APOSTILA DE TURBINAS © SENAI - SP - 2005
Trabalho editorado pela Escola SENAI "Hessel Horácio Cherkassky" do Departamento Regional de São Paulo
Coordenação Geral Coordenação
Adauir Rodrigues Castro Márcio Antônio Barbosa Maristela de Sá
Elaboração
Carlos Ribeiro Pinheiro da Silva
Revisão
Carlos Ribeiro Pinheiro da Silva
SUMÁRIO 1
2
3 4 5
TURBINAS.............................................................................................................................. TURBINAS....................................................................................... .......................................11 1.1 FINALIDAD FINALIDADES:....... ES:............. ............ ........... ........... ............ ........... ........... ........... ........... ............ ........... ........... ............ ............ ............ ........... ........... ...........1 .....1 TURBINAS HIDRÁULICAS....................................................................................................1 2.1 Turbina Turbina Pelton:....... Pelton:............. ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ............ ............ ........... .........1 ....1 2.2 Turbina Turbina Francis:.......... Francis:................ ............ ............ ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ..........2 ....2 2.3 Turbina Turbina Kaplan:....... Kaplan:............. ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ............ ......... ...33 TURBINA A GÁS................................................................................................................. GÁS.................................................................................................................... ... 4 TURBINA EÓLICA ......................................................................................... ................................................................................................................. ........................66 TURBINA A VAPOR......................................................................................... VAPOR............................................................................................................... ......................77 5.1 TIPOS: TIPOS: ...... ........... ........... ............ ........... ........... ............ ............ ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... .......... ........7 ....7 5.1.1 5.1.1 Uso geral: geral: ............ .................. ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ..........8 ....8 5.1.2 5.1.2 Especiais Especiais:: ........... ................. ............ ........... ........... ............ ........... ........... ........... ........... ............ ........... ........... ............ ............ ............ ........... ........... ...........8 .....8 5.2 CARACTERÍS CARACTERÍSTICAS TICAS:: ...... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ............ ............ ............ ............ ........... ...........8 ......8 5.3 FUNCIONAM FUNCIONAMENTO:....... ENTO:............. ............ ............ ........... ........... ............ ............ ............ ........... ........... ............ ........... ........... ........... ........... ............ ........ ..88 5.4 APROVEITA APROVEITAMENT MENTO O DA ENERGIA ENERGIA CINÉTICA:........... CINÉTICA:................ ........... ............ ............ ........... ........... ............10 ......10 5.5 CLASSIFICA CLASSIFICAÇÃO ÇÃO QUANTO QUANTO AO FUNCIONAME FUNCIONAMENTO:.......... NTO:................ ............ ............ ........... ........... ............10 ......10 5.5.1 5.5.1 Turbina Turbina de Reação; Reação;...... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ............ ............ ............ ............ ........... .........11 ....11 5.5.2 5.5.2 Turbina Turbina de Ação Ação ou Impulsão Impulsão:...... :............ ........... ........... ............ ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........ ...11 11 5.5.3 5.5.3 Turbina Turbina Mista (de Reação Reação e Impulsão Impulsão); ); ........... ................. ............ ........... ........... ............ ............ ............ ............ .........12 ...12 5.6 APROVEITA APROVEITAMENT MENTO O DA ENERGIA ENERGIA CINÉTICA:......... CINÉTICA:............... ............ ............ ............ ........... ........... ............ ........ 13 5.7 CONSIDERAÇ CONSIDERAÇÕES ÕES TERMODINÂM TERMODINÂMICAS ICAS SOBRE SOBRE VAPOR VAPOR ...... ........... ........... ............ ............ ............ ........ 14 5.8 PERDAS PERDAS DA EFICIÊNCIA EFICIÊNCIA DA DA TURBINA........ TURBINA.............. ............ ............ ........... ........... ............ ............ ........... ...........15 ......15 5.9 Turbina Turbina de Ação.............. Ação.................... ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ............ ............ ..........17 ....17 5.10 Carcaça Carcaça ..... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... .......... ...... 17 5.11 CONJUNTO CONJUNTO ROTATIVO ROTATIVO ..... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ....... ..18 18 5.12 DIAFRAGMA DIAFRAGMA ..... ........... ............ ............ ............ ........... ........... ............ ............ ............ ........... ........... ............ ........... ........... ........... ........... ............ ........... ....... ..20 20 5.13 MANCAIS MANCAIS ..... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ........ ..20 20 5.13.1 5.13.1 Manca Mancais is de Desliz Deslizam amen ento to ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... 21 5.13.2 5.13.2 Rolam Rolamen entos tos ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... .....22 ..22 5.13.2.1 5.13.2.1 Rolamen Rolamentos tos de esfera........ esfera.............. ............ ........... ........... ............ ............ ............ ............ ............ ........... ........... ............ ........... ....... 22 5.13.2.2 5.13.2.2 Rolament Rolamentos os de rolos rolos cilíndric cilíndricos.......... os................ ............ ............ ............ ............ ........... ........... ............ ........... ........... ........ 23 5.13.2.3 5.13.2.3 Rolament Rolamento o de rolos rolos de tronco tronco cônico cônico ............ .................. ........... ........... ............ ............ ........... ........... ............ ........ ..23 23 5.13.2.4 5.13.2.4 Rolament Rolamentos os de Agulhas...... Agulhas............ ............ ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ....... 23 5.13.2.5 5.13.2.5 Rolamen Rolamento to autocomp autocompensa ensador dores es tipo esfera esfera...... ........... ........... ............ ............ ............ ........... ........... ..........24 ....24 5.13.2.6 5.13.2.6 Rolament Rolamentos os autocompe autocompesado sadores res de rolos rolos ........... ................. ............ ........... ........... ............ ........... ........... .........24 ...24 5.13.2.7 5.13.2.7 Rolament Rolamentos os axiais axiais de esferas esferas e rolos rolos cônic cônicos.... os......... ........... ............ ............ ............ ............ ............ ........ ..24 24 5.14 VEDAÇÃO VEDAÇÃO ...... ........... ........... ........... ........... ............ ........... ........... ............ ............ ............ ........... ........... ............ ........... ........... ........... ........... ............ ........... ....... 24 5.14.1 5.14.1 Labirin Labirintos......... tos............... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........ ..25 25 5.14.2 5.14.2 Anéis Anéis de Carvão.. Carvão..... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... .....26 ..26 5.15 VÁLVULA VÁLVULA DE DE ADMISS ADMISSÃO ÃO DE DE VAPOR: VAPOR: ...... ........... ........... ............ ............ ............ ............ ............ ........... ........... ............ .........27 ...27 5.15.1 5.15.1 Válvul Válvulas as de Admiss Admissão ão Múlti Múltipla plas... s...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... 27 5.16 CONTROLE CONTROLE E DISPOSITIV DISPOSITIVOS OS DE SEGURANÇA. SEGURANÇA....... ............ ............ ............ ........... ........... ............ ............ ..........28 ....28 5.16.1 5.16.1 Gover Governa nado dorr da Turbin Turbina a ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... .....28 ..28 5.16.2 5.16.2 Variad Variador or de Veloci Velocida dade.... de....... