:

• Este tipo de turbinas é constituído de múltiplos estágios de reação, que resulta em quedas parciais de pressão através de sucessivas fileiras de palhetas fixas e moveis.

• Com isto a queda de pressão em cada fileira de palhetas é pequena resultando em baixas velocidades do vapor em cada estágio.

• À medida que o vapor se expande, o seu volume específico aumenta, motivo pelo qual as fileiras sucessivas de palhetas tem suas dimensiones aumentadas de forma progressiva.

• Nos estágios de alta pressão ocorre fuga de vapor através das folgas entre as palhetas moveis e a carcaça, resultando em perda de eficiência, portanto evita-se usar turbinas de reação em turbinas de alta pressão.

• Para contornar essa situação prefere-se usar arranjos compostos como por exemplo a turbina Curtis-Parsons.

Turbina Curtis-Parsons:

Neste tipo usam-se os estágios de ação e reação de forma escalonada. Primeiro usa-se um estágio Curtis (por exemplo duas quedas de velocidade) para reduzir a pressão e temperatura do vapor e logo em seguida usa-se os estágios de reação.

Estágio de Ação em função (a) da velocidade e (b) da temperatura

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