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12. Turbinas a Gás
12.1. IntroduçãoA 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 formaparecida 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 aaeronáutica, que tinha necessidade de aumentar a velocidade de seus aviões e continuou coma industrialização após a 2a Guerra, com a instalações de potência a gás.
Por fim, com o desenvolvimento da metalurgia nos últimos 30 anos foi possível obtermateriais que suportam temperaturas mais elevadas (superiores a 500oC) e que permitiram odesenvolvimento das turbinas a gás modernas.
12.2. Elementos ConstrutivosA turbina a gás é mais simples que podemos imaginar, tal como mostra a figura 12.1,
é constituída basicamente pelos seguintes elementos:
Figura 12.1 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 instalaçãode resfriadores intermediários que melhoram o rendimento da instalação, ao reduzir atemperatura do ar entre uma compressão e outra. A Figura 12.4 mostra a variação davelocidade e da pressão em um compressor axial de 6 estágios. Ainda com relação aorendimento, o compressor axial apresenta um maior rendimento que o compressor centrífugo.
Figura 12.2 Compressor centrífugo para turbina a gás. G - rotor; D - difusor e A - entrada dear.
Figura 12.3 Compressor axial simples para turbinas a gás. G - rotor; D - difusor;
Figura 12.4 Compressor axial de 6 saltos para turbinas a gás.
b) Câmara de CombustãoA câmara de combustão pode ser simples ou múltipla. As múltiplas são sempre
tubulares e as simples podem ser tubulares e anulares. Por sua vez todos estes tipos podem serde construção horizontal ou vertical. As de construção horizontal são montadas em cima ou aoredor da turbina a gás; as de construção vertical são montadas ao lado da turbina a gás.
A câmara de combustão realiza as seguintes operações:• pulverização do combustível• vaporização do combustível• faz a mistura ar-combustível• inflamação e combustão da mistura• diluição dos produtos de combustão
É óbvio que a cada um destes processos não corresponde precisamente uma zona(região) determinada da câmara de combustão.
As câmaras de combustão tubulares se adaptam melhor aos compressores centrífugos eas câmaras de combustão anulares aos compressores axiais.
Figura 12.5 Câmara de combustão tubular, de construção horizontal, para turbina a gás.
Figura 12.6 Câmara de combustão tubular, de construção vertical, para turbina a gás.
Figura 12.7 Esquema de câmara de combustão anular.
c) Sistema de Alimentação de CombustívelÉ constituído de um reservatório e um pulverizador de refluxo.
Figura 12.8 Pulverizador de refluxo para turbina de gás. A - conduto de entrada decombustível; V - câmara anterior à entrada ; T - orifícios de entrada à câmara V; U e R -orifícios para refluxo de combustível.
Geralmente, a quantidade de combustível que chega ao injetor é constante e as variaçõesna quantidade injetada se efetuam variando a quantidade de refluxo mediante uma válvulaintercalada no conduto de retorno ao depósito.
d) TurbinaA Turbina a gás propriamente dita pode ser axial ou radial. As axiais são as mais
utilizadas. São constituídas de forma parecida às turbinas a vapor e podem ser de ação oureação.
Figura 12.9 Turbina axial elementar para turbinas a gás. G - rotor; D - difusor.
As figuras 12.10 e 12.11 mostram respectivamente uma foto e um corte longitudinalde uma turbina a gás de vários estágios.
Figura 12.10 Rotor de uma turbina a gás Siemens de 12 MW, em curso de montagem.
Figura 12.11 Seção longitudinal de uma turbina a gás Siemens de 12 MW.
e) Trocador de Calor (Regenerador)São utilizados para aquecer o ar que saí do compressor e que se injeta na câmara de
combustão, às custas do calor contido nos gases de escape que saem da turbina a gás,aumentando o rendimento. A construção é bastante parecida com a dos radiadores normais;neles as correntes quente e fria estão separadas por paredes condutoras, através das quais serealiza diretamente o intercâmbio de calor. Podem ser do tipo tubular simples, tubular comchicanas ou de placas onduladas.
Figura 12.12 Corte longitudinal de um trocador Escher Wyss, para uma central de 12 MW.
Figura 12.13 Esquema do trocador de calor com placas de desvio do fluxo.
Figura 12.14 Parede de placas onduladas: 1 - condutos de gás; 2 - condutos de ar.
Segundo o sentido relativo da circulação dos fluidos podem ser de corrente direta, decontra-corrente ou de corrente cruzada.
Figura 12.15 Diversos esquemas de fluxo de ar e de gás em um trocador de calor: (a) decorrente direta; (b) de contracorrente; (c) de corrente cruzada; (d) e (e) correntes cruzadasreversas.
A figura 12.16 mostra a variação de temperatura ao longo do regenerador.
Figura 12.16 Variação da temperatura ao longo de um regenerador: (a) de corrente direta; (b)de contracorrente.
f) Refrigeradores (Resfriadores)O calor de compressão, assim como o resto do calor dos gases que saem do trocador de
calor, são eliminados nos refrigeradores. Normalmente, a superfície de troca de calor estáformada por tubos de aletas helicoidais, percorridos por água de refrigeração. Eles sãomontados em conjunto dentro de uma envoltura (carcaça), perpendicularmente a corrente dear.
Figura 12.17 Refrigerador Escher Wyss, para uma central de 2300 kW.
g) Órgãos Auxiliares• Motor de arranque: é um motor de indução que aciona o compressor que alimenta a
Turbina a gás até que haja o início do processo de combustão na Câmara de combustão, oque ocorre quando a velocidade de rotação atinge cerca de 60% da velocidade de regime.A partir daí ele pára de operar, passando a Turbina a gás a movimentar o compressor e ogerador.
