Apostila de turbina a gás para as industrias

1. Turbina a Gás

2. TURBINAS A GÁS
Nas turbinas a vapor para se produzir
energia mecânica se aproveita o calor
produzido ao se queimar um combustível.
Para isso necessita-se de uma etapa
intermediária (caldeira) onde se produz o
vapor d'água que ao se expandir sobre as
pás do rotor produz trabalho mecânico.

3. TURBINAS A GÁS
A evolução dos motores térmicos permitiu adquirir
experiência suficiente com o desenvolvimento de
materiais adequados para poder construir turbinas
nas quais se aproveitasse diretamente a energia
desenvolvida na combustão, armazenada nos gases
produzidos que se expandem de forma parecida à
do vapor, nas pás móveis de um rotor.
Estes motores modernos se denominam
Turbinas a Gás.

4. TURBINAS A GÁS
A turbina a gás mais simples é a chamada
de ciclo aberto simples e conta com os
seguintes elementos:
1. Compressor de ar
2. Câmara de combustão
3. Turbina propriamente dita
4. Dispositivos auxiliares

5. Representação esquemática
Turbina a gás de ciclo aberto simples

6. TURBINAS A GÁS
Os principais tipos de motores a propulsão são:
• Turbojato: atua em altas velocidades e grandes altitudes, por isso sua
aplicação é em geral em aeronaves militares. Possui alto consumo de
combustível e é muito barulhento em baixas altitudes e velocidades.
• Turbofan: é o mais utilizado na aviação comercial atualmente. Possui
menor consumo de combustível e é mais silencioso do que o
turbojato devido a uma ventoinha de grande diâmetro na admissão ou
exaustão.
• Turboprop: Conceito misto entre o jato e o fan. É utilizado
em aviões domésticos e de baixas velocidades.

7. Turbojato

8. Turbofan

9. Turbofan

10. TURBINAS A GÁS
A turbina a gás mais simples é a chamada de ciclo aberto simples e
conta com os seguintes elementos:
1. Compressor de ar
2. Câmara de combustão
3. Turbina propriamente dita
4. Dispositivos auxiliares

11. TURBINAS A GÁS
O ar atmosférico aspirado pelo compressor, alimenta a câmara de
combustão.
Na câmara de combustão, se injeta o combustível de forma
contínua, através de uma bomba.
A combustão se inicia eletricamente durante o arranque,
continua a pressão constante com temperaturas de 650 a 750
ºC.
O gás obtido se expande sobre o rotor da turbina que está ligado
mecanicamente com o rotor do compressor;
ou seja o gás tem que fornecer potência suficiente para a
compressão e potência útil, sendo esta última de cerca de
1/3 da potência total desenvolvida.

12. TURBINAS A GÁS
Vantagens da Turbina a Gás sobre a Turbina a
Vapor
- menor relação peso/potência
- instalação mais compacta, menos volumosa
- necessita menos dispositivos auxiliares
- não necessita de condensador
- não necessita de água
- lubrificação mais simples
- fácil controle
- não necessita de chaminé (escape isento de fumaça)

13. TURBINAS A GÁS
Desvantagens
- grande consumo específico de combustível
-devido as altas temperaturas desenvolvidas,
necessita ser construído com materiais especiais
(aços resistentes a altas temperaturas)

14. Combustíveis empregados
As Turbina a Gás admitem uma variada gama de
combustíveis líquidos e gasosos, sendo que a única
condição que deve se levar em conta é que a quantidade
de cinzas não exceda um certo limite.

15. Combustíveis empregados
Os combustíveis mais aplicados são:
-gás natural: adapta-se muito bem as turbinas a gás, a única condição
imposta é que seja limpo.
-petróleo bruto: em geral é possível usa-lo, porém como a sua
composição varia muito de acordo com o local da sua extração se faz
necessário análises para determinar as possibilidades de sua utilização.
-gás de alto forno: como a quantidade de pó deste combustível é em
geral muito alta, tem de se instalar um filtro eficaz antes da entrada do
compressor.
-óleo pesado: é um combustível muito conveniente desde que a
quantidade de cinzas seja pequena.

17. Compressor
O compressor de uma turbina a gás pode ser do tipo centrífugo ou
axial.
Ambos são constituídos por doiselementos principais: o rotor e o
difusor.
O ar ao entrar no compressor é acelerado nos condutos das pás do
rotor, no difusor a energia cinética do ar se transforma gradualmente
em energia de pressão.
Em turbinas a gás para centrais térmicas o compressor centrífugo é
geralmente constituído por vários saltos (fileiras), o que permite a
instalação de refrigeradores que melhoram o rendimento da instalação.
Geralmente o compressor axial temmelhor rendimento que o
centrífugo.