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... 31 5.16.3 5.16.3 Desar Desarme me por Alta veloci velocida dade de... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... .....31 ..31 5.16.4 5.16.4 Lubri Lubrific ficaçã ação: o:... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... 33 5.16.4.1 5.16.4.1 Lubrifica Lubrificação ção das Turbinas Turbinas pequena pequenas:......... s:............... ............ ............ ........... ........... ............ ............ ............ ..........33 ....33 5.16.4.2 5.16.4.2 Lubrifica Lubrificação ção das turbinas turbinas grande grandess : ............ .................. ............ ............ ............ ........... ........... ............ ........... ..........34 .....34 5.16.4.3 5.16.4.3 Desarme Desarme por baixa baixa pressão pressão no óleo: óleo: ............ .................. ............ ........... ........... ............ ............ ........... ........... ......... ...35 35 5.16.5 5.16.5 Outro Outross Dispos Dispositi itivos vos de Segur Seguran ança.... ça....... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... .....36 ..36 5.17 Turbina Turbina de extração.............. extração.................... ........... ........... ............ ........... ........... ............ ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........ ..36 36 5.18 OPERAÇÃO OPERAÇÃO ...... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... .........38 ...38 5.18.1 5.18.1 Opera Operação ção de Peque Pequena nass Turbina Turbinass ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... 39 5.18.2 5.18.2 Opera Operação ção de Grand Grandes es Turbin Turbinas.. as..... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... .....40 ..40 5.19 VERIFICAÇÕE VERIFICAÇÕES S PERIÓDICA PERIÓDICAS: S: ..... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ............ ............ ............ ............ ...........41 .....41 5.20 VARIAÇÃO VARIAÇÃO DAS CONDIÇÕES CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO: OPERAÇÃO: ...... ........... ........... ............ ............ ........... ........... ............ ..........41 ....41 5.21 PARADA:....................................................................................................................422 PARADA:....................................................................................................................4
5.22 PRECAUÇÕES PRECAUÇÕES OPERACIONA OPERACIONAIS: IS: ..... ........... ............ ............ ............ ............ ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ...... 42 5.23 ANÁLISE ANÁLISE DE DEFEITO DEFEITOS:........ S:.............. ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ............ ........... ........... ............ ........... ........... ...... 43 5.23.1 5.23.1 Falta Falta de Potên Potência cia... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. 43 5.23.2 5.23.2 Consum Consumo o Excessiv Excessivo o de Vapor... Vapor...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... 43 5.23.3 5.23.3 Vibra Vibração..... ção........ ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. 44 5.23.4 5.23.4 Vazam Vazamen ento to Excessi Excessivo vo no Engaxe Engaxetam tament ento o do Eixo Eixo ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... 45 5.23.5 5.23.5 Aqueci Aquecime mento nto e Desga Desgaste ste dos dos Manca Mancais is ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... 45 5.23.6 5.23.6 Conjun Conjunto to Rotat Rotativo ivo não não Perm Permane anece ce Alin Alinha hado.... do....... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... 46 5.23.7 5.23.7 Aumen Aumento to Exce Excessi ssivo vo da da Veloc Velocida idade de com Perda Perda de .Carg .Carga a ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. 47 5.23.8 5.23.8 Oscila Osc ilação ção de Veloc Velocida idade de ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... 47 5.23.9 5.23.9 Respos Resposta ta Lenta.... Lenta....... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... 47 5.23.10 5.23.10 Válvula Válvula de Emergên Emergência cia...... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ .......... .... 47 5.23.11 5.23.11 Válvula Válvula de Emergên Emergência cia...... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ .......... .... 48 6 EJETORES........................................................................................................................... 49 6.1 Funcionam Funcionamento ento / Descrição..... Descrição........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ............ ............ ............ ............ ........... ....... 50 6.1.1 6.1.1 Bocal:...... Bocal:............ ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... .......... .... 51 6.1.2 6.1.2 Zona de mistura mistura:: ............ ................. ........... ............ ............ ............ ............ ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ...... 51 6.1.3 6.1.3 Difusor: Difusor: ............ ................. ........... ............ ........... ........... ............ ............ ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ....... 51 6.2 Tipos Tipos / Instalação Instalação / Operação.......... Operação................ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... .......... .... 51 6.2.1 6.2.1 Ejetores Ejetores a Vapor:...... Vapor:............ ............ ........... ........... ............ ............ ............ ............ ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ....... .. 51 6.2.2 6.2.2 Ejetores Ejetores a Líquido: Líquido: ............ ................. ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ............ ............ ............ ............ ........... .......... ..... 52 6.3 INSTALAÇÃ INSTALAÇÃO: O: ...... ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ............ ............ .......... .... 52 6.4 OPERAÇÃO:......... OPERAÇÃO:............... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ............ .......... .... 52 7 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA......................................................................................... 54
1 TURBINAS 1.1 FINALIDADES: Máquina motriz destinada a transformar em energia mecânica a energia cinética de um fluido em movimento. O movimento do fluido através da turbina é sempre causado por diferencial de pressão entre pontos situados antes e depois da turbina. As turbinas possuem essencialmente dois órgãos principais: •
Um fixo, fixo, chamado chamado estator, no qual existem os dispositivos dispositivos que permitem ao fluido adquirir energia cinética à custa de perda de pressão (teorema de Bernouilli) destinado a transformar em movimento movimento rotativo rotativo • E um móvel, chamado rotor, destinado (energia mecânica) a energia cinética do fluido. Os órgãos auxiliares são: • Os reguladores de velocidade; • Os componentes do sistema de lubrificação; • Os engaxetamentos e selagem. Quando toda a transformação da energia de pressão em energia cinética é feita nos órgãos fixos, as turbinas são ditas de ação; quando parte da transformação é também feita por órgãos móveis, as turbinas são denominadas de reação. Dependendo do fluido empregado, as turbinas são classificadas em: • Hidráulicas; • A gás; • Aerodinâmicas; • Eólicas (vento) • A vapor.
2 TURBINAS HIDRÁULICAS As turbinas hidráulicas, surgiram na França França em 1824, com Claude Burdin, e foram aperfeiçoadas com o correr dos tempos, e com esses melhoramentos e modificações, hoje em dia essas máquinas podem po dem atingir rendimentos superiores a 90%. Basicamente elas são divididas em três tipos principais:
2.1
TURBINA PELTON : Neste tipo, a água age exclusivamente por sua energia cinética. Ela passa através de um ejetor e é dirigida sobre as palhetas do rotor. O controle da potência fornecida pela turbina é feito através de uma agulha existente no ejetor, e que
1
permite regular, dentro de certos limites, a quantidade de água. A velocidade com que a água sai do ejetor é aproximadamente constante, pois só depende da altura da queda. Por essa razão, tais turbinas são apenas aplicáveis onde às quedas d'água apresentam alturas consideráveis, capazes de provocar grandes velocidades na saída do ejetor.
2.2
TURBINA FRANCIS: Neste tipo, a água, após convenientemente orientada nas palhetas diretoras do estator, penetra no rotor agindo tanto por seu peso como por sua velocidade. Esta 2
turbina, com projeto adequado das palhetas no rotor, pode ser usada numa faixa muito ampla de valores da descarga e de altura.
