Turbinas a vapor

Turbinas a vapor

1.0-INTRODUÇÃO

Turbina a vapor é uma máquina rotativa que consome energia térmica do vapor d´água transformando-a em energia mecânica.

Sua maior aplicação é no acionamento de bombas, compressores e geradores de energia elétrica.Embora inventada e conhecida a alguns séculos, seu desenvolvimento e aplicação de forma prática se deu principalmente nas últimas décadas.

Do ponto de vista termodinâmico a turbina a vapor ocupa umas posições favoráveis, transformando em energia mecânica relativamente grande parte da energia térmica que consome.Sua eficiência pode ser considerada boa,especialmente nas turbinas de grandes capacidades acionadas por vapor de alta pressão.

Do ponto de vista mecânico, a turbina a vapor pode ser considerada ideal ,pois a força de propulsão é aplicada diretamente no elemento de rotação da máquina,não sendo necessário,como no caso das máquinas alternativas a vapor,um dispositivo do tipo biela-manivela para transformar o movimento alternativo em rotativo.

Pelo fato de apenas possuir peças com movimento de rotação,não tem o inconveniente de desbalanceamento mecânico,como no caso das máquinas alternativas a vapor e à combustão interna.É um equipamento mecânico que se presta muito bem para o acionamento de máquinas que exigem torques constantes e rotações elevadas como no caso de bombas,geradores de energia elétrica e compressores rotativos.

Como as partes lubrificadas de uma turbina são os mancais principais,o sistema governador e as engrenagens do redutor de velocidade ,não existindo nenhuma parte de escorregamento linear como nas máquinas alternativas,o consumo de lubrificante é mínimo.Geralmente o óleo circula no sistema de lubrificação ,sendo refrigerado e filtrado,podendo ser usado por um longo período de tempo sem necessidade de substituição.Então o custo de lubrificação é baixo quando comparado com o de máquinas alternativas de potência equivalente.

2.0 -CLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS A VAPOR

As turbinas a vapor podem ser classificadas:

• pelo fornecimento de vapor e condições de exaustão;

• pelo princípio de funcionamento;

• pela direção do fluxo.

2.1 – Quanto ao fornecimento de vapor e condições de exaustão:

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

É o tipo de turbina mais empregado para geração de energia e a conexão de saída de vapor da turbina é ligada a um condensador para fazer vácuo.

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

2.2 – Quanto ao princípio de funcionamento:

2.2.1- Turbinas de ação:

Nas turbinas de ação, a queda de pressão do vapor ocorre somente em peças estacionárias.Nelas predomina a força de impulsão (figura 1.0 e 1.1) e os estágios podem ser de dois tipo:estágio de pressão,conhecido como Rateau e estágio e velocidade,conhecido com Curtis.

Figura 1.0 Figura 1.1

Em um estágio de ação toda a transformação de energia do vapor 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.

2.2.2 – Turbinas de reação:

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.

Figuras - Princípio da reação.

Nas palhetas movéis 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.

2.3 – Quanto a direção do fluxo:

As turbinas podem ser de fluxo radial,axial ou helicoidal.

3.0 – TIPOS DE TURBINAS:

3.1 -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.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 a construção é recomendada para pequenas potências.

3.2 -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.

3.3 - 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.

3.4 -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.

3.5 -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.

3.6 - 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.

4.0- COMPONENTES DAS TURBINAS A VAPOR

Os principais componentes de uma turbina a vapor são carcaça, eixo,mancais,rotor,vedação,bocais,palhetas móveis e diafragma.

  • Carcaça: É a parte fixa que envolve o equipamento,possuindo as conexões de entrada e saída para o vapor.Geralmente é envolvida por isolamento térmico para evitar perdas de calor e possíveis aquecimentos diferenciais.

  • Eixo: É a parte na qual é fixado o rotor.Apoia-se nos mancais e transmite o movimento de rotação ao equipamento acionado.

  • Mancais: São os apoios posicionadores e rotativos do eixo.Nas turbinas são normalmente lubrificados a óleo

  • Rotor(ou disco): É uma peça em forma de disco fixa ao eixo em cuja periferia são fixadas as palhetas móveis.

  • Vedação: É a parte da turbina que impede o vapor de sair para fora da carcaça pela folga existente entre o eixo e a carcaça.Existem dois sistemas principais de vedação: por anéis de labirinto e por anéis de carvão.

  • Bocais: São as partes fixas das turbinas e responsáveis pela transformação da energia de pressão do vapor em energia mecânica de velocidade.Podem ser do tipo convergente ou convergente-divergente.São instalados na entrada da turbina e entre as carreiras de palhetas móveis.

  • Palhetas móveis: São as peças fixas à periferia do rotor e responsáveis pela mudança de direção,ou de direção e intensidade da velocidade do vapor.São as peças da turbina que recebem o impulso motor.

  • Diafragma: É um disco fixo à carcaça onde são montada as palhetas fixas.Tem um furo central por onde passa o eixo, sendo provido de vedação para impedir o vazamento de vapor de um estágio para o segundo através da folga entre o referido furo e o eixo.

