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Turbina a Gás
TURBINAS A GÁS
Nas turbinas a vapor para se produzirenergia mecânica se aproveita o calorproduzido ao se queimar um combustível,mas para isso necessita-se de umaetapa intermediaria (caldeira) aondese produza o vapor d'água que ao seexpandir sobre as pás do rotor produza umtrabalho mecânico aproveitável.
TURBINAS A GÁS
A evolução dos motores térmicos permitiu adquirirexperiência suficiente com o desenvolvimento demateriais adequados para poder construir turbinasnas quais se aproveitasse diretamente a energiadesenvolvida na combustão, armazenada nos gasesproduzidos que se expandem de forma parecida àdo vapor, nas pás móveis de um rotor.
Estes motores modernos se denominamTurbinas a Gás.
TURBINAS A GÁS
A turbina a gás mais simples é a chamada de cicloaberto simples e conta com os seguinteselementos:
1. Compressor de ar
2. Câmara de combustão
3. Turbina propriamente dita
4. Dispositivos auxiliares
Representação esquemática Turbina a gás de ciclo aberto simples
Problemas da turbinas a gás
Rendimento
Turbinas a gás
Histórico
EOLOPILE
Século I dC
Heron de Alexandria e
a Aeolopile
EOLIPILE
Chimney Jack
1550 – Leonardo da Vinci
desenha um dispositivo
chamado “chimney jack”
que girava pelo efeito dos
gases quentes subindo a
chaminé.
John Barber
1791 - John Barber registra a
patente de um motor movido por
uma turbina a gás, utilizando o
ciclo termodinâmico das modernas
turbinas de gás.
Franz Stolze
A primeira turbina com características atuais foirealmente construída entre os anos de 1900 e 1904por J.F. Stolze que a planejou anos antes (1872). Oequipamento foi testado durante quatro anos, masnunca funcionou com efetividade.
SANTOS DUMONT E OS IRMÃOS WRIGHT
Aeroplano – Irmãos Wright
Flyer – Irmãos Wright
14 bis – Santos Dumont
Turbinas a gás
Os aviões tinham pouca velocidade, poucaautonomia, pouca capacidade de carga.
Sir Frank Whittle
Turbinas a gás
Em 1929, o estudante de aeronáutica Frank Whittle encaminhou suasideias sobre um motor turbo-jato.Um ano depois, Whittle pediu sua primeira patente, um compressor dedois estágios axiais seguido por um compressor centrífugo simples.O primeiro motor desenvolvido por Whittle funcionou em 1937. Eraalimentado com combustível líquido e possuía a bomba de combustívelacoplada ao motor.A equipe de desenvolvimento de Whittle passou por apuros por nãoconseguir parar o motor no seu teste, mesmo depois que este teve ocombustível cortado. Isto porque vazou combustível para dentro domotor, fazendo funcionar até queimar completamente o combustívelvazado.Whittle infelizmente não conseguiu desenvolver um revestimento selanteapropriado para o projeto, e assim ficou para trás na corrida para colocarum motor a jato no ar.
Turbinas a gás
Sir Frank Whittle
Hans Von Ohain
Turbinas a gás
Em 1935, Hans von Ohain iniciou um trabalho na Alemanha em umprojeto similar ao de Frank Whittle, aparentemente sem conhecimentodo trabalho desenvolvido por Whittle.O motor de von Ohain, desenvolvido 5 meses depois de Whittle, eraabastecido por gás, sem ter um dispositivo de abastecimento acoplado.Whittle infelizmente não conseguiu desenvolver um revestimento selanteapropriado para o projeto, e assim ficou para trás de Von Ohain nacorrida para colocar um motor a jato no ar.Na década de 30, o inglês Frank Whittle patenteou o primeiroturbojato para aeronaves, porém o primeiro a passar o projeto dopapel para o céu foi o alemão Hans Von Ohain em 1935, com o auxíliodas indústrias Heinkel, que em 1939 voaram com o primeiro avião ajato do mundo, o HE 178.
Hans Von Ohain
TURBINAS A GÁS
Na aeronáutica, os principais tipos de motores a propulsãosão:
Turbojato: atua em altas velocidades e grandes altitudes,por isso sua aplicação é em geral em aeronaves militares.Possui alto consumo de combustível e é muito barulhentoem baixas altitudes e velocidades.
Turbofan: é o mais utilizado na aviação comercialatualmente. Possui menor consumo de combustível e émais silencioso do que o turbojato devido a uma ventoinhade grande diâmetro na admissão ou exaustão.