2.3
TURBINA KAPLAN:
Em princípio parecidas com as turbinas Francis de alta velocidade específica, este tipo de turbina, cujo rotor se assemelha a uma hélice de navio, é sobretudo usado 3
nas grandes vazões e pequenas quedas. Diferentemente dos tipos anteriores, no controle das turbinas Kaplan altera-se o passo das palhetas do rotor. Os tipos de turbinas hidráulicas anteriormente descritos são principalmente usados nas centrais hidráulicas, onde se constrói uma barragem no leito do rio, formando o que se denomina reservatório ou lago. A diferença de altura entre o reservatório e o rio a jusante da barragem fornece a pressão necessária para o escoamento da água. Ao entrar na turbina, a água, já perdeu quase toda a energia de pressão e possui apenas energia cinética (menos no caso de certas turbinas Francis e sobretudo das turbinas Kaplan, essencialmente de reação, nas quais a água age principalmente por seu peso). Ao sair da turbina, possui apenas a energia necessária para o escoamento até o rio. Nestas centrais hidráulicas, as turbinas, geralmente de eixo vertical, acionam geradores de energia elétrica diretamente acoplados. A energia elétrica gerada, que nas grandes usinas atingem centenas de milhares de quilowatts, é então transmitida a grandes distâncias.
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TURBINA A GÁS Conquanto também não seja novo o princípio de funcionamento das turbinas a gás, sua aplicação prática é bastante recente. Nelas, o ar atmosférico é comprimido por um compressor rotativo (axial ou centrífugo) e em seguida conduzido às câmaras de combustão nas quais é queimado o combustível injetado. Com o aumento de temperatura, os gases resultantes, consistindo em parte do ar inicialmente comprimido misturado aos produtos da combustão, aumentam de volume. Usando-se a diferença de pressão existente entre a câmara de combustão e a atmosfera, provoca-se a expansão destes gases nos
expansores, com o conseqüente aumento da velocidade. Estes gases em alta velocidade são então dirigidos para as palhetas do rotor, havendo uma composição de vetores semelhante à uma turbina a vapor. Este rotor com as palhetas móveis, ou turbina, propriamente dita, está quase sempre fixado sobre o mesmo eixo do compressor. Se assim é, entende-se que uma máquina construída segundo este princípio só poderá funcionar se a potência desenvolvida pela turbina for superior à potência absorvida pelo compressor. Na primeira 4
máquina construída isto não se verificou pois os rendimentos do compressor e da turbina eram ainda muito baixos. Estiveram então as turbinas a gás relegadas ao abandono, até que os conhecimentos adquiridos em aerodinâmica permitiram atingir os rendimentos mínimos necessários para a obtenção de potência útil.
Embora sejam, basicamente, máquinas de construção muito simples, há um sério problema. a enfrentar: a eficiência global é proporcional à temperatura absoluta dos gases na entrada do rotor, isto é, quanto mais alta esta temperatura maior a eficiência do conjunto. Entretanto, restrições metalúrgicas impedem que tais temperaturas ultrapassem a faixa de 800°C a 1.200°C, dependendo do material das palhetas, embora este seja, sempre, uma liga de altíssima resistência. Estas restrições têm origem no fenômeno do “ creep” , isto é, a elongação lenta porém permanente do material quando submetido a tensões de tração a temperaturas elevadas. Por outro lado, as temperaturas nas câmaras de combustão atingem facilmente de 1.800°C a 2.200°C, e o processo usado para resfriar estes gases consiste em introduzir um grande excesso de ar. Isto faz com que os gases que passam pelas palhetas contenham bastante oxigênio, obrigando, por isso, ao uso de ligas inoxidáveis no rotor. Este problema já foi, em parte, resolvido, mas ainda assim as turbinas a gás são os motores de combustão interna de menor eficiência. Esta eficiência pode, em verdade, ser aumentada à custa de algumas sofisticações no projeto, como colocação de resfriadores intermediários entre os vários estágios de
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compressão e preaquecimento do ar da câmara, à custa dos gases de escape. Tais soluções, por outro lado, encarecem sobretudo a construção. Graças, no entanto, a algumas características especiais como a grande simplicidade mecânica; a ausência de peças submetidas a movimento alternativo, proporcionando deste modo um funcionamento isenta de vibrações; a capacidade de operar com urna gama muito ampla de espécies de combustíveis; a grande relação entre a potência produzida e o peso e o volume ocupado; e a grande facilidade de partida, as turbinas a gás impuseram-se nos mais variados campos de aplicação.
Em aeronáutica, por exemplo, estão substituindo totalmente os motores convencionais, seja na propulsão a jato ou nos turbo-hélices (no primeiro caso, o rotor produz apenas a energia necessária para o compressor, sendo o restante da energia aproveitada para a obtenção de empuxo; no segundo caso, é o próprio rotor que através de um sistema redutor de velocidade angular, movimenta a hélice). Outras aplicações das turbinas a gás são o acionamento de sopradores para alto-forno de siderurgia, compressores para gasodutos, bombas e geradores de energia elétrica. Neste último emprego, as turbinas a gás apresentam a grande vantagem de serem as únicas máquinas motrizes de centrais elétricas que dispensam totalmente o uso de água.
4 TURBINA EÓLICA A energia dos ventos vem sendo considerada uma alternativa interessante para a crise de energia de origem térmica.
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5 TURBINA A VAPOR Embora a idéia do aproveitamento da energia do vapor remontasse a 130 a.C., com Heron, somente em 1883 o engenheiro sueco Carl G. P. de Laval desenvolveu a primeira turbina a vapor de aplicação prática, empregada no acionamento de uma batedeira centrífuga para leite, produzindo a potência de 5 c.v. Nas turbinas a vapor, utiliza-se a diferença de pressão entre o gerador de vapor (caldeira) e a atmosfera, ou, no caso das instalações maiores, entre a caldeira e o condensador barométrico.
Portanto a turbina a vapor é uma máquina térmica que transforma a energia interna do vapor em trabalho mecânico rotativo de um eixo. Nas turbinas a vapor, como em qualquer outra máquina térmica, somente parte da energia do vapor é transformada em trabalho; a parte restante permanece inerente ao vapor descarregado pela máquina. A transformação de energia em trabalho é feita em duas etapas.
5.1
•
Na primeira etapa a energia interna do vapor é convertida em energia cinética.
•
Na segunda etapa, a energia de velocidade é transformada em trabalho mecânico.
TIPOS: Nas indústrias são empregados dois tipos de turbinas: as de uso geral e as especiais.
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5.1.1 Uso geral: Para acionamento de bombas, batedeiras centrífugas e ventiladores. Normalmente são pequenas e compactas, com potência inferior a 1000HP, são produzidas em série, em que se visa principalmente um baixo custo, mesmo com sacrifício da eficiência da máquina e sua descarga na grande maioria das vezes se dá para a atmosfera.
5.1.2 Especiais: São máquinas de grande porte, bastante sofisticadas, com potência superior a 1000HP. São fabricadas especialmente para cada aplicação, e a eficiência tem fundamental importância e a descarga do vapor exausto se dá para um condensador barométrico.
5.2
CARACTERÍSTICAS: As turbinas a vapor apresentam as seguintes características: a- Máquinas puramente rotativas; b- Possibilidade de variação de velocidade; c- Ausência de lubrificação interna; d- Facilidade de operação e controle; e- Grande confiabilidade operacional; f- Não produzem faíscas; g- Suportam campanhas operacionais longas; h- Manutenção simples e econômica; i- Vida útil bastante longa.
5.3
FUNCIONAMENTO: As turbinas a vapor funcionam, do seguinte modo:
Primeiro lugar :, Há necessidade de possuirmos vapor d’água (vindo de uma caldeira ou gerador de vapor) com uma certa temperatura de preferência o vapor deverá ser seco ou, por outras palavras, não conterá umidade (que é prejudicial ao funcionamento da turbina). Este vapor é chamado vapor vivo ou superaquecido. Para cada nível de pressão há tratamentos diferenciados da água de caldeira. Segundo lugar Devemos entender que o vapor sob pressão e com alta temperatura possui alta energia - energia potencial. A energia potencial é aquela que se encontra 8
disponível, “represada”, aguardando apenas a abertura de uma válvula ou comporta para que ela se torne efetivamente utilizável.
