Turbinas a Vapor: Ciclo Rankine e Principais Componentes

Elaborado: F. Bressan
Data: 31/10/2008
Universidade Petrobrás
Curso de Turbinas a Vapor para Eng. Eletricistas
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Curso de Turbinas a Vapor para
Engenheiros Eletricistas
Francisco Bressan
Engenheiro Mecânico
Projeto de Turbinas a Vapor
Siemens – Energy Sector
francisco.bressan@siemens.com
Versão 1.0

Data: 31/10/2008
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Índice
Introdução 02
1. Ciclos de instalações térmicas a vapor 03
1.1. O Ciclo Rankine 03
1.2 Variações do ciclo Rankine básico 07
1.3 Ciclo combinado – Gás + vapor 08
1.4. Entalpia, Entropia e Diagrama de Mollier 09
1.5. Cálculos termodinâmicos 11
1.6. Equipamentos utilizados em ciclos térmicos 14
2. Turbinas a vapor 16
2.1. Tipos de turbinas a vapor 16
2.2. Turbinas com extração de vapor 17
2.3. Tecnologia Ação x Reação 18
2.4. Número de estágios 21
2.5. Acionamento direto ou reduzido 21
2.6. Componentes principais de turbinas a vapor 23
2.7 Sistema de lubrificação 41
2.8 Sistema de Vapor e Condensação 46
2.9. Sistema de regulagem e segurança 53
3. Gerador, sistema elétrico e sistema de controle 58
3.1. Gerador síncrono trifásico 58
3.2. Sistema de controle 63
Anexos 66
1. Esquema de Vapor 67
2. Esquema de Condensação 68
3. Esquema de Óleo de Lubrificação (unidade hidráulica) 69
4. Esquema de Óleo de Lubrificação (distribuição) 70
5. Esquema de Óleo de Controle 71
6. Arranjo Típico de Turbina de Condensação com escape Axial 72
7. Arranjo Típico de Turbina de Condensação com escape Radial 73
8. Arquitetura típica de um sistema de controle 74
9. Diagrama unifilar típico 75

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Introdução
Com a crescente demanda de energia pelas áreas urbanas e pelo pólo
industrial mundial, a geração de energia passa a ser uma das grandes
preocupações da engenharia neste início de século. Dentro do problema
energético vale destacar:
• O impacto ambiental causado pela inundação de grandes áreas, resultante
da implantação de hidrelétricas;
• A incredulidade sobre o domínio da tecnologia e segurança das usinas
nucleares;
• A necessidade das grandes e médias indústrias de auto-suficiência em
energia elétrica, cortando custos substanciais e evitando cortes não
previstos das concessionárias;
• O aproveitamento da energia provinda de combustíveis alternativos, como o
bagaço de cana, para geração de vapor em caldeiras, para utilização em
processos industriais. Assim, há possibilidade de maximizar o
aproveitamento do vapor como fonte de energia.
Baseadas nesses problemas, as empresas buscam meios de gerar energia
com responsabilidade, procurando minimizar os impactos ambientais e suprir
as deficiências da rede pública de energia. Dentro deste contexto que se
destacam as turbinas a vapor.
As turbinas a vapor apresentam vantagens que as colocam entre as máquinas
mais utilizadas para a geração de energia em todas as faixas de potência.
Como principais vantagens, podemos citar:
• O vapor é uma forma de energia provinda do recurso natural em maior
abundância no mundo: a água;
• Ao contrário do óleo e gás, o vapor não produz resíduos ao ser utilizado para
geração de energia;
• A alta eficiência dos ciclos a vapor em comparação com outros ciclos que
utilizam combustíveis fósseis;
• O vapor, retirado em pontos intermediários ou na saída da turbina, pode ser
reaproveitado para alimentar processos industriais (cogeração).
O objetivo deste documento é destacar as principais características das
turbinas a vapor, seus equipamentos auxiliares e ciclos termodinâmicos. Este
documento foi elaborado para auxiliar os jovens profissionais que ingressam no
ramo da geração de energia térmica e desejam aprender um pouco mais sobre
tecnologia de turbinas a vapor.

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Bons estudos!
1. Ciclos de instalações térmicas a vapor
1.1. O Ciclo Rankine
O Ciclo Rankine é um ciclo termodinâmico que converte calor em trabalho. O
calor provém de uma fonte externa ao circuito fechado do ciclo, o qual
normalmente usa água como fluido de trabalho. Este tipo de ciclo é
responsável por aprox. 80% de toda a geração de energia elétrica do mundo
incluindo usinas térmicas a biomassa, carvão, nuclear e solares. O ciclo recebe
o nome de seu criador, o engenheiro e físico escocês William John Macquorn
Rankine.
Equipamentos envolvidos no ciclo Rankine
Descrição
O ciclo Rankine descreve o modelo de operação de máquinas a vapor mais
encontrado em plantas de geração de energia. As fontes de calor mais usadas
são carvão, gás natural, óleo e fissão nuclear.
A eficiência do ciclo Rankine é limitada pelo fluido de trabalho. Já que a
pressão não pode chegar a valores supercríticos (risco de entrada de
condensado na turbina) a faixa de trabalho da temperatura do vapor para o
ciclo é estreita, podendo chegar na entrada da turbina a 565ºC (limite normal
dos aços inoxidáveis) e em torno de 30-50ºC para os condensadores. Isto
resulta em uma eficiência de Carnot aprox. 63%, sendo que a eficiência real de
uma usina a carvão fica em torno de 42%. Esta baixa temperatura de entrada
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na turbina (em comparação com as turbinas a gás) faz com que o ciclo Rankine
seja usado como ciclo secundário em plantas térmicas de ciclo combinado com
turbinas a gás (vide item 1.3).
O fluido de trabalho no ciclo Rankine segue um circuito fechado e é reutilizado
constantemente. O vapor d’água que normalmente é visto saindo de usinas
térmicas para a atmosfera é na verdade gerado pelo sistema de resfriamento –
e não pelo circuito fechado de vapor – e representa a perda de calor que não
pode ser convertida em trabalho. É importante salientar que o vapor em si é
invisível até entrar em contato com o ar frio, quando se condensa e forma as
nuvens brancas vistas saindo das torres de resfriamento. Diversos fluidos
podem ser usados como fluido de trabalho do ciclo Rankine, porém a água é o
mais usado devido a suas propriedades favoráveis pois não é tóxica, é
abundante, quimicamente não reativa, de baixo custo e tem boas propriedades
termodinâmicas.
Uma das grandes vantagens deste ciclo é a pequena energia necessária
durante a fase de compressão, pois o fluido está em sua fase líquida neste
estágio. Condensando o fluido antes de bombeá-lo a energia necessária para
acionar a bomba será entre 1% e 3% da potência da turbina, o que eleva
consideravelmente a eficiência do ciclo. Este benefício, porém, é parcialmente
perdido devido à baixa temperatura de entrada da turbina em relação a outros
ciclos. Temperaturas de entrada em turbinas a gás são próximas a 1500º de
temperatura. Entretanto as eficiências de ciclos a gás e a vapor são bastante
parecidas.
Processos do ciclo Rankine
São quatro os processos do ciclo Rankine, cada um modificando o estado do
fluido de trabalho – indicado no diagrama ao lado:
• Processo 1-2: O fluido é
bombeado de baixa para alta
pressão. O fluido ainda no estado
líquido demanda pouca energia
para este processo.
• Processo 2-3: O fluido
pressurizado entra na caldeira onde
é aquecido por uma fonte externa
de calor até tornar-se vapor seco.
Processos do Ciclo Rankine
• Processo 3-4: O vapor seco se
expande através de uma turbina,
gerando energia. Isto diminui a
temperatura e pressão do vapor,
que pode até começar a condensar.
• Processo 4-1: O vapor úmido entra então no condensador onde é condensado à
pressão constante e se torna liquido saturado. A pressão e temperatura do
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condensador são determinadas pela temperatura dos tubos do condensador na
mudança de fase do fluido.
Diagrama T-s Temperatura - Entropia
Diagrama T-s
O ciclo indicado no diagrama T-S acima indica que a entrada de vapor no
condensador está abaixo da linha de saturação, o que reduz a energia
removida pelo condensador e maximiza o trabalho realizado pela turbina.
Em um ciclo Rankine ideal a bomba e a turbina seriam isoentrópicos, ou seja,
não gerariam entropia, maximizando a potência líquida da instalação. Estes
processos seriam representados por linhas verticais no diagrama T-S e se
aproximariam do ciclo de Carnot.
Ciclo Rankine Real Ciclo Rankine Ideal (Carnot)
Na prática então, quanto mais próximo as linhas da turbina e da bomba
estiverem de uma reta vertical, melhor será a eficiência do ciclo. Ou seja,
quanto menor a perda por aumento de entropia (S) melhor será a eficiência
destes equipamentos e do ciclo como um todo.
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Variáveis
Fluxo de Calor entrando ou saindo do sistema (energia por unidade de tempo)
Vazão de massa (massa por unidade de tempo)
Potência mecânica consumida ou gerada pelo sistema (energia por un. de
tempo)
ηtherm
Eficiência termodinâmica do processo (Potência líquida de saída por entrada de
calor – adimensional)
ηpump,ηturb
Eficiência isentrópica de compressão (bomba) e expansão (turbina) -
adimensional
h1,h2,h3,h4 Entalpias de cada ponto do diagrama T-S
h4s Entalpia do fluido considerando processo isentrópico na turbina
p1,p2 Pressões antes e depois do processo de compressão (bomba)
Tabela 1 – Variáveis do cálculo do ciclo Rankine
Equações
Cada uma das quatro primeiras equações abaixo é um simples balanço de
massa e energia dos quatro componentes principais do ciclo Rankine. A quinta
equação define a eficiência termodinâmica. Como a energia consumida pela
bomba é aproximadamente 1% da turbina esta equação pode ser simplificada.
Ciclo Rankine Real (não-ideal)
Em um ciclo real a compressão realizada pela bomba e a expansão na turbina
não são isentrópicas. Ou seja, estes processos não são reversíveis e têm sua
entropia aumentada. Isto aumenta a energia requerida pela bomba e diminui a
gerada pela turbina.
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Em relação à turbina, sua eficiência é prejudicada por pequenas gotículas que
se formam quando o vapor começa a condensar. Na passagem dentro da
turbina o vapor começa a condensar e as gotículas se chocam em alta
velocidade com as palhetas causando erosão e diminuindo gradualmente a
vida útil da turbina. Para resolver este problema a maneira mais fácil e eficiente
é superaquecer o vapor. No diagrama T-S abaixo o ponto 3 está acima da
região bifásica do vapor (gás+líquido) e representa vapor seco.
Porém neste estado toda a expansão
dentro da turbina ocorrerá na região
bifásica (3-4), com alto teor de líquido no
vapor, prejudicando a turbina.
A solução é mover o ponto 3 para a direita
(3’). Desta maneira a expansão (3’-4’)
ocorrerá com vapor seco, deixando
somente a saída da turbina com vapor
ligeiramente úmido.
Isto é feito utilizando-se caldeiras com
temperaturas de saída de vapor maiores.
Diagrama do ciclo Rankine real
1.2 Variações do ciclo Rankine básico
A eficiência termodinâmica geral pode ser melhorada aumentando-se a
temperatura da entrada de calor. Aumentar a temperatura do vapor na região
superaquecida é uma maneira simples de fazer isto. Existem variações do ciclo
Rankine básico destinadas a aumentar a eficiência térmica do ciclo seguindo
este princípio. Duas delas são descritas a seguir:
• 1.2.1 Ciclo Rankine com reaquecimento
Neste ciclo duas turbinas trabalham em
série. A primeira turbina recebe vapor de
alta pressão da caldeira. Após a expansão
na turbina (3-4) o vapor volta para a
caldeira e é reaquecido (4-5) antes de
entrar com baixa pressão e alta
temperatura na segunda turbina. Isto não
deixa que o vapor condense dentro da
turbina, o que provoca danos irreversíveis
à turbina. Por conseqüência acaba
aumentando a eficiência do ciclo gerando
_____Diagrama do ciclo com reaquecimento
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muito mais trabalho com a segunda turbina.
• 1.2.2 Ciclo Rankine Regenerativo
O ciclo regenerativo usa o artifício de aquecer o fluido líquido que sai do
condensador antes de sua entrada na caldeira. Para aquecer o fluido é usada
uma parte do vapor retirado dos estágios da turbina. Apesar de baixar um
pouco a potência gerada pela turbina, o fluido entrará mais quente na caldeira,
reduzindo bastante o consumo de combustível que seria usado para aquecê-lo
até a região de superaquecimento.
No diagrama ao lado o fluido 2 é misturado
ao fluido 4 para atingir o ponto 7 (líquido
saturado). Ou seja, o fluido foi aquecido por
uma parte do vapor que saiu de dentro da
turbina e entrou na caldeira com uma
temperatura mais elevada. Este tipo de
ciclo, com algumas poucas variações, é
usado na maior parte das usinas
termelétricas.
Outra variação deste tipo de ciclo é usando
pré-aquecedores, onde o fluido de
alimentação também é aquecido, porém
não há mistura com o vapor proveniente da
turbina. Este aquecimento ocorre em um
equipamento chamado pré-aquecedor. Diagrama do ciclo regenerativo
1.3 Ciclo combinado – Gás + vapor
As plantas termelétricas que usam o chamado CCGT (combined cycle gas
turbine) fazem uso de duas turbinas, uma turbina a gás e uma turbina a vapor.
Neste caso a alta temperatura dos gases de escape provenientes da turbina a
gás faz o aquecimento do vapor que entrará na turbina a vapor.
Na saída (escape) da turbina a gás
é instalado uma caldeira de
recuperação de calor (HRSG), que
aquecerá a água de alimentação
até a região de superaquecimento.
Como a fonte de combustível é
uma só a eficiência deste ciclo é
normalmente mais elevada que de
outros ciclos a vapor.
Ciclo combinado
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1.4. Entalpia, Entropia e Diagrama de Mollier
Entalpia
Na termodinâmica e na química, a entalpia (conhecida como H ou h), é o
quociente ou a descrição de potencial termodinâmico de um sistema, o qual
pode ser usado para calcular o trabalho “útil” possível de ser obtido de um
sistema termodinâmico fechado.
Na prática refere-se portanto à energia útil do fluido.
Entropia
Na termodinâmica, Entropia (simbolizada por S) é a grandeza que trata da
indisponibilidade da energia de um sistema para realizar trabalho. É uma
característica da dispersão aleatória das moléculas em um sistema e está
relacionada a processos físicos e sua ocorrência espontânea.
Na prática é a facilidade que um sistema tem de realizar trabalho. Esta
grandeza é um ponto chave para entender as relações termodinâmicas.
Diagrama de Mollier
O diagrama de Mollier (Richard Mollier 1863-1935), ou diagrama H-S, é um
diagrama que relaciona Entalpia (h), Entropia (s), Pressão, Temperatura, título
(relação entre gás e líquido na região bifásica) e outras propriedades da água e
do vapor.
No eixo vertical tem-se a Entalpia, expressada em unidades de Energia por
unidade de massa – normalmente kJ/kg. Na horizontal lê-se a Entropia
expressada normalmente por kJ/kg.K.
A curva denotada por X=1.0 indica o limite da saturação do vapor, ou seja,
acima desta curva o vapor está no estado gasoso (100% seco) e abaixo dela
estará na região bifásica gás+líquido. Nesta região não há um estado
estabelecido, pois na mesma temperatura o fluido poderá ser 100% líquido ou
100% gasoso. Um exemplo:
• Na pressão atmosférica a água entraria na região bifásica a 100ºC;
• Na temperatura 99,9ºC a água está totalmente no estado líquido;
• Na temperatura 100,1ºC a água passa totalmente para o estado gasoso.
A quantidade de gás contida na mistura gás+líquido nesta região é denominada
Título (representado pela letra X no diagrama). Portanto X=0,95 significa que
há 5% de líquido e 95% de gás na mistura.
As outras linhas do diagrama H-S representam Pressão e Temperatura.
Algumas versões deste diagrama trazem também curvas para o volume
específico.

