Turbinas a vapor

Turbinas a Vapor
Fábio Leandro
Fernando de Farias
Henrique Ribeiro
Prof: Paulo Lagos
Máquinas Térmicas - 2º. Semestre 2015

Por volta de 150 A.C.
Hero, da Alexandra, definiu a
famosa “aeolipile”. Utilizou a
transformação de energia
térmica em energia mecânica
de rotação, devido a força do
vapor que agiu sobre as pás
rotativas.
Aeolipile
Fonte: https://en.wikipedia.org/wiki/Aeolipile

Charles Algernon Parsons,
Inglês, licenciado em Matemática e
formado em Engenharia Mecânica,
inventor da primeira turbina a vapor
moderna em 1884, cujo o modelo foi
ligado à um dínamo que gerava 7,5 kW
de eletricidade.

Esta turbina tornou mais barata a eletricidade para o
transporte marítimo, revolucionando-o.
Após esse modelo, uma série de outras variações de
turbinas foram desenvolvidas para trabalhar eficazmente
com o vapor.
Em 1890, Gustaf de Laval criou um tubo para
acelerar o vapor a uma velocidade máxima antes de lançá-
lo contra uma lâmina da turbina, esta ficou conhecida como
a turbina de Laval.
A partir disto, o impulso da turbina se tornou mais
simples, com menos custos e não precisava ser à prova de
pressão.

É uma substância na fase de gás com uma
temperatura inferior a sua temperatura crítica. Isto
significa que o vapor pode ser condensado para um
líquido e para um sólido pelo aumento de sua pressão.
Fonte: http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/diagrama-fases.htm

É um equipamento que aproveita a energia
calorífica do vapor (Energia Potencial), que é transformada
em Energia Cinética devido a sua expansão através dos
bocais. Esta energia será transformada em Energia
Mecânica de rotação devido a força do vapor agindo sobre
as pás rotativas.
Essa energia mecânica pode ser utilizada para mover
equipamentos e quando acoplado um gerador a turbina a
vapor, se obtém a transformação da energia mecânica
em energia elétrica.

Fonte: os próprios autores.

TURBINA DE RATEAU :
Ao invés da queda total de pressão ocorrer em um
único bocal (ou conjunto de bocais) a queda de pressão é
dividida em duas ou mais fileiras de bocais. Com este
arranjo se obtém um efeito semelhante ao que se teria com
um arranjo de duas ou mais turbinas de Laval em série.
A vantagem consiste em que se pode obter uma
velocidade de palhetas mais adequadas em termos de
resistência de materiais.

Turbina de Rateau
Fonte: http://www.atmosferis.com/tipos-de-turbinas-de-vapor/

TURBINA CURTIS-RATEAU:
O desenvolvimento desta turbina partiu do princípio
de se conseguir velocidade de pás ideais (maiores
rendimentos) utilizando-se uma combinação de estágios
Curtis (escalonamento de velocidade) e estágios Rateau
(escalonamento de pressão).
O emprego do estágio Curtis ocasiona grande perda
de pressão e de temperatura do vapor permitindo o uso de
materiais mais leves e baratos nos estágios Rateau, assim
como turbinas curtas.

Turbina Curtis-Rateau
Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAO8sAK/turbinas-a-vapor

TURBINA PARSONS:
Este tipo de turbina é constituído de múltiplos
estágios de reação, que resulta em quedas parciais de
pressão através de sucessivas fileiras de palhetas fixas e
móveis. Com isto a queda de pressão em cada fileira é
pequena resultando em baixas velocidades do vapor em
cada estágio. À medida que o vapor se expande, o seu
volume específico aumenta. Nos estágios de alta pressão
ocorre fuga de vapor através das folgas entre as palhetas
móveis e a carcaça, resultando em perda de eficiência.

Turbinas Parsons
Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Charles_Algernon_Parsons

TURBINA CURTIS-PARSONS:
Neste tipo de turbina usam-se os estágios de ação e
reação de forma escalonada. Primeiro usa-se um estágio
Curtis (por exemplo duas quedas de velocidade) para
reduzir a pressão e temperatura do vapor e logo em
seguida usa-se os estágios de reação.

