11. Turbinas a Vapor

11.1. IntroduçãoA pré-história das turbinas a vapor se remonta desde 175 a.C. quando Herón de

Alexandría fez a primeira descrição.A turbina de Herón, figura 11.1, consistia de uma esfera que podia girar livremente em

torno de um eixo diametral, apoiada nos extremos dos mesmos em dois suportes por cujointerior fazia entrar na esfera o vapor produzido por dois tubos diametralmente opostos e("acodados") direcionados em sentido contrário. A transformação de pressão em velocidadetem lugar totalmente no elemento móvel (esfera ou "rodete").

A história da turbina a vapor se iniciou no final do século passado. Entre os muitosinvestigadores que contribuíram para o seu desenvolvimento mencionaremos só os principais,que foram os criadores das turbinas a vapor modernas.

O primeiro inventor foi o suéco De Laval (1845-1913), que criou como sub-produto deseu desnatador centrífugo, impulsionado pela necessidade de encontrar um ancinamento degrande velocidade para o mesmo, a turbina a vapor de ação de um só estágio. Desenvolveuum bocal (Tobera) convergente-divergente com velocidade supersônica de saída de vapor e oeixo flexível cuja velocidade crítica chegava por debaixo da velocidade de giro da turbina,30.000 rpm. Uma turbina De Laval é mostrada figura 11.2

O segundo inventor foi o inglês Parsons (1854-1931), que em busca de um motormarinho apropriado, desenvolveu a turbina a vapor de reação de vários estágio em 1895.Utilizando um rotor duplo e conseguiu melhores rendimentos comparado do com as máquinasalternativas de vapor utilizadas até então nos barcos.

As turbinas a vapor são máquinas de grande velocidade. Se todo o salto entálpicodisponível se transforma em energia cinética no bocal, a velocidade do vapor na saída damesma é muitas vezes superior a velocidade do som, e a velocidade periférica do rotor paraaproveitar com bom rendimento esta energia poderia chegar a ser superior ao limite deresistência dos materiais empregados. Além das altas velocidades as turbinas a vapormodernas trabalham em condições super críticas de pressão e temperatura (acima de 250 bar e600°C, respectivamente).

Figura 11.1: Turbina de Herón.

Figura 11.2: Esquema de uma turbina a vapor de ação com um escalonamento; turbina De Laval.

11.2. Elementos ConstrutivosUma turbina a vapor é constituída basicamente pelos seguintes elementos :

1) uma carcaça, geralmente dividida em 2 partes longitudinalmente para facilitar oacoplamento e desmontagem, e que contém o sistema de pás fixas ou distribuidores;2) um rotor com pás em sua periferia, sobre o qual incide o vapor e onde é feita atransformação na direção e magnitude da velocidade do vapor;3) um sistema de comando e válvulas para regular a velocidade e potência da turbinamodificando a descarga do vapor;4) um acoplamento para conexão mecânica com o gerador que vai acionar;5) um dispositivo de expansão, sempre constituído de um bocal fixo ou móvel (diretrizes), noqual a energia de pressão do vapor se transforma em energia cinética;6) Junta de labirinto, necessária para reduzir o calor gerado quando acontece o contato rotor-estator, já que, devido as altas velocidades, o calor gerado quando ocorresse qualquer contatopoderia produzir calor suficiente para fundir o material do rotor ou até mesmo danificar oeixo.

Figura 11.3: Turbina tánden compound Escher Wyss, de 160 MW, em curso de montagem

inserir fig2_22 a , no texto 4aFigura 11.4: Rotores axiais de diferentes velocidades.

Figura 11.5 Rotor forjado em uma peça com os discos de um turbina a vapor de contrapressão de 25MW.

Figura 11.6: Rotor de discos separados de uma turbina a vapor de 6 MW.

Figura 11.7: Variação da pressão e da velocidade em um conduto.

Figura 11.8: Diversos tipos de juntas de labirinto, utilizadas nas turbinas a vapor .

