Turbina a vapor é umamáquina térmica que aproveita aenergia térmica do vapor sob pressão, gerado por umacaldeira, convertendo-a emtrabalho mecânico útil através de uma transformação dedilatação térmica. Por exemplo, quando aturbina é acoplada a umgerador, obtém-se a transformação daenergia mecânica emenergia elétrica.
Locomotiva com turbina a vapor. Turbinas a vapor de baixa e alta pressão do navio
SS Maui (
EUA, 1916).
Comparação das eficiências das turbinas de impulso e reação.
Turbina a vapor industrial de 1910 (direita) conectada a um gerador (esquerda).
Moderno gerador com turbina a vapor. Diagrama de um sistema de gerador com turbina a vapor.
A turbina a vapor, graças à maioreficiência térmica e à melhorrelação peso-potência, substituiu completamente omotor a vapor, que foi um motor alternativo inventado porThomas Newcomen e depois melhorado significativamente porJames Watt. Do ponto de vista termodinâmico, a eficiência máxima ocorre quando a expansão a vapor é um processo ideal (transformação reversível) no qual a pressão do vapor diminui, tornando-se trabalho mecânico, em um número infinito de etapas. A máquina alternativa de Watt era de estágio único e os refinamentos subsequentes usavam no máximo dois ou três estágios (expansão dupla e tripla). Em vez disso, as modernas turbinas a vapor alcançam alta eficiência térmica graças à presença de um maior número de estágios em série.
As turbinas a vapor são caras e exigem processos de fabricação avançados e materiais de alta qualidade. Além disso, têm alta eficiência ao operar a velocidades de milhares deRPM, portanto, se a carga for girar em velocidades menores, é necessária umacaixa de câmbio. Se a potência instalada for alta, no entanto, os altoscustos deinvestimento são compensados pelo fato de que a turbina a vapor consome menoscombustível, requer menos manutenção e é menor em tamanho em comparação com um motor alternativo de igual potência.
As turbinas a vapor podem ser usadas nageração de eletricidade, acopladas ageradores, muitas vezes sem a necessidade de caixas de engrenagens. Neste caso, eles operam em regimes ideais, pois os geradores têm que girar a uma velocidade constante (3 000 RPM para redes de 50Hz e 3 600 RPM para redes de 60 Hz - em alguns casos, especialmente emusinas nucleares, usam-se geradores de 4polos que giram na metade da velocidade). Além disso, a turbina a vapor, sendo uma máquina rotativa, é vantajosa como motor de um gerador elétrico, uma vez que não requer nenhum membro mecânico que transforme o movimento alternativo em rotativo.
Outro campo típico de aplicação para turbinas a vapor é em instalações como derefinarias, fábricas depapel, usinas dedessalinização e outras usinas onde altos níveis de vapor de processo são necessários. A usina pode ser projetada de forma a utilizar a turbina a vapor para obter umasinergia entre as produções de vapor e energia elétrica ou trabalho mecânico.
Finalmente, as turbinas a vapor são usadas empropulsão naval, onde as dimensões limitadas são uma vantagem.Locomotivas com turbinas a vapor também foram construídas mas, por dificuldades técnicas nunca totalmente solucionadas, sua difusão foi muito limitada.[3]
O primeiromotor a vapor da história era pouco mais que umbrinquedo: aEolípila,inventada noséculo I noEgito romano porHeron de Alexandria.[4] Outro dispositivo, ancestral da turbina a vapor, foi criado pelo italianoGiovanni Branca em 1629.[5] A moderna turbina a vapor foi inventada pelo anglo-irlandês,Charles Algernon Parsons, em 1884. Seu primeiro modelo foi acoplado a umdínamo que produziu 7,5kW de eletricidade.[6] A invenção da turbina Parsons possibilitou ageração de eletricidade barata e abundante, revolucionou otransporte marítimo e aguerra naval.[7] Logo após o estadunidenseGeorge Westinghouse obteve uma licença e projetou uma turbina maior similar. Posteriormente, outras variantes dedesign foram desenvolvidas para tornar a turbina a vapor mais acessível.