• Acendedor: é um órgão situado no interior da Câmara de combustão, que serve paraacender a chama durante o processo de arranque. Geralmente é constituído por um injetorauxiliar situado de forma inclinada com relação ao injetor principal que é acionadoeletromagneticamente e por uma vela de ignição.
12.3. Características Gerais
a) FuncionamentoO ar atmosférico aspirado pelo compressor alimenta a câmara de combustão a uma
pressão entre 5 e 8 atm.Na câmara de combustão, se injeta o combustível de forma contínua, por meio de uma
bomba adequada.A combustão, que se inicia eletricamente durante o arranque, continua a pressão
constante, com temperaturas que alcançam de 650 a 1200oC.Os gases de combustão se expandem sobre o rotor da turbina a gás gerando a energia
necessária para acionar o compressor, o gerador e fornecer uma potência útil (30% dapotência total).
b) Processo de CombustãoPara uma boa combustão, a relação Ar/Combustão deve ser próxima da
estequiométrica na zona da queima.
Figura 12.18 Corte esquemático - câmara de combustão.
Na figura anterior, vemos que a construção da câmara de combustão permite que apenasuma parte pequena do ar comprimido entre na zona de reação (onde ocorre a combustão). Amaior parte do ar vai penetrando aos poucos na corrente dos gases queimados através defuros, facilitando a diluição; o escoamento deste ar também é útil para refrigeração dasparedes da câmara de combustão, impedindo o superaquecimento.
Para iniciar a combustão é utilizada uma fonte externa (vela), para fornecer a energia deativação necessária; uma vez iniciada a combustão mantém-se uma chama estacionária nacorrente de mistura (ar+combustão) é a combustão é auto-sustentada.
Quanto maior a temperatura dos gases na saída da câmara de combustão, melhor orendimento térmico da turbina a gás; a limitação da temperatura se deve a problemasmetalúrgicos e de resistência do material que constitui a turbina a gás.
O processo de combustão envolve a oxidação dos constituintes do combustível que sãocapazes de ser oxidados, podendo, portanto ser representado por uma equação química.Durante o processo de combustão, a massa de calor de cada elemento permanece constante.
Uma combustão com o oxigênio estritamente necessário para uma dada quantidade decombustão é denominada estequiométrica. O oxigênio necessário a tal combustão denomina-se oxigênio mínimo, e, em correspondência, temos o ar mínimo. Nesta combustão todos osprodutos de combustão estão completamente oxidados.
Quando uma combustão é realizada com mais ar que a quantidade mínima para acombustão estequiométrica, dizemos que a combustão ocorre com excesso de ar.
Quando na falta de ar, a combustão é incompleta, aparecendo, entre outros produtos decombustão, o Co como mais importante.
c) CombustíveisAs turbinas a gás admitem vários tipos de combustíveis, a única condição que se deve
levar em conta é que a quantidade de cinzas insolúveis não exceda um certo limite.Vejamos alguns destes combustíveis e suas possibilidades de aplicação nas turbinas a
gás:• Gás Natural: é um combustível ideal para uso nas turbinas a gás. A única restrição é que
esteja limpo.• Petróleo Bruto: na maioria dos casos, constitui um combustível muito favorável, que pode
ser utilizado sem reaquecimento nem tratamento prévio.• Gases de Alto Fornos: como a quantidade de pó neste combustível é geralmente elevada,
deve ser instalado um filtro na entrada do compressor para sua utilização. Embora sejabarato, não é um combustível ideal, pois sem poder calorífico por unidade de volume ébaixo necessitando-se de grande quantidade do mesmo.
• Derivados de Petróleo: constituídos por hidrocarbonetos destilados (gasolina, querosene,óleo Diesel, nafta, etc.), são bastante convenientes desde que produzam pouca cinza.
Algumas das principais características que devem ter os combustíveis para as turbinas agás são:• ser abundante na natureza e ter extração rentável;• ter um pode calorífico por unidade de peso ou volume elevado;• produzir gases de combustão que não poluam tanto o meio ambiente;• não atacar as partes que estão em contato com ele ou com os seus produtos de combustão.
d) Formas de ConstruçãoQualquer que seja a aplicação a que se destina, quando uma turbina a gás produz
potência mecânica, há duas formas básicas de construção:• Conexão Direta: A turbina a gás aciona o compressor por um eixo que é,
simultaneamente o eixo de potência. Pode ser usado apenas quando a rotação é constante.
Figura 12.19 Turbina para potência de eixo conexão direta.
• Turbina Livre: uma Turbina a gás é usada só para acionar o compressor, uma segundaTurbina a gás, sem acoplamento mecânico com a unidade geradora de gás (compressão +câmara de combustão + turbina a gás para acionar compressor) produz a energia útil.Permite a operação numa dada faixa de rotação.
Figura 12.20 Turbina para potência de eixo - turbina livre.
12.4. ClassificaçãoAs turbinas a gás recebem a mesma classificação que as turbinas a vapor quanto a
direção do escoamento (radiais ou axiais) e quanto ao princípio de funcionamento (ação oureação).
12.5. Ciclos de Funcionamento
12.5.1. Ciclos AbertosNeste tipo de ciclo não há recirculação do agente de transformação nos limites da
central, estando a entrada e a saída do conjunto, abertas à atmosfera. São os mais freqüentes.Entre eles podemos destacar:
a) Ciclo Básico Ideal das Turbinas a gás (Brayton)É o ciclo teórico de funcionamento das Turbinas a gás. É um ciclo a pressão constante.