11.3. Classificação das turbinas a vaporAs turbinas a vapor podem ser classificadas segundo os seguintes critérios:

a) Quanto a direção do movimento do vapor em relação ao rotor:- Turbinas a vapor axiais : são aquelas que o vapor se move dentro do rotor em

direção aproximadamente paralela ao eixo são as mais comuns.- Turbinas a vapor radiais : são aquelas em que o vapor se desloca aproximadamente

em sentido perpendicular ao eixo da turbina.- Turbinas a vapor tangenciais : são aquelas em que o vapor se desloca

tangencialmente ao rotor.

b) Quanto a forma do vapor atuar no rotor :- Turbinas a vapor de ação : quando o vapor se expande somente nos órgãos fixos

(pás diretrizes e bocais) e não nos órgãos móveis (pás do rotor). Portanto, a pressão é amesma sobre os dois lados do rotor.

- Turbinas a vapor de reação : quando o vapor se expande também no rotor. Ou seja,que a pressão de vapor na entrada do rotor é maior que na saída do mesmo.

- Turbinas a vapor mistas : quando uma parte da turbina a vapor é de ação e outraparte de reação.

c) Quanto ao número e classe de escalonamentos- Turbinas a vapor de um só rotor- Turbinas a vapor de vários rotores : as quais, segundo a forma dos escalonamentos,

podem ser :- Turbinas a vapor com escalonamento de velocidade- Turbinas a vapor com escalonamento de pressão- Turbinas a vapor com escalonamento de velocidade e de pressão

d) Quanto ao número de pás que recebem o vapor :-Turbinas a vapor de admissão total : quando o vapor atinge totalmente as pás do

distribuidor.-Turbinas a vapor de admissão parcial : quando o vapor atinge somente uma parte

das pás.

e) Quanto a condição do vapor de escape-Turbinas a vapor de escape livre : nas quais o vapor sai diretamente para a

atmosfera. Portanto a pressão de escape é igual a pressão atmosférica.

- Turbinas a vapor de condensador : nas quais na saída existe um condensador onde ovapor se condensa diminuindo a pressão e temperatura. A pressão de escape do vapor éinferior a pressão atmosférica.

- Turbinas a vapor de contrapressão : nas quais a pressão de escape do vapor ésuperior a pressão atmosférica.

O vapor de escape é conduzido a dispositivos especiais para sua posterior utilização (ex.: calefação, alimentação de turbina de baixa pressão, etc.)

-Turbinas a vapor combinadas : nas quais uma parte do vapor é retirada da turbinaantes de sua utilização, empregando-se esta parte subtraída para calefação e outros usos; oresto do vapor continua a sua evolução normal no interior da turbina e, na saída, vai para aatmosfera ou ao condensador.

f) Quanto ao estado do vapor na entrada :- Turbinas a vapor de vapor vivo : quando o vapor de entrada vem diretamente da

caldeira.Por sua vez elas podem ser :

- de vapor saturado- de vapor superaquecido- Turbinas a vapor de vapor de escape : quando se utiliza a energia contida no vapor

de escape de uma doutra máquina térmica ( por ex.: a máquina a vapor, a turbina decontrapressão, etc). A maioria delas são de vapor saturado.

11.4. Tipos e Características das turbinas a vapor.Após a classificação feita no item anterior podemos fazer uma grande variedade de

combinações de modo a obter o tipo mais adequado de turbina a vapor às nossasnecessidades.

Porém, na prática e por diversas razões econômicas e construtivas, algumas destascombinações não são possíveis.

A seguir, descreveremos alguns modelos típicos de turbinas a vapor.

a) Turbinas a vapor elementar de ação e de um só estágioConhecida também como turbina De Laval. Possui um único estágio de pressão e de

velocidade, todo o "salto térmico" ocorre neste estágio, sendo a transformação de entalpia emenergia cinética feita nos bocais e a transformação de energia em trabalho feita nas palhetas.

A Figura 11.9 a seguir mostra este tipo de turbina a vapor:

Figura 11.9: Turbina elementar de ação.

Suas principais vantagens são o pequeno espaço ocupado e a simplicidade deconstrução. Por outro lado, tem uso restrito para pequenas potências (até 30 H.P.) e trabalhamem altas rotações.

b) Turbinas a vapor de ação com um só estágio de pressão e vários estágios de velocidade.Conhecida também como roda de Curtis. O vapor se expande por completo no bocal de

entrada, transformando a entalpia em energia cinética. No primeiro rotor é convertido toda adiferença de pressão em velocidade.

