Baixe Turbinas a Vapor e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Química, somente na Docsity! Curso de Graduação em Engenharia Mecânica Disciplina: Tecnologia do Calor II – 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 Figura 1 – Turbina “Tipo Francis”, utilizada na Hidrelétrica de Itaipu Turbinas a Vapor - Definições Francis Turbine [Fluid inlet | animation produced by SELLIC Online 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  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. Elementos de Construção de Turbinas a Vapor ESTATOR (RODA FIXA)  É o elemento fixo da turbina (que envolve o rotor) cuja função é transformar a energia potencial (térmica) do vapor em energia cinética através dos distribuidores; ROTOR (RODA MÓVEL)  É o elemento móvel da turbina (envolvido pelo estator) cuja função é transformar a energia cinética do vapor em trabalho mecânico através dos receptores fixos. EXPANSOR  A função do expansor é orientar o jato de vapor sobre as palhetas móveis. No expansor o vapor perde pressão e ganha velocidade. Podem ser convergentes ou convergentes-divergentes, conforme sua pressão de descarga seja maior ou menor que 55% da pressão de admissão. São montados em blocos com 1, 10, 19, 24 ou mais expansores de acordo com o tamanho e a potência da turbina e conseqüentemente terão formas construtivas específicas, de acordo com sua aplicação. Elementos de Construção de Turbinas a Vapor Figura 3 – Estator, eixo do rotor e palhetas móveis. Elementos de Construção de Turbinas a Vapor Figura 4 - Estator Elementos de Construção de Turbinas a Vapor Figura 5a – Detalhe esquemático de alguns dispositivos de fixação de palhetas. Figura 6 – Fixação das palhetas móveis Elementos de Construção de Turbinas a Vapor Figura 7 – Exemplo de palhetas Elementos de Construção de Turbinas a Vapor DISCO DO ROTOR  É a peça da turbina de ação destinada a receber o empalhetamento móvel. TAMBOR ROTATIVO  É basicamente o rotor da turbina de reação, que possui o formato de um tambor cônico onde é montado o empalhetamento móvel. COROA DE PALHETAS  É o empalhetamento móvel montado na periferia do disco do rotor e dependendo do tipo e da potência da turbina pode existir de uma a cinco coroas em cada disco do rotor. Elementos de Construção de Turbinas a Vapor  É uma tira metálica, secionada, presa às espigas das palhetas móveis com dupla finalidade: aumentar a rigidez do conjunto, diminuindo a tendência à vibração das palhetas e reduzindo também a fuga do vapor pela sua periferia.  São utilizadas nos estágios de alta e média pressão envolvendo de 6 a 8 palhetas cada seção. Nos estágios de baixa pressão, é substituído por um arame amortecedor, que liga as palhetas, não por suas extremidades, mas em uma posição intermediária mais próxima da extremidade que da base da palheta (Figura 9). Elementos de Construção de Turbinas a Vapor Figura 9 - Aro de consolidação, Disco rotor, e Coroa de palhetas Elementos de Construção de Turbinas a Vapor Figura 11 – (A) Selagem de baixa pressão; (B) Selagem de alta pressão. Elementos de Construção de Turbinas a Vapor DEFLECTORES DE ÓLEO  Tem por finalidade evitar que um possível vazamento axial de óleo, venha a contaminar o sistema de alimentação por intermédio da drenagem do engaxetamento, ou vice-versa, que o vapor venha a se condensar no mancal, causando a contaminação do óleo que ali trabalha. Elementos de Construção de Turbinas a Vapor CARCAÇA  A carcaça de uma turbina nada mais é que o suporte das partes estacionárias tais como diafragmas, palhetas fixas, mancais, válvulas, etc. Na grande maioria das turbinas são de partição horizontal, na altura do eixo, o que facilita a manutenção. MANCAIS DE APOIO (RADIAIS)  São distribuídos, normalmente, um em cada extremo do eixo da turbina com a finalidade de manter o rotor numa posição radial exata. Os mancais de apoio suportam o peso do rotor e também qualquer outro esforço que atue sobre o conjunto rotativo, permitindo que o mesmo gire livremente com um mínimo de atrito. São na grande maioria mancais de deslizamento, como mostra a Figura 12, constituídos por casquilhos revestidos com metal patente, com lubrificação forçada (uso especial) o que melhora sua refrigeração e ajuda a manter o filme de óleo entre eixo e casquilho. Elementos de Construção de Turbinas a Vapor  VÁLVULAS DE CONTROLE DE ADMISSÃO  Após estabilizada, a turbina opera entre condições de vapor estáveis, nas quais as variações da carga devem 