5.0 – VÁLVULAS

5.1-VÁLVULAS DE CONTROLE DE ADMISSÃO:

Uma vez que a turbina opera normalmente entre condições de vapor estáveis, as variações da cargadevem ser atendidas por meio do controle da vazão de vapor admitida na máquina.Esta função é executada, automaticamente, pelas válvulas de controle de admissão, sob controle de um dispositivo, o regulador (governador).

O regulador é ligado ao eixo da turbina (diretamente ou por meio de uma redução) e deve girar, portanto, a uma rotação igual ou proporcional à rotação da turbina. Se a vazão do vapor permanecer inalterada, haverá uma queda da velocidade da turbina e então o regulador sentirá esta queda de velocidade e comandará uma abertura maior das válvulas de controle de admissão· Haverá a passagem de uma vazão maior de vapor, necessária ao aumento da carga,restabelecendo assim a velocidade inicial.

5.2-VÁLVULAS DE CONTROLE DE EXTRAÇÃO

Algumas turbinas possuem uma retirada parcial de vapor, em um estágio intermediário, e portanto a uma pressão intermediária, entre a de admissão e a de descarga, conhecida como extração. Sabe-se que a pressão em um ponto qualquer ao longo da turbina varia, quando variam as condições de carga da turbina· Se a extração consistir simplesmente na retirada de vapor através de um flange, após um determinado estágio da máquina, a pressão do vapor extraído será influenciada pelas condições de carga da turbina. A este tipo de extração chamamos de extração não automática.Em alguns casos, como por exemplo na retirada de vapor para aquecimento regenerativo de água de alimentação de caldeira, esta flutuação na pressão do vapor extraído é perfeitamente aceitável.Em outras ocasiões, entretanto, como no caso das refinarias, deseja-se uma retirada de vapor, a pressão constante, para uso no processo ou para acionamento de máquinas menores. Para manter a pressão do vapor extraído constante, a despeito das flutuações da carga da turbina ou do consumo de vapor extraído, a turbina deverá ter um conjunto de válvulas de controle de extração. As válvulas de controle de extração funcionam de maneira semelhante às válvulas de controle de admissão, só que controladas pela pressão do vapor extraído, através do controlador de pressão de extração, e não pela velocidade da turbina, através do governador.

Qualquer aumento incipiente da pressão de extração, seja causado por flutuação da carga da turbina ou do consumo de vapor extraído, é sentida pelo controlador de pressão de extração.O controlador de pressão de extração comandará uma abertura maior da válvula de extração, permitindo restabelecer a pressão no nível controlado. Em caso de diminuição da pressão de extração a ação do controlador de pressão de extração seria inversa, comandando o fechamento da válvula de extração. O tipo de extração, com controle de pressão, é chamado de extração automática. Quando a extração é feita em alta ou média pressão, tem construção semelhante às válvulas de controle de admissão. Em extrações a baixa pressão, entretanto, é comum o uso de válvulas tipo grade(figura a), que proporcionam melhor área de passagem, necessária devido ao aumento do volume específico do vapor, que ocorre com a queda da pressão.

Figura a: Válvula de controle de extração, tipo grade, para baixa pressão

5.3 -VÁLVULAS DE BLOQUEIO AUTOMÁTICO

A maneira usual de parar uma turbina a vapor é pelo fechamento rápido de uma válvula, chamada válvula de bloqueio automático,Ela é colocada em série com a válvula de controle de admissão, o que corta totalmente a admissão de vapor para a turbina. Esta válvula é também conhecida como válvula de desarme rápido e como válvula de "trip". Em uma turbina de uso geral a válvula de bloqueio automático é mantida, durante a operação da turbina, totalmente aberta, contra a ação de uma mola, travadas por um conjunto de alavancas externas. Estas alavancas são conhecidas como gatilho e alavancas de “trip”. O gatilho de “trip” pode ser acionado pelo dispositivo de desarme por sobre-velocidade ou manualmente pelo operador. Em ambos os casos liberando a alavanca de “trip”, que sob a ação da mola, fechará a válvula de bloqueio automático,cortando a admissão de vapor e parando a turbina.

Válvula de bloqueio automático de uma turbina de uso geral com acionamento

Mecânico

6.0- LUBRIFICAÇÃO

A lubrificação é o processo pelo qual se interpõe uma substância entre duas superfícies dotadas de movimento relativo,acarretando diminuição da perda de energia por fricção,redução de aquecimento,diminuição de desgaste e proteção contra a corrosão..

As turbinas a vapor,como qualquer máquina também precisam de lubrificação e esta pode ocorrer por duas formas: Lubrificação por anel em banho de óleo e por lubrificação forçada.

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 mancal fica repousado 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 Carter para o eixo e daí para o mancal.

Já nas turbinas de grande porte a lubrificação é normalmente feita por um sistema de circulação forçada de óleo.O óleo também serve para o sistema hidráulico de regulagem da turbina.

Uma bomba principal de óleo, acionada pelo eixo da turbina,aspira o óleo do cárter e descarrega no sistema.O óleo passa por um filtro e após parte do óleo vai para o sistema de regulagem, voltando desses elementos ao cárter.Outra parte do óleo passa por um resfriador e vai 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 lubrificação.

Além da bomba principal de óleo, existe uma bomba auxiliar com dispositivo para entrar automaticamente em operação quando houver falha na principal.

7.0- REFERÊNCIAS:

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