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Diagrama de Mollier
Para saber a entalpia do vapor na região superaquecida deve-se ter em mãos o
par pressão/temperatura:
• Pressão = 100 bar / Temperatura 500ºC Entalpia = 3370 kJ/kg
• Pressão = 20 bar / Temperatura 300ºC Entalpia = 3030 kJ/kg
Para a entalpia na região saturada deve-se saber a pressão e o título:
• Pressão = 0,2 bar / Título 0,90 Entalpia = 2370 kJ/kg
Em uma determinada pressão a temperatura será sempre constante na região
saturada.
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1.5. Cálculos termodinâmicos
1.5.1. Expansão isentrópica
De acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica, temos para o processo
ocorrido na turbina, em regime permanente:
( ) ( )& & & &Q m h V g Z m h V g Z WVC e e e s s s VC+ + + = + + +. . . .2 2
Simplificando de acordo com as hipóteses convenientes (desprezar variação de
energia cinética e potencial, não considerar perdas de calor):
( )& &.W m h hVC = −2 0
O processo de expansão isentrópica do vapor pode ser mais bem observado
no Diagrama de Mollier, segundo a figura.
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h
s
T0
P0
h0
h1
Expansão isentrópica no Diagrama de Mollier
Devem ser levadas em conta algumas perdas a serem descontadas na
estimativa da potência. Todas essas perdas termodinâmicas são representadas
pelo rendimento interno da turbina, ηi.

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1.5.2. Perdas termodinâmicas e mecânicas
Algumas perdas são significativas e devem ser estimadas para o cálculo da
eficiência da turbina. Segue abaixo as principais causas de perda de eficiência
em turbinas a vapor.
• Perdas no bloco de válvulas de admissão
O vapor, antes de ser introduzido entre o segmento de injetores, passa pelas
válvulas de admissão da turbina, as quais controlam o fluxo necessário de
operação. Como o processo de controle baseia-se em estrangulamento da
secção de admissão, existem perdas de velocidade e pressão do vapor, mas a
energia disponível não se perde. O processo se resume a uma pequena queda
entálpica, seguida de um ganho de entalpia a pressão constante até o mesmo
valor de entalpia anterior (ver gráfico na figura seguinte). A pressão a ser
utilizada para os cálculos será P1 ao invés de P0.
h P0
h0
Perda entálpica
nas válvulas
P1
Processo de perda no bloco de válvulas de admissão
• Perdas na saída das palhetas
Se toda a energia cinética do vapor fosse convertida em movimento na sua
passagem pelas palhetas, teríamos aproveitamento total desta energia. Porém,
isto é impossível, já que o vapor sai da turbina com uma certa velocidade. Este
vapor é então considerado como uma quantidade de energia que se perde.
• Perdas por atrito e ventilação
O vapor, passando pela roda empalhetada, produz efeitos indesejáveis como o
atrito de fricção tangencial na roda, e turbulências devido à rotação no topo das
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palhetas. Esses efeitos produzem perdas de energia do vapor, chamadas de
perdas por atrito e ventilação.
• Perdas por fuga de vapor
A turbina possui entre seus mancais, dispositivos de modo a impedir que
ocorram perdas de água ou vapor por estes. São os labirintos de selagem, os
quais consistem em um caminho sinuoso o qual o vapor de fuga adentra, e é
condensado com os choques nas paredes. Este condensado é recolhido por
canais (ver figura abaixo).
Logicamente, este vapor não está sendo aproveitado para gerar energia, e isto
é então considerado como uma perda.
Entrada de
vapor de fuga
Retorno de
condensado
Saída de
vapor de fuga
Esquema de funcionamento de labirinto de selagem
• Perdas mecânicas
A turbina, como todo equipamento mecânico, não transmite integralmente os
esforços devido à perda de potência nos mancais, já que eventualmente
ocorrem contatos metal-metal e dissipação de calor. Para turbinas, essas
perdas são de certo modo significativas, e devem ser levadas em conta.
1.5.3. Expansão real
Considerando os rendimentos devido às perdas termodinâmicas e mecânicas
ilustradas anteriormente, podemos escrever:
( )& &. .W m h hVC i m= −2 0 η η.
Este processo pode ser observado no Diagrama de Mollier na figura seguinte.
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h
s
T1
P1
h0
h2
P0
P2
h2´ Expansão
isoentrópica
Expansão
real
Expansão real no Diagrama de Mollier
1.6. Equipamentos utilizados em ciclos térmicos
Em geração de energia, não basta somente produzir o vapor e conduzi-lo a
uma turbina para gerar energia. É necessário recuperar o vapor em forma de
condensado e retorná-lo ao ciclo. Os equipamentos existentes em uma central
térmica a vapor têm como função gerar o vapor e transformá-lo (em parte ou
totalmente) em energia elétrica, condensar e tratar adequadamente o
condensado de retorno.
Um condensado puro e livre de impurezas resulta em eficiência e durabilidade
dos equipamentos. Qualquer presença de contaminantes, excesso de acidez e
carbonatos (água dura), presença de vapor residual ou ar pode acarretar em
alterações nas propriedades termodinâmicas do vapor gerado, como menores
pressões e temperaturas, além de deteriorar os componentes principais do
gerador de vapor e da turbina.
Segue abaixo uma lista dos principais componentes de um ciclo térmico a
vapor e suas características básicas. Um esquema ilustrativo do ciclo térmico
para geração de energia pode ser visto em seguida.
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Equipamento Características básicas
Caldeira Através da queima de combustível, superaquece o
condensado do ciclo e o converte em vapor.
Turbina Produz energia mecânica de rotação ( a qual pode ser
transformada em energia elétrica) com a expansão do
vapor. Parte do vapor pode ser retirado a pressões
menores para utilização em processos.
Redutor Transmite o torque da turbina a rotações mais baixas;
para geração de energia elétrica, até a rotação nominal
do gerador (1500 - 3600 rpm).
Gerador Converte a energia cinética de rotação da turbina em
energia elétrica através de indução eletromagnética.
Estação redutora de
pressão
Dessuperaquece e reduz a pressão do vapor, quando a
extração da turbina estiver fechada ou a vazão de
extração não for suficiente para o processo.
Condensador Recolhe o vapor da saída da turbina e o condensa, para
ser reaproveitado no ciclo.
Bomba de extração
de condensado
Extrai condensado do poço do condensador para retorná-
lo ao ciclo.
Ejetores de serviço Uma fração de vapor motriz passa por dois Venturi,
produzindo vácuo e expulsando os gases do
condensado.
Ejetor de partida Produz vácuo para o condensador na partida da turbina.
Torre de
resfriamento
Retira calor da água de resfriamento do ciclo térmico, a
qual abrange principalmente o condensador e o trocador
de calor de óleo do turbo-redutor.
Sistema de
clarificação e
desmineralização de
água
Neutraliza a água de reposição com excesso de acidez
ou basicidade, e retira os particulados minerais contidos
nesta, como carbonatos.
Bomba de água
desmineralizada
Conduz a água de reposição tratada para o desaerador.
Desaerador Recolhe o condensado do ciclo e retira todos os gases
não condensáveis, retornando-o limpo para a caldeira.
Bomba de água de
alimentação
Transporta a água de alimentação, proveniente do
desaerador, até o topo da caldeira.

