Turbinas a gás

6 – TURBINAS A GÁS

6.1 – HISTÓRICO

Ao contrário de outros acionadores, a história do desenvolvimento das turbinas a gás foi bastante longa e difícil.

A instalação térmica a vapor, por exemplo foi relativamente fácil para projetar e construir, porque muito pouca energia é necessária para introduzir a água na caldeira, pouca sofisticação é necessária para vaporizar a água e o vapor produzido certamente gerará mais potência do que a consumida pela bomba de alimentação de caldeira.

Turbinas a gás que por limitações metalúrgicas não podem usar temperaturas tão elevadas no início da expansão dos gases, precisam para produzir um saldo de potência positivo que os processos de compressão e expansão sejam eficientes. Por muitas décadas as perdas particularmente no compressor, foram tão altas, que não permitiram um saldo de potência positivo para as temperaturas que os materiais na época suportavam.

A primeira turbina a gás operacionalmente bem sucedida foi produzida na França, por Charles Lemale em 1901. Os desenvolvimentos posteriores desta turbina permitiram que em 1906 fosse produzido uma turbina com rendimento térmico de apenas 4,5 %.

A segunda turbina a gás que teve sucesso parcial foi a proposta por Hans Holzwarth em 1906-1908 e construída em 1908-1913 por Brown Boveri.

Nas duas primeiras décadas deste século registraram-se algumas outras tentativas mal-sucedidas no sentido de produzir uma turbina a gás operacional. Os esforços que resultaram no sucesso da turbina a gás moderna começaram entre 1927 e 1936 por meio de trabalhos paralelos e independentes de diferentes pessoas.

COMPARAÇÃO ENTRE CICLO COM TURBINA A VAPOR E CICLO COM TURBINA A GÁS

TURBINA A VAPOR TURBINA A GÁSCICLO RANKINE BRAYTON

COMPRESSÃO BOMBA DE ALIMENTAÇÃO COMPRESSOR

AQUECIMENTO CALDEIRA COMBUSTOR

EXPANSÃO TURBINA A VAPOR TURBINA A GÁS

RESFRIAMENTO CONDENSADOR ATMOSFERA

6.2 – CLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS INDUSTRIAIS

As turbinas a gás industriais podem ser classificadas em dois grupos :

- Não aeroderivativas, Industriais ou “Heavy Duty”.- Aeroderivativas, são aquelas que utilizam geradores de gás de turbinas

aeronáuticas

INDUSTRIAIS AERODERIVATIVASDIVISÃO DAS CARCAÇAS HORIZONTAL VERTICALCÂMARAS DE COMBUSTÃO EXTERNAS PEQ. Nº INTERNAS GRANDE NºRELAÇÃO PESO/POTÊNCIA MAIOR MENOREFICIÊNCIA MAIOR MENORFAIXA DE POTÊNCIA ATÉ 200 MW ATÉ 50 MW

CURSO : EQUIPAMENTOS ROTATIVOS 63AUTOR : Natanael Lopes

PERGUNTA 48: O que se entende por gerador de gás?

6.3 – PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

Motores térmicos são máquinas usualmente projetadas para transformar a maior parcela possível da energia liberada pela queima de um combustível em trabalho no eixo.

A queima de um combustível em um espaço aberto produziria apenas calor. A transferência da energia liberada pela queima de um combustível em um motor térmico para o eixo de saída é obtida pelo uso apropriado de um fluído de trabalho gasoso, normalmente o ar, que é obrigado a escoar através da máquina. A maneira usual de tratar o fluído de trabalho é o ciclo termodinâmico composto pelas fases de admissão, compressão, aquecimento, expansão e descarga. Em um motor alternativo, estes processos são realizados seqüencialmente em um mesmo espaço fechado, formado entre o pistão e o cilindro onde atua intermitentemente uma quantidade definida de massa. Ao contrário, em uma turbina a gás, o fluido de trabalho escoa sem interrupção, passando continuamente em cada componente que possui uma função específica para este fim.

O arranjo básico de uma turbina a gás de ciclo simples é mostrado abaixo. O compressor tem como função conduzir o fluído de trabalho até o aquecimento. O fluído é aquecido por combustão interna num ciclo aberto, ou por troca de calor com uma fonte externa em um ciclo fechado. A turbina é acionada pela expansão do fluído de trabalho comprimido e aquecido e tem como função, além de acionar o compressor, produzir um saldo positivo de potência no eixo, que pode ser usado para acionar uma carga qualquer.