18. Câmara de combustão
A câmara de combustão pode ser do tipo simples ou múltipla.
As múltiplas são sempre do tipo tubular, as simples podem ser tubulares
ou anulares.
Normalmente na primeira metade da câmara de combustão está
localizado o injetor, que introduz o combustível a pressão, pulverizado ou
em forma de gás. De acordo com o tipo de turbina a injeção pode
realizar-se no mesmo sentido da corrente de ar ou contra a corrente de
ar .

19. Câmara de combustão
As câmaras tubulares contém uma capa metálica externa e um tubo
interno onde se dá a mistura e a combustão.
O ar entra tanto no interior do tubo, como entre este e a capa externa,
no interior do tubo um dispositivo com pequenas pás inclinadas imprime
ao ar um movimento vibratório em torno do eixo da câmara para se
obter uma melhor combustão.
O ar periférico assegura a refrigeração das paredes.

20. Câmara de combustão
Na câmara de combustão anular a injeção se dá contra a corrente, e a
admissão dos gases na turbina ocorre lateralmente.
Nas turbina a gás utilizadas em centrais elétricas é mais freqüente o uso
de câmaras tubulares.
Estas adaptam-se melhor a compressores centrífugos enquanto que as
anulares são mais usadas para os compressores axiais.

21. Sistema de alimentação de combustível
Na busca de uma combustão, necessita-se de uma boa
pulverização do combustível, inclusive para quantidades
injetadas de combustível muito variáveis. Isto se obtém
através de um dispositivo chamado de pulverizador de
refluxo.

22. CICLOS COM
TURBINAS a GÁS

23. Ciclo simples da turbina a gás
O ciclo teórico de funcionamento da turbina a gás é o ciclo Brayton. O
ar entra no compressor e é comprimido adiabaticamente (do ponto 1 a
2) depois (2) começa a combustão à pressão constante (de 2 a 3)
com a introdução de calor (Q1), que produz um aumento no volume
do fluido . Essa expansão é adiabática e é produzida nos condutos da
turbina (linha 3-4), a seguir (4) os gases são descarregados na
atmosfera ou podem ser refrigerados a pressão constante (linha 4-1)
para voltar ao estado inicial e recomeçar o ciclo.

24. Ciclo simples da turbina a gás

25. Turbinas a gás com regenerador
Um procedimento usado para melhorar o rendimento de uma turbina a
gás consiste em recuperar parte do calor perdido com os gases de
escape a alta temperatura.
Para isso utiliza-se de um ou vários regeneradores (Trocadores de
calor) entre a saída do compressor e a entrada da câmara de
combustão, aquecendo-se o ar pela ação dos gases de escape da
turbina.

26. Turbinas a gás com regenerador

27. Turbinas a gás com
refrigeração e regeneração
Também é possível aumentar o rendimento da turbina a gás
refrigerando o ar na saída do compressor e injetando-o em outro
compressor de alta pressão.
As turbinas neste caso são de 2 ou mais eixos e também podem ter
regeneradores. Podem também conter corpos de alta e baixa pressão.
Em geral as turbinas de alta pressão acionam o gerador e as de baixa
pressão acionam os compressores de baixa pressão. Cada eixo deve
ter o seu correspondente motor de arranque.

28. Turbinas a gás com
refrigeração e regeneração

29. Turbinas a gás com refrigeração,
regeneração e reaquecimento
É possível aumentar mais ainda o rendimento da turbina a gás
acrescentando além da refrigeração do ar do compressor e da
regeneração da temperatura do ar que se conduz à câmara de
combustão, outra implementação ocorre aproveitando os gases de
escape e introduzindo-os em uma nova câmara de combustão em
cuja saída é acionada uma outra turbina de baixa pressão.
A combinação de regeneração, reaquecimento e refrigeração nos
permite atingir rendimentos térmicos reais superiores a 33%.

30. Turbinas a gás com refrigeração,
regeneração e reaquecimento

31. Turbina a gás de ciclo fechado
Todas as turbinas a gás vistas até aqui eram de ciclo aberto, não
havendo recirculação do fluido operante.
No ciclo fechado todo o fluido é recirculado ( com exceção de perdas)
de forma contínua. O calor procedente do aquecedor de alta
temperatura ( que substitui a câmara de combustão) ou então um
reator nuclear é então transmitido à turbina.
Os gases de escape são refrigerados antes de serem reintroduzidos no
compressor para um novo ciclo.
No ciclo fechado podem ser usados outros gases além do ar, como o
Hélio, gás carbônico e Nitrogênio, o maior inconveniente deste ciclo é
o elevado custo e as dimensões do aquecedor de alta temperatura.

32. Central com Turbinas a Gás

33. TURBINAS A GÁS

34. TURBINAS A GÁS

35. FIM