A transformação da energia cinética em trabalho ocorre em vários estágios develocidade, separados por palhetas fixas que apenas mudam a direção do escoamentomantendo a velocidade e pressão constantes. Como por todos os estágios deve passar a mesmaquantidade de vapor e a velocidade vai diminuindo, é necessário que as seções por onde passao vapor vá aumentando, o que implica numa variação do diâmetro dos rotores sucessivos.

Figura 11.10: Turbina a vapor com escalonamento de velocidade (Turbina Curtis).

O principal inconveniente dos estágios de velocidade é que, devido as altas velocidadesdo vapor, aumentam consideravelmente as perdas por atrito, sobretudo se existirem muitosestágios. Esta é a causa para que na prática, se adote um pequeno número de estágios.

Em resumo, os estágios de velocidade são particularmente vantajosos para as turbinasde baixa e média potência ( até 4000 H.P.) que necessitam de reduzido número de estágios.

c) Turbinas a vapor de reação com um só estágio de velocidade e vários estágios de pressão

Conhecida também como turbina de Prazos. É equivalente a várias turbinas simplesmontadas num mesmo eixo uma em seguida da outra.

A queda total de pressão (salto térmico total) entre a entrada e a saída é subdividido emum certo número de quedas parciais, uma para cada estágio.

Figura 11.11: Expansões sucessivas do vapor em uma turbina com escalonamento de pressão.

A Figura 11.anterior mostra as expansões sucessivas do vapor em função das quedas depressão em cada estágio (representação do trabalho específico interno).

Como o volume específico do vapor aumenta de um estágio ao outro, as seções poronde o vapor passa devem ir aumentando sucessivamente.

Figura 11.12: Turbina com escalonamento de pressão (Turbina Rateau).

Como as diferenças de pressão utilizadas nos diferentes estágios são reduzidas, asvelocidades adquiridas pelo vapor também são pequenas, de forma que as perdas por atritoserão pequenas, permitindo assim um maior número de estágios.

d) Turbinas a vapor de reação de fluxo radialTambém conhecida como turbina Ljungström. O vapor flui no sentido radial deste o

eixo até a periferia da máquina. Ambos os sistemas de pás giram em direção contrárias. Tem avantagem de um pequeno custo do sistema de pás e ocupa pouco espaço. A figura a seguirmostra este tipo de turbina a vapor.

Figura 11.13: Corte do rotor de uma turbina de fluxo radial Ljungström.

A próxima figura mostra uma turbina vapor de reação axial-radial (turbina Durax) ondeo vapor entra na turbina a vapor axialmente se expansiona de forma radial, e na sua saída,segue expansionando nas pás.

Figura 11.14: Esquema de uma turbina de fluxo radial e axial Durax, da ASEA.

e) Turbinas a vapor de contrapressãoNão tem condensador e o vapor de escape esta ligado a um aparato que utiliza vapor a

uma pressão mais baixa. É utilizada em industrias em que além de gerar sua própria energiaelétrica, precisam de vapor a pressões moderadas para utilização industrial, aquecimento porexemplo. É também utilizada para aumentar a potência de uma central de vapor já construída,sendo denominada neste caso "turbina superior". O vapor de escape dela entra em algumas ouem todas as turbinas da instalação com menor pressão. A próxima figura mostra este tipo deturbina a vapor.

Figura 11.15: Corte longitudinal de uma turbina de contrapressão Escher Wyss. Potência: 3 MW;velocidade: 10000 rpm; pressão de entrada de vapor: 100 kg/cm2; temperatura de entrada de vapor:600°C; contrapressão: 11 kg/cm2.

f) Turbinas a vapor Tándem-CompoundCaracterizada por ser constituída por vários corpos. Representa a concepção da turbinas

a vapor mais modernas. O vapor procedente da caldeira entra no primeiro destes corpos, que éde alta pressão, donde se expansiona e, na sua saída, se introduz no corpo seguinte, de menorpressão, onde sofre nova expansão, e assim sucessivamente. Geralmente, depois da saída doúltimo rotor, o vapor, a baixa pressão, entra no condensador. Todos os rotores são montadosno mesmo eixo. São utilizadas nas centrais térmicas.

fig 2_32

Figura 11.16: Corte longitudinal de uma turbina tánden compound Escher Wyss de 2 corpos e50 MW, pressão do vapor de entrada: 80 a 85 kg/cm2 ; temperatura de reaquecimento do vapor510°C.