A Figura 12.21 mostra esquematicamente uma instalação aberta de potência a gás e a Figura12.22 mostra o ciclo termodinâmico desta instalação. É constituído basicamente dosseguintes processos ideais:1-2: compressão adiabático-isoentrópico. (compressor)2-3: adição isobárica de calor (Câmara de combustão)3-4: expansão adiabático-isoentrópico. (turbinas a gás)4-1: cessão isobárica de calor (atmosfera)
Figura 12.21 Representação esquemática de uma turbina a gás de ciclo aberto simples. C -compressor; CC - câmara de combustão; T - turbina; A - alternador.
Figura 12.22 Representação do ciclo aberto em um diagrama entrópico.
OBS: A Figura 12.23 mostra uma comparação entre os ciclos básicos de Brayton ideal e real.No processo real temos:
S2 > S1 (processo de compressão não é isoentrópico.)p3 < p2 (processo de adiabático de calor não é isobárico.)
S4 > S3 (processo de exp. não é isoentrópico.)p4 > p1 (processo de cessão de calor não é isobárico.)
Figura 12.23 Ciclo Brayton (a) no plano p-v; (b) no plano h-s; Os processos ideais sãorepresentados com traços.
b) Ciclos com Regeneração (Recuperação)Um procedimento utilizado para melhorar o rendimento de uma turbina a gás, consiste
em recuperar parte do calor perdido nos gases de escape a alta temperatura. Para isso, seutiliza um ou vários regeneradores (ou IC) entre a saída do compressor e a entrada da câmarade combustão, aquecendo-se o ar através dos fases de escape da turbina a gás. A Figura 12.24mostra uma representação esquemática de uma turbina a gás num ciclo aberto comregeneração. A Figura 12.25 mostra o ciclo termodinâmico ideal para esta instalação e aFigura 12.26 uma comparação entre os ciclos reais regenerativo e não regenerativo.
Figura 12.24 Representação esquemática de uma turbina a gás de ciclo aberto comregeneração. C - compressor; CC - câmara de combustão; T - turbina; IC - trocador de calor;A alternador.
Figura 12.25 Ciclo ideal de Brayton regenerativo no plano Ts
Figura 12.26 Ciclo de Brayton não regenerativo e regenerativo.
c) Ciclos com Regeneração e RefrigeraçãoTambém pode-se aumentar o rendimento de uma turbina a gás, refrigerando o ar de
saída do compressor e injetando-o em outro compressor de alta pressão, os refrigeradoresintermediários trabalham a contra-corrente e, em geral, as turbinas correspondentes são dedois ou mais eixos e estão providas também de regeneradores. A Figura 12.27 mostraesquematicamente uma turbina a gás num ciclo aberto com regeneração e refrigeração. AFigura 12.28 mostra o ciclo termodinâmico T-s desta instalação.
Figura 12.27 Representação esquemática de uma turbina a gás de ciclo aberto comrefrigeração e regeneração: CBP - compressor de baixa pressão; CAP - compressor de altapressão; TBP - turbina de baixa pressão; TAP - turbina de alta pressão; CC - câmara decombustão; IC - trocador de calor (regenerador); RI - refrigerador intermediário (inter-refrigerador); E - engrenagem de redução; A - alternador.
Figura 12.28 Ciclo no plano Ts.
d) Ciclos com Regeneração e ReaquecimentoAinda pode-se aumentar o rendimento de uma turbina a gás se, além da refrigeração do
ar do compressor e da regeneração (recuperação) da temperatura do ar que vai para a Câmarade combustão, for aproveitado o calor dos gases de escape, introduzindo-o em uma novaCâmara de combustão em cuja saída aciona uma nova turbina a gás de baixa pressão. A
Figura 12.29 mostra esquematicamente uma turbina a gás operando num ciclo aberto comregeneração e reaquecimento. A Figura 12.30 mostra o ciclo termodinâmico T-s destainstalação.
Figura 12.29 Esquema de ciclo aberto regenerativo de turbina a gás com um reaquecimentointermediário.
Figura 12.30 Ciclo real regenerativo com uma etapa de reaquecimento no plano Ts.
e) Ciclos com Regeneração, Refrigeração e ReaquecimentoÉ uma combinação dos dois ciclos apresentados nos ítens anteriores (c e d) que permite
alcançar elevados rendimentos térmicos (>30%). A Fig12.31 mostra esquematicamente umainstalação de turbina a gás operando num ciclo aberto com regeneração, refrigeração ereaquecimento.
Figura 12.31 Representação esquemática de uma turbina a gás de ciclo aberto comrefrigeração, regeneração e reaquecimento. CBP - compressor de baixa pressão; CAP -compressor de alta pressão; TBP - turbina de baixa pressão; TAP - turbina de alta pressão; CC- câmara de combustão; CC2 - câmara de combustão de baixa pressão; IC - trocador de calor(regenerador); RI - refrigerador intermediário (inter-refrigerador); E - engrenagem deredução; A - alternador.
Há alguns critérios importantes na hora de se tomar uma decisão a respeito de qualciclo dentre os citados é mais vantajoso. Entre eles podemos citar:Horas de Funcionamento Anuais (Fator de Utilização)
Se esse número for elevado se justificará o uso de um ciclo mais complexo e caro talcomo o último apresentado. Caso contrário, utiliza-se o ciclo aberto básico de Brayton (não éregenerativo), que em igualdade de condições é o mais barato, ainda que apresente o piorrendimento.Velocidade de Rotação
O acionamento do alternador exige uma velocidade de rotação constante, o querecomenda um sistema com eixo duplo ou triplo para melhorar a regulagem das cargasintermediárias.Peso e Volume (Potência Específica)
As unidades estacionárias permitem em geral maior peso e volume que as unidadesmóveis. Por esta razão nas primeiras pode-se projetar um regenerador que tenha umaeficiência maior.Água de Refrigeração
Se a água for escassa deve-se escolher um ciclo sem refrigeração intermediária.Preço do Combustível
Se o preço do combustível na localidade de instalação for baixo, pode ser maisvantajoso um ciclo mais simples e barato, ainda que de pior rendimento.Variação da Carga
Se a Turbina a gás funcionar normalmente com carga constante a regulagem e opróprio ciclo pode ser mais simples.