Uma inovação importante foi dada pelaturbina de Laval, inventada porGustaf de Laval e baseada emtubeiras que aceleram o vapor (avelocidades supersônicas) antes que ele entre na seção de lâminas. Essa aceleração ocorre com base noprincípio de Bernoulli, que afirma que a velocidade de um fluido pode ser aumentada à custa de sua pressão. Isto levou a uma solução de projeto simples e barata que, comparada às turbinas anteriores, permitiu uma maior exploração da energia do vapor, aumentando sua eficiência e potência. Até mesmo a turbina Parsons provou ser fácil de redesenhar em maior escala. Durante a vida de Parsons, a potência de uma unidade foi aumentada em 10 000 vezes.[8]
O tamanho das turbinas a vapor varia de unidades muito pequenas (a potência mínima é de cerca de 1 kW) a turbinas de grande porte que produzem até 1 650MW. Normalmente, as turbinas de potência mais limitadas são usadas como motores para operar máquinas, comobombas oucompressores, enquanto as turbinas maiores são usadas nageração de eletricidade. Modernas turbinas a vapor são classificadas de acordo com diferentes critérios.
De acordo com este tipo de classificação, as turbinas podem sercondensação, contrapressão, reaquecimento, extração.
Turbinas de contrapressão são amplamente utilizadas em aplicações de processo. A pressão de descarga é geralmente controlada por umaválvula de ajuste para atender às necessidades do processo. Elas são encontrados em refinarias, fábricas de papel, usinas de dessalinização e outras plantas onde são necessárias grandes quantidades de vapor no processo.
As turbinas de condensação são usadas emusinas termelétricas. Estas turbinas, graças à presença de umcondensador ajusante, descarrega o vapor a uma pressão consideravelmente menor do que apressão atmosférica. Normalmente, o vapor de escape está acima de 90%. Isso aumenta a diferença deentalpia entre admissão e alta e, portanto, em condições de admissão iguais, a potência disponível. O título deve necessariamente permanecer alto, pois a presença de gotículas de água presentes no vapor saturado, que possuem altaenergia cinética, pode levar a danos às lâminas. Para evitar isso, o superaquecimento é usado, o que permite que a turbina opere com um maior salto deentalpia e com o vapor permaneça acima do limite de 90% de saturação.
Além disso, as turbinas superaquecidas são usadas quase exclusivamente emusinas termoelétricas. Nestas turbinas, o vapor que sai da seção de alta pressão é retornado para acaldeira, onde é novamente levado para as condições de superaquecimento. O vapor então retorna para a seção de média pressão, onde a expansão continua. Também é possível mais que um reaquecimento.
As turbinas de extração são caracterizadas por derramamentos de vapor de um ou mais estágios da turbina. Em plantas industriais, o vapor aproveitado é usado de acordo com os requisitos do processo. Nas usinas termoelétricas, ela é usada para pré-aquecer a água que entra na caldeira, a fim de melhorar aeficiência térmica geral do ciclo. O caudal dos derrames pode ser controlado por válvulas.
Nas usinas termoelétricas existem configurações de corpo único, "composto emtandem" e "composto cruzado".
As unidades de corpo único são as mais simples. A energia é fornecida por um únicoeixo acoplado a umgerador elétrico.
A configuração "tandem composto" consiste em dois ou mais corpos separados, cujos eixos formam uma linha de eixo único e são mecanicamente acoplados entre si, operando um único gerador.
Além disso, a configuração "composto cruzado" consiste em dois ou mais corpos separados, mas os eixos não formam uma única linha de eixo e geralmente operam em velocidades diferentes, acoplados a mais de um gerador. Essa configuração é normalmente aplicada em usinas termoelétricas ou nucleares de alto nível.
No caso ideal, a expansão do vapor no interior da turbina é isentrópica , isto é, ocorre ementropia constante desde a admissão até a descarga. O caso ideal é puramente teórico porque pode ocorrer apenas na ausência total de perdas (devido aatrito,turbulência, etc.). Devido a essas perdas, que ocorrem em qualquer processo termodinâmico real, a entropia de vapor aumenta durante a expansão da turbina. Aexpansão isentrópica é, portanto, tomada como uma comparação para determinar a eficiência isentrópica de uma turbina real. Esse parâmetro, dependendo do tipo de aplicação e tamanho da turbina, pode variar de 20% a 90%.