Terceiro lugar Vem finalmente a nossa turbina. Ela possui logo na entrada, uma válvula de controle que se abre na medida exata para permitir a passagem da quantidade de vapor vivo, necessária para o uso na turbina, nas condições de operação em que ela se encontra ( válvula governador ). Logo depois, o vapor chega a uma câmara, onde existe uma série de perfis especiais, chamados bocais, ou também expansores.
Quando o vapor passa por esses orifícios bocais ou expansores, presa à parte fixa da turbina; esta transformação é feita à custa da evolução do vapor de uma pressão alta para uma pressão mais baixa: esta evolução é chamada de salto entálpico do vapor, sendo que a velocidade com que ele sai dos expansores é proporcional à raiz quadrada deste salto. O vapor em alta velocidade é dirigido então de encontro às palhetas do rotor, de tal modo que a resultante entre a velocidade absoluta do vapor e a velocidade periférica das palhetas, que é a velocidade relativa entre o vapor e as palhetas, determine o ângulo com que estas devem ser colocadas. Como o formato das palhetas obriga a uma mudança de direção no escoamento do vapor, obtém-se através de reação a energia mecânica desejada. Em outras palavras, quando o vapor passa pelos bocais, ele se expande. A expansão quer dizer: perda de pressão, junto com aumento de volume e com algum abaixamento de temperatura, ou seja o vapor perdeu parte da energia potencial que possuía. E que ganho com isso? O vapor ganhou velocidade. Ao passar pelo bocal ou expansor, o vapor troca parte da sua energia potencial por energia cinética. Esta última forma de energia tem muito a ver com a mecânica, pois está ligada à velocidade. O aproveitamento da energia cinética para obtenção de trabalho mecânico pode ser feito de duas maneiras, princípios de ação, e de reação.
9
5.4 CINÉTICA:
APROVEITAMENTO
DA
ENERGIA
O dispositivo da figura baseia-se no princípio de que para modificar a velocidade de um corpo em movimento, é necessário exercer uma força sobre ele.
O jato de vapor (corpo em movimento) que sai do bocal de uma caixa fixa, tem sua velocidade modificada ao encontrar o anteparo de um carrinho situado em sua frente. A força resultante empurra o carrinho no sentido de levantar peso P. O dispositivo baseia-se no princípio de que a cada ação corresponde uma reação igual e contrária. O jato de vapor que sai do bocal de uma caixa móvel dá origem uma força reativa que empurra o carrinho no sentido de levanta o peso P. Todas as turbinas a vapor estão baseadas nestes dois princípios descritos anteriormente. No primeiro caso tem-se o princípio de ação ou de impulsão, e no segundo, tem-se o princípio de reação. Dispositivos rudimentares elucidando como os princípios de ação e de reação são aproveitados nas turbinas .
5.5 CLASSIFICAÇÃO FUNCIONAMENTO:
QUANTO
AO
As turbinas a vapor são classificadas em três tipos :
10
5.5.1 Turbina de Reação;
Na turbina de reação, o vapor está dentro do rotor, exercendo pressão igualmente em todas as paredes internas. As palhetas fixas do corpo orientam o vapor através de passagens entre as palhetas móveis instaladas na periferia do rotor. O vapor perde pressão em ambos os tipos de palhetas (fixas e móveis) e só tem a velocidade elevada nas palhetas fixas. O vapor na turbina, diminui de pressão com a expansão, enquanto que, o fluido do no compressor (ou na bomba) aumenta de pressão pela compressão sofrida. O vapor cede energia na turbina e o fluido recebe energia no compressor (ou bomba). A expansão do vapor pode ser realizada em um ou mais estágios dentro da turbina. De forma análoga à compressão do fluido no compressor. A velocidade do rotor é função da velocidade do vapor. Esta por sua vez, é função da queda de pressão nos bocais. Logo é de grande utilidade a expansão por estágios. Isto elimina o inconveniente de elevada velocidade por causa de uma grande expansão em um só estágio.
5.5.2 Turbina
Impulsão:
de
Ação
ou
Turbina de ação ou impulsão. Na,figura A abaixo, onde se vê na parte central um corte longitudinal, na parte inferior o desenvolvimento dos bocais e palhetas; e na parte superior o diagrama de variação da pressão e velocidade do vapor. O vapor, após passar pela válvula de 11
admissão, entra no bocal com pressão p0 e velocidade v0. Ao fluir pelo bocal a pressão cai para o valor p1 e a velocidade é elevada para o v1, havendo aí a transformação de energia de pressão em energia de velocidade (energia cinética). As partículas do vapor animadas com velocidade v1 incidem sobre as palhetas móveis causando o aparecimento da força motora. No caso mostrado na, fig. A, tem-se uma turbina de um único estágio. Nas turbinas de mais de um estágio, figuras. B e C, o vapor que está saindo das palhetas móveis do primeiro estágio entra nas palhetas fixas ao corpo da turbina, sofrendo uma mudança na sua direção, e valor numérico conforme o tipo da palheta fixa. Ao sair destas palhetas fixas, também denominadas bocais, o vapor incide nas palhetas móveis do segundo estágio, dando origem à outra força motora. A soma das forças motoras do primeiro e segundo estágio dará a força motora resultante. Se a turbina fosse de mais estágios, o processo continuaria como descrito acima, e a força motora total seria a soma das forças dos vários estágios.
5.5.3 Turbina Mista (de Reação e Impulsão); Turbinas combinadas: existem casos em que o projetista associa em uma única turbina os dois tipos descritos acima. Este tipo de turbina, logicamente, deve ser de múltiplos estágios, como exemplo, pode ser citado o caso de uma turbina com os primeiros estágios do tipo de impulsão simples e os últimos, formando um conjunto separado, do tipo impulsão-reação. Na figura ao lado temos uma turbina mista GE. 12
5.6 CINÉTICA:
APROVEITAMENTO
DA
ENERGIA
Com os melhoramentos introduzidos na construção das caldeiras, as pressões iniciais tornavam-se cada vez maiores. Isto acarretava velocidades também cada vez mais elevadas na saída dos expansores e, para que as turbinas tivessem um rendimento aceitável, as velocidades periféricas dos rotores deveriam atingir valores muito altos. Como estas velocidades estavam limitadas pela resistência dos materiais empregados, as potências das turbinas ficava também limitada. Várias soluções foram então imaginadas com o objetivo de contornar este problema. Nos EUA, o engenheiro Curtis construiu uma turbina com estágios velocidade, isto é, embora todo o salto entálpico fosse feito numa única placa de expansores, havia várias rodas de palhetas móveis, todas naturalmente fixadas a um eixo apenas, sendo colocado entre cada roda móvel um conjunto de palhetas diretrizes destinadas a reorientar o vapor. Tal solução teve imediatamente ampla aceitação, mas os estudos posteriores vieram demonstrar que, para um número maior do que duas rodas móveis e urna diretriz, a turbina tornava-se excessivamente cara. Na França, Rateau idealizou a turbina com estágios de pressão, que consistia apenas em dividir o salto entálpico total numa série de saltos menores, cada um deles dispondo de sua placa de expansores e de sua roda móvel, estas sempre fixadas a um eixo comum. Na Inglaterra, Parsons apresentou a sua turbina de reação, na qual parte do salto do vapor se dá nos expansores e parte nas palhetas. Cada uma das soluções acima descritas apresenta suas vantagens e desvantagens. Com o desenvolvimento crescente da técnica de projeto das turbinas, as grandes máquinas passaram a ser construídas mesclando-se as três soluções apontadas: na entrada do vapor, apresentam uma roda Curtis, quase sempre com dois estágios de velocidade; na parte intermediária, vários estágios Rateau e, na parte final, estágios Parsons. As modernas turbinas a vapor desenvolvem potências elevadíssimas, da ordem de centenas de milhares de cavalos-vapor. O principal campo de aplicação das turbinas consiste no acionamento de hélices para navios ou de geradores de energia elétrica, e, neste caso, são instalados em locais onde não há quedas d'água para aproveitamento. Embora o vapor circula em circuito fechado entre a caldeira e a turbina, isto é, embora a água de alimentação da caldeira provenha da condensação do vapor que passou pela turbina, as centrais térmicas a vapor necessitando de uma enorme quantidade de água para o resfriamento dos condensadores. As turbinas a vapor de pequena e média potência são usadas onde existe sobra de vapor gerado para uma outra finalidade qualquer, como, por exemplo, acionar um compressor ou bombas em processos industriais nas fábricas de tecidos, de papel e celulose, usinas de açúcar, refinarias, petroquímicas, etc.