12.5.2. Ciclos FechadosNeste tipo de ciclo há uma recirculação de praticamente todo o agente de transformação
(excluindo as perdas), de forma contínua. A Figura 12.32 mostra esquematicamente umainstalação de potência a gás operando num ciclo fechado.
Figura 12.32 Esquema de uma instalação a gás num ciclo fechado
O gás depois de se expandir na turbina a gás não vai para a atmosfera, recircula; nacâmara de combustão o gás não se mistura com os produtos de combustão, sendo a câmara decombustão um trocador de calor de superfície, com funcionamento semelhante a uma caldeiraa vapor (gerador de vapor). O gás que saí da turbina a gás entre nos compressores depois depassar por um regenerador e um pré-refrigerador. Entre os compressores existe umrefrigerador.
Obs.: A câmara de combustão pode ser substituída por um reator no caso de utilizaçãonuclear.
Vantagens:O gás que realiza o ciclo nunca está em contato com os gases de combustão, reduzindo-
se os problemas de corrosão;A pressão mais baixa do ciclo não é a pressão atmosférica;Possibilidade de regulagem da pressão e da composição do fluido agente;Podem ser utilizados outros gases, além do ar (hélio, anidrido carbônico, nitrogênio,
hidrogênio, etc.);Rendimento constante para amplas variações de carga.
Desvantagens (Inconvenientes):Necessidade de água de refrigeração;Dificuldade de TC nos refrigeradores e CC;Elevado custo dos TC ao aumentar a pressão, etc.
12.5.3. Ciclos Combinados Turbina a Gás e Turbina a VaporOs ciclos de funcionamento combinados TG-TV são muitos, porém os realizados são
relativamente poucos. Consiste basicamente na utilização dos gases de escape das turbinas nosentido de aumentar o rendimento global do ciclo. Existem fundamentalmente duaspossibilidades:1) Aproveitamento dos gases de escape da Turbina a Gás para reaquecimento da água dealimentação da caldeira (Fig. 12.33). Desta forma, pode-se evitar os recuperadores da TV
(caso mostrado) ou combinar o funcionamento de ambos os tipos de recuperadores, de formaque quando a TG está parada, funcionem os recuperadores da TV ou vice-versa.
Figura 12.33 Representação esquemática de um ciclo combinado gás-vapor. C - Compressor;.CC - Câmara de combustão;. TG - Turbina de Gás;. A1 - Alternador acionado pela turbina degás;. G - Gerador de vapor (caldeira);. TV - Turbina de Vapor;. CO - Condensador;. IC -Intercambiador de calor;. B - Bomba de alimentação da caldeira;. A2 - Alternador acionadopela turbina de vapor.
2) Aproveitamento dos gases de escape da TG para aquecimento do ar de combustão nacaldeira (Fig. 12.34). Desta maneira, o consumo de combustível da caldeira é menor e,portanto, se aumenta o rendimento do ciclo.
Figura 12.34 Representação esquemático de um ciclo combinado gás-vapor C - Compressor;.CC - Câmara de combustão;.TG - Turbina de gás;.A1 - Alternador acionado pela turbina degás.G - Gerador de vapor (caldeira);.TV - Turbina de vapor;.CO - Condensador;.B - Bombade alimentação do caldeira;.A2 - Alternador acionado pela turbina de vapor.
Naturalmente, em certos casos, pode-se empregar ambos os procedimentos deaproveitamento dos gases de escape. A melhora térmica do processo global é tanto maiorquanto menos se tenham esgotados as possibilidades de melhora do processo de vapor (tendoutilizado ao máximo o reaquecimento intermediário e o pré-aquecimento regenerativo), equanto mais elevada seja a temperatura de entrada na turbina.
Na decisão entre um ciclo combinado de TV-TG ou um ciclo exclusivo de TV deve-se considerar os seguintes fatores:
• o rendimento do ciclo combinado pode ser de 2 a 7% melhor;• os custos são da mesma ordem;• os gastos de operação e manutenção são maiores no ciclo combinado;• a disponibilidade da planta é menor no ciclo combinado.
Com relação a segurança do ciclo combinado, é a mesma que dos ciclos comuns de TVou TG já que qualquer das turbinas pode funcionar independentemente da outra.
12.6. Regulagem das Turbinas a GásExistem muitos métodos de regulagem, mas muitos deles não dão resultados na prática.
Mesmos nos limitando as realizações práticas seria impossível descrever com detalhes agrande variedade de esquemas de regulagem adaptados a grande variedade de instalações deTurbinas a Gás e suas aplicações. Assim, nos limitaremos a descrever alguns esquemas maissimples, mas que permitam a interpretação de quaisquer outros esquemas utilizados naprática.
a) Regulagem da Velocidade
Figura 12.35 Esquema de regulação de velocidade de um grupo com turbina a gás. 1 -Compressor de ar;.2 - Câmara de combustão;.3 - Turbina de gás;.4 - Válvula;.5 -Alternador;.6 - Receptor de velocidade;.7 - Receptor de temperatura;.8 - Compressor deGás;.9 - Válvula de regulação de gás;.10 - Refrigerador de gás;.11 - Regulador develocidade;.12 - Ajuste do valor de velocidade prescrito.
