CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ATPS MÁQUINAS TÉRMICAS II

ETAPA I

Pelotas 2015

1 - INTRODUÇÃO

A primeira turbina a gás foi desenvolvida a cerca de 150 anos, a partir dos conhecimentos adquiridos com a evolução dos motores térmicos.

A turbina a gás é uma máquina térmica na qual se aproveita diretamente a energia liberada na combustão, armazenada nos gases produzidos que se expandem, de forma parecida que o vapor nas turbinas a vapor, sobre as palhetas móveis de um rotor.

O grande avanço nas turbinas a gás ocorreu na época da 2a guerra mundial devido a aeronáutica, que tinha necessidade de aumentar a velocidade de seus aviões e continuou com a industrialização, com a instalações de potência a gás.

Por fim, com o desenvolvimento da metalurgia nos últimos 30 anos foi possível obter materiais que suportam temperaturas mais elevadas (superiores a 500oC) e que permitiram o desenvolvimento das turbinas a gás modernas.

1.2 Elementos Construtivos

A turbina a gás é mais simples que podemos imaginar, tal como mostra a figura, é constituída basicamente pelos seguintes elementos:

Figura 1 Esquema de uma instalação com turbina a gás em circuito aberto, estacionária, sem recuperação. I - Turbocompressor; II - Câmara de combustão; III - Turbina a gás; IV - Alternador; V - Motor de arranque e excitatriz.

a) Compressor de ArO compressor de ar da turbina a gás pode ser centrífugo ou axial (vide figuras a

seguir) e ambos estão constituídos por um rotor e um difusor, o que constitui um salto (estágio). Geralmente, são constituídos por vários saltos (estágios), o que permite a instalação de resfriadores intermediários que melhoram o rendimento da instalação, ao reduzir a temperatura do ar entre uma compressão e outra. A Figura 12.4 mostra a variação da velocidade e da pressão em um compressor axial de 6 estágios. Ainda com relação ao rendimento, o compressor axial apresenta um maior rendimento que o compressor centrífugo.

Figura 2 Compressor centrífugo para turbina a gás. G - rotor; D - difusor e A - entrada de ar.

A invenção da turbina a gás e o desenvolvimento do seu projeto original foram feitos para acionamento de aviões e pesquisas de propulsão a jato. O emprego de turbinas a gás para o acionamento de compressores, bombas e geradores foi adaptado, mais tarde. Devido a sua construção compacta , pequeno peso e a alta potência quando comparado com os motores tradicionais de combustão interna seu uso tem sido muito difundido para aplicações industriais.

Em 1930 Frank Whittle apresentou a primeira patente de uma turbina a gás para produzir um jato de propulsão. A turbina WHITTLE formou as bases das modernas turbinas a gás.

Recentemente, turbinas a gás de baixo peso (aeroderivadas) foram introduzidas em aplicação industrial. Neste meio, essas turbinas são comumente denominada geradora de gás (G). Seu propósito é a geração de um grande volume de gases de alta energia que escoa através de uma roda de turbina transformando essa energia em potência, no eixo.

2- PRINCÍPIO BÁSICO DE FUNCIONAMENTO DE TURBINA A GÁS

A Turbina a gás é uma máquina térmica que utiliza o ar como fluido motriz para prover energia. Para conseguir isto o ar que passa através da turbina deve ser acelerado; isto significa que a velocidade ou energia cinética do ar é aumentada. Para obter esse aumento, primeiramente aumenta-se a pressão e, em seguida, adiciona-se calor. Finalmente a energia gerada (aumento de entalpia) é transformada em potência no eixo da turbina .

Uma turbina a gás produz energia a partir do resultado das seguintes etapas contínuas do ciclo brayton:

1. Compressão - O ar é admitido e comprimido em um compressor onde as energias de pressão e temperatura do fluido (ar) aumentam.

2. Combustão - O ar comprimido flui para as câmaras de combustão, onde o combustível, a alta pressão, é injetado e queimado a uma pressão aproximadamente constante. A ignição da mistura ar/combustível ocorre durante a partida, através ignitores. Posteriormente a combustão se auto sustenta.

3. Expansão - Gases em alta temperatura e pressão são expandidos a uma alta velocidade através dos estágios da turbina geradora de gás, que converte parte da energia dos gases em potência no eixo para acionar o compressor de ar ( aproximadamente 2/3 da energia gerada com a queima).

4. Exaustão - Em um avião a jato, os gases remanescentes da expansão na turbina passam através de um bocal para aumentar sua velocidade e, consequentemente, o impulso (propulsão). Na aplicação industrial, os gases são direcionados para uma turbina de reação ou potência onde a energia residual (aproximadamente1/3) da energia gerada, dos gases é convertida em potência no eixo para acionar um componente como um compressor de gás, gerador elétrico ou uma bomba. Finalmente os gases fluem para o duto de exaustão, onde sua energia remanescente pode ainda ser aproveitada em um sistema de recuperação de calor (aquecimento de água, geração de vapor, aquecimento do ar de combustão, etc.).

- DESCRIÇÃO BÁSICA DE UMA TURBINA A GÁS

A turbina a gás é composta de:

3.1- COMPRESSOR

O compressor é o componente da turbina a gás onde o fluido de trabalho é pressurizado, sendo sempre empregado o do tipo dinâmico ( centrífugo, axial ou axial com o último estágio centrífugo ). O compressor axial trabalha com relações de compressão por estágio baixas, valores usuais de projeto situando-se entre 1,1/ 1 e 1,4/ 1 , o que resulta em um número grande de estágios para se atinjam as relações de compressão elevadas, de até 21/1 , empregadas em algumas máquinas modernas. Na prática, relações de compressão muito elevadas são obtidas normalmente com dois ou três rotores axiais, operando em série, ou por um rotor com vários estágios axiais seguidos por um último estágio centrífugo.

