4 turbinas a vapor

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4 turbinas a vapor

  1. 1. IV - TURBINAS A VAPOR 1. GENERALIDADES 1.1 Introdução 1- de combustão externa: de êmbolo – máquina a vapor rotativo – turbina a vapor MOTORES 2 - de combustão interna: de êmbolo –p/ faísca, p/ injeção TÉRMICOS rotativo – turbinas a gás pulso-jato 3- de ar comprimido (britadeiras, aparafusadeiras, brocas de dentista) Esquema de uma unidade de geração de potência a vapor. 1.2 – Vantagens das turbinas em relação às máquinas a vapor - Movimento rotativo (pouca vibração) - Menor relação peso/potênci - Melhor rendimento –menor atrito, sem a perda "triangular" - Menor espaço ocupado - Menor custo de manutenção (embora exija manutenção especializada) - Permitem grandes potências 1.3 Evolução das turbinas a vapor Maiores turbinas a vapor ≈ 1000 MW (equivale a 10.000 motores de 136 CV) Maiores turbinas a gás < 10% pot. das maiores TV Maiores motores Diesel < 5% pot. das maiores TV
  2. 2. 1.4 – Aplicações - Centrais termelétricas (convencionais e nucleares para geração de energia elétrica) - Propulsão de navios e submarinos - Acionamento de máquinas em geral como bombas, compressores, geradores elétricos, ventiladores, secadores de papel, etc. 1.5 – Partes principais: - carcaça com bocais fixos (também chamados de expansores) - eixo rotor com palhetas ou bocais móveis - mancais - sistema de controle de potência - sistema de segurança contra disparo - sistema de lubrificação
  3. 3. `
  4. 4. 1.6 Classificação a) Quanto ao funcionamento: - turbinas de ação – a expansão do vapor ocorre só nos bocais fixos. Não há expansão do vapor enquanto o mesmo passa pelas palhetas do rotor. - turbinas de reação – 0 vapor expande também enquanto passa pelas palhetas do rotor, as quais têm formato de bocais. O aumento da velocidade causa um efeito de reação sobre as palhetas.
  5. 5. b) Quanto à construção: - Axiais – mais comuns, mais usadas
  6. 6. - Radiais – direção ao fluxo de vapor é normal ao eixo do rotor.
  7. 7. 1.7 Tipos básicos de TV com relação à pressão na entrada, na saída e nas extrações: - Turbina de alta pressão – corpo longo, muitos estágios - Turbina de baixa pressão – corpo curto, poucos estágios - Turbina de condensação – com condensador na saída - Turbina de contra pressão – pressão na saída > para atmosférica - Turbina contra extração – para vapor de média pressão em estágio intermediário 2. Turbina elementar de ação ( Turbina de Laval ) 2.1 Definição, funcionamento É uma turbina de ação de um único estagio. 1° O vapor ao passo para bocal fixo sofre expansão e aumenta velocidade. Ao passar para bocal então ocorre transformação de energia térmica ( entalpia ) em energia cinética ( velocidade ). 2° O vapor a alta velocidade incide sobre pás moveis cedendo parte de sua energia para o rotor /eixo da turbina, para transferencia de quantidade de movimento. Vantagens: construção simples, carcaça sujeita só a pressão de escape. Desvantagem: pequenos Δh para não prejudicar η, pequenas potências.