Um receptor de velocidade (6) envia um sinal (valor medido) ao regulador develocidade (11) que compara este valor com o valor prescrito ajustado no dispositivo (12).
O resultado desta comparação contínua, é transmitido a válvula (9), que leva o valor demedida em (6) até o valor prescrito, regulando a quantidade de gás que entra na CC. Apesarde se conseguir manter constante a velocidade por meio deste esquema, a temperatura daturbina pode variar segundo a potência de consumo exigida.
b) Regulagem de Temperatura
Figura 12.36 Esquema de regulação de temperatura de um grupo com turbina de gás. 1 -Compressor de ar;.2 - Câmara de combustão;.3 - Turbina de gás;.4 - Válvula de segurança dogás de combustão;.5 - Alternador;.6 - Receptor de velocidade;.7 - Receptor de temperatura;.8- Compressor de gás;.9 - Válvula de regulação de gás;.10 - Refrigerador de gás;.13 -Regulador de temperatura;.14 - Ajuste do valor da temperatura prescrita.
No esquema anterior se regula só a admissão do combustível segundo a cargaindependente da temperatura entrada da Turbina a Gás. Em alguns casos essa temperaturapode atingir valores críticos e por isso deve ser controlada. O esquema de regulagem tembasicamente o mesmo funcionamento que o aplicado na velocidade.
c) Regulagem Combustão de Vapor e Temperatura(Fig. 12.37 e 12.38)
Figura 12.37 Esquema de regulação combinada de velocidade e temperatura de um grupo comturbina a gás. 1 - Compressor de ar;.2 - Câmara de combustão;.3 - Turbina de gás;.4 - Válvulade segurança do gás de combustão;.5 - Alternador;.6 - Receptor de velocidade.7 - Receptor detemperatura;.8 - Compressor de gás;.9 - Válvula de regulação de gás;.10 - Refrigerador degás;.11 - Regulador de velocidade;.12 - Ajuste do vapor da velocidade prescrita;.13 -Regulador de temperatura;.14 - Ajuste do valor da temperatura prescrita.
Figura 12.38 Esquema de regulação de velocidade e temperatura de um grupo com turbina agás. 1 - Compressor de ar;.2 - Câmara de combustão;.3 - Turbina de gás;.4 - Válvula desegurança do gás de combustão;.5 - Alternador;.6 - Receptor de velocidade;.7 - Receptor detemperatura;.8 - Compressor de gás;.9 - Válvula de regulação de gás;.10 - Refrigerador degás;.11 - Regulador de velocidade;.12 - Ajuste do valor de velocidade prescrita;.13 -Regulador de temperatura;.14 - Ajuste do valor de temperatura prescrita;.15 - Relé de adição.
Independentemente das condições de serviço impostas pelo tipo de instalação, podeocorrer que a mesma Turbina a Gás deva funcionar as vezes com velocidade constante eoutras vezes com temperatura constante. Este é o caso de um gerador elétrico. Durante operíodo de sincronização, se utilizará a regulagem de velocidade até a conexão do gerador arede. A partir deste momento, atua a regulagem da temperatura, para manter a carga desejada.Quando o gerador se desacopla da rede, atua novamente a regulagem de velocidade paraimpedir o "embalamento" do gerador e, depois, para voltar a obter a velocidade síncrona.
Quando a Turbina a Gás aciona somente um turbo soprante, o fluxo de ar se regula,geralmente, pela variação da velocidade. Neste caso, o regulador de temperatura atua comolimitador, para evitar uma sobrecarga inadmissível exigida pelo regulador de velocidade.Assim, é indispensável que os dois reguladores podem influenciar sobre o mesmo órgão derelação, o qual se consegue com dois tipos distintos de conexão:Conexão em Série (Fig. 12.37)
Faz com que o regulador de velocidade controle o valor prescrito do regulador detemperatura que, neste caso, trabalha como regulador sequencial. A complexidade destadisposição de regulador é compensada pelo fato de que os dois reguladores funcionamcontinuamente e não se encontram numa posição limite.Conexão em Paralelo (Fig. 12.38)
Neste caso, os dois reguladores atuam sobre um relé de adição, cuja relação detransmissão é de 1:1. Exceto nos curtos períodos de transição, um dos reguladores está sempreem sua posição limite e emite seu sinal máximo.
d) Regulagem de Combustível
Figura 12.39 Regulação de combustível. 1 - Bomba de combustível;.2 - Regulador da pressãode alimentação;.3 - Válvula de regulação da alimentação;.4 - Queimador de combustível;.5 -Válvula de regulação do retorno do combustível;.ϕ1 - Caudal de alimentação;.ϕ2 - Caudal deinjeção;.ϕ3 - Caudal de retorno.
Pode-se medir o fluxo por meio de uma válvula de regulação do retorno de combustívelem função da pressão de retorno, que é facilmente controlável. A regulagem da quantidade decombustível de acordo com a quantidade de ar é muito importante, como já visto, para queocorra uma boa combustão.
c) Regulagem MistaConsiste de um esquema que combina simultaneamente os processos de regulagem de
velocidade, temperatura e combustível. A seguir descreveremos alguns elementos detransmissão hidráulica utilizados na regulagem das Turbina a Gás e referidos anteriormente.