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2. Turbinas a vapor
O treinamento básico sobre as turbinas a vapor está segmentado em princípios
de funcionamento, cálculos termodinâmicos, equipamentos de controle e
segurança e sistemas auxiliares.
2.1. Tipos de turbinas a vapor
Existem dois tipos básicos de turbinas a vapor:
• Turbinas de Condensação – que aproveitam ao máximo a energia do
vapor. O vapor que sai das turbinas não pode mais ser aproveitado para
a geração de energia devido ao seu conteúdo de líquido.
Condensação
• Turbinas de Contrapressão – neste caso o vapor de escape ainda tem
energia suficiente para alimentar processos industriais. O vapor de
escape destas turbinas se encontra na maior parte das vezes na região
superaquecida. Este tipo de geração conjunta de energia elétrica e
energia térmica provenientes de uma única fonte de combustível é
comumente chamado de COGERAÇÃO.
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Contrapressão
As turbinas encontradas em usinas termelétricas são de condensação, porque
não necessitam alimentar processos industriais com energia térmica (na forma
de vapor). Assim é possível aproveitar ao máximo a energia do vapor
realizando uma queda de entalpia alta na turbina. Já no setor industrial é
comum encontrar turbinas de contrapressão usadas para gerar energia elétrica
e fornecer energia térmica para o processo. Na contrapressão a queda
entálpica é menor, para que ainda haja energia suficiente mesmo após a
passagem pela turbina.
No caso de turbinas de contrapressão não há condensador após a turbina. O
vapor vai para o processo industrial e de lá retorna parcialmente para a caldeira
na forma líquida.
2.2. Turbinas com extração de vapor
As turbinas podem ainda ser classificadas como com ou sem extração de
vapor. A extração é uma retirada de vapor de dentro da turbina após a
passagem por alguns estágios. Ou seja, o vapor entra na turbina com alta
entalpia e após a passagem por alguns estágios dentro da turbina parte do
vapor sai da máquina e vai para o processo. A parte que continua se expande
até sair pelo escape da turbina.
Extrações são encontradas tanto em turbinas de condensação como de
contrapressão.
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As extrações podem ser de dois tipos:
• Extrações controladas: quando a turbina dispõe de um dispositivo
interno para controlar a pressão de saída do vapor;
• Extrações não-controladas: conhecidas como “tomadas” ou “sangrias”
este tipo de extração é simplesmente uma retirada de vapor de dentro
da turbina e sua pressão depende da carga atual da máquina.
Para a alimentação de processos industriais normalmente são usadas
extrações controladas, uma vez que estes processos demandam pressão
constante. Assim, independente da carga da turbina a pressão de extração
será sempre a mesma.
A extração para turbinas empregadas em ciclos regenerativos (item 1.2.2), que
usam o vapor de dentro da turbina para o aquecimento da água de alimentação
de caldeira é sempre não-controlada.
As vantagens de ser ter uma extração controlada é que se pode garantir a
operação do processo industrial mesmo com a turbina operando em baixa
carga. O uso de extrações controladas deixa a eficiência da máquina maior
comparando-se com o uso de tomadas.
Tomadas (ou sangrias) tem a vantagem de serem de baixo custo e de fácil
operação. São normalmente usadas para alimentar equipamentos do ciclo
(desaeradores, e pré-aquecedores) e para processos industriais que não
demandam pressão constante.
2.3. Tecnologia Ação x Reação
Existem duas tecnologias diferentes para o projeto de turbinas:
• Ação – quando o vapor é acelerado dentro da turbina e seu choque com
as palhetas movimenta o rotor;
• Reação – quando o vapor ao passar através das palhetas gera uma
força de reação que movimenta o rotor;
Podemos imaginar o princípio de movimentação do rotor da turbina observando
o desenho da figura abaixo. No princípio de reação, ilustrado segundo o
exemplo A, o tanque possui rodas, de tal forma que a força de reação à
pressão do vapor de escape movimenta o peso. No exemplo B, o vapor é
introduzido no tanque a uma pressão P1, de modo que o vapor de saída, a uma
pressão P2, P2 < P1, impulsione a palheta e levante o peso, ilustrando o
princípio de ação.

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Princípios de ação e reação.
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Aplicando a turbinas, isto se dá da seguinte forma:
Em turbinas de ação (Impulse) a energia
potencial contida no vapor (entalpia) se
transforma em energia cinética e após o
choque com as palhetas se transforma em
energia mecânica (eixo girando).
Nas turbinas de reação (Reaction) a energia
potencial se transforma diretamente em
energia mecânica através da passagem pelos
perfis de palhetas.
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O princípio de funcionamento das
palhetas de reação é similar ao das
asas de um avião. O fluxo de vapor
passando nos dois lados do perfil da
palheta forma uma força de reação que a impulsionará no sentido indicado na
figura.
Em turbinas, o princípio de ação e reação é classificado segundo a perda de
pressão na passagem da palheta. Nas turbinas de ação, o vapor ao entrar em
contato com a palheta perde somente velocidade, mas mantém suas
propriedades termodinâmicas, como pressão, volume específico e entalpia. Em
palhetas de reação, ocorre uma perda de velocidade e também de pressão e
volume específico, resultando em uma perda entálpica e expansão do vapor.
Pressão
Volume
Velocidade
Injetor Palheta
Pressão
Volume
Velocidade
Injetor Palheta
( A) ( B)
Propriedades do vapor em turbinas de ação (A) e reação (B).
Construtivamente as duas tecnologias são parecidas. A diferença básica fica
por conta do tipo de perfil de palheta empregado e de seu diâmetro de giro. As
turbinas de ação têm perfis mais circulares, posicionadas em discos de grande
diâmetro. Os perfis de reação são mais retos, se aproximando do formato das