Se a turbina a vapor tándem compound permitir que seja extraído vapor em diferentespontos intermediários, elas são ditas de extração. Esse vapor pode ser usado para secagem,aquecimento, etc. A próxima figura ilustra este tipo de turbina a vapor.

Figura 11.17: Corte longitudinal de uma Turbina tandém compound Elliot, de dupla extração.

Sendo:1 - Conjunto da válvula de admissão;2 - ????3 - ???4 - Rodete ( ? escalonamento);5 - Conjunto da válvula de extração;6 - Evacuação das fugas da válvula de extração;7 - Conjunto da válvula de extração;8 - Carcaça da turbina (admissão);9 - Carcaça da turbina (escape);10 - Diafragma (último escalonamento);11 - Válvula de vigilância;12 - Rodete (último escalonamento);13 - ???14 - Separador de ??;15 - Nível indicador de ???;16 - ??;17 - ??18 - Acoplamento;19 - ??20 - ?21 - ?22 -23 -24 -25 -26 -27 -28 -29 -30 -31 -32 -33 -34 -35 -

Observe nesta figura a forma e a disposição de todos os elementos constitutivos dasturbinas a vapor em geral.

11.5. Ciclos de funcionamento das turbinas a vapor

a) Ciclo básico ideal (Rankine)É um ciclo reversível teoricamente realizado pela máquina em questão, cuja perfeição

será tanto maior quanto seu rendimento se aproxime mais do rendimento térmico deste cicloideal.

A figura a seguir mostra uma instalação de potência que opera segundo o ciclo Rankine.Como estamos considerando a hipótese de um ciclo ideal, todos os processos devem serreversíveis. As etapas básicas são as seguintes :

1-2 : Expansão adiabática reversível (TURBINA)2-3 : Troca de calor da P constante (CONDENSADOR)

3-4 : Compressão adiabática reversível (BOMBA)4-1 : Troca de calor a P constante até geração de vapor aturado seco (CALDEIRA)

Figura 11.18: Esquema do ciclo de funcionamento de uma turbina a vapor com condensador: G -gerador de vapor (caldeira); AP - corpo de alta pressão da turbina; BP - corpo de baixa pressão daturbina; A - gerador elétrico; c - condensador; B - bomba de alimentação da caldeira.

Figura 11.19: Ciclo de Rankine.

b) Ciclo com reaquecimento

Figura 11.20: Esquema do ciclo de funcionamento de uma turbina de vapor com condensador ereaquecimento primário: G - gerador de vapor (caldeira); RP - Reaquecimento primário; AP - corpo dealta pressão; BP - corpos de baixa pressão da turbina; A - gerador elétrico; C - condensador; B -bomba de alimentação da caldeira.

A figura anterior mostra uma instalação de potência a vapor com reaquecimentoprimário do vapor para alimentação da turbina. A figura a seguir mostra o ciclo comreaquecimento primário. Isso é feito para aumentar o rendimento da turbina a vapor, pois se aumidade do vapor que flui na turbina for alta haverá rápida deteriorização das palhetas ebocais, causando redução da eficiência interna relativa e consequëntemente redução dorendimento térmico do ciclo como um todo.

Figura 11.21: Ciclo de Rankine com vapor superaquecido.

O reaquecimento pode-se dar de duas maneiras :- Reaquecimento Primário : é aquele em que o vapor ma sai superaquecido da

caldeira e entra na turbina a vapor ( o que usualmente ocorre nas turbinas a vapor em geral).

- Reaquecimento Secundário : quando o vapor se expansiona parcialmente na turbinaa vapor e em seguida volta a caldeira, onde se reaquece, antes de voltar a turbina a vapor nocorpo de baixa pressão e expandir-se definitivamente.