DESENHO ESQUEMÁTICO DE UMA TURBINA A GÁS AERONÁUTICA


6.3.1 – FATORES QUE INFLUENCIAM A PERFORMANCE

A turbina a gás tem sua performance afetada pela variação da vazão mássica de ar que o compressor comprime, pela relação de compressão em que a máquina opera e a temperatura limite de operação (temperatura do gás que entra na turbina). Daí, os fatores que influenciam a performance são :

- Perdas de carga na sucção e descarga- Variação da temperatura ambiente- Variação da umidade relativa do ar- Altitude- Temperatura limite de operação- Tipo de combustível

6.4 – APLICAÇÕES

6.4.1 – TURBINAS AERONÁUTICAS

6.4.2. – TURBINAS PARA TRANSPORTE MARÍTMO E DE SUPERFÍCIE

6.4.3 – TURBINAS PARA GERAÇÃO DE ELETRICIDADE

6.4.4 – TURBINAS PARA ACIONAMENTO DE EQUIPAMENTOS

6.4.5 – TURBINAS A GÁS EM CICLOS COMBINADOS

A baixa eficiência das turbinas a gás, quando usadas para acionamento mecânico, é decorrente da alta temperatura dos gases descarregados no exausto e de sua pressão muito baixa para produzir trabalho. A eficiência pode ser melhorada pela recuperação deste calor residual (os gases saem a aproximadamente 510 ºC) para aquecer água para geração de vapor que por sua vez pode ser usado em uma turbina à vapor ou diretamente no processo para aquecimento.

6.5 – CICLOS


Os ciclos de cogeração e combinados são ciclos que recuperam o calor dos gases de exaustão da turbina. Como a eficiência das turbinas a gás em ciclo simples variam de valores inferiores a 20% para unidades de até 3 MW e de valores próximo a 40% para máquinas aeroderivativas de potência em torno de 35 MW, significa que de 80% a 60% da energia térmica é perdida para a atmosfera, daí a importância dos ciclos de Cogeração e Combinados.

Entretanto, devemos observar que todos os sistemas de recuperação provocam uma perda adicional de potência na turbina, já que aumentam a pressão do exausto da máquina.

6.6 – COMPONENTES PRINCIPAIS

6.6.1 – COMPRESSOR DE AR

É o componente da turbina a gás onde o fluído de trabalho é pressurizado. O compressor usado em turbinas a gás é sempre do tipo dinâmico. Quando é usado um compressor axial temos um grande número de estágios (15 aprox.) porque este trabalha com relações de compressão bastante baixas. Entretanto, podemos ter vazões de ar de até 700 Kg/s.

6.6.2 – COMBUSTOR (CÂMARA DE COMBUSTÃO)

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 a medida que escoa através da zona de chama. A chama contínua não toca as paredes da câmara, sendo estabilizada e modelada pela distribuição do fluxo de ar admitido, que também resfria toda a câmara de combustão. O projeto da câmara de combustão deve garantir resfriamento adequado da camisa, combustão completa, estabilidade da chama, e baixa emissão de monóxido de carbono, fumaça, hidrocarbonetos e óxidos de nitrogênio. O volume da câmara de combustão é pequeno em relação a taxa de calor liberada porque a combustão é realizada a pressões elevadas. Em turbinas aeronáuticas este volume pode ser de apenas 5% do volume necessário em uma caldeira, por exemplo, com a mesma taxa de liberação de calor.

O combustor é a primeira parte da chamada seção quente de uma turbina a gás, onde ocorrem as condições mais severas de temperatura e pressão.


A temperatura máxima na zona de combustão no interior da câmara está na faixa de 1800 a 2000 ºC . Após a combustão completa os produtos da combustão passam para a zona de diluição em que o excesso de ar reduz esta temperatura para os níveis compatíveis com os materiais da turbina (850 a 900 ºC). Devemos notar que apenas 20 a 35 % da massa total de ar é utilizado na combustão, o restante é utilizado para o resfriamento da câmara de combustão. Assim sendo, temos 80 a 65% de excesso de ar sendo possível, se desejado, a queima adicional de combustível após a descarga da turbina.

