UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA TURBINAS A VAPOR

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA TURBINAS A VAPOR Prof. FERNANDO BÓÇON, Dr.Eng. Curitiba, setembro de 2015

2 IV - TURBINAS A VAPOR 1. GENERALIDADES 1.1 Introdução 1- de combustão externa: de êmbolo máquina a vapor rotativo turbina a vapor MOTORES TÉRMICOS 2 - de combustão interna: de êmbolo p/ faísca, p/ injeção rotativo turbinas a gás pulso-jato 3- de ar comprimido (britadeiras, parafusadeiras, brocas de dentista) Esquema de uma unidade de geração de potência a vapor. 1.2 Vantagens das turbinas em relação às máquinas a vapor - Movimento rotativo (pouca vibração) - Menor relação peso/potência - Melhor rendimento menor atrito, sem a perda "triangular" - Menor espaço ocupado - Menor custo de manutenção (embora exija manutenção especializada) - Permitem grandes potências 1.3 Evolução das turbinas a vapor Maiores turbinas a vapor 1000 MW (equivale a motores de 136 CV) Maiores turbinas a gás < 10% pot. das maiores TV Maiores motores Diesel < 5% pot. das maiores TV

3 1.4 Aplicações - Centrais termelétricas (convencionais e nucleares para geração de energia elétrica) - Propulsão de navios e submarinos - Acionamento de máquinas em geral como bombas, compressores, geradores elétricos, ventiladores, secadores de papel, etc. 1.5 Partes principais: - carcaça com bocais fixos (também chamados de expansores) - eixo rotor com palhetas ou bocais móveis - mancais - sistema de controle de potência - sistema de segurança contra disparo - sistema de lubrificação

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10 Corte longitudinal de uma turbina de contrapressão Escher Wyss. Potência: 3 MW; velocidade: rpm; pressão de entrada de vapor: 100 kg/cm2; temperatura de entrada de vapor: 600 C; contrapressão: 11 kg/cm2.

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12 1.6 Classificação a) Quanto ao funcionamento: - turbinas de ação a expansão do vapor ocorre só nos bocais fixos. Não há expansão do vapor enquanto o mesmo passa pelas palhetas do rotor. - turbinas de reação 0 vapor expande também enquanto passa pelas palhetas do rotor, as quais têm formato de bocais. O aumento da velocidade causa um efeito de reação sobre as palhetas.

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14 b) Quanto à construção: - Axiais mais comuns, mais usadas

15 - Radiais direção ao fluxo de vapor é normal ao eixo do rotor.

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17 1.7 Tipos básicos de TV com relação à pressão na entrada, na saída e nas extrações: - Turbina de alta pressão corpo longo, muitos estágios Turbina de baixa pressão corpo curto, poucos estágios Turbina de condensação com condensador na saída Turbina de contra pressão pressão na saída > pressão atmosférica Turbina com extração para vapor de média pressão em estágio intermediário 2. Turbina elementar de ação ( Turbina de Laval ) 2.1 Definição, funcionamento É uma turbina de ação de um único estagio. 1 O vapor ao passar pelo bocal fixo sofre expansão e aumenta velocidade. Ao passar pelo bocal então ocorre a transformação de energia térmica (entalpia) em energia cinética (velocidade). 2 O vapor a alta velocidade incide sobre as palhetas móveis cedendo parte de sua energia para o conjunto rotor/eixo da turbina, por transferência de quantidade de movimento. Vantagens: construção simples, carcaça sujeita só à pressão de escape. Desvantagem: pequenos h para não prejudicar, pequenas potências.

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19 2.2- Perdas na turbina de Laval: a) Perdas periféricas: Z1 Perdas por atrito, choques e turbulência no escoamento do vapor nos bocais e nas pás Z1 1 2 c i c12 w12 w 22 2 Z2 - Perda por velocidade do vapor na saída c2 Z2 2 2 [kj/kg] [kj/kg]