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asas de um avião e estão presos ao próprio eixo da turbina.
Rotor de turbina de ação Rotor de turbina de reação
Outra diferença é o número de estágios, maior na turbina de reação devido à
baixa queda entálpica nestas palhetas. Já em relação à eficiência não se pode
afirmar qual destas tecnologias é a mais eficiente, sendo que hoje em dia a
construção de turbinas de reação tem evoluído bastante tendo se mostrado
muitas vezes superior às turbinas de ação.
2.4. Número de estágios
• Turbinas simples estágio: a expansão do vapor é realizada uma única vez,
podendo o rotor possuir uma fileira de palhetas (tipo Laval) ou de duas até
quatro fileiras de palhetas (tipo Curtis). As turbinas simples estágio são
sempre de ação.
• Turbinas multiestágio: a expansão do vapor é realizada em várias etapas,
sendo que o rotor possui entre as palhetas móveis, um ou mais blocos de
injetores intermediários (diafragmas) ou palhetas guia (dependendo do tipo
de turbina, se for de ação ou reação), fixados na carcaça da turbina ou em
porta-palhetas. Isso resulta em maiores eficiências para grandes diferenças
de entalpia, além do fato que os injetores não suportariam o aumento do
volume específico.
2.5. Acionamento direto ou reduzido
O emprego de turbinas a vapor como acionador mecânico pode ser feito com
acoplamento direto a uma máquina acionada (gerador, compressor, bomba,
etc) ou utilizando-se um redutor de velocidades. A definição do uso ou não do
redutor de velocidades depende da potência da máquina, do tipo de serviço, da
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rotação da máquina acionada e da rotação de maior eficiência para a turbina.
De uma maneira geral a eficiência de uma turbina a vapor está ligada
diretamente à sua rotação, de modo que quanto maior a rotação melhor será
sua eficiência. A relação entre a velocidade axial e tangencial do vapor é
determinante para o rendimento. A rotação, porém, tem alguns limites a serem
obedecidos. Turbinas de grande porte (grande diâmetro do rotor) não podem
girar numa rotação muito elevada, pois a força centrífuga nas palhetas e a
velocidade tangencial seriam muito altas. Já as turbinas de pequeno diâmetro
têm que girar em alta velocidade para ter uma boa relação de velocidades
axial/tangencial e um consequente bom rendimento.
Dependendo da rotação da máquina acionada
se faz necessário então usar um redutor de
velocidades. Um redutor é uma caixa (com
normalmente um par) de engrenagens, que é
acoplada à turbina e à máquina acionada. A
turbina é acoplada ao eixo do pinhão e o
acionamento no eixo da coroa.
Pinhão e coroa
A turbina então gira numa
rotação muito mais alta que
a da máquina acionada
dando alta eficiência à
instalação.
Instalação de Gerador, redutor de velocidades e Turbina a vapor
O emprego de redutores de velocidades é mais
largamente encontrado em turbogeradores até
aprox. 50MW. Acima desta potência a perda
mecânica no redutor começa a ficar mais alta do
que o aumento de eficiência que a turbina tem
operando em alta rotação.
Quando a máquina acionada gira na mesma
rotação da turbina o acoplamento é direto, sem
redutor de velocidades.
Redutor de vel. com engrenagens bi-helicoidais
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2.6. Componentes principais de turbinas a vapor
Cada componente de uma turbina, em virtude do trabalho sob diferentes
condições de serviço, sua dimensão, tipo de fabricação, esforços a que está
submetido, leva a definir um certo número de critérios que permite escolher
entre os diversos materiais que poderiam ser empregados em sua fabricação,
aquele que permita assegurar os serviços exigidos.
Além disto, os materiais devem satisfazer determinadas condições físicas e
químicas, como por exemplo:
• Apresentar boa resistência à corrosão e oxidação;
• Possuir boa estabilidade estrutural sob elevada temperatura durante um
espaço de tempo prolongado;
• Ter dureza superficial para resistir à erosão;
• Ter boa soldabilidade, pois em alguns casos o modo de montagem
empregado é a soldagem.
Quando a dureza for um fator relevante, uma têmpera será suficiente, mas em
peças onde se deseja outras características, é necessário uma nitretação.
Qualquer peça tratada não pode ser usinada ou lixada, pois ocorrerá remoção
do tratamento influenciado no seu desempenho, principalmente durabilidade e
confiabilidade.
A descrição dos componentes segue uma seqüência a partir do caminho que o
vapor faz dentro da turbina, desde a admissão até o escape. Outras peças que
não entram em contato direto com o vapor também serão mencionadas, dada a
sua importância.
Componentes de uma turbina a vapor
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2.6.1. Carcaça
É o suporte das partes estacionárias tais como diafragmas, palhetas fixas,
mancais, válvulas, etc. Na grande maioria das turbinas é de partição horizontal,
na altura do eixo, o que facilita muito a manutenção. O material empregado na
carcaça da turbina pode ser ferro fundido, aço ou liga de aço, dependendo das
condições de pressão e temperatura. Por serem bipartidas, são unidas por
parafusos prisioneiros. A carcaça pode ser subdividida ao longo de seu
comprimento caracterizando as seções de alta e baixa pressão.
A carcaça de alta pressão é fundida. Para condições de temperatura e pressão
severas, o material da carcaça é um aço de baixa liga ou em condições
extremas de aço inoxidável. Para condições de trabalho moderadas tem-se
carcaça de aço fundido.
Processos de fabricação da carcaça
Para a fabricação de carcaças fundidas é necessário antes fazer um modelo da
peça que pode ser em madeira ou em isopor.
Após a fabricação este modelo é encaminhado à
fundição, onde será feito o molde. O molde será
feito com areia e resina especiais para este fim e
deverá tomar a forma invertida (negativa) do
modelo.
Com o molde e outros dispositivos prontos é hora de
alimentar o molde com o metal líquido e aguardar o
esfriamento para obter a peça no formato desejado.
Na parte de baixa pressão, geralmente seu material é o ferro fundido, podendo
ser de aço carbono fundido em condições um pouco mais elevadas.
Molde de isopor
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Carcaça superior completa de uma turbina de contrapressão
Em turbinas de condensação de potência elevada, a carcaça de baixa pressão
é bastante avantajada fisicamente. Nestes casos é bastante comum, por
finalidade construtiva, a adoção de uma construção soldada, a partir de chapas
de aço carbono, que oferece também como vantagens, maior rigidez, menor
tempo e custo de fabricação e união perfeita com o condensador diretamente
por soldagem.
Carcaça de escape – construção de chapas de aço carbono
2.6.2. Válvula de fecho-rápido
A maneira usual de parar uma turbina a vapor é pelo fechamento de uma
válvula, chamada válvula de fecho-rápido, colocada em série com válvula de
controle de admissão, o que corta totalmente a admissão de vapor para a
turbina. Esta válvula é também conhecida como válvula de bloqueio automático
ou válvula de "trip". É o principal dispositivo de segurança da máquina.
Em uma turbina de uso geral a válvula de fecho-rápido é mantida, durante a
operação da turbina, totalmente aberta, contra a ação de uma mola, travada
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por um conjunto de alavancas externo, conhecidas como gatilho e alavanca de
"trip". O gatilho do "trip" pode ser acionado pelo dispositivo de desarme por
sobrevelocidade ou manualmente pelo operador, em ambos os casos liberando
a alavanca de "trip", que sob a ação da mola, fechará a válvula de fecho-rápido,
cortando a admissão de vapor e parando a turbina.
Exemplos de válvula de fecho-rápido
2.6.3. Dispositivo de Trip Mecânico
O dispositivo de desarme por sobrevelocidade consiste,
como mostra a figura, de um pino excêntrico no eixo da
turbina. Este é mantido em seu alojamento pela força de
uma mola, disposta de modo a anular a força centrífuga a
qual tende a expulsar o pino. A força centrífuga aumenta à
medida que aumenta a velocidade, então quando a turbina
atinge uma determinada rotação, conhecida como
velocidade de "trip", a força centrífuga vence a força da
mola e o pino excêntrico‚ expulso de seu alojamento, aciona
o gatilho disparador. Este, por sua vez, libera a alavanca de
"trip", o que provoca o fechamento de válvula de fecho
rápido e a parada da turbina. A velocidade em que o
dispositivo de desarme por sobrevelocidade atuará pode ser
regulada, pela modificação da tensão inicial da mola.
26/75
Mecanismo de proteção mecânica contra sobrevelocidade ____
O dispositivo de desarme por sobrevelocidade protege a turbina, impedindo
que opere em velocidades superiores à velocidade de “trip”, onde as tensões
resultantes da força centrífuga poderiam ser perigosas para a resistência
mecânica do conjunto rotativo da turbina.
Em turbinas de uso especial, a válvula de fecho rápido, bem como as válvulas

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de controle de admissão e extração, exige forças bastante elevadas para sua
movimentação e posicionamento. Por isto não podem ser acionadas
simplesmente por uma transmissão mecânica, como nas turbinas de uso geral,
exigindo acionamento hidráulico por servo-motores, que permite a ampliação
do esforço de saída, respectivamente, do mecanismo de "trip" e o do regulador,
de maneira a torná-los suficientes ao acionamento da válvula de bloqueio
automático e das válvulas de controle de admissão.
Para aplicações modernas, utiliza-se apenas um sistema de controle eletrônico
redundante para desarme por sobrevelocidade no lugar do pino excêntrico.
Este dispositivo mecânico tem caído em desuso e sendo gradualmente
substituído pela proteção eletrônica.
2.6.4. Válvulas de controle de admissão
São válvulas que regulam a vazão de vapor na turbina, tanto na admissão
quanto na extração. Podem ser comparadas analogamente ao acelerador de
um carro.
Para evitar a erosão de seu cone ou sede, o que prejudicaria suas
características de controle, ou a corrosão de sua haste, guias e buchas de
vedação, o que poderia causar seu emperramento, as válvulas de controle têm
cone, sede, haste, guias e buchas de vedação fabricadas em material
resistente a corrosão-erosão, normalmente um aço inoxidável ferrítico.
Uma vez que a turbina opera normalmente entre condições de vapor estáveis,
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
de velocidades, a ser explicado mais adiante.
Construção com três válvulas de dupla sede
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Construção com cinco válvulas
de sede simples com V. fecho-
rápido integrada
O controle da admissão de vapor normalmente é feito através de várias
válvulas, em paralelo, cada uma alimentando um grupo de expansores. A
abertura destas válvulas é seqüencial, isto é, para uma carga muito baixa, a
vazão de vapor necessária seria muito pequena, e estaria aberta, total ou
parcialmente, apenas uma válvula, alimentando, portanto, apenas um grupo de
injetores, permanecendo bloqueados os demais grupos.
À medida que a carga aumenta, exigindo uma vazão maior de vapor, vão
sendo abertas, sequencialmente, as demais válvulas, alimentando outros
grupos de injetores, até a condição de carga máxima, onde todas as válvulas
estarão abertas e todos os injetores recebendo vapor. Esta abertura seqüencial
permite que, à medida que a vazão total de vapor cresce, para atender ao
aumento da carga, a quantidade de injetores que está recebendo vapor cresça
proporcionalmente. Assim, a vazão de vapor através de cada injetor em
operação pode ser mantida constante e igual à sua vazão de projeto, a
despeito da carga. Isto aumenta bastante a eficiência da turbina, principalmente
em condição de baixa carga. Estas válvulas de admissão de vapor, de
construção múltipla e abertura seqüencial, são também conhecidas, devido à
sua função, como válvulas parcializadoras. Em turbinas de uso especial usa-
se quase sempre este tipo de construção, pois permite obter uma melhor
eficiência para a turbina e um controle mais preciso.
Na prática, a abertura da válvula é controlada por um sistema de controle de
rotação, carga ou outra variável de controle. Se o set-point de rotação ou carga
que o operador ajustar não estiver sendo atendido a válvula deixará mais vapor
(ou menos) entrar para atingir o valor de set-point.
Exemplo: Se o set-point de carga estiver em 40MW e tem-se uma queda
repentina de pressão na saída da caldeira (queda conseqüente de entalpia) a
turbina iria entregar menos de 40MW de potência de eixo para o gerador e a
rotação tenderia a cair. Para que isto não aconteça a válvula de controle de
admissão abrirá mais e deixará mais vapor entrar na turbina mantendo a
rotação e a potência.
Na verdade as válvulas de controle só controlam a área de passagem de vapor.
Esta área sendo menor dificulta a entrada de vapor, fazendo-o perder pressão.
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2.6.5. Válvulas de controle de extração
Algumas turbinas possuem uma retirada parcial de vapor, em um estágio
intermediário, entre a admissão e a de descarga, conhecida como extração
(como já visto no item 2.2). 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. Em alguns casos, como por
exemplo na retirada de vapor para aquecimento regenerativo de água de
alimentação da caldeira, esta flutuação na pressão do vapor extraído é
perfeitamente aceitável. A este tipo de extração chamamos de extração não
controlada, sangria ou tomada.
Em outras ocasiões, entretanto, como no caso das refinarias, desejamos uma
retirada do 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 de
extração, através do regulador. Assim, em qualquer aumento incipiente da
pressão de extração, seja causado por flutuação da carga da turbina ou do
consumo de vapor extraído, o controlador de pressão de extração comandará
uma abertura maior da válvula de extração, permitindo um maior fluxo de vapor
para a descarga da máquina, e, em conseqüência, um fluxo menor para a
extração, o que restabelecerá a pressão no nível controlado. Em caso de
diminuição da pressão de extração a ação do controlador de pressão seria
inversa, comandando o fechamento da válvula de extração. Este tipo de
extração, com controle de pressão, chama-se Extração Automática.
Existem diversos tipos de construção para este tipo de válvula de controle.
Uma vez que é uma válvula que se situa internamente à turbina, esta deve ter
uma construção especial. Apesar dos diferentes tipos de válvula todas operam
segundo o mesmo princípio: Controlar a área de passagem de vapor
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Grid Valve

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Válv. dupla sede Glock Valve Válvula borboleta
2.6.6 Regulador de velocidades
Em caso qualquer variação nos parâmetros de vapor (admissão, extração e
escape), a turbina tenderá a demandar mais vapor que o necessário,
resultando também em um aumento na rotação no eixo. Para evitar que isto
ocorra, existe um regulador de velocidades, o qual controla a admissão de
vapor de acordo com a rotação da turbina, movimentando as válvulas do bloco
de admissão através de um sistema de atuação conectado com o regulador. O
regulador pode ser mecânico, hidráulico ou eletrônico sendo este último o único
usado em turbinas modernas.
30/75
O regulador eletrônico é preferido por
sua maior precisão e confiabilidade no
controle de carga para turbinas. O
regulador emite um sinal elétrico para
um conversor eletro-hidráulico, o qual
transforma o sinal de corrente em
impulso de óleo pressurizado. Este
óleo é injetado em um servo-motor,
responsável pelo controle de abertura e fechamento da haste das válvulas. Os
reguladores eletrônicos também podem regular as válvulas de extração,
através do controle de pressão de extração por um transmissor de pressão
posicionado na câmara da válvula.
Este assunto será detalhado no item 3.2.
2.6.7. Injetores
O injetor é o elemento cuja função é orientar o jato de vapor sobre as palhetas
móveis. No injetor o vapor perde pressão e ganha velocidade. Podem ser
convergentes ou convergente-divergentes, conforme a relação da pressão de
descarga com a pressão de admissão. São montados em determinada
quantidade, de acordo com o tamanho e a potência da turbina, e
consequentemente terão formas construtivas específicas, de acordo com sua