Os combustores podem ser internos ou externos. Os combustores internos podem ser tubulares, tubo-anulares ou anulares.

Internos – mais eficientes, mais compactos (anular), melhor distribuição de temperatura, maior durabilidade,

Externos – queima uma ampla faixa de combustíveis, pior distribuição de temperatura, mais adequado para turbinas industriais.


6.6.3 – TURBINA A GÁS PROPR. DITA

A turbina, 2ª parte da seção quente, é a parte motriz da unidade e a parte da máquina que opera em condições mais severas e em consequência a que exige a nossa maior atenção. O gás

ao escoar através da turbina perde pressão e temperatura, à medida que se expande e transforma a sua energia em trabalho

As turbinas podem ser do tipo radial (baixas potências) e do tipo axial (mais comum, altas potências) . Aproximadamente 2/3 da energia térmica disponível nos produtos da combustão são para o acionamento do compressor de ar e sistemas auxiliares.

O rotor é a parte móvel da turbina e consiste de rodas dinamicamente balanceadas com palhetas móveis fabricadas em superligas e são fixadas ao disco rotativo. Normalmente as palhetas são unidas por uma cinta no seu topo (“shrouded”) formando uma banda no perímetro externo das palhetas que serve para reduzir a vibração das mesmas.

As palhetas estão sujeitas a alta velocidade do gás, alta temperatura e esforços elevados devido ao escoamento dos gases e à força centrífuga gerada pela rotação da máquina.

PERGUNTA 49: Qual fenômeno conhecido de deformação dos materiais deve afetar as palhetas?

A temperatura dos gases na seção quente é muito elevada em consequência não é permitido grandes diferenças de temperatura ao longo de uma determinada seção (360º). Por isso os desvios são controlados para evitar distorções na máquina e, em consequência pontos de alta concentração de tensão.

Para evitar que a temperatura dos materiais da turbina atinjam a temperatura do gás quente, uma certa quantidade de ar do compressor é desviada para resfriar os componentes que estão em contato com o gás.

O ar em baixa pressão é usado, principalmente, para resfriamento da selagem dos mancais e da carcaça. O ar em alta pressão é utilizado para resfriamento da câmara de combustão, para resfriamento dos gases de combustão, das palhetas fixas e móveis e dos discos suporte das palhetas bem como outras partes da seção quente.


PERGUNTA 50: Qual é o principal fator limitante para obtermos eficiências maiores em turbinas a gás?



6.6.4 – FILTRO DE AR

O sistema de sucção de ar da turbina a gás tem que ser protegido com um filtro o qual é projetado com três objetivos principais : Proteger a turbina do efeito da contaminação do ar ambiente (abrasão, depósitos de fuligem,

corrosão química); Evitar danos à máquina devido a entrada de corpos estranhos em sua sucção; Minimizar a freqüência de manutenção da máquina e exigências de troca dos elementos do

filtro.

6.6.5 – DUTO DE EXAUSTÃO

É o sistema de descarga dos gases da turbina a gás. Este sistema que inicia no flange de escapamento da turbina é constituído dos seguintes elementos principais :

Junta de expansão Duto de exaustão Silenciador da descarga Chaminé

Além destes elementos, muitas vezes é utilizada uma caldeira de recuperação com a finalidade de gerar vapor para os seguintes objetivos : aquecimento de um processo industrial no caso de um ciclo de cogeração, para geração de energia através de uma turbina a vapor em um ciclo combinado, ou ainda, para injetar vapor na própria turbina a gás para aumento de potência ou redução do nível de Nox.


6.6.6 – SISTEMA DE PARTIDA

Em operação normal sabemos que o acionador do compressor de ar para a turbina a gás é a própria turbina a gás, já que esta produz em seu eixo energia suficiente para acionar o compressor e ainda acionar outro equipamento qualquer. Mas na partida ? Quem aciona o compressor de ar para que este forneça o ar necessário para a combustão ? Neste caso precisamos ter um acionador auxiliar (motor a combustão interna, motor elétrico, ou sistema eletro-hidráulico).

Primeiro a turbina é acelerada até a velocidade de purga de ar, quando então a mesma é estabilizada durante o período de purga . A finalidade desta purga é remover todo óleo ou gás do sistema que poderiam causar explosão. Logo que o ciclo de purga é completado o gerador de gás é acelerado até a velocidade em que a alimentação de combustível é iniciada e os ignitores são acionados. Neste ponto, o motor de partida e a combustão aceleram a máquina até um ponto onde o motor de partida é desacoplado e a velocidade da turbina é auto sustentada.