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, girando, portanto, a uma rotação igual ou proporcional à rotação da turbina, e sente as flutuações da carga por intermédio de seu efeito sobre a velocidade da turbina. Assim, quando ocorre, por exemplo, um aumento de carga, se a vazão do vapor permanecer inalterada, haverá uma queda da velocidade da turbina. Elementos de Construção de Turbinas a Vapor  O regulador sente esta queda de velocidade incipiente e comanda uma abertura maior das válvulas de controle de admissão, permitindo a passagem de uma vazão maior de vapor, necessária ao aumento da carga e ao estabelecimento da velocidade inicial. Existem dois tipos básicos para as válvulas de controle de admissão: a construção “multi-valve” e a construção “single-valve”. Elementos de Construção de Turbinas a Vapor  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. Como a pressão em um ponto qualquer ao longo da turbina varia, quando variam as condições de carga da turbina, se a extração consistir simplesmente em um flange, através do qual poderemos retirar vapor, após um determinado estágio da máquina, a pressão do vapor extraído será influenciada pelas condições de carga da turbina. Classificação das Turbinas a Vapor  Os dispositivos apresentados na figura 2 mostram apenas os princípios básicos de funcionamento.  A partir destes princípios iremos derivar uma TURBINA DE AÇÃO E DE REAÇÃO.  Se tivermos um expansor, montado em uma câmara de vapor estacionária, dirigindo um jato para uma palheta, montada na periferia de uma roda, teremos uma turbina de ação elementar.  Obs.: expansor é o órgão ou componente cuja função é orientar o jato de vapor sobre as palhetas móveis. No expansor o vapor perde pressão e ganha velocidade. Classificação das Turbinas a Vapor  Em uma turbina de ação real teremos, a não ser em máquinas de potência muito pequena, não apenas um, mas vários expansores, em paralelo, constituindo um arco ou um anel de expansores, conforme ocupem apenas parte ou toda a circunferência. Os anéis de expansores são também conhecidos como rodas de palhetas fixas. Os expansores dirigem seu jato de vapor na direção não de uma palheta, mas de uma roda de palhetas móveis, conforme ilustra a Figura 14: Figura 14 – Estágio de Ação Classificação das Turbinas a Vapor  Vapor em alta velocidade incide sobre Palhetas Móveis  Conversão de Energia Cinética em Mecânica  Vapor atravessa Palhetas Móveis a pressão constante atuando sobre elas através de sua velocidade  Queda de Pressão de Vapor nos Bocais e Queda de Entalpia associada  Transformação da variação de Entalpia em Energia Cinética Figura 15 – Exemplo de turbina de ação. Classificação das Turbinas a Vapor  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.  Isto representa um desvio do princípio de reação puro, segundo o qual toda a expansão deveria ocorrer nas palhetas móveis.  O que chamamos comercialmente de turbina de reação é uma combinação com grandes saltos de entalpia (energia) e onde a preocupação com a eficiência é essencial, possibilitando a ocorrência de velocidades excessivas nas palhetas, incompatíveis com sua resistência mecânica. Classificação das Turbinas a Vapor  A solução para o problema é dividir o aproveitamento do salto de entalpia em vários saltos menores, subseqüentes, que chamamos de estágios. Máquinas de grande potência tem vários estágios, colocados em série, podendo ser tanto de ação como de reação.  Nas palhetas fixas teremos uma expansão parcial do vapor, resultando em uma queda de pressão e em um aumento da velocidade.  Nas palhetas móveis ocorrerá o restante da expansão, resultando em uma segunda queda de pressão e em um aumento da velocidade do vapor em relação à palheta. Classificação das Turbinas a Vapor  Sendo assim podemos dividir as turbinas quanto aos seguintes critérios:  Quanto ao arranjo dos estágios;  Quanto a direção do fluxo de vapor;  Com relação a seqüência de fluxo de vapor;  Quanto a ligação ao equipamento acionado;  Quanto a pressão de descarga. Classificação - Quanto ao arranjo dos estágios  É importante notar que não há expansão nas palhetas guias, permanecendo constantes, ao longo delas, tanto a pressão como a velocidade.  Por este motivo, estas palhetas têm um formato simétrico e seções constantes, à semelhança das palhetas móveis de estágios de ação. O estágio de velocidade, que acabamos de descrever é mostrado a direita da Figura 5.  