  8. 8. 2.2- Perdas na turbina de Laval: a) Perdas periféricas: Z1 – Perdas por atrito, choques e turbulência no escoamento do vapor nos bocais e nas pás ( ) ( )[ ]2 2 2 1 2 1 2 i1 wwcc 2 1 Z −+−= [kJ/kg] Z2 - Perda por velocidade do vapor na saída 2 c Z 2 2 2 = [kJ/kg]
  9. 9. b) Perdas internas: Z3 - Perda por fuga de vapor: devido às folgas e escape nas vedações. Normalmente prevista por experiências ou literatura e dada em porcentagem. Z3 = f ( Δp, folgas, vedações ) Z4 - Perda Stodola: Efeito "ventilador" do disco do rotor sobre o vapor (o qual é arremessado radialmente devido à velocidade de rotação) e também por atrito das faces do rotor com o vapor. Z4 = f ( n , D, L, B, γ ). Normalmente previsto por equações empíricas encontradas na literatura de turbinas. Exemplo: NSTOD = x ( 1,8 D2 + α D (L+B) )= 6 3 10 u γ [CV] u= m/s γ [kgf/m3 ] peso específico do vapor x= 1 para disco livre x= 0,25 – 0,5 para disco em caixa α= 0,7 para baixos coef. de injeção ( 1 a 4 bocais fixos) α= 0,5 para injeção total Z5 - Perda de calor para o ambiente: geralmente muito pequena, pode ser desprezada para turbinas com bom isolamento térmico. Z6 - Perdas mecânicas: atrito nos mancais, nas vedações e energia dissipada por vibrações. Pode também ser incluída a energia consumida para bombas lubrificação e de óleo hidráulico para comando da turbina. 2.3- Rendimentos São calculados em função das perdas. Saltos térmicos: Ideal - ihΔ = h1 - h2i [kJ/kg] Periférico - ( )21 ZZhh ik +−Δ=Δ " Interno - Δhint = ( )54321 ZZZZZhi ++++−Δ " Efetivo - 6 1ief hh ∑−Δ=Δ Zi " Rendimento periférico (ηk)– considera perdas Z1 e Z2 ( perdas periféricas ) i k h hk Δ Δ =η
  10. 10. Rendimento interno (ηint) – considera todas as perdas internas, exceto as perdas mecânicas. i int h hint Δ Δ =η Rendimento efetivo (ηe) – considera todas as perdas. mint i e h he ηη= Δ Δ =η Rendimento mecânico – só considera as perdas mecânicas. int m h he Δ Δ =η Exemplos: Pe [kW] ηe [ % ] 100 40-50 500 60-65 1000 67-72 20000 80-85 2.4- Potência da turbina Sendo vm& a vazão mássica de vapor fornecida à turbina [kg/s], a equação geral para o cálculo da potência de uma turbina é: hmP v Δ= & [kW] a) Potência teórica (ou ideal) – a que está disponível no vapor ("potência térmica"). ivi hmP Δ= & b) Potência periférica: a que chegou nas palhetas do rotor. kvk hmP Δ= & c) Potência interna: a que chegou no eixo: intvint hmP Δ= & d) Potência efetiva: enttregue pelo eixo da TV à máquina por ela acionada. eve hmP Δ= &
  11. 11. 3) Turbinas com estágios de pressão (tipo RATEAU) 3.1- Constituição e operação Quando o Δhi é elevado resulta ci alto e p/ condição de ηk max o "u" também é muito elevado. A solução é dividir o Δhi em estágios para que o u desça a valores aceitáveis. As pressões intermediárias são funções das entalpias de entrada de cada estágio.
  12. 12. 3.2- Número de estágios 1- Salto térmico ideal total - Δhi t = h1 – h2i 2- Velocidade periférica: calculada ou adotada u= 60 DnΠ 3- Cálculo de Ci : ic u = x 2 cos 1αϕ 4- Salto térmico ideal para estágio. Δhi= g A 2 Ci 2 [ Kcal/Kg ] 5- Numero de estágios: ne= i iT h h Δ Δ → no arredondamento deve-se verificar se o “u” está aceitável. 3.3- Perdas na turbina de ação com estágios de pressão ( ) ( )[ ]2 2 2 1 2 1 2 i1 wwcc 2 1 Z −+−= [kJ/kg] (para cada estágio) 2 c Z 2 2 2 = [kJ/kg] (só no último estágio) As perdas Z3 e Z4 são calculados para cada estágio, como feito para a turbina elementar de Laval, e somadas. Para projeto Z3 ( fugas ) e Z5 ( calor para ambiente ) podem ser desprezadas. A perda Z6 é normalmente obtida a partir do rend. Mecânico. Por exemplo: P (kW) 100 300 500 1000 1500 5000 10000 20000 ηm (%) 92 94 95 96 97 98 99 99,5 3.4 – Potências São calculadas exatamente como para a TV de um estágio. Ver item 2.4.
  13. 13. 4 - Turbinas com Estágio de Velocidade (tipo CURTIS) 4.1- Constituição, funcionamento Carcaça, bocal (is) de expansão fixo (s) e sequência de palhetas móveis e palhetas inversoras. A pressão cai apenas nos bocais fixos de entrada. A velocidade diminui a cada estágio. As palhetas inversoras apenas mudam a direção do vapor para entrar no próximo estágio. O número de estágios é geralmente 2, mas pode ser até 4, porém com muita diminuição no rendimento. São usadas para potência de até 2000 CV (1500 kW). Vantagens: - velocidade perif. menor para um mesmo Δhi , quando comparada a TV com estágios depressão. - carcaça só sob P2 de saída.