A figura a seguir mostra uma instalação de potência de vapor com preaquecimentoprimário e secundário e a outra, o ciclo para tal instalação.

Figura 11.22: Esquema do ciclo de funcionamento de uma turbina a vapor com condensador,reaquecimento primário e secundário: G - gerador de vapor (caldeira); RP - reaquecimento primário;RI – reaquecimento intermediário; AP - corpo de alta pressão da turbina; MP - corpo de média pressãoda turbina; BP - corpos de baixa pressão da turbina; A - gerador elétrico; C - condensador; B - bombade alimentação da caldeira.

Figura 11.23: Ciclo de Rankine com reaquecimento.

Figura 11.24: Ciclo de Rankine com reaquecimento a mesma temperatura de geração.

Obs.: Assim, quando se fala em ciclo com reaquecimento estamos nos referindo aoreaquecimento secundário.

c) Ciclo com regeneração (Recuperação)Neste ciclo se utilizam turbinas a vapor de extração, se extrai da turbina uma parte do

seu fluxo de vapor em certos pontos da expansão e se utiliza o calor residual do vapor parapré-aquecer a água de alimentação da caldeira. A água produzida por condensação do vapornos pré-aquecedores, geralmente se junta a água de alimentação, impulsionando-a por meiode bombas.

Figura 11.25: Esquema do ciclo de funcionamento de uma turbina a vapor com condensador,reaquecimento primário e recuperação: G - gerador de vapor (caldeira); RP - reaquecimento primário;RI – reaquecimento intermediário; AP - corpo de alta pressão da turbina; MP - corpo de médiapressão da turbina; BP - corpos de baixa pressão da turbina; A - gerador elétrico; C - condensador; B1- bomba de extração do condensador; H1 e H2 - aquecedores de água de alimentação (recuperadores);B2 - B3 - bombas de desagüe dos recuperadores; B4 - bomba de alimentação da caldeira.

Figura 11.26: Ciclo Rankine regenerativo - Diagrama T-s tridimensional.

Figura 11.27: Ciclo de Rankine regenerativo - Diagrama T-s bidimensional.

d) Ciclos combinados ( Reaquecimento e Regeneração)Até agora temos falado somente de ciclos de funcionamento de uma só turbina.

Porém em muitas ocasiões, nas centrais elétricas montam-se duas ou mais turbinasindependentes que aproveitam, escalonadamente, o vapor de escape das turbinas a vaporprecedentes, com o que se aumenta o rendimento do conjunto.

Na figura a seguir, mostra uma instalação de potência a vapor com ciclos combinados.

Figura 11.28: Esquema do ciclo de funcionamento combinado de 2 turbinas paralelo compound: G -gerador de vapor (caldeira); RP - reaquecedor primário; RI – reaquecimento intermediário; AP - corpode alta pressão da turbina; MP1 - corpo de média pressão da primeira turbina; A1 - gerador elétrico daprimeira turbina; BP2 - corpos de baixa pressão da segunda turbina; A2 - gerador elétrico da segundaturbina; C - condensador; B1 - bomba de extração do condensador; H1,H2,H3 e H4 - aquecedores deágua de alimentação (recuperadores); B2,B3,B4,B5 - bombas de desagüe dos recuperadores; B6 -bomba de alimentação da caldeira.

e) Ciclos bináriosNestes ciclos utilizam-se fluídos cujas pressões de vapor são distintas, de modo que a

pressão de saturação do denominado "fluído superior" coincida, aproximadamente, com apressão de vaporização do denominado "fluído inferior". Ou seja, que o condensador dofluído superior sirva de caldeira para o fluído inferior.

A figura mostra uma instalação de potência a vapor com ciclo binário.

Figura 11.29: Esquema do ciclo de funcionamento de uma turbina a vapor com condensador,reaquecimento primário e recuperação: G - gerador de vapor (caldeira); RP - reaquecimento primário;RI - reaquecimento intermediário; AP - corpo de alta pressão da turbina; MP - corpo de médiapressão da turbina; BP - corpos de baixa pressão da turbina; A - gerador elétrico; C - condensador; B1- bomba de extração do condensador; H1 e H2 - aquecedores de água de alimentação (recuperadores);B2 - B3 - bombas de desagüe dos recuperadores; B4 - bomba de alimentação da caldeira.