6.6.7 – SISTEMA DE COMBUSTÍVEL

Os combustíveis normalmente usados em turbinas a gás são do tipo líquido ou gasoso. Existem também sistemas de combustível duplos que podem operar ora com combustível líquido ora com combustível gasoso.

As turbinas a gás devem operar com combustíveis de alto poder calorífico. A medida que usamos combustíveis de poder calorífico menor necessitamos de câmaras de combustão maiores para gerar a mesma quantidade de energia.

Como o fluído precisa ser injetado na câmara de combustão numa pressão levemente superior , o sistema de combustível compreende os equipamentos que garantem esta condição, ou seja :

bombas ou compressores e seus acionadores filtros tubulações e válvulas sistema de controle

6.6.8 – SISTEMA DE IGNIÇÃO

Um sistema de ignição consiste basicamente de um sistema elétrico de alta voltagem que gera até 40.000 volts e dois ignitores capazes de gerar centelhas na freqüência de aproximadamente 20 vezes por segundo. O sistema de ignição é ligado antes que o combustível seja pulverizado no interior da câmara de combustão e é mantido ligado por meio de um relê de tempo, até um determinado momento em que a combustão é iniciada e mantida.

6.6.9 - SISTEMA DE LUBRIFICAÇÃO

A função de um sistema de lubrificação é fornecer óleo limpo e frio para os mancais da turbina bem como para as unidades acionadas hidraulicamente. Os sistemas de lubrificação de turbinas a gás são semelhantes aos das demais turbomáquinas sendo que as únicas e principais diferenças são :

utilização de lubrificantes sintéticos; utilização de “post lube oil pumps”(operam com baixa pressão pois não há ar); utilização de “pre lube oil pumps” (operam com baixa pressão pois não há ar); “scavenge pumps” e selo de ar nos mancais.

6.7 - MATERIAIS


A confiabilidade e a disponibilidade das turbinas a gás são normalmente uma importante preocupação para seus operadores. Limitações à continuidade operacional das plantas são freqüentemente impostas pela falha prematura de componentes críticos das partes quentes, tais como palhetas e expansores ou camisas do combustor. Estes componentes operam em difíceis condições combinadas de tensão e temperatura, em um fluxo de gases a alta velocidade, que pode conter produtos agressivos, provenientes do combustível ou do ar ambiente. Os materiais usados para estes componentes precisam ter propriedades físicas e mecânicas adequadas para atender às solicitações específicas impostas ao componente. Estes materiais, usados nas partes quentes das turbinas a gás, compreendem um conjunto de ligas à base de níquel ou à base de cobalto, conhecidas, por sua superior performance em temperaturas elevadas, como super ligas" ("superalloys"). As superligas de níquel são normalmente as preferidas para componentes rotativos, devido à sua ótima resistência à fluência (creep), enquanto as superligas de cobalto são usualmente empregadas nos componentes estacionários, devido a ótima resistência à temperatura e à fadiga térmica. Uma listagem destas superligas de uso corrente em turbinas à gás é apresentada na tabela abaixo.

ALLOY Ni Co Cr Al Ti C Mo W Nb Ta Fe Mn Zr BIN738 Bal 8,5 16,0 3,4 3,4 0,17 1,75 2,6 0,9 1,75 0,5 0,1 0,01