Turbina Curtis - Parsons
Fonte: http://www.leander-project.homecall.co.uk/turbines.html

Princípio Construtivo
Fonte: http://www.academiadeciencia.org.br/site/2012/06/28/turbina-a-vapor/

A turbina é composta, basicamente de:
• Rotor (roda móvel)
• Estator (roda fixa)
• Bocais
• Palhetas
• Diafragmas

Rotor
É o elemento móvel da turbina (envolvido pelo
estator) cuja função é transformar a energia cinética do
vapor em trabalho mecânico através do receptores fixos.

Rotor
Fonte: http://portuguese.heavysteel-forgings.com/sale-2097635-astm-gb-steam-turbine-rotor-forging.html

Elementos da Turbina
Estator
É o elemento fixo da turbina (que envolve o rotor)
cuja função é transformar a energia potencial (térmica)
do vapor em cinética através dos distribuidores.

Estator
Fonte: http://es.slideshare.net/gocando/turbinas-de-vapor-3159160

Elementos da Turbina
Bocais
A turbina a vapor é alimentada através destes
elementos. Seu trabalho é obter uma distribuição
adequada de vapor.

Bocais
Fonte: http://www.resumosetrabalhos.com.br/turbinas-de-vapor.html

Palhetas
Palhetas móveis são aquelas fixadas ao rotor,
enquanto que palhetas fixas são fixadas no estator. As
palhetas fixas (guias, diretrizes) orientam o vapor para a
coroa de palhetas móveis seguinte. Já as palhetas
móveis tem a finalidade de receber o impacto do
vapor proveniente dos expansores (palhetas fixas) para
movimentação do rotor.

Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAeoeUAG/analise-causa-basica-falha-palheta

Diafragma
São constituídos por dois semicírculos, que
separam os diversos estágios de uma turbina de ação
multi-estágio juntamente com o anel de palhetas.

Diafragma
Fonte: https://www.sekogroup.com/pt/produzimos/energia/

O elemento básico da turbina é o rotor, que conta
com palhetas, hélices, cubos colocados ao redor de sua
circunferência, de forma que o fluido em movimento produza
uma força tangencial que impulsiona o rotor, fazendo-o girar.
Essa energia mecânica é transferida através de um
eixo para movimentar uma máquina, um compressor, um
gerador elétrico ou uma hélice.

Funcionamento
Fonte: http://www.sofisica.com.br/conteudos/curiosidades/nuclear2.php

A passagem do vapor gera forças, que aplicada às
pás, determinam um momento motor resultante, que faz
girar o rotor.
Fonte: http://fabioferrazdr.files.wordpress.com/2008/08/turbinas-a-vapor.pdf

Nelas predominam a força de impulsão e os
estágios podem ser de dois tipo: estágio de pressão,
conhecido como Rateau e estágio de velocidade,
conhecido com Curtis.
Fonte: http://ec2-107-21-65-169.compute-1.amazonaws.com/content/ABAAAAO8sAK/turbinas-a-vapor

Em um estágio de ação toda a transformação de
energia do vapor em energia cinética ocorrerá nos
expansores, em conseqüência haverá uma queda na
pressão do vapor e um aumento da velocidade.

Em uma turbina de reação comercial teremos
sempre vários estágios, colocados em serie, sendo cada
estágio constituído de um anel de expansores (também
chamado de roda de palhetas fixas), seguido de uma
roda de palhetas móveis.Tanto as palhetas fixas, como
as palhetas móveis têm seção assimétrica, o que resulta
em áreas de passagens convergentes, para o vapor em
ambas.

Por esta razão, em uma turbina de reação
comercial, parte da expansão do vapor ocorrerá nas
palhetas fixas e parte ocorrerá nas palhetas móveis. Nas
palhetas fixas teremos, portanto, uma expansão parcial
do vapor, resultando em uma queda de pressão e em um
aumento da velocidade.
Fonte: http://ec2-107-21-65-169.compute-1.amazonaws.com/content/ABAAAAO8sAK/turbinas-a-vapor

As turbinas a vapor são partes de um sistema
gerador de potência. As instalações de potência com
turbina a vapor visam, fundamentalmente obter energia
elétrica ou mecânica e vapor para processo industrial.
A turbina a vapor é atualmente o mais usado
entre os diversos tipos de acionadores primários
existentes. Sua maior aplicação é no acionamento de
bombas, compressores e geradores de energia elétrica.
Embora inventada e conhecida a alguns séculos, seu
desenvolvimento e aplicação de forma prática se deu
principalmente nas últimas décadas.