Aequação geral das turbomáquinas foi descoberta porLeonhard Euler. A forma para otrabalho por unidade demassa que passa pelo rotor das turbomáquinas de motor axial é:
![{\displaystyle L=u[c_{1}\cos(\alpha _{1})-c_{2}\cos(\alpha _{2})]\,}](/image.pl?url=https%3a%2f%2fwikimedia.org%2fapi%2frest_v1%2fmedia%2fmath%2frender%2fsvg%2fdea1285d77f7bc4492c8ee2dd71fd6559b4f241a&f=jpg&w=240)
Onde você
é conhecida comovelocidade periférica e é a velocidade linear dorotor,
e
são as velocidades absolutas dofluido de trabalho antes e depois de passar pelo rotor. Respectivamente,
e
são os ângulos entre as velocidades absoluta e periférica antes e depois de passar pelo rotor. Se introduzirmos o conceito de velocidade relativa
, que é a velocidade do fluido em relação ao rotor, e definimos o ângulo β como o que existe entre a velocidade periférica e, podemos reescrever a equação anterior, por propriedades dotriângulo como:
Escreve-se aprimeira lei da termodinâmica para umbalanço de energia do fluido de trabalho em sua passagem pelo rotor, assumindo que é um processoadiabático:
Lembrando que considera-se que
é definido positivo.
Assim encontra-se que a mudançaentálpica é igual à mudança dosquadrados da velocidade relativa:
O vapor se expande na turbina por várias etapas sucessivas. Essa medida serve para melhorar a eficiência geral da turbina. Cada estágio consiste de dois conjuntos de lâminas: as do estator (ou bicos) são fixas e integrais com o revestimento da turbina, enquanto as do rotor são móveis e integram oeixo. Como um todo, as partes fixas em contato com o vapor são chamadas de "estator", enquanto o todo constituído pelo eixo e as partes integrantes dele é chamado de "rotor". Os estágios são caracterizados pela maneira como o vapor dá sua energia à árvore e, de acordo com isso, são definidos como "ação" ou "reação". Tipicamente, para otimizar não apenas o desempenho, mas também os custos, em uma única turbina a vapor ocorrem as etapas deação e reação.
Um estágio de ação consiste em palhetas[9] fixas que fazem com que o vapor se expanda, criando jatos de alta velocidade eenergia cinética, com uma direção fortemente inclinada em relação ao eixo da máquina. Quando os jatos passam pelas lâminas do rotor, ele varia fortemente sua direção graças ao perfil côncavo especial, e o vapor dá parte de sua energia cinética na forma detrabalho mecânico de rotação do eixo. A queda de pressão ocorre quase inteiramente nas palhetas fixas, enquanto é quase zero entre amontante e ajusante da palheta móvel.
Em um estágio de reação, não apenas as lâminas do estator, mas também as lâminas do rotor, têm um perfil tal que constitui uma tubeira convergente em cada folga. Portanto, o fluxo de vapor aumenta sua velocidade em relação às lâminas, não apenas no estator, mas também no rotor. O salto de pressão é menos abrupto do que o estágio de ação e é dividido entre o estator e o rotor.
Os estágios reativos, comparados aos de ação, têm a vantagem de uma maior eficiência, mas, para funcionar adequadamente, podem suportar menores quedas de pressão. Por essa razão, com o mesmo salto de pressão, uma turbina totalmente a jato precisa de um número maior de etapas. Além disso, como a diminuição da pressão é mais gradual, a caixa deve ser capaz de suportar pressões mais altas. Por estas razões, asturbinas a jato são mais caras.
Normalmente, as grandes turbinas a vapor consistem em estágios de ação nas seções de alta pressão, seguidas pelos estágios de reação nas seções subsequentes. Esta solução de projeto atinge um compromisso entre os requisitos de eficiência e custo, pois poucos estágios de ação reduzem de repente a pressão, limitando as dimensões e as características estruturais dos estágios a jusante.