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5.7 SOBRE VAPOR
CONSIDERAÇÕES
TERMODINÂMICAS
Energia térmica é uma forma de energia associada com o movimento desordenado das moléculas dentro de uma substância. Para uma dada substância, a quantidade de energia térmica é medida pela temperatura, quanto maior a temperatura mais energia térmica está presente. Todavia, um aumento de energia térmica não eleva necessariamente a temperatura se há uma mudança de fase, como na água em ebulição. Portanto: Calor , “é uma modalidade de energia que é transmitida de um corpo para outro quando, entre eles, existe uma diferença de temperatura”
Temperatura, “é uma grandeza que permite avaliar o grau de agitação térmica das moléculas de um corpo, energia térmica”. Energia Térmica, está associada ao movimento desordenado ou energia cinética das moléculas. Entalpia, é uma função termodinâmica de estado (pressão, volume e temperatura) igual à soma da energia interna com o produto da pressão pelo volume. ∆H = ∆E + PV Adiabático, esse termo aplicado à termodinâmica implica na ausência de troca de calor entre o sistema e o ambiente. Isto pode ser conseguido na prática, (1) isolando o sistema; (2) mantendo a vizinhança próxima à mesma temperatura que o sistema; (3) realizando o processo rapidamente. Entropia, as equações termodinâmicas nos dizem como calcular as variações de entropia e é uma função de estado, da matéria que tende sempre a aumentar, quando consideramos o universo como um todo. Embora a termodinâmica não dê um quadro significativo da entropia ao nível molecular, a mecânica estatística é baseada numa interpretação molecular da entropia. Sem levar em consideração, neste momento, os argumentos matemáticos de mecânica estatística, pode ser observado, porém, que a entropia é uma medida direta, quantitativa da probabilidade relativa de um estado particular de um sistema e, ao mesmo tempo, uma medida da desordem ou caos do estado. Ex.: O ferro magnetizado, menor entropia que o ferro não magnetizado, pois tem um arranjo mais ordenado que o não magnetizado. O vapor de água antes de entrar num bocal de uma turbina, as moléculas de vapor d’água estão juntas, quando se expande no bocal às moléculas se distribuirão ao acaso com aumento da entropia. Temperatura crítica, de um gás é a temperatura acima da qual o gás não pode ser liquefeito por compressão. Pressão crítica, de um gás é a pressão mínima que deve ser exercida sobre ele para liquefazei-lo em sua temperatura crítica. 14
Distinção entre gases e vapores Gás: “é qualquer substância que se encontra a uma temperatura maior que a • sua temperatura crítica. ” •
Vapor : ”é qualquer substância gaseiforme que se encontre a uma temperatura menor que a sua temperatura crítica.”
Pressão de vapor : Suponhamos um líquido encerrado em um vaso fechado, munido de manômetro sensível. As moléculas do líquido vaporizado chocam-se com as paredes do recipiente e exercem uma pressão idêntica à exercida por qualquer gás. Esta pressão denomina-se pressão de vapor do líquido. Ebulição: é a vaporização tumultuosa que se processa a uma temperatura determinada, em toda a massa líquida, acompanhada de abundante formação de bolhas. Evaporação: é a vaporização lenta que se processa em qualquer temperatura, apenas na superfície livre do líquido. Calefação: é a vaporização que se processa quando se coloca um líquido sobre uma superfície aquecida a uma temperatura bastante superior à temperatura de ebulição do líquido. Pressão máxima de vapor : a pressão máxima de um líquido só depende da natureza do líquido e da temperatura. É a pressão exercida pelo vapor, em equilíbrio com o líquido que lhe deu origem. Temperatura de ebulição: de uma substância líquida é aquela na qual a pressão máxima de vapor do líquido se torna igual à pressão que ele suporta. Vapor saturante: ou saturado é aquele que se encontra em equilíbrio com o líquido que deu origem. Vapor seco, superaquecido, não saturante ou não saturado : é aquele que exerce uma pressão menor que a máxima para a temperatura em que se encontra.
5.8
PERDAS DA EFICIÊNCIA DA TURBINA Uma turbina a vapor é normalmente calculada utilizando a taxa de vapor , que é a quantidade de vapor requerida pela turbina para produzir uma potência (HP/h) para uma velocidade específica. A taxa de vapor é uma função direta da eficiência da turbina. O consumo de vapor pode ser expresso em (kg de vapor por HP. H ou kg de vapor por kWh). A energia total disponível do vapor é calculada por uma expansão isoentrópica. Para um dado inicial da pressão de vapor, temperaturas de entrada e exaustão
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(kcal / kg de vapor) podem ser obtidas de tabelas (do fabricante) ou pelo gráfico de Mollier. A energia calculada pode ser convertida em HP, kW, como a taxa de vapor teórica por HPh ou kWh. A taxa teórica de vapor é para uma eficiência de turbina de 100%. h −h Taxa...teórica...de...vapor A eficiência da turbina é dada por: Eficiência = 1 3 ou h1 − h2 Taxa...atual ...de...vapor A taxa atual de vapor para uma turbina é maior do que a taxa teórica, por causa das perdas que ocorrem na turbina quando convertida da energia térmica (potencial, energia de pressão) em energia mecânica. A energia que resta no vapor exausto da turbina é maior do que aquele depois de uma expansão isoentrópica. Temos o gráfico.
1- Energia no vapor na temperatura e pressão inicial; 2- Energia no vapor exausto para uma expansão isoentrópica; 3- Energia atual no vapor na pressão e temperatura de exaustão.
