PROTEC 2011 - Turbinas a Gás

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EQUIPAMENTOS DINÂMICOS

TURBINAS A GÁS

APLICAÇÕES

A turbina de gás é uma máquina térmica usualmente projetada para transformar a maior parcela possível da energia liberada pela queima de um combustível em trabalho de eixo.

Por ser compacta, de baixo peso e utilizar múltiplos combustíveis, a turbina a gás é hoje muito empregada na geração de energia elétrica e acionamento mecânico na indústria e nas centrais de energia, principalmente em lugares remotos.

Também são utilizadas como motores propulsores em embarcações, trens, veículos terrestres e marítimos e principalmente aeronaves.

TURBINAS A GÁS

TURBINA GE LM-2500

TURBINAS A GÁS

TURBINA GE LM-2500

TURBINAS A GÁS

PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

• Ar como fluido motriz para prover energia.

• Ar deve ser acelerado → aumento da velocidade (energia cinética).

• Primeiramente aumenta-se a pressão e, em seguida, adiciona-se calor.

• Finalmente a energia gerada (au-mento de entalpia) é transformada em potência no eixo da turbina.

CICLO DE FUNCIONAMENTO:

1-2: Compressão do ar em um compressor;

2-3: Combustão, na câmara de combustão, onde o ar comprimido age como comburente para o combustível injetado;

3-4: Expansão irreversível em um ou mais estágios, fornecendo a energia necessária à roda de palhetas de alta pressão, que por sua vez aciona o compressor de ar e os demais acessórios da turbina, tais como: bomba de óleo lubrificante, bomba de combustível, geradores de energia elétrica, etc;

TURBINAS A GÁS

CICLO DE FUNCIONAMENTO:

4-1: Expansão em um duto de expansão, onde os gases ganham velocidade e são lançados na atmosfera, propiciando o empuxo necessário ao deslocamento da aeronave (uso aeronáutico);

4-1: Expansão em um ou mais estágios, fornecendo a energia necessária à roda de palhetas de baixa pressão, a qual pode acionar um gerador elétrico, um compressor ou uma bomba (uso industrial).

TURBINAS A GÁS

CICLO BRAYTON

CICLO OTTO

TURBINAS A GÁS

EXAUSTÃO

SÃ

ATMOSFERA

TEMPERATURA

PRESSÃO

INLET

COMPRESSÃO

COMBUSTÃO TURBINAS HP E PT

TURBINAS A GÁS

PRESSÕES E TEMPERATURAS NA TURBINA

CICLO IDEAL – HIPÓTESES SIMPLIFICADORAS

Considerando-se que a vazão de combustível é desprezível, se comparada com a vazão de ar, esta pode ser considerada constante ao longo da turbina.

Outras perdas de calor por radiação e perdas mecânicas em mancais , selos e acessórios são aqui desprezadas.

É assumido que o calor específico do ar permanece constante.

TURBINAS A GÁS

CICLO ABERTO TEÓRICO DA TURBINA A GÁS

)( 12 ttcWc p

)( 231 ttcQ p

)( 43 ttcWt p

)( 142 ttcQ p

compressão

expansão

combustão(pressão cte)

TURBINAS A GÁS

CICLO BRAYTON - EFICIÊNCIA E POTÊNCIA

Wutilt

EFICIÊNCIA MÁXIMA DO CICLO:

A EFICIÊNCIA MÁXIMA DO CICLO SERÁ:

)23(

)12()43(

TTc

TTcTTc

WW ct

)23(

)14(1

2 )( k

PUTILIZANDO A RELAÇÃO DOS GASES PERFEITO:

Pmáx

2)(/11

TURBINAS A GÁS

RENDIMENTO DO CICLO DE BRAYTON EM FUNÇÃO DE P2 / P1

100

0 2 4 6 8 10 12 14

Relacão de pressão P2 / P1

Ren

dim

ento

TURBINAS A GÁS

CICLO DE BRAYTON - POTÊNCIA X T3

Potência (W)

Temperatura T3 (K)

A adição de calor na câmara de combustão, tem uma proporcionalidade direta com o trabalho útil produzido.