O fluído superior é aquecido e evaporado na caldeira (G) e conduzido depois à turbinasuperior (T1) na qual se expande seu vapor e se produz energia. O vapor de escape destaturbina é conduzido a um condensador-caldeira (C1), onde absorve o calor de condensação dofluído superior para a evaporação do fluído inferior do ciclo.

O vapor condensado do fluído superior é bombeado (por B1) novamente a caldeira (G)e com isso se completa o ciclo superior do ciclo binário.

O fluído inferior refrigera o vapor do fluído superior no condensador-caldeira (C1), atésua condensação. Ao mesmo tempo este fluído absorve o calor de condensação do fluídosuperior e se vaporiza.

Depois de sua vaporização vai até a caldeira (G) para seu reaquecimento e chegaposteriormente à turbina inferior onde se expande e produz energia.

O vapor de escape se faz passar por um condensador (C2) e vai novamente para ocondensador-caldeira (C1), completando-se o ciclo inferior e também o ciclo binário.

Ainda que se tenha inventado muitos ciclos binários, o de maior importância técnica é oque utiliza vapor de mercúrio como fluído superior e vapor d'água como fluído inferior.

Figura 11.30: Ciclo binário de Rankine, vapor de mercúrio-vapor de água.

f) Ciclos para produção de energia e vaporTodas as instalações de potência a vapor apresentadas até o momento produziam apenas

energia. Isso por que o vapor que saia da turbina a vapor ia direto para o condensador.A figura a seguir mostra uma instalação de potência a vapor para produção de energia e

vapor.

Figura 11.31: Esquema do ciclo de funcionamento de uma turbina de contrapressão: G - gerador devapor (caldeira); RP - reaquecedor primário;CP - turbina de contrapressão; A - gerador elétrico; RV -reaquecedor de vapor de contrapressão; H - preaquecedor de de água de alimentação (recuperador); IC- trocador de calor (evaporador); CV - circuito de utilização de vapor; B1 - bomba de alimentação doevaporador; B2 - bomba de extração do evaporador; B3 - bomba de alimentação da caldeira.

Note que ela consta de uma turbina a vapor de contra pressão que permite que o vaporque sai dela com certa pressão seja usado para outros fins.

A instalação consta de uma caldeira (G), um reaquecimento primário(RP) de onde ovapor vai para a turbina de contrapressão(CP), a qual aciona um gerador elétrico(A). O vapor

de escape sai suficientemente aquecido e pode servir como um circuito de reaquecimento deum reaquecedor de vapor(RV) de onde vai para um pré-aquecedor de água de alimentação(H)e daí ao trocador de calor(IC), onde esquenta a água procedente do sistema de consumo; ovapor d'água obtido para RV e depois se dirige ao circuito de utilização de vapor (CV).

A água que vem do vapor condensado neste circuito(CV) é impulsionada por umabomba (B1) até o IC de onde se reinicia o circuito secundário de vapor.

No circuito primário, a água procedente da condensação do vapor no IC, é impulsionadapela bomba B2 até o pré-aquecedor(H) e daí impulsionada pela bomba B3 até a caldeira, ondese encerra o ciclo primário de vapor.

11.6. Regulagem das Turbinas a vaporExistem várias grandezas que devem ser controladas e reguladas para que as turbinas a

vapor funcione normalmente, entre elas, as três mais importantes são:- Regulagem da potência;- Regulagem da velocidade de rotação;- Regulagem da pressão.

A seguir veremos em detalhes cada um deles.Obs.: Há uma interligação entre a primeira e as outras.

a) Regulagem da potênciaA regulagem da potência da turbina a vapor é feita controlando-se a quantidade de

vapor admitido no rotor, de acordo com as necessidades de carga.Esse controle de admissão pode ser feito de 4 formas diferentes:

- Regulagem por Estrangulamento (ou Regulagem Qualitativa)A quantidade de vapor que entra na turbina é regulada por meio de uma válvula de

estrangulamento situada na entrada da turbina.