  14. 14. 4.3 – Perdas na Turbina Curtis Z1 – deve ser calculada para os bocais fixos e para toda a seqüência de pás móveis e inversos. Para 2 estágios de velocidade termos: Z1= ( ) ( ) ( ) ( )[ ]2 2 2 1 2 1 2 2 2 2 2 1 2 1 2 2 WWCCWWCC g A i −+−+−+− ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ kg kJ ↑ ↑ ↑ ↑ Bocais Pás Móveis Pás Pás Móveis Fixos 1ª est. Inversoras 2ª est. Z2= 2 2 2 C g A ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ kg kJ ( só no último estágio ) Fugas de vapor: Z3 pode ser desprezada ( pressões constantes ). Perda Stodola: Z4 pode ser desprezada porque γ é baixo por baixa pressão nos estágios. Calor para o ambiente: Z5 pode ser desprezada se bem isolada termicamente. Perdas mecânicas: Z6 em função de mη (ver itens 2.3 e 3.3). 4.4 –Rendimentos a) Condição de rendimento periférico máximo: 2 cos1 1αϕ ei nc u =⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ Devido ao fator en/1 é possível ter-se velocidade periférica mis baixos. De ( 1 ) temos que Ci= ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ 2 cos 1αϕ une Ou seja ne vezes maior Como Δhi= 2 2 iC g A ( depende do quadrado de Ci ) O salto isoentrópico permissível para ne estágios de velocidade será: ( Δhi )ne = n2 e ( Δhi )1 est. Pressão No entanto o comportamento de ηk é de queda acentuada conforme aumenta o número de estágios. ηk max. Cai à medida que ne aumenta. Isto deve- se a grande velocidade C1 ( aumento dela com ne ) que faz Z1 aumentar.
  15. 15. Conclusão : Estágios de velocidade permitem Δhi maiores mas com sacrifício de ηk b) Rend. Periférico: ηk = ( ) i i i k h ZZh h h Δ +−Δ = Δ Δ 21 c) Rend. Interno: ηint = ( ) i i i h ZZZZZh h h Δ ++++−Δ = Δ Δ 54321int e) Rend. Mecânico: em função do porte (ver itens 2.3, 3.3 e 4.3). 4.5 – Potências: idêntico ás TV de estágios de pressão São calculadas exatamente como para a TV de um estágio. Ver item 2.4. 4.6 – TV com estágios de pressão x TV com estágio de velocidade: TIPO VANTAGEM DESVANTAGEM Estágios de Pressão - Perda Z1 baixa →ηk elevado -Δp entre estágios → maior perda por fugas de vapor - massa específica do vapor alta nos primeiros estágio → ↑Z4 Estágio de Velocidade - massa específica do vapor baixa (pressão baixa na carcaça) → Z4 ↓ - Permite maiores Δhi - Pouca perda por fugas (Δp ≅ 0 entre estágios) Perda Z1 alta → ηk baixo Para aliar as vantagens dos 2 tipos usam-se TV mistas: a) Estágios de pressão (RATEAU) com 2 ou mais estágios de velocidade (CURTIS ) “embutidos"; b) Dois estágios de velocidade (CURTIS) no início seguido de estágios de pressão. 5 - Turbinas de Reação (tipo PARSONS) 5.1- Constituição, funcionamento Cada estágio é constituído de bocais fixos ( BF ) seguidos de bocais móveis ( BM ). Ocorre expansão tanto nos BF como nos BM que giram com o rotor.
  16. 16. 5.2- Perdas em um Estágio ( ) ( )[ ]2 2 2 i2 2 1 2 i1 WWCC 2 1 Z −+−= [kJ/kg] ↑ ↑ BF BM É menor que nas de ação porque Ci - C1 é menor Z2= 2 2C 2 1 (só no ultimo estágio) Z3= fugas são mais acentuadas que nas de ação pois tem-se Δp nos BM Z4, Z5, Z6 ( Stodola, calor para ambiente e mecânica ) semelhantes às TV de ação. 5.3- Rendimentos a) Condição de ηkmax = ic u ϕ cos α1 ( para grau de reação ρT = 0,5 ) b) Rend. Perif. , int. , efetivo: ηk , ηint, ηef, ηm idêntico ao que já foi visto para a TV ação. 5.4- Potências – Cálculo e definições idênticos às TV de ação. 5.6- Comparação das turbinas de reação com as de ação Vantagem - rendimento maior (por ηK maior). Desvantagem: maior número de estágios e perda por fugas ( Z3 maior, devido à queda de pressão contínua nas partes fixas e móveis de todos os estágio). Turbinas de ação são mais simples e baratas porém têm menor rendimento e, conseqüentemente, maior consumo de vapor. São utilizadas em instalações de menor porte (menor potência). Combinação de TV’s de ação e reação são comuns em instalações de médio e grande porte, com a finalidade de aliar as vantagens dos dois tipos. Na combinação utiliza-se TV de ação para os estágios de alta pressão e reação nos estágios de baixa pressão.

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