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(Tabela 1) Eficiências típicas para Turbinas a vapor Estágios ( HP ) Eficiência Entalpia exaustão H (%) (kcal/kg) (kcal/kg) Simples 500 30 691,7 75,0 5 1000 55 630,6 136,1 7 4000 65 605,6 161,1 9 10000 75 566,7 200,0
Taxa de vapor Kg/kwh 11,57 6,31 5,33 4,63
Baseado na entalpia de entrada = 766,7 kcal/kg
5.9
TURBINA DE AÇÃO
5.10 CARCAÇA A carcaça, é constituída pelo cilindro envoltório da turbina. No seu interior giram os discos, ou o tambor, montados no eixo. As carcaças dispõem de dispositivos adequados para suportar diversas peças estacionárias tais como, os diafragmas (nas turbinas de ação), as palhetas fixas (nas turbinas de reação), os bocais, as válvulas de controle e de desarme rápido, os mancais, etc. Normalmente as carcaças são fundidas ou de chapas trabalhadas e soldadas, é partidas radialmente ou axialmente por permitir maior facilidade para manutenção. A simples remoção da metade superior da carcaça permite pleno acesso a seus internos para inspeção e reparos.
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O tipo de carcaça partida radialmente só é usado em turbinas pequenas, com potência inferior a 100HP. Em turbinas de grande porte, as carcaças são construídas em duas seções: • Carcaça de alta pressão; • Carcaça de baixa pressão. Devido ao seu tamanho, além de partidas axialmente, são também seccionadas transversalmente. As faces justapostas das carcaças são rigorosamente usinadas, com fino acabamento, para se constituírem em juntas estanques ao serem aparafusadas. Os materiais mais usados na construção das carcaças são: ferro, aço carbono e aço-liga, fundidos. Para reduzir a perda de calor com o exterior, as carcaças são revestidas externamente com isolamento térmico e recobertas de chapas finas protetoras.
5.11 CONJUNTO ROTATIVO Nas turbinas de ação o conjunto rotativo é constituído pelos discos ou rotores montados no eixo . Na periferia dos discos são fixadas as palhetas móveis, através das quais a energia cinética do vapor é transformada em trabalho mecânico.
Os discos são de aço carbono ou aço-liga, forjados, usinados, e montados no eixo pelo processo de prensagem a quente e enchavetados. 18
O conjunto eixo/discos também pode ser feito de construção integral, isto é, em uma só peça. Esta opção é adotada para turbinas de alta rotação e/ou operando a alta temperatura.
As palhetas das turbinas devem ter um perfil tal que, quando instalados nos discos formem canais de seção uniforme, pois terão a função apenas de modificar a direção de escoamento do vapor. Devem ser em número suficiente para orientar adequadamente o fluxo de vapor sem turbilhonamento. Teoricamente, a pressão do vapor deveria ser a mesma em ambos os lados das palhetas, entretanto, na prática, há uma pequena diferença devido à perda de carga. Para dar maior rigidez às palhetas de uma mesma fila, estas têm seu topo encaixado numa cinta externa. Quando a altura das palhetas é grande, a cinta é substituída por um arame amortecedor que interliga as palhetas numa posição intermediária. As palhetas são geralmente forjadas e usinadas com um esmerado acabamento para reduzir ao mínimo as perdas por atrito. São feitas de aço liga, à base de cromo-níquel-manganês. Nas turbinas de reação o conjunto rotativo é constituído pelo tambor montado no eixo, e as palhetas encaixadas na sua periferia. Estas palhetas têm uma configuração de modo a formar canais de seções variáveis, como os expansores. As pressões são diferentes em cada lado das palhetas, necessitando portanto, de se reduzir ao mínimo à fuga do vapor pelo topo das mesmas. O eixo é o elemento transmissor do trabalho mecânico. Nele estão montados os discos ou o tambor. O eixo deve ser projetado para que as deflexões sofridas sejam menores que as folgas radiais entre as partes estacionárias e rotativas. Deve ser, também, concêntrico ao longo de toda sua extensão. Eixo empenado causa vibração, além de acelerar o desgaste dos mancais, labirintos, etc.
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Em uma extremidade do eixo, fica montado o acoplamento que é o elemento de transmissão do movimento rotativo da turbina para a máquina acionada. Na outra extremidade, está o mecanismo de ligação com o regulador de velocidade e mecanismos de desarme.
5.12 DIAFRAGMA Os diafragmas, são os elementos que separam dois discos adjacentes de uma turbina de ação de multi-estágios. Neles estão instalados os arcos de expansores dos estágios intermediários e finais. Normalmente, os diafragmas são confeccionados em duas metades havendo um dente numa metade e uma reentrância na outra, a fim de permitir o perfeito assentamento de ambas. Eles são montados na carcaça por um sistema de ranhuras. Na parte central dos diafragmas, estão instalados os labirintos, que são elementos de vedação entre os estágios intermediários.
5.13 MANCAIS Os mancais são peças destinadas a apoiar o eixo e suportar outros esforços radiais e axiais que atuem sobre o conjunto rotativo. Segundo a direção da carga que suportam, os mancais podem ser: • Radiais, • Axiais ou de escora, • Mistos (combinação radial/axial). Os mancais radiais são também responsáveis pela manutenção das folgas radiais entre o conjunto rotativo e as partes estacionárias, e o mancal axial é responsável pelo posicionamento do conjunto rotativo, ou em outras palavras, pela manutenção das folgas axiais. Outra classificação genérica para os mancais é segundo a predominância do tipo de atrito atuante. Nestas condições, podem ser: de − deslizamento de − rolamento
mancais
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5.13.1 Mancais de Deslizamento Os mancais de deslizamento, são empregados para condições de cargas severas e baixas velocidades, enquanto que os mancais de rolamentos, só são empregados para cargas moderadas, menor atrito e altas velocidades . Nas turbinas de ação, o critério de emprego de mancais é o seguinte: até....20 HP .....................{2...mancais...de...rolamento 2...mancais...radiais − deslizamento potênciaaté....1000 HP ................ 1...mancal ...axial − rolamento 2...mancais...radiais − deslizamento acima...de...1000 HP ...... 1...mancal ...axial − deslizamento Geralmente, nas turbinas de reação, os mancais empregados são de deslizamento. São usados em máquinas pesadas, sujeitas a grandes carregamentos ou em equipamentos de baixa velocidade. A figura mostra mancais radiais de deslizamento. No caso particular do mancal apresentar parede muito delgada, ele é chamado de casquilho. Os mancais são ajustados com um diâmetro interno um pouco maior que o diâmetro do eixo. Esse espaço entre o eixo e o mancal é chamado de folga. A folga é prevista para compensar dilatação para introdução e distribuição de lubrificante, para neutralizar pequenos desalinhamentos e para permitir a rotação livre do eixo a qualquer momento. Normalmente são peças bipartidas com ranhuras na parte internas, mas podem ser inteiriças denominadas buchas. São fabricados de matérias macios como bronze e ligas de metais leves.
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O tipo de mancal axial de deslizamento mais usado nas turbinas a vapor é o chamado mancal Kingsbury .
O eixo com o colar estão na parte superior do desenho apenas para facilitar a visualização do conjunto. Compõe-se basicamente de um colar preso ao eixo e de várias sapatas pivotadas em anéis, chamados anéis de nivelamento, montados na carcaça. As sapatas têm apoio semi-esférico a fim de permitir que elas se acomodem em diferentes inclinações de acordo com a película de óleo.
5.13.2 Rolamentos Os rolamentos empregados nas turbinas são, em geral, de uma carreira de esferas. São empregados em máquinas sujeitas a maiores velocidades e menores atritos. Eles têm capacidade de absorver cargas tanto nos sentidos radiais, como nos sentidos axiais. Podem ser: • De esferas são apropriados para velocidades mais elevadas; • De rolos podem ser cilíndricos, tronco cônicos ou abaulados (na forma de barril); • De agulhas são recomendados para sistemas oscilantes, com cargas elevadas e choques.
