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Curso de Graduação em Engenharia Mecânica

Disciplina: Tecnologia do Calor I – MEC 4028-2

Período: 4º - 2º semestre de 2007

Professor: Otavio Henrique Paiva Martins Fontes Aula nº 5: Turbinas a Vapor

Turbinas a Vapor

Definições Princípios Básicos de Funcionamento

Elementos de Construção de Turbinas a Vapor

Classificação das Turbinas a vapor

Projeto e dimensionamento de Turbinas

Dispositivos de regulagem e segurança

Materiais empregados

Manutenção e reparo de turbinas a vapor

Turbinas a Vapor - Definições

Turbinas a Vapor são Máquinas Térmicas que utilizam a energia do vapor sob forma de energia cinética. Deve-se transformar em energia mecânica a energia contida no vapor sob a forma de energia térmica e de pressão.

A história registra a construção de dispositivos rudimentares, que se baseavam nos princípios de ação ou de reação das turbinas atuais em épocas longínquas.

O desenvolvimento da turbina a vapor, como um tipo realmente útil de acionador primário até a sua forma atual, ocorreu somente nos últimos setenta anos.

Turbinas a Vapor - Definições

As turbinas de uma forma geral, são motores rotativos que convertem em energia mecânica a energia de uma corrente de água (turbinas hidráulicas), vapor d'água (turbinas a vapor) ou ar (turbinas a gás). O elemento básico da turbina é a roda ou rotor, que conta com palhetas, hélices, lâminas ou cubos colocados ao redor de sua circunferência, de forma que o fluido em movimento produza uma força tangencial que impulsiona a roda, fazendo-a girar.

Turbinas a Vapor - Definições

Figura 1 – Turbina “Tipo Francis”, utilizada na Hidrelétrica de Itaipu

Turbinas a Vapor - Definições Turbinas a Vapor - Definições

Princípios Básicos de Funcionamento

Em uma turbina a vapor a transformação de energia do vapor em trabalho é feita em duas etapas: inicialmente, a energia do vapor é transformada em energia cinética. Para isso o vapor é obrigado a escoar através de pequenos orifícios, de formato especial, denominados expansores, onde, devido à pequena área de passagem, adquire alta velocidade, aumentando sua energia cinética, mas diminuindo, em conseqüência, sua entalpia (energia).

Em um expansor, além do aumento de velocidade e da diminuição da entalpia, ocorrem também queda na pressão, queda na temperatura e aumento no volume específico do vapor.

Princípios Básicos de Funcionamento

Na segunda etapa da transformação, a energia cinética obtida no expansor é transformada em trabalho mecânico.

Esta transformação de energia pode ser obtida de duas maneiras diferentes: segundo os princípios da Ação eu Reação.

Assim sendo os princípios da Ação e Reação são as duas formas básicas como podemos obter trabalho mecânico através da energia cinética inicialmente obtida.

Princípios Básicos de Funcionamento

Figura 2 - (A e B) Turbinas de Reação e Ação; (C e D) Princípios da Reação e Ação C

Princípios Básicos de Funcionamento

Se o expansor for fixo e o jato de vapor dirigido contra um anteparo móvel, a força de ação do jato de vapor irá deslocar o anteparo, na direção do jato, levantando o peso W.

Se, entretanto o expansor puder mover-se, a força de reação, que atua sobre ele, fará com que se desloque, em direção oposta do jato de vapor, levantando o peso W.

Em ambos os casos a energia do vapor foi transformada em energia cinética no expansor e esta energia cinética, então, convertida em trabalho.

Princípios Básicos de Funcionamento

Newton afirmou que é necessário exercer uma força para mudar a velocidade (tanto em módulo como em direção) de um corpo em movimento. Este princípio está ilustrado na caixa D da figura 2. O jato de vapor (um corpo em movimento) tem sua velocidade modificada pelo anteparo circular, colocado em seu caminho. A força resultante move o anteparo, na direção do jato, e levanta o peso W. Este é o Princípio da Ação.

Princípios Básicos de Funcionamento

Newton estabeleceu que a cada ação corresponde uma reação igual (de mesma intensidade) e contrária.

Esta lei é a base teórica que explica o funcionamento tanto de um foguete espacial ou de um avião a jato puro.

Imagine que a caixa D da figura 2 não tenha abertura alguma e esteja cheia de vapor sob pressão. A pressão agindo em qualquer parede equilibra exatamente a pressão agindo na parede oposta e, havendo balanceamento de forças, a caixa permanecerá em repouso.

Princípios Básicos de Funcionamento

Entretanto, se fizermos um furo em um dos lados da caixa e colocarmos neste furo um expansor, haverá, através do expansor, um jato de vapor e a pressão no expansor será menor do que a pressão no ponto correspondente da parede oposta. O desbalanceamento de forças, então produzido, fará a caixa mover-se na direção oposta a do jato de vapor. Este é o Princípio da Reação.

Elementos de Construção de Turbinas a Vapor

Uma turbina a vapor é composta basicamente dos seguintes componentes:

Estator (roda fixa);

Rotor (roda móvel);

Expansor;

Palhetas;

Diafragmas;

Disco do rotor;

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