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tal que os injetores tenham:
injetores estão presentes somente para injetar o
ores de uma turbina de ação, conforme sua situação na máquina,
tido a partir de uma peça única onde são
s usado no primeiro estágio de máquinas de multiestágios‚
de uma turbina de ação têm os injetores
intermediários, onde a pressão‚ mais elevada, são
.6.8. Rotor
peça principal em uma turbina. É também a peça de maior
aplicação.
É fundamen
• bom acabamento superficial;
• razão de expansão correta;
• igualdade dimensional.
Em turbinas de reação os
vapor na primeira roda da turbina. Todos os outros estágios seguintes são
chamados de palhetas-guia e não tem a mesma geometria de um segmento
injetor.
Os injet
podem estar colocados em um arco de injetores (primeiro estágio ou estágio
único) ou em um anel de injetores.
Um arco de injetores pode ser ob
usinados os injetores. Esta construção é muito usada para turbinas pequenas
de estágio único.
O arco de injetore
obtido pela usinagem individual dos injetores, são a partir de blocos de aço
inoxidável ferrítico com cromo. Estes injetores são, então, encaixados e
soldados no arco de injetores.
Os estágios intermediários
constituindo o que se chama um anel de injetores. O anel de injetores fica
colocado em uma peça circular, encaixada na carcaça da turbina, o diafragma.
Os diafragmas são constituídos por dois semicírculos, que separam os diversos
estágios de uma turbina de ação multiestágio. São fixados no estator, suportam
os injetores e abraçam o eixo sem tocá-lo. Entre o eixo e os diafragmas existe
um conjunto de vedação que reduz a fuga de vapor de um para outro estágio
através da folga entre o diafragma e o eixo, de forma que o vapor só passa
pelos injetores. Este conjunto de vedação, geralmente labirintos, podem ser
fixos no próprio diafragma, no eixo ou em ambos. Este tipo de vedação‚
chamada selagem interna.
Os diafragmas de estágios
usualmente de construção soldada. Já os diafragmas dos estágios finais, onde
a pressão‚ menor, são normalmente fundidos. Em ambos os casos, os injetores
são normalmente de aço inoxidável ferrítico com cromo, enquanto as partes
estruturais, externas e internas, são de aço carbono nos diafragmas fundidos.
2
O rotor é a
complexidade de montagem e provavelmente a de maior custo de fabricação.
Um rotor é composto do eixo principal e de palhetas montadas no próprio eixo
ou em rodas (usadas somente em turbinas de ação).

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a, de aço-liga forjado.Em turbinas de reação o eixo é feito de uma peça únic
Rotores de turbinas de reação
s palhetas são montadas em ranhuras usinadas no próprio eixo.A
urbinas de ação usam um eixo forjado com rodas montadas ou usinadas no
A roda móvel é o elemento da turbina cuja
os rotores de turbinas devem ser
T
próprio eixo. As rodas (ou discos) são elementos que suportam as palhetas ou
injetores e geralmente são de aço forjado. A roda fixa ou estator é o elemento
fixo da turbina cuja função é transformar a energia potencial (térmica) do vapor
em energia cinética, e é quem envolve o rotor.
função é transformar a energia cinética do vapor
em trabalho mecânico, sendo envolvido pelo
estator.
Todos
balanceados. Os rotores considerados flexíveis
devem ser balanceados em alta rotação em um
Rotor de ação

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túnel de balanceamento a vácuo. Neste equipamento o rotor chega à rotação
nominal de operação e é possível identificar as rotações críticas da turbina.
Ainda na balanceadora o rotor chega à rotação de trip, permanecendo nela por
algum tempo para garantir a resistência das palhetas à força centrífuga.
Rotor de fluxo duplo de grandes dimensões
.6.9. Palhetas
palhetas móveis, as fixadas ao rotor; e fixas, as fixadas ao
2
São chamadas
estator.
s palhetas fixas (guias, diretrizes) orientam o vapor para a roda de palhetas
Diversos tipos de palhetas de turbinas
A
móveis seguinte. As palhetas fixas podem ser encaixadas diretamente no
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impacto do vapor
Os diferentes tipos de pés de palhetas
projeto de uma palheta de turbina
el ferrítico
a altura dos estágios
particulares, em turbinas que recebem vapor de alta
m
estator (carcaça), ou em rebaixos usinados em peças chamadas anéis suportes
das palhetas fixas, que são, por sua vez, presos na carcaça.
As palhetas móveis são peças com finalidade de receber o
proveniente dos injetores (ou palhetas fixas) para movimentação do rotor. Sua
fixação ao disco do rotor (ou no eixo para as de reação) depende da
configuração do pé da palheta.
referem-se ao tipo de esforço o qual a
palheta será submetida. Palhetas
maiores geram forças maiores e
demandam pés com maior área de
contato com o eixo.
O
deve considerar: a performance
termodinâmica e a eficiência da
na temperatura de trabalho, seu
comportamento com relação a vibrações e sua resistência à erosão.
As palhetas de turbinas são quase sempre feitas em aço inoxidáv
Diferentes tipos de pé de palheta
palheta, sua resistência mecânica
com 13% de cromo, porque este material apresenta boa resistência mecânica
em temperaturas elevadas, boa capacidade de amortecimento de vibrações e
boa resistência à erosão.
As palhetas de pequen
iniciais da turbina, que recebem vapor da alta
pressão e alta temperatura, são normalmente
obtidas por usinagem a partir de barras laminadas
a quente. As palhetas de maior altura dos estágios
seguintes, que recebem vapor em pressão e
temperatura mais baixas, podem ser obtidas a
partir de perfis laminados a frio, já as de grandes
dimensões das turbinas de condensação são
obtidas por forjamento.
Em algumas aplicações
Roda usinada por eletroerosão
temperatura e trabalham com elevada rotação, pode ser usado um conjunto
rotativo completo (eixo, rodas e também palhetas) usinado por eletroerosão.
Neste caso, o conjunto rotativo‚ obtido a partir de uma única peça forjada,
usinada por eletroerosão, isto é‚ por uma corrosão eletroquímica controlada.
Algumas palhetas possuem a cobertura (cabeça) integrada, outras possue
uma fita de cobertura que é montada no diâmetro externo do estágio. É uma
tira metálica, seccionada, presa às palhetas móveis com dupla finalidade:
aumentar a rigidez do conjunto, diminuindo a tendência à vibração das palhetas
e reduzindo também a fuga de vapor pela sua periferia. São utilizadas nos
estágios de alta e média pressão envolvendo de 6 a 8 palhetas cada seção.

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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.
Fita de cobertura envolvendo palhetamento
.6.10. Porta palhetas
eças fundidas destinadas a abrigar as palhetas fixas.
2
Os porta-palhetas são p
Exemplos de porta-palhetas
As palhetas fixas são montad anéis compondo os estágios
Todos os porta palhetas são bipartidos
orta-palhetas
as enfileiradas em
fixos da turbina. Estes anéis são montados nos porta-palhetas, os quais estão
fixados à carcaça da turbina.
horizontalmente para que seja possível
montar o rotor. Depois de montado o rotor,
a metade superior do porta-palhetas é
montada através de parafusos prisioneiros.
P
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.6.11. Selagem
ara evitar a fuga de vapor para o exterior da turbina ou a passagem do
esmo, de um estágio para outro, que não seja pelas palhetas ou expansores,
ositivos de selagem, os mais utilizados são:
ó ravés da pressão de uma mola. A superfície do eixo onde
lham‚ metalizada para garantir uma alta resistência ao desgaste
evenir corrosão. A vedação‚ feita radialmente através de uma
itir a entrada de ar para o interior nas turbinas de
2
P
m
são utilizados disp
• anéis de carvão;
• labirintos.
Os anéis de carvão são tripartidos para facilitar a montagem e são mantidos
pr ximos ao eixo at
os anéis traba
por atrito e pr
pequena folga anel-eixo e axialmente através do contato anel-placa
espaçadora. As placas são de aço inox. As placas e os anéis são peças
estacionárias, girando o eixo. A quantidade de anéis e placas espaçadoras
depende da pressão de trabalho da turbina e o tipo do anel depende da
temperatura de operação.
Os labirintos são peças metálicas circulares com ranhuras existentes nos
locais onde o eixo sai do interior da máquina atravessando a carcaça, cuja
finalidade é evitar a fuga de vapor para o exterior nas turbinas de
contrapressão e não perm
condensação. Esta vedação é chamada de selagem externa.
Sistema de selagem de turbinas de contrapressão
Nas turbinas de baixa pressão utiliza próprio
vapor de vazamento da selagem de alta pressão para auxiliar a selagem,
vitando-se assim não sobrecarregar os ejetores e não prejudicar o vácuo que
e obtém no condensador.
-se vapor de fonte externa ou o
e
s

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Esquema de selagem de turbinas de condensação
Ao escapar entre os anéis e o eixo, o vapor sofre sucessivas quedas de
pressão, enquanto que a velocidade decorrente destas expansões‚ reduzida
pelo turbilhonamento.
Nas selagens externa e uma condensação
aterial resistente à corrosão, como aço inoxidável.
s de uma turbina a vapor ocorr
contínua de vapor. Para resistir à corrosão, nestas condições, todos os
componentes da selagem, como labirintos, espaçadores dos anéis de carvão,
molas, devem ser de m
Segue um esquema típico de selagem e de compensação axial na figura
abaixo.
Esquema de selagem e balanceamento de empuxo axial
2.6.12. Pistão de balanceamento
O empuxo axial gera as palhetas do rotor
uma força no sentido do eixo da turbina. O mancal axial (vide item 2.2.13)
ão suporta todo este empuxo, sendo necessário um mecanismo de redução
to faz uma força contrária ao empuxo axial.
do pela força do vapor atuando sobre
é
n
desta força.
O pistão de balanceamento de empuxo axial é na verdade uma região na parte
dianteira do rotor ligada ao meio da turbina por tubulações externas à carcaça.
Desta maneira o diferencial de pressão entre as câmaras do pistão de
balanceamen
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diatamente antes da
âmara da roda, lançado para os estágios de alta pressão. A segunda (AK II)
O vapor retido entre a câmara da roda e os labirintos funciona como uma
compensação sobre as forças axiais no eixo da turbina. Este é aproveitado em
duas faixas de pressão. A primeira (AK I) é a do vapor ime
c
corresponde ao vapor remanescente da primeira bucha de labirintos, a
pressões mais baixas que AK I, sendo lançado na parte de condensação.
Região do pistão de balanceamento de empuxo axial
2.6.13. Mancais
Os mancais são os entação do eixo na
arcaça. Eles permitem o movimento relativo entre o eixo (rotação) e a carcaça
stacionária). São divididos em:
s ou de apoio
dos, normalmente, um em cada extremidade
lidade de manter o rotor numa posição radial
ortam o peso do rotor e também qualquer outro
junto rotativo, permitindo que o mesmo gire
o bipartidos horizontalmente e nos casos
elementos responsáveis pela sust
c
(e
a) mancais radiai
b) mancais axiais ou de escora
Os mancais radiais são distribuí
do eixo da turbina com a fina
exata. Os mancais de apoio sup
esforço que atue sobre o con
livremente com um mínimo de atrito.
Em aplicação de turbinas, os mancais utilizados são de deslizamento, divididos
em lubrificação por anéis pescadores e por sistema pressurizado de óleo. A
primeira configuração somente é utilizada para turbinas de pequenas potências
e que são mantidas como stand-by.
Os mancais de deslizamento de sistema pressurizado, como mostra a figura
abaixo, constituídos por casquilhos revestidos com metal patente, com
lubrificação forçada, o que melhora sua refrigeração e ajuda a manter o filme
de óleo entre o eixo e casquilho. Sã