5.13.2.1
Rolamentos de esfera Fabricações simples, robustas e versáteis, exigem pouca manutenção e apropriados para baixas cargas e altas velocidades.
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5.13.2.2
Rolamentos de rolos cilíndricos Com uma carreira de rolos e com gaiola podem suportar cargas radiais pesadas e operar em altas rotações. Sem gaiola, suportam cargas radiais pesadas porem com velocidades mais baixas que os com gaiola.
5.13.2.3
Rolamento de rolos de tronco cônico Possuem pista simples ou dupla, são apropriados para cargas combinadas nas direções axiais e radiais. A capacidade de suportar a carga axial é determinada pelo ângulo da pista do anel externo, quanto maior for este ângulo tanto maior a capacidade de carga axial.
5.13.2.4
Rolamentos de Agulhas Têm alta capacidade de suportar cargas e são delgados, aplicados onde o espaço é limitado.
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5.13.2.5
Rolamento autocompensadores tipo esfera Possuem duas carreias de esferas.
5.13.2.6
Rolamentos autocompesadores de rolos Possuem duas carreiras de rolos . As duas pistas do anel interno são inclinadas. Além de cargas radiais, os rolamentos podem também suportar cargas axiais, atuando em ambos os sentidos.
5.13.2.7
5.14
Rolamentos axiais de esferas e rolos cônicos. São construídos para suportar cargas puramente axiais
VEDAÇÃO Pelas folgas existentes entre as partes estacionárias e o conjunto rotativo pode ocorrer fuga de vapor das zonas de maior pressão para as de menor pressão. 24
Nos pontos onde o eixo atravessa a carcaça, se a pressão no seu interior for inferior que a pressão atmosférica (caso das turbinas de condensação), haverá infiltração de ar para dentro da turbina. Em situação inversa, pressão no interior da carcaça maior que a atmosférica, haverá vazamento de vapor para o exterior. A infiltração de ar tende a elevar a pressão no condensador influindo negativamente na potência útil da turbina. O vazamento de vapor também reduz a potência útil da máquina além de aumentar o consumo específico de vapor. Daí então a necessidade de se reduzir ao mínimo às perdas provocadas por fugas de vapor ou por infiltração de ar para dentro da turbina. Os principais sistemas de selagem utilizados nas turbinas são: labir int os nas saídas do eixo anéis de carvão selagem misto int erestágios {labir int os
5.14.1 Labirintos Os labirintos são peças anelares dotadas internamente de uma série de aletas circulares, e externamente, de um dispositivo de encaixe. Podem ser partidos em dois ou mais segmentos. Os labirintos devem ser ajustados de tal maneira que a folga entre o eixo e as bordas das aletas seja mínima. O vapor se expande progressivamente ao atravessar as aletas sofrendo uma queda de pressão e ainda provocando uma perda de carga por turbilhonamento.
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5.14.2 Anéis de Carvão
Como o próprio nome indica, são segmentos circulares de carvão formando um anel e mantidos juntos ao redor do eixo pela ação de uma mola helicoidal de tração que se encaixa na sua periferia. Em geral, os anéis são tripartidos em segmentos iguais de tal modo que, quando montados, deixem uma pequena folga entre o anel e o eixo a fim de reduzir ao mínimo a passagem de vapor. Para evitar que os anéis de carvão girem com o eixo, instalam-se dispositivos de trava. Quando a selagem visa impedir a entrada de ar para dentro da turbina, como é o caso da descarga das turbinas de condensação, costuma-se injetar vapor numa pressão ligeiramente superior à atmosférica, num trecho intermediário dos labirintos ou dos anéis de carvão. A selagem mista é uma associação de labirinto e anéis de carvão.
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5.15
VÁLVULA DE ADMISSÃO DE VAPOR: A válvula de admissão, de vapor, também chamada de válvula do governador ,
tem a função de controlar a passagem de vapor para os bocais da turbina comandada pelo governador através de um sistema de transmissão mecânico (sistema de alavanca), ou hidráulico (servo-motor), ou a combinação de ambos. As válvulas de admissão de vapor das turbinas podem ser: • Simples ; • Múltiplas. As válvulas simples abastecem de vapor todos os bocais simultaneamente. A válvula de admissão simples torna-se ineficiente para c caso de turbinas funcionando com carga baixa, pois o pequeno fluxo de vapor será dividido igualmente com cada bocal, a uma vazão inferior à sua vazão de projeto. Alguns fabricantes contornam esse problema instalando a carcaça da turbina, válvulas extras, chamadas de válvulas de sobrecarga, com a finalidade de suprir ou cortar vapor para grupos de bocais. As válvulas de sobrecarga são operadas manualmente. Quando a turbina estiver funcionando com baixa carga, o operador deve fechar uma ou mais válvulas de sobrecarga, a fim de melhorar a eficiência da turbina.
5.15.1 Válvulas de Admissão Múltiplas As válvulas de admissão múltiplas como o próprio nome indica, são várias válvulas em paralelo, cada uma abastecendo um grupo de bocais. Sua abertura (ou fechamento) é gradativa. Cada válvula vai sendo aberta (ou fechada) à medida que a carga aumenta (ou diminui). Neste caso, o fluxo de vapor em cada bocal pode ser mantido constante. A abertura e fechamento seqüencial podem ser obtidos: 27
• •
Por um sistema de cames; Por uma barra atuando em válvulas com hastes de comprimento variável.
5.16 SEGURANÇA
CONTROLE E DISPOSITIVOS DE
Como qualquer máquina motriz, a turbina a vapor tem que atender à carga que lhe é imposta pela máquina acionada; ou, em outras palavras: a turbina deve fornecer a potência exata que lhe é solicitada pela máquina acionada. Havendo variação de carga, haverá alteração na potência fornecida pela turbina. A variação de carga também tende a provocar uma variação na velocidade da turbina. Por isso, as turbinas têm um mecanismo de comando capaz de assumir o controle das situações operacionais. Normalmente esse controle é feito no fluxo de vapor admitido na turbina através de uma ou mais válvulas projetadas especificamente para esse fim; são as chamadas de válvulas do governador ou válvulas de admissão de vapor. O mecanismo que comanda a abertura e o fechamento da(s) válvula(s) de admissão de vapor é chamado de governador ou regulador de velocidade. Normalmente esse comando atua automaticamente. O controle das turbinas pode ser empregado para: a- Manter constante sua rotação como no caso de acionar geradores elétricos; b- Manter estável a pressão descarga de compressores ou bombas acionadas pela turbina; c- Manter constante a pressão do vapor na saída da turbina, no caso de turbinas de contrapressão.