Figura 12.40 Esquema de regulação combinada para o funcionamento misto. 1 - Compressorde ar;.2 - Câmara de combustão;.3 - Turbina de gás;.4 - Válvula de segurança do gás decombustão;.5 - Alternador;.6 - Receptor de velocidade;.7 - Receptor de temperatura;.8 -Compressor de gás;.9 - Válvula de regulação de gás;.10 - Refrigerador de gás;.11 - Reguladorde velocidade;.12 - Ajuste do valor da velocidade prescrita;.13 - Regulador de temperatura;.14- Ajuste do valor de temperatura prescrita;.15 - Relé de adição;.16 - Relé de mistura decombustível;.17 - Ajuste do valor prescrito para a mistura de combustível;.18 - Bomba decombustível;.19 - Regulador da pressão de alimentação;.20 - Válvula de alimentação;.21 -Queimador de combustível;.22 - Válvula de retorno do combustível;.23 - Indicador da pressãodiferencial do combustível;.24 - Regulador limite para o combustível;.25 - Indicador dapressão diferencial do gás;.26 - Regulador limite para o gás.
Receptor de VelocidadeÉ instalado no eixo acionado pela Turbina a Gás como já visto. Consiste de um peso
excêntrico 1, suspendido por "resortes" 2 para evitar qualquer atrito; desta forma, o pesoexcêntrico somente pode mover-se na direção radial. Com este movimento, se faz a aberturado bocal 5, regulando-se assim a quantidade de combustível que vai para o escape. Como aalimentação está estrangulada pelo "Tornillo" 4, existe uma interdependência entre aquantidade que flui e a pressão. Esta atua sobre o "fuelle" 3, em sentido oposto ao da forçacentrífuga e manda, em conseqüência, a abertura do escape, até estabelecer o equilíbrio entrea força centrífuga e a pressão de combustível. O eixo do regulador gira sobre dois cossinetesdos quais, um serve para o abastecimento de combustível a pressão, e o outro é usado paratransmitir ao exterior a pressão de medida.
Figura 12.41 Receptor de velocidade 1 - Peso centrífugo;.2 - Resorte guía;.3 - Fuelle;.4 -Tobera de entrada;.5 - Tobera de saida;.6 - Arbol;.A - Descarga de aceite;.B - Alimentação deaceite a pressão;.C - Tubéria de medida.
Receptor de Temperatura
Figura 12.42 Receptor de temperatura. 1 - Tubo de aletas;.2 - Barra de quartzo;.3 - Braço detransmissão;.4 - Acoplamento;.5 - Espárrago;.6 - Manguito;.7 - Alavanca multiplicadora;.8 -Braço;.9 - Resorte;.10 - Pistão;.11 - Carcaça da turbina;.A - Descarga;.B - Alimentação deaceite a pressão;.C - Alimentação do ar de refrigeração;.D - Tubéria de medida.
É instalado na tubulação de entrada da Turbina a Gás como já visto. Seu funcionamentoé baseado no princípio da dilatação térmica. O tubo aletado 1 está montado no espaço degases cuja temperatura se quer medir; absorvendo ou cedendo calor, adapta sua temperatura àtemperatura dos gases. A dilatação é transmitida através da barra de quartzo 2, do braço 3,acoplamento 4 e apoio, até uma alavanca multiplicadora 7. O deslocamento desta alavancadevido à dilatação é transmitido ao braço 8 que regula a abertura do bocal no pistão 10. Aomudar a abertura, varia-se a pressão do combustível que atua sobre o pistão 10; o "resorte" 9desloca o pistão, de modo que varia novamente a abertura da válvula, até que se estabeleçaum equilíbrio entre a ação da pressão do combustível e a do "resorte" 9. Desta forma, odeslocamento da alavanca 7 se transforma em uma variação da pressão do combustível. A
alimentação do combustível a pressão se efetua através de B e a saída da pressão de medidapor D. Para proteger do calor a parte hidráulica do dispositivo, utiliza-se ar de refrigeração porC, ao espaço anular 6.
12.7. Equações Fundamentais
São as mesmas aplicadas às Turbinas Hidráulicas radiais e axiais e já foramapresentadas.
12.8. Perdas, Potência e Rendimentos
a) PerdasSão do mesmo tipo das encontradas nas Turbinas a Vapor só que agora acrescidas das
perdas no compressor.
b) PotênciaDefinida a partir do trabalho por unidade de tempo.Considerando um ciclo aberto simples de Brayton como o já mostrado na Figura 12.21,
podemos definir os trabalhos como segue:Trabalho do compressor (τc ) : )TT.(Cp 21c −=τTrabalho da Turbina a Gás (τT) : )TT.(Cp 43T −=τ
Trabalho útil (τ ): )TTTT(Cp 1243
cT
−+−=ττ−τ=τ
OBS: A Figura 12. 102 mostra graficamente a representação destes trabalhos.
c) Rendimentos
Rendimento Interno da Turbina a Gás(ηi)
fluído ao adicionadocalor Líquido interno Trab.