IN738LC Bal 8,5 16,0 3,4 3,4 0,11 1,75 2,6 0,9 1,75 0,5 0,1 0,01

IN939 Bal 19,0 22,4 1,9 3,7 0,15 2,0 1,0 1,4 0,1 0,009

MAR.M421 Bal 10,0 15,5 4,25 1,75 0,15 2,0 3,5 1,75 1,0 0,05 0,015

Udimet 500 Bal 18,0 19,0 3,0 3,0 0,08 4,0 0,005

Udimet 520 Bal 12,0 19,0 2,0 3,0 0,05 6,0 1,0 0,005

Udimet 720 Bal 15,0 18,0 2,5 5,0 0,04 3,0 1,2 0,005

FSX.414 10,5 Bal 29,5 0,25 7,0 1,0 0,012

X40 10,5 Bal 25,5 0,50 7,5 2,0 2,0

X45 10,5 Bal 25,5 0,25 7,0 2,0 2,0 0,01

S816 20,0 Bal 20,0 0,40 4,0 4,0 4,0 4,0 1,2

6.7.1 – REVESTIMENTOS

A seleção dos materiais adequados para as partes quentes da turbina é um compromisso entre a performance mecânica e a resistência à corrosão, que tendem a ser incompatíveis. A resistência à corrosão das superligas pode ser aumentada, para trabalho em ambientes agressivos, pela aplicação de revestimentos protetores. Existem três tipos principais de revestimentos para componentes de alta temperatura: revestimentos de difusão, revestimentos superpostos e revestimentos cerâmicos.

Os revestimentos mais usados são os de difusão. São obtidos por processo de cementação, por meio do qual faz-se a difusão de um ou mais elementos protetores no metal base. O revestimento de alumínio, usualmente empregado, apresenta boa resistência à oxidação mas pouca resistência à corrosão a quente. A resistência a corrosão à quente pode ser melhorada pelo emprego de revestimentos com dois elementos, como os de alumínio-cromo ou alumínio-platina. O revestimento de alumínio-platina propicia muito boa proteção contra corrosão, sendo indicado para operações offshore com combustíveis corrosivos, porém tem a desvantagem do custo levado, devido à presença da platina.

Os revestimentos superpostos, que podem ser aplicados por vários processos de deposição, tem a vantagem de permitir a deposição de vários elementos e pode ter sua composição definida em função das necessidades específicas de cada aplicação. Pela seleção adequada dos constituintes, um bom equilíbrio entre a resistência à corrosão e à dutilidade pode ser obtido. Os revestimentos deste tipo mais usados são os constituídos por cobalto-cromo-alumínio-ítrio e níquel-cromo-alumínio-ítrio. A performance destes revestimentos pode ser considerada no mínimo equivalente aos de alumínio-platina, obtidos por difusão, porém seu custo é também elevado.


Os revestimentos cerâmicos, devido a sua baixa condutividade térmica, são usados como barreira térmica, em câmaras de combustão ou partes quentes que não possam ser adequadamente resfriadas por passagens internas. Estes revestimentos cerâmicos permitem reduzir de 150 a 200 K a temperatura de trabalho do metal base. Para melhorar sua aderência ao metal base, o revestimento cerâmico é aplicado normalmente sobre um revestimento base de cobalto-cromo-alumínio-ítrio ou similar. O revestimento cerâmico mais usado é o de óxido de zircônio-ítrio. Sua principal desvantagem é a fragilidade, propriedade inerente aos materiais cerâmicos. Se suas propriedades mecânicas puderem ser melhoradas, os revestimentos cerâmicos apresentam boas perspectivas futuras, por que a redução da temperatura de operação e dos gradientes térmicos transitórios dos componentes quentes das turbinas possibilitarão um aumento substancial de sua resistência à fluência e à fadiga.

6.8 – DANOS MAIS COMUNS EM UMA TURBINA A GÁS

PERFIL DE PRESSÕES E TEMPERATURAS


6.8.1 – MECANISMOS DE DETERIORAÇÃO

Os principais mecanismos de degradação das partes quentes são :

6.8.1.1 – FLUÊNCIA

Palhetas de rotores de turbinas a gás sofrem fluência porque operam em temperaturas elevadas e estão submetidas a elevados esforços centrífugos. As condições combinadas de tensão e temperatura costumam ocorrer a meia altura da palheta, sendo nesta região que costumam ocorrer as fraturas por fluência.

A fluência é o principal fator limitante da vida das palhetas principalmente quando a turbina trabalha com combustível isento de contaminantes e em regime de operação contínua. É bastante difícil definir antecipadamente à vida das palhetas considerando-se a fluência porque as condições operacionais da turbina influenciam bastante este tempo estimado. Uma maneira de fazer esta avaliação é medirmos o alongamento das palhetas, sendo uma prática comum substituí-las quando sua deformação atingir 0,5 % . Uma outra maneira é monitorar as alterações sofridas pela microestrutura metalúrgica das palhetas e a partir daí determinar o estado de fluência das palhetas. O ponto ótimo para troca é o início da fase terciária que pode ser identificado pelo aparecimento de vazios e microtrincas na estrutura metalúrgica do material.