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das máquinas de alta rotação existe um rasgo usinado no casquilho superior
que cria uma cunha de óleo forçando o eixo para baixo mantendo-o numa
posição estável, isto é, que o munhão flutue sobre uma película de óleo. Os
casquilhos dos mancais de apoio podem ser de aço, bronze ou ferro fundido,
porém sempre revestidos internamente por uma camada de metal patente.
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icação forçada (região dianteira)
ho dos mancais radiais) devem ser
usinados de ma superficial, pois
car a formação da cunha de óleo
ssencial ao bom funcionamento do mancal. Algumas vezes esta região recebe
Mancal de deslizamento por lubrif
Os moentes do eixo (regiões de trabal
neira apresentar um ótimo acabamento
qualquer irregularidade poderá prejudi
e
uma deposição eletrolítica de cromo, conhecida como "cromo duro", que
permite obter um ótimo acabamento superficial e uma resistência ao desgaste.
Mancal da região posterior

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O mancal de escora (mancal axial) é responsável pelo posicionamento axial
do conjunto rotativo em relação as partes estacionárias da máquina e,
consequentemente, pela manutenção das folgas axiais. Deve ser capaz de
verificar ao empuxo axial atuante sobre o conjunto rotativo da máquina, que é
mais acentuado nas turbinas de reação.
Mancal axial
Em turbinas de pequena potência o mancal de escora resume-se a apenas um
rolamento em conseqüência do esforço axial ser pequeno. Para as turbinas de
uso especial, usa-se mancais de deslizamento, que consiste em dois conjuntos
de pastilhas oscilantes (tilting pads), revestidas de metal patente, que se
apóiam um em cada lado de uma peça solitária ao eixo, o colar (anel) de
escora.
Como os casquilhos dos mancais radiais, as pastilhas oscilantes dos mancais
são também revestidos de metal patente.
O colar de escora, sobre o qual se apóiam as pastilhas, pode ser integral com o
eixo ou não. No primeiro caso seu material será obviamente igual ao do eixo.
No segundo caso o colar de escora poderá ser de material diferente, ou
receber um tratamento térmico diferente, visando aumentar sua dureza e
diminuir seu desgaste.

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rbina.
óleo de circulação possui duas funções básicas, as quais são lubrificar os
mancais hidrodinâmicos da turbina e atuar no sistema de regulagem e
segurança. Posteriormente serão discutidos os componentes dos sistemas de
regulagem e segurança.
Os equipamentos serão descritos de acordo com o caminho de circulação de
óleo.
. Podem fazer parte do quadro base da turbina e da
áquina acionada, ficando o tanque então embaixo destes. É possível também
o tanque ser separado do quadro base da turbina. O material para os tanques
varia conforme a norma de projeto e o nível de confiabilidade desejado para o
sistema. Não raro é exigido material aço inox para as instalações mais
exigentes.
2.7 Sistema de lubrificação
O sistema de lubrificação forçada é fundamental para a lubrificação dos
mancais e o acionamento das válvulas de controle. Neste sistema estão
contidos elementos responsáveis pela alimentação, filtragem, armazenamento,
resfriamento e monitoração do óleo da tu
O
Unidade Hidráulica
2.7.1. Tanque de óleo
Responsável pelo armazenamento do óleo circulante, este deve possuir uma
capacidade suficiente para que o óleo seja resfriado em tempo hábil, e o
demande a uma velocidade de escoamento admissível a fim de evitar a perda
das características lubrificantes. Os tanques de óleo são dispostos em duas
possíveis configurações
m

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2.7.2. Exaustor de névoa
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oa, é implantado um exaustor
aquecem devido à alta temperatura (até 90 o
C) do metal patente. Como
a função do óleo de circulação é, além de formar a película hidrodinâmica para
os mancais, refrigerar e evitar altas temperaturas, é necessário que haja um
constante resfriamento deste.
O óleo, devido à constante circulação, tem a tendência de espumar quando
retorna ao tanque. Esta espuma, chamada de névoa de óleo, é bombeada
junto com o óleo de circulação, prejudicando em muito a lubrificação e a
regulagem. Para evitar a formação desta név
sobre o tanque de óleo, de modo a expelir o ar contido na espuma para a
atmosfera.
2.7.3. Trocador de calor
O trocador de calor é indispensável para o resfriamento do óleo dos mancais,
que se
Trocadores de Calor
O trocador de calor normalmente é posicionado após o tanque de óleo. Em
turbinas, onde não se deve parar o funcionamento do sistema em caso de
manutenção, costuma-se utilizar trocadores duplos, onde um é reserva do
outro. Em caso de problemas com o ativo, basta acionar uma válvula para
direcionar o óleo para o trocador reserva, para que seja feita a manutenção do
equipamento defeituoso.
2.7.4. Filtro de óleo
Com o natural desgaste do equipamento, eventuais impurezas podem
contaminar o óleo de lubrificação, como por exemplo lascas de metal da
tubulação. Para evitar tais problemas utiliza-se um filtro de óleo, o qual impede

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a passagem de impurezas para o corpo dos
interrupção de funcionamento.
beado a um determinado valor de pressão,
necessária para a adequada circulação. Esta pressão é muito alta para ser
transmitida diretamente para os mancais. Ainda, em caso de trip, o óleo de
circulação deve ser desviado de volta para o tanque de óleo.
Através de uma válvula redutora de pressão, situada após o filtro, o óleo é
reduzido até a uma pressão menor, para ser conduzido até os mancais ou para
retornar ao tanque. A redução de pressão é necessária pois o óleo de retorno
deve ter a mesma pressão que o tanque.
Após a válvula redutora, o óleo ainda passa por placas de orifício. Também
conhecidas como orifícios de restrição, as placas de orifício são malhas com
orifícios, os quais reduzem um pouco mais a pressão do óleo em sua
passagem, a níveis adequados para a lubrificação dos mancais.
2.7.6. Bombas de circulação de óleo
O óleo é circulado pelo sistema através de uma bomba hidráulica, a uma certa
pressão de recalque de modo que o óleo possa ser
utilizado tanto para a lubrificação quanto para a
regulagem, utilizando válvulas redutoras e orifícios
a) Bomba principal: acionada pelo eixo de baixa
rotação do redutor. Em caso de turbinas com
acionamento direto, a altas rotações
mancais. Os filtros possuem uma malha de
filtragem de metal, com dois possíveis graus de
filtragem (10 ou 25 microns).
Assim como nos trocadores, é comum o uso de
filtros duplos para uma manutenção sem
Filtros de óleo
2.7.5. Válvula redutora e placas de orifício
O óleo de circulação é bom
de restrição.
Como este equipamento é fundamental para o
funcionamento do sistema de óleo, normalmente
existem três diferentes bombas em turbinas:
(compressores segundo normas API), a bomba
deve ser acionada por uma turbina a vapor,
destinada exclusivamente para esse fim.
Bomba de óleo
auxiliar

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o
pressão da linha, um sin
motor elétrico de corrente
c) Bomba de emergência: se a bomba aux
emergência acionada po
suprir óleo para os manc
uma parcela da vazão total, esta só funciona para o período de desarme.
2.7.7. Bomba de elevação de rotor
Esta bomba, também conhecida como jacking oil pump, é utilizada em grandes
turbinas onde o peso do rotor é muito grande. Como conseqüência, durante a
de óleo não há pressão suficiente
ação hidrodinâmica, havendo risco
sta envia o óleo
da.
tida e parada
rogressivas, devido à dilatação térmica conseqüente da alta temperatura do
apor. Para isso, o regulador de velocidades atua em conjunto com um
g gear device, o qual reduz a velocidade
de falha da bomba principal, quando há queda na
al elétrico aciona a bomba auxiliar, acionada por um
alternada.
iliar também falhar, uma bomba de
b) Bomba auxiliar: em cas
r um motor de corrente contínua é responsável para
ais, durante o trip da máquina. Dimensionada para
partida ou parada, somente com o sistema
para garantir o filme de óleo necessário à
de se ter a decapagem dos casquilhos dos mancais. Em adição, o giro-lento
(item 2.7.8) torna-se muito grande devido ao alto torque necessário.
A bomba de elevação do rotor capta uma pequena porção de óleo do circuito
de lubrificação e direciona a uma bomba de alta pressão. E
diretamente aos mancais da turbina, e quando necessário, aos mancais do
gerador ou máquina acionada, elevando o(s) rotor(es) e assim garantindo a
formação do filme de óleo. Sua atuação é sincronizada com o dispositivo de
giro-lento, tanto na partida quanto na para
2.7.8. Dispositivo de giro lento
Para turbinas de porte maior, é necessário fazer uma par
p
v
dispositivo chamado giro-lento, turnin
da turbina nos períodos de partida e parada.
ispositivo de giro lentoD

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um
aquecimento, permitindo uma dilatação térmica suave dos componentes. O giro
mo
du
inv de
mperatura.
Durante a partida da turbina, o regulador é programado para admitir somente
a fração de vapor para a turbina, de modo que esta passe por um pré-
lento consiste em um motor elétrico que aciona um conjunto de engrenagens
engatadas ao eixo de alta rotação do redutor. Comandado pelo regulador, o
tor aciona o dispositivo o qual obriga a turbina a girar a uma baixa rotação
rante o período de pré-aquecimento. A mesma lógica é executada
ersamente durante a parada, quando se quer evitar brusca queda
te

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2.8 Sistema de Vapor e Condensação
Para a operação segura da turbina alguns equipamentos adicionais são
necessários no sistema de vapor. Para turbinas de condensação existe um
sistema adicional para que engloba o condensador, as bombas de condensado,
sistema de vácuo, etc.
2.8.1. Sistema de proteção contra retorno de vapor
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m turbinas com extração ou sangria é possível que a pressão do processo
que maior do que a pressão interna da turbina. Isto ocasionaria um retorno de
vapor, do processo para a turbina através da extração. Para impedir este
retorno são instaladas válvulas de retenção de vapor nas linhas de extração e
sangria.
E
fi
Válvulas de retenção de vapor
2.8.2. Sistema de drenagem da turbina