Em condições de turbinas estacionárias, normalmente é utilizado um virador, um dispositivo que faz a máquina girar lentamente, em torno de 200-300RPM, a fim de evitar (especialmente quando está parado e está em alta temperatura) deformações do eixo, o virador desaciona quando a turbina é "armada" e começa a girar. A primeira fase inicial da turbina é chamada de "taxiamento"; nessa condição, as válvulas de controle da turbina são levemente abertas para aumentar as rotações da turbina, de acordo com as especificações de velocidade e temperatura estabelecidas pelo fabricante da mesma máquina. Este procedimento permite um aquecimento gradual e uniforme da máquina. Então as válvulas são abertas (gradualmente) e o vapor alimentado com vazões maiores aumenta a velocidade da máquina até a nominal.
Atecnologia das turbinas a vapor é agora considerada madura e as falhas são bastante raras. Os requisitos para a manutenção de turbinas a vapor são, portanto, bastante limitados. A presença acidental e excessiva de água no vapor provoca a corrosão precoce das lâminas, devido ao impacto em alta velocidade. Isso pode causar desbalanceamento e, portanto, vibrações excessivas do rotor, que também podem ter consequências nosrolamentos axiais. O problema pode ser reduzido usandoágua destilada no vapor que, isenta desais, limita consideravelmente os danos às lâminas. Como a água destilada é um "líquido precioso", é comum usar umtrocador de calor mais comumente chamado decondensador: ao descarregar a uma pressão próxima de zero, a saturação de vapor nos estágios de baixa pressão é evitada com a aparência relativa de gotículas de água "disparando" de um estágio a outro para a alta velocidade assumida pelo fluido entre as lâminas. Isto tem a tarefa de devolver o vapor aoestado líquido através da transferência de calor. Outro requisito comum é o uso de materiais de preenchimento nos perfis de entrada das lâminas, especialmente no caso de turbinas de condensação (exaustão conectada a um condensador) ou, em outros casos, de tratamentos térmicos particulares para aumentar suas características de dureza.
A presença de um sistema de controle de turbinas é essencial, pois garante que as sequências previstas em qualquer regime de transição sejam seguidas sem a possibilidade de erros ou esforço excessivo. Isso protege contra os efeitos de manobras incorretas, que podem causar danos à máquina e até mesmo situações perigosas. Além disso, o sistema de controle, quando totalmente operacional, é responsável por regular a velocidade e a potência e monitorar os parâmetros operacionais da turbina. Em caso de anomalias, o sistema de controle é programado para fornecer sinais de alarme ao operador e tentar trazer automaticamente a máquina de volta às condições de controle ou pará-la em caso de emergência.
Referências
- ↑The Evolution of the Parsons Steam Turbine. Autor: Alexander Richardson.Cambridge University Press, 2014, pág. 10, (em inglês)ISBN 9781108070089 Adicionado em 18/06/2018.
- ↑Solomon, Brian (2017).«North American Locomotives». Book Sales (Google Livros) (em inglês). Consultado em 9 de setembro de 2020
- ↑Giants of Steam: The Great Men and Machines of Rail's Golden Age. Autor: Jonathan Glancey. Atlantic Books Ltd, 2014, (em inglês)ISBN 9781782395669 Adicionado em 18/06/2018.
- ↑Engineers. Autor: DK. Penguin, 2012, pág. 57, (em inglês) Adicionado em 18/06/2018.
- ↑Power Plant Engineering. Autor: P. K. Nag. Tata McGraw-Hill Education, 2002, pág. 432, (em inglês)ISBN 9780070435995 Adicionado em 18/06/2018.
- ↑Web Archive (original do Birr Castle) -The Steam Turbine. (em inglês) Acessado em 18/06/2018.
- ↑Web Archive (original do Universityscience.ie). -Charles Parsons (1854 – 1931). (em inglês) Acessado em 18/06/2018.
- ↑Web Archive (original do History.rochester.edu). -The Steam Turbine. by Sir CHARLES A. PARSONS, K.C.B. (em inglês) Acessado em 18/06/2018.
- ↑Reis, Maicon (16 de dezembro de 2022).«Turbina De Ação E Reação».TermoBlog. Consultado em 18 de fevereiro de 2023
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