Turboprop: Conceito misto entre o jato e o fan. É utilizadoem aviões domésticos e de baixas velocidades.
Turbojato
Turbofan
Turbofan
Primeira Turbinas a gás industrial
TURBINAS A GÁS
TURBINAS A GÁS
A turbina a gás mais simples é a chamada de ciclo aberto simples econta com os seguintes elementos:
1. Compressor de ar
2. Câmara de combustão
3. Turbina propriamente dita
4. Dispositivos auxiliares
TURBINAS A GÁS
O ar atmosférico aspirado pelo compressor, alimenta acâmara de combustão.
Na câmara de combustão, se injeta o combustível de formacontínua, através de uma bomba.
A combustão se inicia eletricamente durante o arranque,continua a pressão constante com temperaturas de 650 a750 ºC.
O gás obtido se expande sobre o rotor da turbina que estáligado mecanicamente com o rotor do compressor;
ou seja o gás tem que fornecer potência suficientepara a compressão e potência útil, sendo esta últimade cerca de 1/3 da potência total desenvolvida.
Turbina a gás Brown Boveri de ciclo aberto simples
Representação esquemática Turbina a gás de ciclo aberto simples
Turbina a gás de ciclo aberto simples
Representação do ciclo aberto simples no diagrama entrópico
Representação do ciclo aberto simples no diagrama dinâmico
a - trabalho do compressor
b - trabalho da turbina
c - trabalho útil
TURBINAS A GÁS
Vantagens da Turbina a Gás sobre a Turbina a Vapor
- menor relação peso/potência
- instalação mais compacta, menos volumosa
- necessita menos dispositivos auxiliares
- não necessita de condensador
- não necessita de água
- lubrificação mais simples
- fácil controle
- não necessita de chaminé (escape isento de fumaça)
TURBINAS A GÁS
Desvantagens
- grande consumo específico de combustível
- devido as altas temperaturas desenvolvidas,necessita ser construído com materiais especiais(aços resistentes a altas temperaturas)
Combustíveis empregados
As Turbina a Gás admitem uma variadagama de combustíveis líquidos e gasosos,sendo que a única condição que deve selevar em conta é que a quantidade decinzas não exceda um certo limite.
Combustíveis empregados
Os combustíveis mais aplicados são:
- gás natural: adapta-se muito bem as turbinas a gás, aúnica condição imposta é que seja limpo.
- petróleo bruto: em geral é possível usa-lo, porémcomo a sua composição varia muito de acordo com o localda sua extração se faz necessário análises para determinaras possibilidades de sua utilização.
- gás de alto forno: como a quantidade de pó destecombustível é em geral muito alta, tem de se instalar umfiltro eficaz antes da entrada do compressor.
- óleo pesado: é um combustível muito convenientedesde que a quantidade de cinzas seja pequena.
ELEMENTOS PRINCIPAIS DE UMA TURBINA A GÁS
1. Compressor2. Câmara de combustão3. Sistema de alimentação de combustível4. Turbina5. Regenerador6. Órgãos auxiliares
Compressor
O compressor de uma turbina a gás pode ser do tipo centrífugo ouaxial.
Ambos são constituídos por dois elementos principais: o rotor e odifusor.
O ar ao entrar no compressor é acelerado nos condutos das pás dorotor, no difusor a energia cinética do ar se transforma gradualmenteem energia de pressão.
Em turbinas a gás para centrais térmicas o compressor centrífugo égeralmente constituído por vários saltos (fileiras), o que permite ainstalação de refrigeradores que melhoram o rendimento da instalação.
Geralmente o compressor axial tem melhor rendimento que ocentrífugo.
Câmara de combustão
A câmara de combustão pode ser do tipo simples ou múltipla.
As múltiplas são sempre do tipo tubular, as simples podem ser tubularesou anulares.
Normalmente na primeira metade da câmara de combustão estálocalizado o injetor, que introduz o combustível a pressão, pulverizado ouem forma de gás. De acordo com o tipo de turbina a injeção poderealizar-se no mesmo sentido da corrente de ar ou contra a corrente dear .
Câmara de combustão
As câmaras tubulares contém uma capa metálica externa e um tubointerno onde se dá a mistura e a combustão.
O ar entra tanto no interior do tubo, como entre este e a capa externa,no interior do tubo um dispositivo com pequenas pás inclinadas imprimeao ar um movimento vibratório em torno do eixo da câmara para seobter uma melhor combustão.