20 b) Perdas internas: Z3 - Perda por fuga de vapor: devido às folgas e escape nas vedações. Normalmente prevista por experiências ou literatura e dada em porcentagem. Z3 = f ( p, folgas, vedações ) Z4 - Perda Stodola: Efeito "ventilador" do disco do rotor sobre o vapor (o qual é arremessado radialmente devido à velocidade de rotação) e também por atrito do rotor com o vapor. Z4 = f ( n, D, L, B, ). Normalmente previsto por equações empíricas encontradas na literatura de turbinas. Exemplo: u3 NSTOD = x ( 1,8 D2 + D (L+B) )= 6 [CV] u= m/s 10 [kgf/m3] peso específico do vapor x= 1 para disco livre x= 0,25 0,5 para disco em caixa = 0,7 para baixos coeficientes de injeção ( 1 a 4 bocais fixos) = 0,5 para injeção total Z5 - Perda de calor para o ambiente: ocorre através do isolamento térmico e é geralmente muito pequena, pode ser desprezada para turbinas com bom isolamento. Z6 - Perdas mecânicas: atrito nos mancais, nas vedações e energia dissipada por vibrações. Pode também ser incluída a energia consumida pelas bombas de óleo lubrificante e de óleo hidráulico para comando da turbina Rendimentos São calculados em função das perdas. Saltos térmicos: Ideal - hi = h1 - h2i Periférico - hk hi Z 1 Z 2 Interno - hint = hi Z 1 Z 2 Z 3 Z 4 Z 5 6 Efetivo - h ef h i 1 Zi [kj/kg] " " " Rendimento periférico ( k) considera perdas Z1 e Z2 ( perdas periféricas ) k h k h i

21 Rendimento interno ( int) considera todas as perdas internas, exceto as perdas mecânicas. h int int h i Rendimento efetivo ( e) considera todas as perdas. h e e int m h i Rendimento mecânico só considera as perdas mecânicas. h e m h int Exemplos: Pe [kw] e [%] Potência da turbina v a vazão mássica de vapor fornecida à turbina [kg/s], a equação geral para Sendo m o cálculo da potência de uma turbina é: v h P m [kw] a) Potência teórica (ou ideal) a que está disponível no vapor ("potência térmica"). v h i Pi m b) Potência periférica: a que chegou nas palhetas do rotor. v h k Pk m c) Potência interna: a que chegou no eixo: v h int Pint m d) Potência efetiva: enttregue pelo eixo da TV à máquina por ela acionada. v h e Pe m

22 3) Turbinas com estágios de pressão (tipo RATEAU) 3.1- Constituição e operação Quando o hi é elevado resulta ci alto e para a condição de k máximo o "u" também é muito elevado. A solução é dividir o hi em estágios para que "u" desça a valores aceitáveis. As pressões intermediárias são funções das entalpias de entrada de cada estágio.

23 4 - Turbinas com Estágio de Velocidade (tipo CURTIS) 4.1- Constituição, funcionamento Carcaça, bocal(is) de expansão fixo(s) e sequência de palhetas móveis e palhetas inversoras. A pressão cai apenas nos bocais fixos de entrada. A velocidade diminui a cada estágio. As palhetas inversoras apenas mudam a direção do vapor para entrar no próximo estágio, sem alterar as propriedades termodinâmicas (pressão, temperatura, entalpia e velocidade) O número de estágios é geralmente 2, mas pode ser até 4, porém com muita diminuição no rendimento. São usadas para potência de até 2000 CV (1500 kw). Vantagens: - velocidade periférica menor para um mesmo hi, quando comparada a TV com estágios depressão. - carcaça só sob P2 de saída.

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25 4.2 TV com estágios de pressão x TV com estágio de velocidade: TIPO Estágios de Pressão Estágio de Velocidade VANTAGEM - Perda Z1 baixa k elevado DESVANTAGEM - p entre estágios maior perda por fugas de vapor Z3 - massa específica do vapor alta nos primeiros estágio Z4 - massa específica do vapor Perda Z1 alta k baixo baixa (pressão baixa na carcaça) Z4 - Permite maiores hi - Pouca perda por fugas ( p 0 entre estágios) Para aliar as vantagens dos 2 tipos usam-se TV mistas: a) Estágios de pressão (RATEAU) com 2 ou mais estágios de velocidade (CURTIS) entre os RATEAU; b) Dois estágios de velocidade (CURTIS) no início seguido de estágios de pressão (RATEAU) 5 - Turbinas de Reação (tipo PARSONS) 5.1- Constituição, funcionamento Cada estágio é constituído de bocais fixos ( BF ) seguidos de bocais móveis ( BM ). Ocorre expansão tanto nos BF como nos BM que giram com o rotor.

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27 5.2- Comparação das turbinas de reação com as de ação Vantagem - rendimento maior (por K maior devido a Z1menor, menores velocidades do vapor nos estágios) para pressão de entrada baixa (<10ata). Desvantagem: maior número de estágios e perda por fugas (Z3 maior, devido à queda de pressão contínua nas partes fixas e móveis de todos os estágio). Turbinas de ação são mais simples e baratas porém têm menor rendimento e, conseqüentemente, maior consumo de vapor. São utilizadas em instalações de menor porte (menor potência). Combinação de TV s de ação e reação são comuns em instalações de médio e grande porte, com a finalidade de aliar as vantagens dos dois tipos. Na combinação utiliza-se TV de ação para os estágios de alta pressão e reação nos estágios de baixa pressão.