Turbinas a Vapor: Funcionamento, Classificação e Componentes

O que é uma Turbina a Vapor?

Turbina a vapor é uma máquina rotativa que consome energia térmica do vapor de água, transformando-a em energia mecânica. Sua maior aplicação é no acionamento de bombas, compressores e geradores de energia elétrica.

Vantagens Termodinâmicas e Mecânicas

Vantagem Termodinâmica

Do ponto de vista termodinâmico, a turbina a vapor ocupa uma posição favorável, transformando em energia mecânica uma parte relativamente grande da energia térmica que consome. Sua eficiência pode ser considerada boa, especialmente nas turbinas de grandes capacidades acionadas por vapor de alta pressão.

Vantagem Mecânica e de Lubrificação

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 possuir apenas peças com movimento de rotação, não há o inconveniente de desbalanceamento mecânico, como no caso das máquinas alternativas a vapor e à combustão interna.

Como as partes lubrificadas de uma turbina são os mancais principais, o sistema governador e as engrenagens do redutor de velocidade, e não existindo nenhuma parte de escorregamento linear como nas máquinas alternativas, o consumo de lubrificante é mínimo. Geralmente, o óleo circula no sistema de lubrificação, sendo refrigerado e filtrado, podendo ser usado por um longo período de tempo sem necessidade de substituição. Assim, o custo de lubrificação é baixo quando comparado com o de máquinas alternativas de potência equivalente.

Classificação das Turbinas a Vapor

1. Quanto ao Fornecimento de Vapor e Condições de Exaustão

• Turbinas de Condensação: Pressão de descarga menor do que a atmosférica. É o tipo de turbina mais empregado para geração de energia. A conexão de saída de vapor da turbina é ligada a um condensador para criar vácuo.
• Turbinas de Não-Condensação (ou Contrapressão): Pressão de descarga superior à atmosférica. São amplamente utilizadas em processos fabris onde o vapor de descarga pode ser usado para processo ou aquecimento. A pressão de saída é controlada através de uma estação regulatória para manter a pressão de processo desejada.

2. Quanto ao Princípio de Funcionamento

• Turbinas de Ação: A queda de pressão do vapor ocorre somente em peças estacionárias. Nelas predomina a força de impulsão. Os estágios podem ser de dois tipos: estágio de pressão, conhecido como Rateau, e estágio de velocidade, conhecido como Curtis.
• Turbinas de Reação: Em uma turbina de reação comercial, teremos sempre vários estágios, colocados em série, sendo cada estágio constituído de um anel de expansores (também chamado de roda de palhetas fixas), seguido de uma roda de palhetas móveis.

3. Quanto à Direção do Fluxo

As turbinas podem ser de fluxo radial, axial ou helicoidal.

Tipos Específicos de Turbinas

• Turbina de Ação Simples ou de Laval: Consiste em um ou mais bocais fixos que descarregam vapor sobre uma fileira de palhetas móveis montadas em um disco acoplado a um eixo. Possui baixo rendimento, mas devido à sua simplicidade de projeto e construção, é recomendada para pequenas potências.
• Turbina Curtis (Velocidade Escalonada): As palhetas fixas são montadas na carcaça e têm como único propósito direcionar o jato de vapor sobre as palhetas móveis.
• Turbina Rateau (Pressão Escalonada): Ao invés de a 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, obtém-se um efeito semelhante ao que se teria com um arranjo de duas ou mais turbinas de Laval em série. A vantagem reside em que se pode obter uma velocidade de palhetas mais adequada em termos de resistência de materiais.
• Turbina Curtis-Rateau: Utiliza 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 mais curtas.
• Turbina Parsons: É constituída de múltiplos estágios de reação, o que resulta em quedas parciais de pressão através de sucessivas fileiras de palhetas fixas e móveis.
• Turbina Curtis-Parsons: Usam-se os estágios de ação e reação de forma escalonada.

Componentes Principais da Turbina a Vapor

Carcaça

É a parte fixa que envolve o equipamento, possuindo as conexões de entrada e saída para o vapor. Geralmente é envolvida por isolamento térmico para evitar perdas de calor e possíveis aquecimentos diferenciais.

Eixo

É a parte na qual o rotor é fixado. Apoia-se nos mancais e transmite o movimento de rotação ao equipamento acionado.

Mancais

São os apoios posicionadores e rotativos do eixo. Nas turbinas, são normalmente lubrificados a óleo.