O ar periférico assegura a refrigeração das paredes.
Câmara de combustão
Na câmara de combustão anular a injeção se dá contra a corrente, e aadmissão dos gases na turbina ocorre lateralmente.
Nas turbina a gás utilizadas em centrais elétricas é mais freqüente o usode câmaras tubulares.
Estas adaptam-se melhor a compressores centrífugos enquanto que asanulares são mais usadas para os compressores axiais.
Sistema de alimentação de combustívelNa busca de uma combustão, necessita-se de uma boa pulverizaçãodo combustível, inclusive para quantidades injetadas de combustívelmuito variáveis. Isto se obtém através de um dispositivo chamado depulverizador de refluxo.
CICLOS COM
TURBINAS a GÁS
Ciclo simples da turbina a gás
O ciclo teórico de funcionamento da turbina a gás é o ciclo Brayton. Oar entra no compressor e é comprimido adiabaticamente (do ponto 1 a2) depois (2) começa a combustão à pressão constante (de 2 a 3)com a introdução de calor (Q1), que produz um aumento no volumedo fluido . Essa expansão é adiabática e é produzida nos condutos daturbina (linha 3-4), a seguir (4) os gases são descarregados naatmosfera ou podem ser refrigerados a pressão constante (linha 4-1)para voltar ao estado inicial e recomeçar o ciclo.
Ciclo simples da turbina a gás
Turbinas a gás com regenerador
Um procedimento usado para melhorar o rendimento de uma turbina agás consiste em recuperar parte do calor perdido com os gases deescape a alta temperatura.
Para isso utiliza-se de um ou vários regeneradores (Trocadores decalor) entre a saída do compressor e a entrada da câmara decombustão, aquecendo-se o ar pela ação dos gases de escape daturbina.
Representação esquemática de uma Turbinaa gás de ciclo aberto com regeneração
Turbina a gás Brown Boveri de ciclo aberto com regeneração
Turbinas a gás com regenerador
Turbinas a gás com refrigeração e regeneração
Também é possível aumentar o rendimento da turbina a gásrefrigerando o ar na saída do compressor e injetando-o em outrocompressor de alta pressão.
As turbinas neste caso são de 2 ou mais eixos e também podem terregeneradores. Podem também conter corpos de alta e baixa pressão.
Em geral as turbinas de alta pressão acionam o gerador e as de baixapressão acionam os compressores de baixa pressão. Cada eixo deveter o seu correspondente motor de arranque.
Representação esquemática de uma Turbina agás ciclo aberto com refrigeração e regeneração
Turbina a gás Brown Boveri de ciclo aberto com refrigeração e regeneração
Turbinas a gás com refrigeração e regeneração
Turbinas a gás com refrigeração, regeneração e reaquecimento
É possível aumentar mais ainda o rendimento da turbina a gásacrescentando além da refrigeração do ar do compressor e daregeneração da temperatura do ar que se conduz à câmara decombustão, outra implementação ocorre aproveitando os gases deescape e introduzindo-os em uma nova câmara de combustão emcuja saída é acionada uma outra turbina de baixa pressão.
A combinação de regeneração, reaquecimento e refrigeração nospermite atingir rendimentos térmicos reais superiores a 33%.
Representação esquemática de uma Turbina agás com refrigeração, regeneração e reaquecimento
Turbinas a gás com refrigeração, regeneração e reaquecimento
Turbina a gás de ciclo fechado
Todas as turbinas a gás vistas até aqui eram de ciclo aberto, nãohavendo recirculação do fluido operante.
No ciclo fechado todo o fluido é recirculado ( com exceção de perdas)de forma contínua. O calor procedente do aquecedor de altatemperatura ( que substitui a câmara de combustão) ou então umreator nuclear é então transmitido à turbina.
Os gases de escape são refrigerados antes de serem reintroduzidos nocompressor para um novo ciclo.
No ciclo fechado podem ser usados outros gases além do ar, como oHélio, gás carbônico e Nitrogênio, o maior inconveniente deste ciclo éo elevado custo e as dimensões do aquecedor de alta temperatura.
Representação esquemática de uma Turbina a gás com ciclo fechado
Centrais com Turbinas a Gás
Central com Turbinas a Gás
Central com Turbinas a Gás
TURBINAS A GÁS
TURBINAS A GÁS
TURBINAS A GÁS
TURBINAS A GÁS
TURBINAS A GÁS
TURBINAS A GÁS
CENTRAIS A CICLO COMBINADO
CO-GERAÇÃO
FIM