As Palhetas Fixas/Bocais convertem a Energia Térmica em Energia Cinética e redirecionam o fluxo de vapor.  As Palhetas Móveis convertem a Energia Cinética em trabalho. Classificação - Quanto ao arranjo dos estágios  TURBINAS “RATEAU” (AÇÃO)  Trata-se de uma turbina de ação tangencial, desenvolvida inicialmente pelo francês Rateau em 1890, com escalonamentos de pressão.  Ao invés de uma queda total da pressão de vapor ocorrer em um único grupo de expansores, essa queda poderá ser dividida em uma ou mais etapas.  Ao deixar a primeira turbina, ao invés de ser descarregado passa por um segundo grupo de expansores, para em seguida passar por uma segunda seção de palhetas móveis. E assim sucessivamente, em função do número de estágios.  Como uma única queda de pressão ocorre nos expansores, cada conjunto de um grupo de expansores e da ordem de palhetas seguinte constitui a turbina denominada “Rateau”. E cada um dos estágios que a constitui um estágio “Rateau”. Classificação - Quanto ao arranjo dos estágios Figura 19 – Esquema de uma Turbina “Rateau”. Classificação – Quanto a direção do fluxo  Podem ser classificadas de acordo com a direção do fluxo de vapor em relação ao eixo ou ao rotor:  Turbinas de fluxo axial;  Turbinas de fluxo radial: centrífuga e centrípeta; e  Turbinas de fluxo tangencial helicoidal.  Turbinas de Fluxo Axial  São aquelas nas quais o vapor percorre uma direção paralela ao seu eixo.  São ainda empregadas com qualquer grau de expansão pois são de fácil construção, bastando para tal aumentar o nº de estágios.  Todas as turbinas de propulsão e as turbinas que acionam geradores elétricos são axiais. (vide figura 24) Classificação – Quanto a direção do fluxo Figura 21 – Turbina Axial (Turbo –Gerador). Classificação – Quanto a direção do fluxo  Turbinas de Fluxo radial  O percurso de vapor ocorre na direção do raio geométrico e as palhetas são montadas perpendicularmente à superfície plana do disco.  Dividem-se em radial centrífuga (a admissão do vapor é feita do eixo para a periferia do rotor) e radial centrípeta (a admissão do vapor é feita da periferia do rotor para o eixo). Classificação – quanto a pressão de descarga  Turbinas de Condensação: quando a pressão de descarga for menor que a pressão atmosférica  Turbinas de Contra-Pressão (ou não-condensante): quando a pressão de descarga for maior que a pressão atmosférica. Classificação – quanto a pressão de descarga Figura 22 – Turbinas Condensantes Classificação – quanto a pressão de descarga Figura 23 – Turbinas não-condensantes Classificação – quanto a pressão de descarga g) Turbinas com duplo fluxo: em turbinas de condensação de potência elevada, as áreas necessárias à passagem do vapor crescem consideravelmente 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. Projeto e dimensionamento de turbinas a vapor Projeto e dimensionamento de turbinas a vapor  O projeto e dimensionamento de uma turbina a vapor, passa fundamentalmente pelos seguintes aspectos:  Definição da potência que se deseja gerar;  Estudo termodinâmico da quantidade de energia que deseja-se produzir;  Dimensionamento da turbina para a potência desejada: esquema de velocidades, quantidade de palhetas por estágios, quantidade de estágios, materiais a serem empregados (temperaturas de trabalho);  Dimensionamento dos demais elementos de construção. Dispositivos de regulagem e segurança  Controle dos desarmes (“TRIPS”)  Desarme de sobrevelocidade (TRIP de velocidade);  Desarme de baixa pressão de óleo lubrificante (TRIP OL); Materiais Empregados  Os componentes de uma turbina estão submetidos a diferentes condições de serviço (pressão, temperatura, esforços mecânicos,etc.).  Assim sendo, a condição de equilíbrio entre custo x benefício, prevalecerá na definição dos critérios de dimensionamento e especificação dos diversos materiais empregados na fabricação destes componentes.  O controle dos materiais a serem empregados é definido através de ensaios mecânicos e não-destrutivos, a saber: tração, compressão, flambagem, fadiga, fluência, ensaios químicos, metalográficos e elétricos, etc., em peças acabadas ou em processo de fabricação. Materiais Empregados  As partes críticas de uma turbina, metalurgicamente falando, são aquelas em contato com o vapor de admissão (alta pressão e alta temperatura) visto que as características mecânicas do material sofrerão alterações microestruturais com a com a elevação da temperatura.  