Aplicação
Do ponto de vista termodinâmico a turbina a
vapor ocupa umas posição favorável, transformando em
energia mecânica grande parte da energia térmica que
consome. Sua eficiência pode ser considerada boa,
especialmente nas turbinas de grandes capacidades
acionadas por vapor de alta pressão.
Do ponto de vista mecânico, a turbina a vapor
pode ser considerada ideal, pois a força de propulsão é
aplicada diretamente no elemento de rotação da
máquina, não sendo necessário, como no caso das
máquinas alternativas a vapor, um dispositivo do tipo
biela-manivela para transformar o movimento alternativo
em rotativo.

Pelo fato de apenas possuir peças com
movimento de rotação, não tem o inconveniente de
desbalanceamento mecânico, como no caso das
máquinas alternativas a vapor e à combustão interna. É
um equipamento mecânico que se presta muito bem
para o acionamento de máquinas que exigem torques
constantes e rotações elevadas como no caso de
bombas, geradores de energia elétrica e compressores
rotativos.

Fonte: http://www.mundovestibular.com.br/articles/244/1/COMBUSTIVEL-DAS-USINAS-TERMICAS/Paacutegina1.html

Utilização de vapor a alta pressão e alta temperatura.
Alta velocidade de rotação.
 Alta relação potência /tamanho.
Operação suave, quase sem vibração.
Não há necessidade de lubrificação interna.
Vapor na saída sem óleo.
Pode ser construído com diferentes potências: unidades
pequenas (1MW) ou muito grandes (1,2GW).

É necessário um sistema de engrenagens para
baixas rotações.
A desaceleração da turbina requer uma
quantidade específica de tempo, ou seja, após
acionada ela necessita de um certo período de
tempo para cessar o movimento.
A eficiência de turbinas a vapor de pequeno porte
é baixa.

Fonte: http://www.shortcourse.com.br/site/clipping_01.asp?titulo=Turbinas%20a%20Vapor

Fonte: http://www.coopertei.com.ar/pt/turbo-maquinas.htm

Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAlgYAG/turbinas-a-vapor-descritivo

 A qualidade da água de alimentação da caldeira é fator
fundamental para confiabilidade e o bom funcionamento
do sistema.
 O tratamento de água de caldeiras é realizado com o
intuito de impedir as seguintes anormalidades:

 Corrosão;
 Formação de incrustações e depósitos nas paredes dos
tubos e tubulações;
 Arrastamento de materiais contaminantes da água da
caldeira para as demais partes do sistema de vapor, como
redes, válvulas e turbinas.

TRATAMENTO PH - FOSFATO
 O pH da água da caldeira é mantido em um nível
próximo ao da neutralidade (de neutro a alcalino) por meio
da adição de soda cáustica.

Fonte: http://www.wikienergia.pt/~edp/index.php?title=Central_Tejo:_Alta_Press%C3%A3o_(1941-1972)_-_III_Parte

 Fatores que influenciam no desgaste
Pelo produto:
Materiais utilizados;
Fator de segurança de projeto;
Qualidade da fabricação.
Pelo processo:
Qualidade do vapor;
Temperatura de trabalho;
Umidade do vapor;
Partículas estranhas;
Procedimentos de paradas e partidas.

 Fatores que influenciam no desgaste
Pelo modo de operação:
Carga parcial e/ou sobrecarga;
Operação contínua ou intermitente.

 MANCAIS: Desagregação do material, trincas e defeitos
de fabricação.
Fonte: http://pt.slideshare.net/GustavoMeloo/fsiicaa?from_search=1

 CORROSÃO E DESGASTE: Devido ao
dimensionamento indevido, vapor de qualidade
baixa e má aplicação da turbina.

 DANOS MECÂNICOS: Impactos com corpos
estranhos.

• GODOY, Jorge – Turbinas a vapor. Rio de Janeiro, Petrobrás/Div. de
ensino.
• http://fabioferrazdr.files.wordpress.com/2008/08/turbinas-a-vapor.pdf
• http://www.slideshare.net/GustavoMeloo/fsiicaa?from_search=1
• www.swe.siemens.com
• www.grupotgm.com.br

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