Figura 11.32: Regulação qualitativa: (a) esquema de regulação; (b) processo no plano h-s.

É o mecanismo mais utilizado, sobretudo em turbinas de pequena e média potência,devido ao seu baixo custo inicial já que seu mecanismo é simples.

O princípio de funcionamento é basicamente o seguinte:A válvula V1 é a válvula geral de admissão que se abre ou se fecha totalmente com

acionamento manual ou motorizado.A válvula V2 é a válvula de estrangulamento que regula a carga. Ela é acionada por um

servomotor que se movimenta de acordo com a velocidade da turbina.Obs.: no processo de estrangulamento, todo o vapor perde pressão antes de alcançar a

turbina, quando esta trabalha com carga parcial.

- Regulagem por meio de Bocais (Regulagem Quantitativa)Consiste na utilização de uma série de válvulas de seta, uma para cada passagem de

vapor que sai da caldeira quantos forem necessários para satisfazer a demanda da carga, cadauma destas passagens abastece uma bateria(câmara) de bocais.

Figura 11.33: Esquema de um regulador mecânico para turbinas a vapor, com controle de vapor pormeio de toberas.

As válvulas se abrem sucessivamente de acordo com um mecanismo exterior que estádiretamente relacionado com a velocidade da turbina.

A grande vantagem é que se permite utilizar o vapor a uma pressão praticamente igual apressão da caldeira, já que o estrangulamento do vapor acontece somente na válvula queestiver parcialmente aberta, ao contrário da regulação por estrangulamento, na qual todo ovapor perde pressão antes de chegar a turbina.

- Regulação mistaÉ uma combinação da regulação quantitativa e qualitativa.Na proximidade da carga normal, que é a zona mais freqüente de funcionamento, a

regulagem se faz quantitativamente, variando o grau de admissão; com o qual se consegueque nesta zona a turbina trabalhe sempre com bom rendimento; porém, ao passar a cargasmenores que 50% da carga normal, a regulagem se faz por estrangulamento da válvula, com oqual se consegue uma simplificação da instalação.

- Regulagem por by-passÉ utilizada na sobrecarga da turbina a vapor acima da carga normal.

Figura 11.34: Regulação de turbinas a vapor por by-pass de alguns escalonamentos.

Ao aumentar a carga normal a válvula V2 se abre e assim entra vapor (depois de sofrerum estrangulamento na válvula) em um ponto intermediário diretamente sem passar porestágios anteriores.

b) Regulagem de velocidadeComo a velocidade de "embalamento" de uma turbina a vapor, alcança

aproximadamente o dobro da velocidade nominal, nenhuma turbina a vapor poderia resistir talsobrevelocidade, portanto, a limitação e controle da velocidade de rotação é de grandeimportância.

É constituído por um par de massas esféricas ligadas de maneira articuladas a um eixo (que gira com a mesma velocidade de rotação que o rotor) sobre o qual atua um sistema deguia articulado as esferas.

Figura 11.35: Regulador de Watt.

Ao aumentar a velocidade da turbina a vapor, as bolas se separam devido ao aumento daforça centrífuga deslocando-se a guia para cima.

Se a carga aumenta, a velocidade diminui o que faz com que as esferas se aproximemdeslocando-se a guia para baixo.

O movimento desta guia é que provoca a regulação pois o mesmo pode atuar por meiode um servo motor sobre uma válvula geral de admissão de vapor ou sobre as válvulas dosbocais, fazendo com que a mesma feche quando há um aumento de velocidade e se abramquando há uma diminuição de velocidade.

A próxima figura mostra um corte de um regulador de velocidade bastante utilizado.

Figura 11.36: Regulador de velocidade da firma Hartung e Kuhn.

Existem outros tipos de reguladores (elétricos, hidráulicos, etc) mas cujo princípio defuncionamento é basicamente o mesmo e portanto não serão apresentados.

Obs.: Geralmente as turbinas a vapor são equipadas por um mecanismo de limitação develocidade que atua quando a velocidade excede uns 10% aproximadamente da velocidadenormal, evitando o "embalamento".