A partir de uma dada temperatura e combinado com esforços cíclicos, surge o fenômeno de fluência no aço que promove modificação da resistência mecânica e queda do módulo de elasticidade (rigidez do material).  Cabe ressaltar que os materiais de uma forma genérica devem atender alguns requisitos, tais como:  boa resistência à oxidação e corrosão;  boa estabilidade estrutural sob elevada temperatura durante um espaço de tempo prolongado;  apresentar dureza superficial para resistir a erosão (palhetas B.P. em turbinas de condensação);  Possuir boa soldabilidade. Materiais Empregados PALHETAS  Os seguintes requisitos devem ser considerados no projeto de palhetas:  O desempenho termodinâmica e a eficiência da palheta;  A resistência mecânica para a temperatura de trabalho;  O comportamento relacionado a vibração; e  Resistência à corrosão/erosão.  De uma forma geral as palhetas de turbinas são fabricadas em aço inoxidável ferrítico.  Suas principais características são:  boa resistência mecânica em temperaturas elevadas;  boa capacidade de amortecimento de vibrações; e  boa resistência à erosão. Materiais Empregados EXPANSORES  Os expansores de uma turbina de ação podem estar colocados em um arco de expansores (primeiro estágio ou estágio único) ou em um anel de expansores.  O arco de expansores usado no primeiro estágio de máquinas multi-estágio é obtido pela usinagem individual dos expansores, a partir de blocos de aço inoxidável ferrítico com 12% Cr. Estes expansores são então encaixados e soldados no arco de expansores.  Os diafragmas dos estágios intermediários, onde a pressão é mais elevada, são soldados. Já os diafragmas dos estágios finais, onde a pressão é menor, são normalmente fundidos. Em ambos os casos os expansores são de aço inoxidável ferrítico com 12% Cr. As partes estruturais (externas e internas) são de aço carbono nos diafragmas fundidos. Materiais Empregados SELAGEM  Nas selagens externas para resistir à corrosão, em uma condição de condensação contínua de vapor, todos os componentes da selagem, como labirintos, espaçadores dos anéis de carvão, molas, devem ser de material resistente à corrosão,tais como aço inoxidável ou superligas de Cr-Ni como monel, inconel, hastelloy, etc. MANCAIS a) Mancais radiais (apoio) Os casquilhos dos mancais de apoio podem ser de aço, bronze ou ferro fundido, sempre revestidos internamente por uma camada de metal patente. Os moentes (ou colos) dos eixos (regiões de trabalho dos mancais radiais) devem ser usinados de maneira a apresentar um ótimo acabamento superficial, pois qualquer irregularidade poderá prejudicar a formação da “bolsa” (filme) de óleo essencial ao correto funcionamento do mancal. Manutenção e Reparo de Turbinas a Vapor Alguns conceitos:  Manutenção Preventiva: revisões baseadas em horas equivalentes de operação e paradas programadas; Monitoramento de todas as condições e parâmetros de operação.  Recuperação (“overhal”): Retrofit; Recuperação e a modernização/automação Manutenção e Reparo de Turbinas a Vapor Ciclo Rankine Ideal Turbina - Processos reversíveis Calcera - Sem perdas de pressão na caldeira e q. condensador + - Processos isentrópicos e adiabáticos na turbina e bomba Manutenção e Reparo de Turbinas a Vapor  Manutenção: preservação e restauração à condição desejada, e determinação e avaliação da condição atual.  Inspeção: determinação e avaliação do estado atual do equipamento e de seus componentes;  Revisão: restauração da condição inicial.  Desgastes em função do tempo Como conseqüência de reações físicas e/ou químicas, todos componentes estão sujeitos a desgastes. Podem ser classificados como: naturais, fadiga, corrosão e falhas e/ou rupturas repentinas (catastróficas). Manutenção e Reparo de Turbinas a Vapor Pontos de desgastes em Turbinas à Vapor Manutenção e Reparo de Turbinas a Vapor  SEGMENTOS INJETORES  Alguns problemas possíveis: bordas de saída do vapor desgastadas devido a impacto de partículas sólidas; impacto por elementos sólidos. Manutenção e Reparo de Turbinas a Vapor  PALHETAS E LABIRINTOS  Corrosão (“pittings”);  Impactos por objetos ou partículas estranhas;  Incrustações;  Aumento das folgas devido a desgaste;  Erosão;  Desgaste do material por erosão/corrosão. Manutenção e Reparo de Turbinas a Vapor * Erosão e corrosão devido à: > Qualidade do vapor e > Deficiência na operação Manutenção e Reparo de Turbinas a Vapor * Danos mecânicos devido à! ” Toques de partes fixas com móveis e Rua por corpos estranhos Manutenção e Reparo de Turbinas a Vapor Recuperações, Atualizações e Modernizações