6.8.1.2 – FADIGA

A fadiga é um processo que causa a falha do componente pela aplicação de tensões cíclicas. Quando estas tensões são pequenas e de alta freqüência temos a fadiga de alta freqüência. Quando as tensões são altas e baixa freqüência temos a fadiga de baixa freqüência. A aplicação repetitiva de gradientes térmicos transitórios em um determinado componente causa a


fadiga térmica. A maioria dos componentes da parte quente de uma turbina a gás está sujeita a alguma forma de tensão cíclica e pode, portanto, falhar por fadiga.

A fadiga de alta freqüência nas turbinas a gás está associada à vibração mecânica de algum componente causada por uma força excitadora de alta freqüência, por exemplo, uma freqüência de passagem de palhetas.

Fadiga de baixa freqüência e fadiga térmica são problemas associados com os processos de partida e parada da turbina ou com variações de carga durante sua operação. Ambas são importante causa de preocupação em turbinas de aviação, que operam em regime de partidas e paradas freqüentes. Turbinas industriais, em muitos casos, são sujeitas também a este tipo de fadiga, devido à ocorrência de freqüentes paradas, ocasionadas por proteções do próprio equipamento ou pelo próprio processo onde a turbina opera. Durante o processo de partida os discos e palhetas são fortemente tensionados por uma combinação de esforços de origem mecânica e térmica, que após um determinado número de ciclos causam o aparecimento de pequenas trincas no material. Para garantir a segurança operacional da turbina é necessário submeter os componentes da parte quente a inspeções periódicas, usando técnicas não destrutivas de detecção de trincas. Expansores são componentes particularmente sujeitos à fadiga térmica porque as tensões induzidas pela dilatação térmica são acentuadas pela dificuldade estrutural de expansão destes componentes. O aparecimento de trincas por fadiga térmica no bordo de saída das pás dos expansores é um problema bastante freqüente em turbinas a gás.

6.8.1.3 - CORROSÃO

6.8.1.3.1 -OXIDAÇÃO

Os componentes das partes quentes de uma turbina a gás operam em um ambiente altamente oxidante e dependem para sua proteção da formação de uma película protetora compacta de óxido. Para turbinas de aviação são preferidas as ligas cuja proteção é conseguida por meio de uma camada de óxido de alumínio (Al2O3), porque este óxido mantém-se estável em temperaturas muito elevadas. Esta camada protetora de óxido de alumínio pode, entretanto, ser destruída por certas substâncias agressivas, que podem ser encontradas no ar ambiente ou no combustível em turbinas industriais. Por isto, em turbinas industriais são mais usadas ligas cuja proteção provem da formação de uma película de óxido de cromo (Cr2O3), que é mais resistente à corrosão. A proteção obtida pelo óxido de cromo (Cr2O3) tem limitação de temperatura porque em temperatura muito elevadas o Cr2O3 é oxidado para CrO3 que se vaporiza. Esta vaporização da camada protetora de óxido de cromo é significativa em temperaturas a partir de 850ºC.

As ligas de níquel usadas para os componentes rotativos das turbinas a gás industriais contém tanto cromo como alumínio. O nível de cromo presente (acima de 15%) é suficiente para manter a camada protetora de óxido de cromo em condições normais de operação. A principal função do alumínio presente na liga é promover a formação da fase (Ni3(Al,Ti)), que é a responsável pela resistência à fluência destas ligas.

Como o óxido de alumínio se forma com menores pressões parciais de oxigênio que o óxido de cromo, ocorre alguma oxidação do alumínio abaixo da superfície do componente. Esta oxidação interna do alumínio auxilia a formação da camada protetora do óxido de cromo. Duas ligas de níquel muito usadas para palhetas de turbinas a gás são IN 738 LC e MAR-M421.

Para as palhetas dos expansores são usualmente empregadas as ligas à base de cobalto como FSX-414, X4O e X45. Estas ligas de cobalto dependem somente do cromo para formar a camada protetora de óxido e tem melhor resistência à corrosão que as ligas de níquel.

Desde que a temperatura de operação seja mantida em níveis adequados a oxidação não causa maiores problemas para as partes quentes das turbinas a gás industriais. Um valor típico da penetração por oxidação em turbinas industriais ficaria em torno a 100m em 50.000 h. Entretanto, a exposição dos componentes a temperaturas acima de 900ºC certamente causará forte oxidação devido à vaporização da camada protetora do óxido de cromo.