Desta forma, quanto maior for a temperatura na câmara de combustão (t3), para uma mesma vazão mássica de ar, maior será a potência disponível na ponta do eixo da turbina.

TURBINAS A GÁS

TURBINAS INDUSTRIAIS X AERONÁUTICAS

As turbinas de aviação, face a necessidade de diminuição de peso e consumo de combustível, são relativamente menos robustas, no que se refere ao aspecto peso do que as projetadas para fins industriais. Usualmente possuem um só eixo onde são estão acoplados o compressor de ar e a turbina de alta pressão;

As turbinas de uso industrial costumam ter dois eixos, sendo um acoplado o compressor de ar e a turbina geradora de gás para seu próprio acionamento, e no outro a turbina acionadora ou de potência e o equipamento a ser acionado.

TURBINAS A GÁS

CLASSIFICAÇÃO TURBINAS INDUSTRIAIS

Não Aeroderivadas

(Industriais, Frame ou Heavy Duty)

Câmara de combustão externa e em número reduzido Menor relação potência / peso Potência até 200 MW Menor eficiência (RC menor, Temperatura de firing menor)

TURBINAS A GÁS

CLASSIFICAÇÃO TURBINAS INDUSTRIAIS

Aeroderivadas

Utilizam geradores de gás de turbinas aeronáuticas Múltiplas câmaras de combustão internas Ligas leves como Al ou Ti Potência até 50 MW

TURBINAS A GÁS

INDUSTRIAL

Saturn 201,590 Hp 1,210 kW

Taurus 60/65/707,700-10,310 Hp 5,500-7,520 kW

Mars 90 &10013,220-15,000 Hp 9,450-10,690 kW

Titan 13019,850 Hp 14,250 kW

Centaur 40/504,700-6,100 Hp 3,515-4,600 kW

Mercury 504,600 kW

TURBINA INDUSTRIAL LEVE

TURBINAS A GÁS

TURBINA ROLLS ROYCE RB211

TURBINA GE 7FA

TURBINAS A GÁS

TURBINA GE MS-5002-E

TURBINAS A GÁS

TURBINA EIXO SIMPLES – SOLAR TAURUS 60

TURBINAS A GÁS

TURBINA SOLAR CENTAUR

TURBINAS A GÁS

COMPONENTES

Gerador de gás• Compressor de ar • Câmara de combustão• Turbina de alta pressão (HP)

Turbina de potência (LP ou PT)

TURBINAS A GÁS

Principais componentes de

uma turbina a gás

TURBINAS A GÁS

GERADOR DE GÁS

COMPRESSORES DE AR

• Centrífugo• Axial• Axial com último estágio centrífugo.

TURBINAS A GÁS

ESTÁGIO 1 ESTÁGIO 2

ESTATOR

ROTOR

TURBINAS A GÁS

DIAGRAMA DA COMPRESSÃO

TURBINAS A GÁS

DIAGRAMA DA COMPRESSÃO

TURBINAS A GÁS

FLUXO DE AR NO INTERIOR DA TURBINA

TURBINAS A GÁS

COMPRESSORES DE AR

Um inconveniente do compressor axial é apresentar uma faixa de operação pequena, entre os limites de “surge” e “choke”, o que exige cuidados especiais na partida.

TURBINAS A GÁS

VIGVs

TURBINAS A GÁS

Variable Inlet Guide Vanes

• Variação do ângulo de ataque das palhetas para o primeiro rotor;

• Estabilização do fluxo de ar;

• Aumento do rendimento com o aumento da rotação.

ACIONAMENTO DAS IGVS

TURBINAS A GÁS

Bleed Valve

válvula de alívio

ANTI-SURGE

TURBINAS A GÁS

CÂMARA DE COMBUSTÃO

• função de adicionar energia sob a forma de calor;• processo contínuo (pressão constante).

O projeto da câmara de combustão deve garantir:

• resfriamento adequado da camisa;• combustão completa;• estabilidade da chama;• baixa emissão de fumaça.