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2.8.3. Condensador
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calor latente, suficiente para deixá-lo na fase líquida –
O condensador é o principal componente do sistema de condensação. É nele
que o vapor proveniente da turbina voltará ao estado líquido. Através de uma
grande área de troca térmica, o vapor entra em contato com a região fria do
condensador e troca o
Processo 4-1 no diagrama T-s abaixo.
O condensador pode ser refrigerado a ar ou a água. Condensadores a ar são
muito raramente encontrados, sendo mais comuns em regiões com pouca
água. Condensadores a água são normalmente do tipo Casco-Tubo e são
compostos por:
Condensador refrigerado a água – tipo Casco-Tubo
Diagrama T-s

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tado horizontalmente em um casco cilíndrico fabricado em
montado com pequena inclinação em
direção à câmara de entrada de água. As câmaras são revestidas internamente
com Epoxi Betuminoso garantindo sua perfeita resistência às mais variadas
qualidades de água de refrigeração.
Anodos de sacrifício serão instalados quando necessários, nos espelhos de
forma a protegê-los contra corrosão eletroquímica. Os anodos podem ser
inspecionados periodicamente, durante a operação, através de medições de
potencial.
A perfeita condensação é garantida através de tubos de desaeração por onde o
ar e os gases não-condensáveis são extraídos de forma a se manter constante
o coeficiente de troca térmica em toda superfície do feixe.
egue abaixo um desenho ilustrativo de um condensador casco-tubo e seus
O feixe tubular é mon
aço carbono. O casco cilíndrico é fechado em suas extremidades através de
espelhos de aço carbono, nos quais, os tubos de refrigeração são expandidos e
mandrilhados de forma a garantir uma perfeita estanqueidade. Soldado aos
espelhos, temos as câmaras de água de refrigeração nas quais estão
instaladas as conexões de entrada e saída de água. Para garantir a perfeita
drenagem dos tubos, o feixe tubular é
S
principais componentes.
Condensador de superfície casco-tubo
Funcionamento:
O condensador é um trocador de calor multi-tubular, com tubos de resfriamento
retos, através dos quais a água de resfriamento, proveniente da torre de
resfriamento, flui. O vapor, advindo do último estágio da turbina de
condensação, é conduzido ao condensador at
situado na parte superior central do fe
xtensão dos tubos.
ravés do cone de interligação
ixe tubular, espalhando-se por toda
e

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aprox. temperatura ambiente) entra no
hum contato com a água de resfriamento;
No circuito de vapor/condensado, após a condensação do vapor, este é
bombeado de volta à planta para retornar à caldeira.
O circuito de água de resfriamento então é composto pela torre de
resfriamento, bombas de recirculação e pelo próprio condensador.
A condensação ocorre na parede externa destes tubos, que possuem alta
resistência à erosão-corrosão bem como aos gases incondensáveis arrastados
com o vapor e que apresentam características corrosivas.
O condensado é coletado em um poço montado na parte inferior do feixe
tubular (hotwell), com volume suficiente para garantir a correta operação das
bombas de extração de condensado. O controle de nível do condensador bem
como os intertravamentos para funcionamento das bombas são feitos através
de instrumentos conectados ao hotwell.
1. Água de resfriamento fria (
condensador proveniente da torre de resfriamento;
2. A água passa por dentro dos tubos do condensador mantendo-os frios;
3. O vapor que saiu da turbina passa por fora dos tubos, não tendo
nen
4. Gotículas começam a se formar nas paredes dos tubos e caem para o
poço do condensador;
5. É formado um nível de vapor condensado dentro do condensador;
6. A água de resfriamento sai do condensador mais quente e volta para a
torre de resfriamento.

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2.8.4. Bombas de extração de condensado
Para levar o condensado para os ejetores e o desaerador, utilizam-se duas
bombas de extração, sendo uma reserva da outra. As bombas são do tipo
centrífuga, verticais, acionadas por motores elétricos de corrente alternada, de
acordo com o nível do poço de condensado (hotwell), no caso quando este está
muito alto.
O nível do hotwell é controlado por um sistema de controle de nível, composto
por uma série de sensores e alarmes responsáveis pelo acionamento das
bombas. Em caso de uma falha no sistema de controle de nível, a pressão no
condensador aumentará, de modo que a válvula de escape livre libera o vapor
da turbina para a atmosfera, evitando problemas no hotwell.
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.8.5. Válvula de escape livre
r em caso de sobrepressão, uma
urbina e no condensador de vapor.
2.8.6. Sistema de extração de ar (sistema de vácuo)
O sistema de extração de ar tem duas funções básicas:
• Durante a partida produzir vácuo nas diversas partes conectadas ao escape
da turbina e condensador através do ejetor de partida.
• Em serviço normal da planta, extrair do condensador o ar e os gases
incondensáveis contidos no vapor expandido pela turbina, de forma a se
evitar a diminuição da área de troca por acúmulo de gases e
consequentemente a deterioração do vácuo.
2
Para proteção da turbina e do condensado
válvula de escape livre é instalada no duto de interligação entre turbina e
condensador.
Quando a pressão no condensador atinge a pressão pré-estabelecida, a
válvula abre e o vapor escoa para a atmosfera, evitando sobrepressão no
escape da t
• Ejetor de partida
Este ejetor destina-se a produzir o vácuo na partida da planta e após paradas
prolongadas, à partir da pressão atmosférica, até a remoção do ar existente no
condensador e escape da turbina, iniciando-se a formação do vácuo.
É constituído de um bocal ejetor e de um difusor formando um estágio. A
capacidade do ejetor é suficiente para estabelecer o vácuo de 0.2 bar em
tempo inferior a 30 minutos.
O vapor motriz e o ar extraído pelo ejetor fluem através de um silencioso para a
atmosfera, para reduzir o nível de ruído.

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tágios. O vapor do primeiro estágio produz um elevado vácuo,
ntre os bocais dos dois estágios encontra-se um condensador de superfície,
rimeiro estágio, com o fim
gio é condensado no
O transferido para o
Se
de
• Ejetores de serviço contínuo e condensador auxiliar
O sistema contínuo de extração de ar do condensador dispõe de dois ejetores
de ar de 2 es
causando a aspiração do ar do condensador principal. No difusor do segundo
estágio a pressão da mistura aumenta até um valor ligeiramente superior ao da
pressão externa.
E
destinado a condensar o vapor de alimentação do p
de não sobrecarregar o bocal do segundo estágio com a extração deste vapor
e recuperá-lo no circuito. O vapor do segundo está
condensador do segundo estágio.
condensado do primeiro e segundo estágios é
condensador de vapor principal. O ar e os gases incondensáveis são expulsos
para a atmosfera.
gue abaixo um esquema do sistema de condensação utilizado em turbinas
condensação.
Esquema básico de um sistema de condensação para turbinas a vapor

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.9. Sistema de regulagem e segurança
emergência, não basta
evitando que qualquer anomalia advinda de vibrações
e do eixo da turbina;
• Pressão de lubrificação insuficiente nos mancais;
• Pressão de escape alta;
• Temperatura do metal patente dos mancais alta;
• Excesso de vibração radial e/ou deslocamento axial do eixo.
O desarme pode ser também manual via botoeira que controla a válvula
solenóide ou via chave comutadora localizada na tubulação de óleo que
alimenta a válvula de fecho-rápido.
Seguem abaixo os principais instrumentos e equipamentos de controle e
segurança de uma turbina a vapor.
2.9.1. Termômetros
Utilizados para monitoração local, eles são colocados diretamente nos poços
usinados na turbina, e seu sinal lido por um ponteiro. As variáveis geralmente
monitoradas são:
• Temperatura r;
• Temperatura no tanque de óleo;
• Temperatura para o sistema de selagem.
2.9.2. Manômetros
Também para monitoração local, estes são colocados no próprio ponto de
medição, ou em um suporte local de instrumentos através de um capilar, que
envia mecanicamente o sinal de pressão desde o ponto de medição até o
2
Naturalmente, para desarmar uma turbina em caso de
simplesmente bloquear a passagem de vapor. Como já foi visto, deve-se
manter a lubrificação dos mancais via bomba elétrica em caso de falha, entre
outras medidas.
O sistema de trip da turbina é responsável pela segurança do equipamento
como um todo,
excessivas, altas temperaturas ou mesmo de fontes externas (por exemplo,
caso ocorram problemas semelhantes com a máquina acionada) possam
danificar a máquina, causando grandes prejuízos materiais e físicos
(dependendo da gravidade do problema). Assim, um conjunto de sensores,
pressostatos e termostatos conectados às mais diversas partes da turbina,
monitoram constantemente o comportamento daquelas variáveis que poderão
eventualmente ser a causa de algum problema.
O trip ou desarme de emergência pode ser acionado pelas seguintes fontes,
dentre outras:
• Sobrevelocidad
de óleo nos mancais de turbina, redutor e gerado

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ipalmente nos seguintes pontos de
de óleo após o resfriador de óleo.
s termopares convertem um sinal de temperatura
calor e precisão a altas
apor, com transmissão de
.9.5. Transmissores de pressão
os manômetros, os transmissores de pressão convertem o
or vivo;
m turbinas
Pressão de vapor de escape;
pós filtro (óleo de impulso P1);
instrumento. Estes medem a pressão princ
interesse:
• Pressão de vapor para sistema de selagem;
• Pressão de óleo após bombas de circulação.
2.9.3. Resistance temperature detectors (RTD´s)
Os RTD´s são conversores de sinal, os quais transformam um sinal de
temperatura para um valor de resistência elétrica. Utilizados para transmissão
de sinal para uma indicação digital de temperatura, se aplicam para faixas de
temperatura relativamente baixas (até 100 o
C). Como principais aplicações
temos:
• Temperatura do metal patente nos mancais;
• Temperatura de óleo antes do resfriador de óleo;
• Temperatura
2.9.4. Termopares
Semelhantes aos RTD´s, o
em tensão elétrica, com maior resistência ao
temperaturas. São utilizados para medições de v
sinal para um indicador digital. Como aplicações temos:
• Temperatura de vapor vivo;
• Temperatura de vapor de extração;
• Temperatura de vapor de escape.
2
Utilizados no lugar d
sinal de pressão em um sinal elétrico, transmitindo a informação para um
indicador digital. Aplicados geralmente em:
• Pressão de vap
• Pressão de vapor na câmara da roda de regulagem (e
multiestágio);
• Pressão de vapor de extração;
•
• Pressão de óleo a
• Pressão de óleo após válvula redutora (óleo de lubrificação);
• Pressão de óleo para servo-motor (óleo de regulagem P3).