6.8.1.3.2 - CORROSÃO A QUENTE

A destruição da camada protetora de óxido pela ação química de substâncias agressivas contidas nos produtos de combustão expõe o metal base a um ataque corrosivo acelerado, que é denominado de corrosão a quente. As substâncias corrosivas que causam a corrosão a quente são principalmente derivados de sódio, enxofre e vanádio. Estes elementos são encontrados como impurezas do combustível. Em instalações marítimas o sódio pode vir também do ar ambiente succionado pelo compressor. Os dois principais compostos que causam a corrosão a quente nas turbinas a gás são o sulfato do sódio e o pentóxido de vanádio.

A corrosão por sulfato de sódio ocorre usualmente em turbinas que operam em ambiente marítimo com combustível que contenha enxofre. Este tipo de corrosão é bastante severa, podendo resultar em vidas de componentes inferiores a 1 ano.

O pentóxido de vanádio também produz depósitos extremamente corrosivos, que em temperaturas acima do seu ponto de fusão (675ºC), destrói a camada protetora de óxido de cromo. Quando combinado com sódio, o ataque corrosivo do vanádio pode ocorrer em temperaturas ainda menores. O teor de vanádio presente em combustíveis para turbina deve, por esta razão, ser mantido em níveis baixos. A corrosão pelo vanádio pode ser controlada pela mistura no combustível de aditivos que contém magnésio, na proporção Mg/V de 3:1. O magnésio combina-se com o vanádio produzindo substâncias de alto ponto de fusão, que não se depositam na turbina.

A incidência da corrosão tem significativa influência nas propriedades mecânicas dos materiais das partes quentes da turbina a gás. A perda de material do componente, causada pela corrosão, conduzirá obviamente a um aumento da tensão, mas é certamente o ataque interno ao material, provocando seu enfraquecimento, que produz as piores conseqüências.

Testes de laboratório mostraram que na presença de depósitos de sulfato de sódio as ligas usadas na fabricação de palhetas de turbina sofrem uma forte redução tanto de sua resistência à fluência, como de sua resistência à fadiga.

6.8.2 – OUTROS FATORES DE DEGRADAÇÃO

Além dos fatores citados no item 6.8.1, existem outros fatores que afetam a performance de uma turbina a gás. Entre eles podemos citar :

Erosão e depósitos – ligados intimamente a qualidade do ar aspirado pelo compressor e pela qualidade do tratamento do combustível para a turbina a gás

Aumento das folgas por desgaste – este fator está ligado a temperatura máxima de operação da turbina, e à qualidade do combustível .

Características indesejáveis do combustível :

Tendência de polimerização; Alto teor de carbono e consequentemente alta tendência a formar depósitos; Presença de vanádio – baixa o ponto de fusão dos materiais; Presença de metais alcalinos que em combinação com o enxofre forma sulfatos

corrosivos; alta quantidade de cinzas.

Câmaras de combustão com alta formação de depósitos e operação intermitente, tem tendência de soltar estes depósitos e causar danos por erosão ou depósitos nas palhetas e expansores.


7 - BIBLIOGRAFIA

1 - MATTOS, E. E. de e FALCO, Reinaldo de , Bombas Industriais, Mc Klausen editora, 2ª ed, 1992.

2 – Hydraulic Institute Standards for centrifugal, Rotary and Reciprocating Pumps USA, 14ª ed., 1982.

3 – GODOY, JORGE, Turbinas a Vapor, Petrobrás.

4 – VICTOR, JOHN ERIC, Steam Turbines, Ed. Martin Hawley, 1964.

5 – Petrobrás, Divisão de Adestramento, Manual de Turbinas, 1964.

6 – FALCO, REINALDO de, Compressores Centífugos e Axiais, IBP.

7 – FALCO, REINALDO de, Compressores Alternativos, IBP.

8 – GODOY, JORGE, Turbinas a Gás, IBP, 1996, apostila I.

9 - GODOY, JORGE, Turbinas a Gás, IBP, 1996, apostila II.

10 – GENERAL ELECTRIC, GE MS60001 Heavy-Duty Gas Turbine, Gas Turbine Division, 1984.


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