Rotor (ou Disco)

É uma peça em forma de disco fixa ao eixo, em cuja periferia são fixadas as palhetas móveis.

Vedação

É a parte da turbina que impede o vapor de sair para fora da carcaça pela folga existente entre o eixo e a carcaça. Existem dois sistemas principais de vedação: por anéis de labirinto e por anéis de carvão.

Bocais

São as partes fixas das turbinas, responsáveis pela transformação da energia de pressão do vapor em energia mecânica de velocidade. Podem ser do tipo convergente ou convergente-divergente. São instalados na entrada da turbina e entre as carreiras de palhetas móveis.

Palhetas Móveis

São as peças fixas à periferia do rotor e responsáveis pela mudança de direção, ou de direção e intensidade da velocidade do vapor. São as peças da turbina que recebem o impulso motor.

Diafragma

É um disco fixo à carcaça onde são montadas as palhetas fixas. Possui um furo central por onde passa o eixo, sendo provido de vedação para impedir o vazamento de vapor de um estágio para o segundo através da folga entre o referido furo e o eixo.

Sistemas de Controle de Vapor

Válvulas de Controle de Admissão

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.

Válvulas de Controle de Extração

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. Elas funcionam de maneira semelhante às válvulas de controle de admissão, mas são controladas pela pressão do vapor extraído (através do controlador de pressão de extração), e não pela velocidade da turbina (através do governador).

Válvulas de Bloqueio Automático

É colocada em série com a válvula de controle de admissão, cortando totalmente a admissão de vapor para a turbina em caso de emergência.

Lubrificação

A lubrificação é o processo pelo qual se interpõe uma substância entre duas superfícies dotadas de movimento relativo, acarretando:

• Diminuição da perda de energia por fricção;
• Redução de aquecimento;
• Diminuição de desgaste;
• Proteção contra a corrosão.

As turbinas a vapor, como qualquer máquina, também precisam de lubrificação, que pode ocorrer de duas formas:

1. Lubrificação por anel em banho de óleo (comum em turbinas de pequeno porte).
2. Lubrificação forçada (comum em turbinas de grande porte, utilizando um sistema de circulação forçada de óleo).

As válvulas de alívio instaladas ao longo das tubulações servem para controlar as pressões de óleo dos sistemas de regulagem e lubrificação. Além da bomba principal de óleo, existe uma bomba auxiliar com dispositivo para entrar automaticamente em operação quando houver falha na principal.

Princípios Básicos da Turbina a Gás (TG)

A Turbina a Gás (TG) é uma máquina térmica de combustão interna que utiliza o ar como fluido para produzir trabalho.

Na TG, o motor de combustão interna produz seu próprio gás pressurizado, obtido queimando combustíveis como propano, gás natural, querosene de aviação ou Mar C. O calor gerado pela queima do combustível expande o ar, e o deslocamento em alta velocidade dessa mistura de ar e combustível queimado aciona o compressor e a turbina de potência.

Estrutura de uma TG Simples

Uma TG simples é constituída das seguintes seções fundamentais:

1. Um compressor;
2. Uma câmara de combustão;
3. Uma turbina de potência.

O Ciclo Termodinâmico de Brayton

Uma TG funciona segundo o ciclo termodinâmico de Brayton, onde o ar comprimido é misturado com combustível e inflamado em condições de pressão constante. O resultado é a expansão do gás quente que produz trabalho através de uma turbina.

Dos 33% da eficiência da TG, dois terços (2/3) são consumidos na compressão do ar, e o remanescente é usado no arrastamento de outros mecanismos.

Etapas do Ciclo de Brayton:

1 a 2 (Compressão)

O ar é comprimido de forma adiabática por um compressor tipo axial.

2 a 3 (Combustão)

Ao passar pelo queimador ou câmara de combustão, o ar se expande devido ao fornecimento de calor pelo processo de combustão. Isso ocorre supostamente sob pressão constante porque a forma construtiva da câmara oferece pouca resistência ao fluxo.

3 a 4 (Expansão)

O ar aquecido pela combustão movimenta uma turbina em um processo teoricamente adiabático.

4 a 1 (Exaustão/Troca de Calor)

Saindo da turbina, o ar troca calor com o ambiente em um processo claramente isobárico.

Nota: Compressor e turbina são montados no mesmo eixo, de forma que uma parte do trabalho fornecido é usada no próprio processo de compressão.

Lei da Energia

A energia não pode ser criada ou extinta, e sim convertida de uma forma para outra (Primeira Lei da Termodinâmica).