O compressor axial permite obter altas vazões de ar, até 700 kg/s, e eficiência isoentrópica muito boa, valores típicos entre 85 a 90 %, sendo por isso empregado em praticamente todas as turbinas a gás de médio e grande porte.

Um inconveniente do compressor axial é a de apresentar faixa operacional pequena, entre os limites de surge e choke, o que exige cuidados especiais para evitar o surge durante os períodos de partida e/ou aceleração.

O compressor de ar é o componente da turbina responsável pelo aumento da pressão do ar no ciclo Brayton e é acionado pela turbina do gerador de gás.

O compressor axial é empregado nestes casos por ser especificado para maiores vazões do que os centrífugos com relação ao porte.

Seu princípio de funcionamento é o da aceleração do ar com posterior transformação em pressão. É composto por uma seção estacionária, onde se encontram instalados os anéis com aletas estatoras e a seção rotativa composta por um conjunto de rotores com palhetas. Cada estágio de compressão é composto por um rotor com palhetas e um anel com aletas estatoras. O rotor com palhetas é responsável pela aceleração do ar, como um ventilador. É nesta etapa que o ar recebe trabalho para aumentar a energia de pressão, velocidade e temperatura. O anel de aletas estatoras tem a finalidade de direcionar o ar para incidir com um ângulo favorável sobre as palhetas do próximo estágio rotor e promover a desaceleração do fluxo de ar para ocorrer a transformação da energia de velocidade em pressão. Essas máquinas são projetadas para que a velocidade na entrada de cada rotor seja a mesma para a condição de máxima eficiência.

Este processo é repetido nos estágios subsequentes do compressor sendo que cada estágio promove um pequeno aumento de pressão.

O fluxo de ar no compressor se dá paralelo ao eixo ( axial ) numa trajetória helicoidal, e a seção de passagem é reduzida da admissão para descarga, com o propósito de se manter a velocidade do ar constante dentro da faixa de operação, uma vez que a pressão sobe a cada estágio e respectivamente a massa específica (veja a equação da continuidade). O ganho de pressão e as variações de velocidade a cada estágio podem ser vistos nas figuras a seguir.

As aletas estatoras do último estágio agem como pás guias de saída, que direcionam o ar em um fluxo axial estabilizado para a carcaça traseira do compressor e seção de combustão.

O compressor é projetado para operar com alta eficiência em altas rotações. Para manter o fluxo de ar estabilizado à baixa rotação, tem-se instalado, na entrada de ar, um conjunto de aletas móveis guias de entrada (IGV - Inlet Guide Vanes), que automaticamente, altera o

ângulo de ataque das palhetas para o primeiro rotor. A eficiência é gradualmente aumentada de acordo com o aumento da rotação. As válvulas de sangria estão instaladas para prevenir o surge em baixas rotações.

O conjunto I.G.V e válvulas de sangria fazem parte do sistema de controle do fluxo de ar da turbina.

A proteção quanto ao surge se dá através de válvulas de alívio instaladas nos últimos estágios, que ficam abertas aliviando para atmosfera durante a fase de aceleração e parada do compressor.

3.2- COMBUSTOR

A combustão em uma turbina a gás é um processo contínuo realizado a pressão constante. Um suprimento contínuo de combustível e ar é misturado e queimado à medida que escoa através da zona de chama. A chama contínua não toca as paredes da camisa da câmara de combustão, sendo estabilizada e modelada pela distribuição do fluxo de ar admitido, que também resfria toda a câmara de combustão. Podem ser queimadas misturas com larga faixa de variação da relação combustível - ar, porque a proporção combustível - ar é mantida normal na região da chama, sendo o excesso de ar injetado a jusante da chama.

O projeto da câmara de combustão deve garantir resfriamento adequado da camisa, combustão completa, estabilidade da chama e baixa emissão de fumaça, monóxido de carbono, hidrocarbonetos e óxidos de nitrogênio. O volume da câmara de combustão é muito pequeno em relação à taxa de liberação de calor desenvolvida, porque a combustão é feita a pressão elevada: em turbinas aeronáuticas este volume pode ser de apenas 5 % do volume que seria necessário em uma caldeira com a mesma taxa de liberação de calor.

O combustor usado em uma turbina a gás pode ser: tubular, tubo-anular, anular ou externo.

O combustor tubular é usado em turbinas industriais de médio grande porte, especialmente em projetos europeus, e em algumas turbinas, automotivas ou auxiliares, de pequeno porte. Apresentam como vantagens: simplicidade de projeto, facilidade de manutenção e vida longa devida às baixas taxas de liberação de calor. Podem ser de fluxo direto ou de fluxo reverso.

Em turbinas aeronáuticas, onde a área frontal é importante, os combustores empregados são do tipo tubo-anular ou anular. Estes combustores produzem uma distribuição circunferência de temperaturas bastante uniforme na entrada do primeiro estágio da turbina.

Embora seja de desenvolvimento mais difícil, o combustor anular é o mais empregado em turbinas aeronáuticas modernas, devido à sua compacidade. Combustores anulares são particularmente adequados para aplicações a altas temperaturas ou com gases de baixo poder calorífico, porque exigem menos ar de resfriamento, devido à menor área superficial da camisa. A quantidade de ar de resfriamento requerida pelo combustor é particularmente importante em aplicações com gases de baixo poder calorífico, porque estes gases exigem muito ar primário, sobrando pouco ar para resfriamento da câmara. Os combustores

anulares são usualmente de fluxo direto, enquanto os tubo-anulares são normalmente de fluxo direto em turbinas aeronáuticas e de fluxo reverso em turbinas industriais.