TURBINAS A GÁS

CÂMARA DE COMBUSTÃO ANULAR

CÂMARA DE COMBUSTÃO TUBO - ANULAR

TURBINAS A GÁS

CÂMARA DE COMBUSTÃO “EXTERNA”

TURBINAS A GÁS

COMBUSTOR

TURBINAS A GÁS

75% do ar é usado para diluição e resfriamento

COMBUSTOR

TURBINAS A GÁS

TURBINA DE ALTA PRESSÃO

Transforma a maior parcela da energia dos gases provenientes de câmara de combustão em trabalho para o eixo que aciona o compressor de ar.

TURBINAS A GÁS

Processo de Expansão:

Pressão ↓

Temperatura ↓

Volume ↑

TURBINAS A GÁS

TURBINA DE ALTA PRESSÃO

Estator: P → V

Rotor: Impulsão e reação

Tem

pera

tura

Que

ima

(o K)

Tem

pera

tura

Met

al (

o C)

1600

1550 1500

1450

1400

1350

1300

1250

1200

1150

1100

TURBINE TEMPERATURE CAPABILITY

Cooling improvementsCoating Developments

Firing temp

SC liga fundidaDC liga

fundidaLiga fundida convencional

Liga forjada

1100

1050

1000

950

900

850

800

TURBINAS A GÁS

TURBINAS A GÁSPALHETAS

Mono CristalMono CristalSolidificação Direcionada

Solidificação Direcionada

ConvencionalConvencional

RESFRIAMENTO DAS PALHETAS

Passo Simples Passo Múltiplo

TURBINAS A GÁS

RESFRIAMENTO DAS PALHETAS

TURBINAS A GÁS

PT recebe a energia remanescente dos gases provenientes da turbina HP e, em continuidade ao processo de expansão, transfere esta energia para o eixo que está acionando o equipamento desejado : gerador, compressor,

TURBINA DE POTÊNCIA (PT OU LP)

TURBINAS A GÁS

SISTEMAS AUXILIARES, PROTEÇÃO E SEGURANÇA

Sistema de Partida

Retira da inércia o rotor do gerador de gás e levá-lo até uma determinada rotação, conhecida como velocidade de purga, ventilação ou crank.

TURBINAS A GÁS

SISTEMAS AUXILIARES, PROTEÇÃO E SEGURANÇA

Sistema de Combustível

É o sistema responsável pelo suprimento de combustível líquido (diesel) ou gasoso (gás natural) dentro da pressão, temperatura, vazão e características necessárias em atendimento aos diversos regimes operacionais da turbina

TURBINAS A GÁS

SISTEMAS AUXILIARES, PROTEÇÃO E SEGURANÇA

Sistema de Admissão de Ar e Ventilação

Fornecer ar atmosférico filtrado com grau de impureza, umidade e características controladas.

TURBINAS A GÁS

Pressurizar os selos dos mancais;

Refrigerar discos e palhetas da turbina;

Fornecer ar para a ventilação do “hood”;

Fornecer ar para o sistema de controle de gás combustível;

Garantir a operação segura da turbina (surge).

SISTEMAS AUXILIARES, PROTEÇÃO E SEGURANÇA

Sistema de Exaustão

Direcionar os gases da exaustão da turbina para a atmosfera.

WHRU.

TURBINAS A GÁS

SISTEMAS AUXILIARES, PROTEÇÃO E SEGURANÇA

Sistema de Lubrificação

É o sistema responsável pelo suprimento de óleo lubrificante nas condições de pressão, temperatura e características necessárias para a lubrificação e refrigeração dos mancais da turbina, caixa de engrenagens e os mancais do equipamento acionado.

TURBINAS A GÁS

SISTEMAS AUXILIARES, PROTEÇÃO E SEGURANÇA

Hood

Confinar a turbina com o objetivo:

isolamento contra ruído – menos de 85 dB

confinamento do fogo em caso incêndio

Deve possuir:

ventilação forçada

sistema de combate a incêndio: CO2 ou H20

detecção de fogo & gás

TURBINAS A GÁS

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