Figura 11.37: Dispositivo de Rateau contra o embalamiento.

Às vezes o próprio regulador de velocidade tem essa função.

c) Regulagem de pressãoGeralmente atua na entrada da turbina a vapor mantendo constante a pressão da

caldeira, o que é muito vantajoso para o funcionamento da mesma, cuja pressão não sofreassim oscilações com a carga.

Pode também ser utilizada (feita) em outros pontos intermediários de um ciclo.O sistema de regulagem de pressão consiste basicamente de uma válvula que restringe a

passagem do vapor alterando assim a pressão.

Figura 11.38: Regulador de pressão.

4 - Servomecanismo

Volante

1 Elemento sensível à pressão

2 - Tubo onde atua a pressão

11.7. Equações fundamentaisTem a mesma forma das equações fundamentais aplicadas as turbinas hidráulicas.

11.8. Perdas, Potências e Rendimentosa) Perdas

Podem ser do tipo:

- Perda de energia nas válvulas reguladoras;

- Perdas de energia nos bocais

- Perdas de energia nas palhetas;

- Perdas de energia por atrito de disco e ventilação;

- Perdas de energia por fuga de fluido de trabalho;

- Perdas de energia por velocidade alta no escape;

- Perdas de energia na tubulação de escape;

- Perdas de energia por atrito mecânico;

Provocam o aumento da entropia durante a expansão do vapor.

b) Potência

)cos.wcos.w.(u.mW 2211v..

β+β=

Sendo:.

W = potência;.

vm = taxa de massa de vapor;

u = velocidade de rotação;

w1 e w2 = velocidade na entrada e saída das pás;

β1 e β2 = ângulos de entrada e saída das pás.

Ou de outro modo:

η∆= .h.mW isoentv

..

c) Rendimento

- Rendimento interno da turbina a vapor:

isoent

real1 h

h∆∆

=η

- Rendimento mecânico da turbina a vapor:

produzida

.util

.

m

W

W=η

Obs.: Em geral, 0,85 < ηm < 0,99

- Rendimento global da turbina a vapor:

mi

isoent

.util

.

.W

Wηη==η

O gráfico a seguir mostra os rendimentos termodinâmicos reais (rendimentos internos)das turbinas a vapor comumente utilizadas (3000 rpm) nas centrais térmicas em função de suapotência e da porcentagem de carga considerada.

Figura 11.39: Rendimentos termodinâmicos reais das turbinas a vapor.

Figura 11.40: Fatores de correção por cargas parciais e por reaquecimento para a determinação dosrendimentos termodinâmicos reais das turbinas a vapor.

Obs.: Para o cálculo de ηi necessitamos de ∆h, que pode ser obtido a partir do diagrama deMollier para o vapor d’água mostrado a seguir:

Figura 11.41: Diagrama de Mollier.

- Rendimento para uma instalação de potência a vapor

A figura apresentada a seguir, mostra um esquema geral de uma instalação de potência avapor para geração de energia e vapor.

Figura 11.42: Esquema de uma instalação de potência a vapor industrial.

Sendo:

I - Caldeira com superaquecedor;

II - Turbina, parte de alta pressão;

III - Turbina, parte de baixa pressão;

IV - Vapor para processo;

V - Condensador;

VI - Misturador;

VII - Bomba;

VIII e IX - Reguladores de velocidade e pressão;

X - Alternador.

Para este tipo de instalação o rendimento é definido como sendo:

1.

1

hh

.

1.

1I

IV21

m.h

h.m

m.h

PQ

QPP+=

++≅η

Sendo:

P = potência no eixo da turbina a vapor;

h1 = entalpia específica na entrada da turbina a vapor;

1.

m = massa de escoamento pela parte de alta pressão (massa de entrada na turbina a vapor);

h.

m = massa de escoamento para o processo;

hh = entalpia específica na entrada do processo de saída da parte da turbina de alta pressão.

Obs.: Nesta equação foi desprezada a entalpia específica da água na entrada da caldeira.

Em uma instalação deste tipo é possível obter-se uma potência constante para uma gama

bastante grande de variação da massa mh

. para o processo, o que muitas vezes é de grande

interesse técnico-econômico.