QW
a
ii ==η
ic
scsTiTi
WW.Wη
−η=
onde:dita epropiament Gas a Turbina da int. rend.iT=η
compressor do int. rend.ic=ηGas a Turbina da isoent. Trab.Wst=
compressor do isoent. Trab.Wsc=Observando-se a Fig. 2.23 podemos escrever:
−=−= 1
TT
T.pC)TT.(pCW1
s21Ts2sc
.TT
1T.pC)TT.(pCW'3
s'4'3s'4'3sT
−=−=
Considerando o fluido como gás perfeito, podemos escrever:
CvCp;
TT
pp
pp
TT
3
4
1
3
4
1
2
1
2
1 =γ=
=
=
γ−γ
γ−γ
Definindo:
a)politrópic (constante 1mγ−γ
=
13'3
1
3
1 TT ra) temperatude (coefic. 1TT
TT
><==τ
121
s2
1
2c pp )compressão de (relação 1
pp
pp
>>==ε
Ainda como os pontos 1 e 4 estão na mesma isobárica, assim como os pontos 2 e 3,temos:
2
3
1
4
3
4
2
1
TT
TT
TT
TT
=⇒=
Assim: )1.(T.pCW mcTsc −ε=
ε
−= mc
'3sT11T.pCW
( )
−ε
ητ
−
ετ
−η=∴ 11T.pCW mc
icmc
iT3in
Por outro lado, temos:
−=−=
3
2323a T
T1T.pC)TT(pCQ
τ−=
1
23a T
T1T.pCQ
Mas
12
1s2ic hh
hh−−
=η
s43
43iT hh
hh−−
=η
)TT.(pCW
hhW
12
sc
12
scic −
=−
=η
( ) ( )
−
−ε=
−
−ε=η
1TT
1
1TTT.pC
1T.pC
T
2
mc
1
21
mc1
ic
( )111TT m
cic1
2 −εη
+=⇒
Assim, temos:
( )
−ε
η+τ−= 111.1T.pCQ m
cic
3a
( )
−ε
ητ
−τ−=∴ 11T.pCQ mc
ic3a
Portanto, o rendimento interno de uma TG é:
( )
( )11
111
mc
ic
mc
icmc
iT
i
−εητ
−τ−
−εητ
−
ε
−η=η
ou
a
scicsTiTi Q
W./1W. η−η=η
OBS: esta equação foi obtida sem considerar as perdas nos condutos antes e depoisda turbina. Considerando estas perdas, temos:
Devido as perdas nos condutos antes da turbina: p3 < p2.Devido as perdas nos condutos depois da turbina: p4 > p1Assim, definimos:
1
2c
4
3e p
ppp
=ε<=ε
O trabalho adiabático-isoent. da Turbina a Gás neste caso é:
ε−=−=
me
3s43'sTTT.T.pC)TT.(pC'W
Agora podemos definir um rendimento que leva em conta as perdas nos condutos:
mc
me
sT
sTr 1
1W
'W−
−
ε−ε−
==η
Assim, podemos rescrever:
scic
sTiTi W.1'W.Wη
−η=
ou
scic
sTiTri W.1W..Wη
−ηη=
Assim, temos:
a
scicsTiTri Q
W./1W.. η−ηη=η
Observações:
1a) W W WsT iTsc
ici.η
η> > para que 0
Se Wsc é pequeno teremos mais trabalho líquido (isto não afeta em si o rendimento).Mas se Wsc é grande, além de reduzir o trabalho líquido, o rendimento interno da
Turbina a Gás cairá fortemente afetado pelo rendimento do compressor. Este tem portantogrande importância na evolução das Turbinas a Gás.
2a) A elevação da temperatura na entrada da Turbina a Gás é um meio muito eficaz paramelhorar o rendimento.
3a) Com uma pequena diminuição da temperatura ambiente se consegue uma melhorade rendimento muito maior que com um incremento igual da temperatura de entrada naTurbina a Gás.
4a) O consumo específico de combustível diminui (e, portanto, para uma mesmapotência diminui o tamanho da Turbina a Gás) ao aumentar os rendimentos internos daturbina e do compressor, assim como ao se elevar a temperatura na entrada da turbina.
12.9. Aplicações das Turbinas a Gás
1) Motores alternativos de Combustão InternaTurbo-sobre-alimentadores
Figura 12.43 Turbo sobre alimentador Hispano-Suiço H-S 400
Figura 12.44 Corte longitudinal de um turboalimentador Hispano-Suiço H-S 4001 - Cárter do compressor;.2 - Rodete do compressor;.3 - Difusor;.4 - Cárter principal;5 - eixo;.6 - Turbina;.7 - Distribuidor;.8 - Cárter de admissão de gás.
3) Propulsão Marítima
Figura 12.45 Buque fragata H.M.S. de 1400 toneladas, primeiro barco do mundo que seequipou com TG. Dos turbo reatores Proteus Rolls-Royce suministran a potência na marcha avelocidade de cruzeiro, que dan automaticamente desacoplados quando se necessita umaumento de velocidade, em cujo caso toda a potência é suministrada por um turbo reatorOlympus. Cada motor marino Proteus suministra 3170 kW, e no motor Olympus solossuministra uma potência de 20290 kW.
Figura 12.46 Esquema de propulsão marinha do tipo CODOG. 1) Nos motores Diesel se põena marcha e se aceleram até a velocidade de manobra. O barco manobra com a hélice depasso variável. 2) Na velocidade de cruzeiro dos motores Diesel administram toda a potência.3) Quando se prevê necessidade de aumento de velocidade a TG se põe em marcha e funcionaem vazio. 4) Para aumentar a velocidade do braço de basta aumentar a velocidade da TG, coma qual se acopla esta e desacopla automaticamente o motor Diesel, que pode seguirmarchando em vazio ou parado. 5) Em caso de avaria do Diesel na TG pude tambémmanobrar com a hélice de passo variável, e administrar a potência necessária para a marcha avelocidade de cruzeiro.
4) Veículo Aerosuspendido (Hovercraft)
Figura 12.47 O "Hovercraft" SRN 4 da Wstland Aircraft.
2) Propulsão AeronáuticaTurbo-reatores
Figura 12.48 Corte longitudinal do turbo reator DB 730 F/ZTL 6. Relação de by-pass 5,5.Gasto de ar 37 kg/s, relação de compressão 1,30. Empuje estático 9800 N. Consumoespecífico de combustível 0,045 kg/N.h. Rotor do helicóptero: 1178 kW.
Turbo-hélice
Figura 12.49 Motor Bastan VII, que propulsa no avião turbo hélice Nord 262 C.Características: Redutor de velocidade árbol motor a árbol da hélice: 21,096:1;compressor axial de dos escalonamentos (primeira corona móvel de Titânio);compressor centrífugo de um escalonamento; câmara de combustão anular com injeçãocentrífuga do carburador; turbina axial de três escalonamentos (dos álabes da primeiracorona fixa com huecos e refrigerados por ar do compressor); a turbina gira a 32000rpm; potência útil na eixo da turbina 780 kW.