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smissores de temperatura
os sinais de resistência vindos
em 4 a 20 mA. Estes sinais
ermitem uma maior precisão e melhor gerenciamento do sinal, que podem ser
petidos diretamente dos transmissores até um sistema supervisório digital de
encionados para os RTD’s e
dispositivos de recepção dos sinais vindos dos RTD´s, termopares e
relho. A preferência por sinais
um painel de instrumentos,
s sinais de temperatura podem vir tanto de transmissores quanto diretamente
opares. A diferença é que a repetição de sinal fica restrita
smos já citados na instrumentação dos RTD´s,
pressão e temperatura.
s pressostatos e termostatos são instrumentos que emitem um sinal elétrico
alcança um valor pré-determinado. Portanto,
2.9.6. Tran
Estes elementos tem como finalidade converter
dos RTD e/ou termopares em sinal de corrente
p
re
controle (SDCD). Os sinais são os mesmos já m
termopares.
2.9.7. Indicadores digitais
São os
transmissores de pressão e temperatura. Estes convertem os sinais elétricos
em valores digitais, informados na tela do apa
elétricos é justificada pela transmissão de sinal para
ao invés do suporte local. Ainda, este sinal elétrico pode ser passado para um
SDCD.
O
dos RTD´s ou term
somente ao indicador no segundo caso, enquanto que no primeiro caso os
sinais podem ser repetidos diretamente do transmissor local. Ainda pode-se
desejar uma melhor precisão na detecção da temperatura, e para isto se
utilizam os transmissores como transdutores auxiliares.
Os sinais indicados são os me
termopares e transmissores de
2.9.8. Pressostatos e termostatos
O
quando a variável a ser medida
servem para detectar quando uma pressão está demasiado baixa ou uma
temperatura está muito alta, por exemplo. Estes instrumentos emitem o sinal
para um alarme ou para uma válvula solenóide responsável pelo trip da turbina.

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s principais pressostatos e termostatos para uma turbina a vapor são osO
seguintes:
Função Local Atuação
Baixa pressão de impulso
(P1)
Após filtro Liga bomba auxiliar
Muito baixa pressão de
lubrificação
Antes dos mancais Alarme
Liga bomba de emergência
Sinal de trip
Alta pressão de vapor de Flange de escape Alarme
Sinal de trip
escape
Alta temperatura metal
patente dos mancais
RTD’s mancais Alarme
Sinal de trip
Alta pressão diferencial Filtro de óleo Alarme
Alta temperatura óleo Trocador de calor Alarme
Normalmente quando já há transmissão de pressão ou temperatura nos pontos
de interesse, são utilizados os próprios transmissores de pressão e
temperatura para o envio do sinal, ao invés de pressostatos ou termostatos.
2.9.9. Sistema de monitoração de vibração
Em função das turbinas de reação funcionarem a rotações mais altas, muitas
vezes existem problemas quanto à vibração radial e axial. A vibração excessiva
resulta em elevado nível de ruído, desgaste dos mancais e até empenamento
sistema de monitoração de vibração axial e
Em caso de deslocamento axial, os sensores fornecem sinais para medição de
distância relativa e não de amplitude de vibração.
Para análises mais detalhadas, pode ser utilizado um medidor de ângulo de
fase (keyphasor).
2.9.10. Equipamentos do sistema de regulagem e segurança
O sistema para controle e proteção da turbina consiste em uma série de
equipamentos que, sobre qualquer anomalia detectada pela instrumentação,
atuam nas válvulas de admissão e na válvula de fecho rápido.
do rotor. Em função disso, existe o
radial, os quais estão diretamente ligados a sinais de alarme e ao sistema de
trip em caso de valores inadmissíveis.
Um sensor de vibração conhecido como proximeter, é instalado nos mancais e
transmite o sinal a um monitor instalado no painel da turbina. Este monitor
processa o sinal e o converte em valor de leitura, geralmente um sinal de
amplitude.

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Abaixo segue um breve descritivo de um sistema de regulagem e segurança
eletrônico e seus equipamentos.
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a turbina possui u da dentada em uma de suas extremidades. Um
roda, de modo a registrar a rotação
sinal elétrico. Este sinal é emitido para o
O eixo d ma ro
sensor de rotação é direcionado para a
instantânea e convertê-la em um
regulador de velocidades da turbina.
Um sinal de óleo após o filtro é transmitido para um conversor eletro-hidráulico
(CPC), responsável para converter o sinal elétrico do regulador de velocidades
em impulso de óleo; o outro sinal, para transmitir para uma das admissões do
servo-motor das válvulas de regulagem. O impulso de óleo vindo do CPC é
inserido na outra admissão do servo-motor, de forma que os dois sinais
hidráulicos atuam no comando de abertura e fechamento das válvulas.
o fole, a qual permanece cheia de óleo. A ausência de óleo força o
Todo sinal elétrico de trip é transmitido para uma válvula solenóide. Esta
solenóide aciona uma válvula direcionadora de fluxo, que desvia o curso do
óleo, direcionado para um aparelho de comando. O aparelho de comando é
uma bóia tip
aparelho a levantar a bóia, a qual está conectada com a haste da válvula de
fecho rápido.

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3. Gerador, sistema elétrico e sistema de controle
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são do gerador para a planta e a rede
concessionária, e pela conversão a níveis menores de tensão, de modo a ser
utilizada em equipamentos menores e alimentar os próprios equipamentos
elétricos da planta.
Os principais equipamentos do sistema elétrico de uma central termoelétrica
serão discutidos aqui brevemente, tendo como objetivo apenas explicar a
aplicação dirigida para cada um.
3.1. Gerador síncrono trifásico
Para a conversão da energia cinética de rotação da turbina em energia elétrica,
o gerador possui no eixo de seu rotor, assim como na parte fixa (estator)
componentes chamados bobinas. Estas bobinas recebem uma corrente de
excitação com o intuito de transformar a energia cinética em um campo
eletromagnético. Como resultado deste campo, é gerada a energia elétrica,
disponibilizada em terminais trifásicos, a ser enviada para os consumidores.
As plantas térmicas para geração de energia elétrica devem possuir um
gerador, para a conversão do torque da turbina em eletricidade, além de um
sistema de proteção do gerador contra possíveis problemas quanto à
manipulação dessa energia. Ainda, existem certos equipamentos responsáveis
pela conexão da linha de média ten
As máquinas elétricas possuem um escorregamento devido à diferença da
rotação nominal e da rotação síncrona. Este fato é previamente considerado no
dimensionamento da corrente de excitação.
O equipamento responsável pela geração da corrente de excitação é chamado

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de excitatriz, os
sem escovas
lador (para modelos pequenos) ou de um trocador de calor
de excitatriz. Os projetos de geradores possuem dois tipos
quais consistem em excitação por escovas (estática) e
(brushless). No primeiro sistema a excitação é gerada por um sistema de
escovas o qual é posicionado no mancal do gerador. No segundo a excitação é
feita através de um mancal separado do gerador, o qual não utiliza de escovas
para produzir a excitação.
O ar circulante no gerador é aquecido devido à energia térmica dissipada pelas
bobinas do sistema com a passagem de corrente elétrica. Por isso, os
geradores possuem um sistema de resfriamento do ara circulante, podendo ser
através de um venti
resfriado a água.
Exemplos de geradores:

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gerenciamento de proteção do gerador. Como
controle da tensão de excitação do gerador.
3.1.2. Sistema de sincronismo
O gerenciamento de envio da energia elétrica possui algumas características
as quais são:
• Operação isolada: o gerador é a única
fonte de energia elétrica na planta do
consumidor.
• Operação em paralelo: O gerador é
uma das outras fontes de energia
disponíveis no consumidor. Para dividir
as cargas disponíveis, dizemos que o
gerador encontra-se em paralelo com
estas fontes. Como possíveis fontes
temos outros geradores, ou a energia
vinda da concessionária.
Para realizar o controle desta divisão de
carga, é necessário um sincronizador
automático. Este sincronizador
geralmente é instalado no painel de
proteção e excitação do gerador.
3.1.1. Painel de proteção e excitação do gerador
O gerador deve possuir um quadro elétrico o qual abriga os componentes para
controle da excitação e proteção do gerador.
Sistema de proteção: a tecnologia de hoje em dia utiliza um relé de proteção
microprocessado para o
principais eventos de proteção temos por exemplo: corrente reversa,
subfrequência, sobretensão, etc. Todas estas funções estão normalizadas
conforme nomenclatura ANSI.
Sistema de excitação: Consiste em um regulador automático de tensão, o qual
é responsável pelo

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3.1.3. Proteção contra surtos de tensão
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potencial e transformadores de
O terminal neutro do gerador possui alguns
3.1.5. Resistor de aterramento
aterramento assegura a conexão do
ge
d
em quando há falhas no sistema elétric
do gerador, o relé é intertravado ao di
transmissão da energia para as utilidade
3.1.7. Carregador e banco de baterias
Como princípio de segurança, a a
corrente contínua deve vir de uma
Os sistemas de emergência utiliz
esporadicamente, em curtos períodos
O banco de baterias armazena div
geradoras de corrente contínua. O carregador de
baterias alimenta estas quando não estão sendo
utilizadas.
3.1.8. Transformadores auxiliares
A energia geralmente é gerada em média tensão (entre 4.16 a 13.8 kV). A
grande maioria dos consumidores requerem energia a baixa tensão (380-460 V
para máquinas em geral, 220 V para instrumentos, 127 V para iluminação).
Para isto, são necessários transformadores para converter a energia em média
tensão a níveis mais baixos, para alimentação destes consumidores. Como a
central de geração é posta em separado da planta de consumidores,
normalmente são necessários trafos exclusivos para os consumidores da
Para evitar a ocorrência de variações indesejáveis de tensão, devem ser
instalados capacitores, transformadores de
corrente nos terminais do gerador. Estes componentes também podem ser
colocados em separado em um cubículo.
3.1.4. Fechamento de neutro
componentes para a devida garantia deste
ponto de referencial.
Instalado em um cubículo, o resistor de
rador ao ponto terra.
3.1.6. Disjuntor do gerador
Instalado após os terminais do gera or, o disjuntor é o elemento de segurança
o. Para eventuais eventos de proteção
sjuntor o qual abre o contato e isola a
s.
limentação em
fonte confiável.
am esta fonte
.
ersas baterias

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róprios trafos.
sumidores é feito através de painéis
om botoeiras e interruptores para cada consumidor.
r
Responsável pela proteção contr
conectado a uma malha de aterram a fundação do prédio
da casa de força.
3.1.11. Sistema de energia confiáve
De modo a evitar problemas na ali
vitais da planta (sistema de contro te sistema também
conhecido como no-break fornece energia durante um período de emergência,
até a desativação da planta ou do reinício da alimentação de energia primária.
ficiente de transmissão com menor
uantidade de perdas. Para isto, é necessária uma subestação para elevação
o nível de tensão do gerador e do barramento externo.
ns
nto, iluminação e sistema
central, enquanto a fábrica possui seus p
3.1.9. Painéis de distribuição
O controle da energia distribuída aos con
c
3.1.10. Pára-raios e malha de ater amento
a descargas atmosféricas, o pára-raios é
ento, construída sob
l (UPS)
mentação em corrente alternada para fontes
le e instrumentação), es
3.1.12. Subestação elevadora
Em algumas plantas, a transmissão da energia exportada é feita em alta tensão
(acima de 22 kV), já que é o meio mais e
q
d
A subestação é composta de: tra formador elevador, disjuntor entre
subestação e linha de alta tensão, malha de aterrame
de proteção.

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