Figura 12.50 Esquema de um turbohélice
5) Caminhões
Figura 12.51 Protótipo de TG 707 da Ford Motor Company de 280 kW (tomado de Ford NewRelease 16 outubro de 1966). Do dobro eje e ciclo regenerativo. O compressor gira a 37500rpm e seu eixo de saída a 3000 rpm. O motor pesa 770 kp (7560 N) com uma longitude de91,60 cm, e uma altura de 99 cm. Posee toberas orientados antes da turbina de potência, queservem também para o frenado. Este desenho pode ser montado em caminhões Ford de carretade série W-100.
12.10. Comparações entre as Turbinas a Gás e as Turbinas a Vapor
a) Vantagens das Turbinas a Gás com relação as Turbinas a Vaporinstalação mais compacta;necessita de menos dispositivos auxiliares;
não precisam de condensador;não precisam de água;lubrificação mais simples;controle mais fácil;possibilidade de uso de vários combustíveis;não precisam de chaminé;tem menor relação peso/potência.
b) Desvantagens das Turbinas a Gás com relação as Turbinas a Vaportem grande consumo específico de combustível;necessitam ser construídas de materiais especiais devido as altas temperaturas.
c) Comparação entre os ciclos Turbinas a Gás e Turbinas a VaporEm ambos os ciclos a adição e cessão de calor é isobárica e em ambos a expansão e
compressão são isoentrópicas.Os equipamentos também se correspondem:
Ciclo Rankine Ciclo BraytonTurbinas a Vapor Turbinas a Gás
Condensador AtmosferaBomba CompressorCaldeira-Aquecimento Câmara de Combustão
A única diferença essencial entre ambos os ciclos é que no ciclo de Rankine há amudança de fase de líquido para gás, ocorrendo a compressão na fase líquida e a expansão nafase gasosa, sendo o trabalho de compressão mínimo.
O contrário ocorre no ciclo Brayton, onde o trabalho de compressão absorve uma boaparte do trabalho da Turbina a Gás; portanto, o trabalho líquido é menor.
d) Custos de Instalação, Operação, Manutenção e Geração
A Figura 12.52a, b, c mostra uma comparação entre os custos fixos (instalação) evariáveis (operação e manutenção) e a Figura 12.52d mostra os custos de geração de energianas centrais de Turbina a Gás e Turbina a Vapor.
Note-se também nestas figuras que são apresentados, para efeitos comparativos globais,centrais hidroelétricas e nucleares.
Figura 12.52 O consumo de energia varia de dia em dia, de estação em estação, de ano emano. O objetivo do engenheiro é avaliar, desenhar e instalar qualquer tipo de central queconstitui a solução econômica e segura, temendo em curta todas as circunstâncias. Nosdiagramas desta figura ajudará a compreender as bases desta evolução (explicação no texto).
Fig. 115 - Representação do ciclo aberto simples no diagrama dinâmico. a-Trabalho docompressor. b-Trabalho da turbina. c-Trabalho útil.kW.
Fig. 116 - Esquema de propulsão marinha do tipo CODOG. 1) Nos motores Diesel se põe namarcha e se aceleram hasta a velocidade de manobra. O barco manobra com a hélice de passo
variável. 2) Na velocidade de cruzeiro dos motores Diesel suministran toda a potência. 3)Quando se prevê necessidade de aumento de velocidade a TG se põe em marcha e funciona emvazio. 4) Para aumentar a velocidade do braço basta aumentar a velocidade da TG, com a qual
se acopla esta e se acopla automaticamente o motor Diesel, que pude seguir marchando em vazioou parado. 5) Em caso de avaria do Diesel na TG pude também manobrar com a hélice de passo
variável, e suministrar a potência necessária para a marcha a velocidade de cruzeiro.
Fig. 117 - Planta e alzado da central elétrica móvel de socorro Bristol Siddeley. 1-Entrada de ar.2-Compartimento de máquinas. 3-Sistema de aceite. 4-Sistema de combustível. 5-
Compartimento do gerador. 6-Compartimento de controle. 7-Exaustor. 8-Tabiquessilenciadores. 9-Turbina de gás. 10-Acomplamento flexível. 11- Gerador de corrente alternada.12-Transformador auxiliar. 13-Sistema de extintor de fogo. 14-Baterias de acumuladores. 15-
Equipe de controle.
Fig.118 - Esquema de uma central de carga pronta de 40 a 50 MW da firma STAL-LAVAL. Ogrupo é de três eixos. O compressor, o inter-refrigerador, as câmaras de combustão e as turbinas
do compressor constituem o gerador de gás. Na turbina de potência útil e o alternadorconstituem o grupo de produção de energia. É visto o procedimento de arranque: Se envia ar
comprido através de um injetor do compressor de alta pressão. O ar circula através docompressor de baixa pressão, do inter-refrigerador, compressor de alta pressão e as câmaras decombustão. Desta maneira podem imediatamente acender-se as câmaras. Assim não há perigo
de choque térmico no arranque e se reduz o tempo de partida em marcha a três minutos e meio.Na fig. 25-36 pode-se ver o esquema do circuito e na fig. 25-37 o diagrama de partida em
marcha. O combustível pode ser gás, gasolina, gasoil o aceite pesado. A temperatura dos gasesna entrada da turbina é aproximadamente 760oC, e o rendimento global 27-28%.
Fig. 119 - Turbina de gás de ciclo cerrado Westinghouse combinada com reator nuclear refrigeradopor hélio. (=0,31).