5.16.1 Governador da Turbina Nas turbinas a vapor são empregados diversos tipos de governador. O governador mais elementar, é o regulador tipo Watt , de esferas giratórias, baseado na ação da força centrífuga. Consiste basicamente de dois pesos articulados que giram a uma velocidade igual à velocidade da turbina e atuam contra a compressão de uma mola. Sob a ação da força centrífuga, os pesos podem oscilar em torno da articulação e movimentar uma haste central. Se a velocidade da turbina, aumenta, os pesos articulados se abrem forçando a haste central empurrar uma alavanca que, por sua vez, atuará na válvula de admissão no sentido de reduzir a área de passagem de vapor; passando menos vapor, a velocidade volta a decrescer. 28
Se a velocidade da turbina diminui, essa operação se efetua de maneira inversa. Os pesos articulados se fecham e a haste central atuará na válvula de admissão no sentido de aumentar a área de passagem de vapor; passando mais vapor, a velocidade volta a crescer. Note-se, porém, que a velocidade da turbina varia na razão inversa da carga que lhe é imposta. Isto é: sé a carga aumenta, a velocidade diminui, ou ao contrário, se a carga diminui, a velocidade aumenta. Esse tipo de governador chamado de governador mecânico, oferece simplicidade e robustez, mas sua aplicação é limitada devido a dois fatores básicos: ab-
Lentidão de resposta corretiva; A força que ele é capaz de exercer só pode ser aumentada pelo aumento do tamanho do governador.
Para contornar esses fatores adversos, os fabricantes associam ao mecanismo de pesos centrífugos, sistemas hidráulicos dos mais variados. A figura ao lado, por exemplo, apresenta um desenho esquemático bastante elementar de um governador mecânico associado a um sistema hidráulico composto de uma válvula piloto ligado a um servo-motor.
A haste do governador, através de uma alavanca flutuante, atua na válvula piloto, que por sua vez, efetua uma dessas operações: Envia óleo de alta pressão para o servo-motor obrigando o pistão a se • mover no sentido de abrir 2 válvula de admissão (caso de redução de velocidade da turbina); •
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Drena o óleo do servo-motor obrigando o pistão a se mover, devido à ação da mola, no sentido de fechar a válvula de admissão (caso de aumento de velocidade da turbina).
Um governador puramente hidráulico é mostrado na figura abaixo, onde o mecanismo de pesos centrífugos é substituído por uma bomba de engrenagens, recebem o sinal de variação de rotação através de um sistema hidráulico. O sistema de pesos é substituído por uma bomba de óleo cuja rotação é igual ou proporcional à rotação da turbina. As variações de rotação implicam numa variação da pressão de descarga da bomba, pressão esta que atua através de um sistema hidráulico na válvula de admissão de vapor.
Este sistema é mais empregado para turbinas de grandes capacidades. O esquema da figura mostra um regulador deste tipo que se vê, na parte inferior esquerda, um eixo que aciona duas bombas. A bomba centrífuga A de dupla sucção não interessa diretamente para o controle, servindo apenas para pressurizar a sua descarga não importando qual seja a variação de sua pressão com a variação de rotação. Esta bomba A serve apenas como uma alimentadora de óleo. A bomba B constituída simplesmente de um cilindro oco, admite óleo suprido pela bomba A através do orifício E para a câmara F entra no cilindro em rotação pelos diversos orifícios radiais C existentes. Pela ação da força centrífuga, o óleo da câmara F tem alguma dificuldade em escoar pelos furos C, pois é criada uma pressão na câmara F pela rotação da bomba B. Esta pressão varia diretamente com a rotação da bomba. O óleo que entra pelos furos C se escoa pelos orifícios D para o reservatório. No centro do cilindro existe uma abertura para suspiro. A variação na rotação da turbina causa uma variação na pressão óleo nas câmaras F e G. Esta pressão de óleo atua no fole H contra a ação da mola J cuja regulagem é feita pelo volante V, aumentando ou diminuindo a abertura de passagem de óleo na bandeja K, o óleo suprido pela bomba principal A através 30
do orifício regulável M, que vaza para o reservatório através de K, terá sua pressão alterada na linha L aciona o pistão N, abrindo as passagens de óleo de alta pressão (óleo do servo-motor), através do carretel P. Este óleo de alta pressão (note-se que é outro sistema de óleo, com bomba independente) aciona o pistão U que, através de um sistema de alavancas, controla a abertura da válvula T. As turbinas de maior porte, geralmente usadas em centrais termelétricas no acionamento de geradores de energia elétrica, têm controle de rotação e também de pressão de exaustão ou contrapressão, dependendo do tipo. Quando se trata de turbina de condensação, isto é, aquelas em que todo o vapor consumido é condensado no condensador a uma pressão abaixo da atmosférica (vácuo), o controle é feito praticamente só na rotação. A pressão de descarga da bomba, proporcional à rotação da turbina, atua sobre um fole conectado à válvula de admissão de vapor. Há governadores que se comportam de modo a conservar constante a velocidade da turbina, mesmo que haja variação de carga. Outros, não ter esta propriedade; permite una queda de velocidade quando a carga aumenta; ou vice-versa, permitem um aumento de velocidade quando a carga diminui.
5.16.2 Variador de Velocidade De um modo geral, as turbinas a vapor vêm equipadas de outro dispositivo de controle, além do governador, chamado de variador de velocidade ou ajustador de velocidade. O variador de velocidade visa alterar uma característica de comando do governador. No caso de governador mecânico, o variador de velocidade modifica a tensão da mola do governador; enquanto que no governador hidráulico, o variador atua modificando a pressão de descarga da bomba de óleo. Um tipo de variador de velocidade, bastante simples e muito empregado nas turbinas de uso geral, consiste de um volante A uma haste roscada presa a uma mola conectada à extremidade da alavanca do governador.
5.16.3 Desarme por Alta velocidade Toda turbina tem um mecanismo de segurança para protegê-la contra um aumento excessivo de velocidade, em conseqüência de uma retirada súbita de carga ou de falha no governador. Esse mecanismo, chamado de limitador de velocidade, tem atuação automática e independente do governador. Sua função é impedir que a velocidade da turbina ultrapasse o limite de segurança compatível com a resistência mecânica do conjunto rotativo. O limitador de velocidade possui três elementos básicos: • Um captador de sinal;
31
• •
Um sistema de transmissão; Um elemento que corta rapidamente o suprimento de vapor.
Em geral, o elemento captador de sinal é constituído de um pino encaixado diametralmente na extremidade do eixo mantido dentro dele pela ação de uma mola. O pino deve ter um lado mais pesado que o outro. A transmissão do sinal é efetuada por uma alavanca tendo numa extremidade um gatilho. Na figura (1) alavanca de rearme na posição normal, (2) alavanca de rearme na posição de parada.
O corte de vapor é feito por uma válvula de atuação instantânea. Esta válvula é projetada para cortar instantaneamente o suprimento de vapor para os bocais da turbina. Tem funcionamento independente da válvula do governador e é comandada por um mecanismo de atuação. Esse mecanismo só atua automaticamente no sentido de fechar a válvula se estiver corretamente armado. Ocorrendo o desarme, ele não tem condições de 32
rearme automático. O rearme deve ser feito manualmente pelo operador da máquina. Seu princípio de funcionamento é o seguinte: se a rotação da turbina aumentar demasiadamente, a força centrífuga faz o pino vencer a ação da mola e sua cabeça saindo do eixo aciona uma alavanca que desarma um sistema de gatilho, permitindo fechar rapidamente uma válvula de entrada de vapor. Caso necessário, esse desarme também pode ser feito manualmente pelo operador da máquina. Convém ressaltar que o rearme do sistema não é automático; deve ser feito manualmente pelo operador.
5.16.4 Lubrificação: Nas turbinas a vapor como em qualquer máquina, têm-se sempre peças interligadas cujas superfícies em contato estão animadas de movimentos relativos, dando origem às forças de atrito, que se opõe a esses movimentos. O atrito produz calor, aquecendo as peças de máquina que ficam cada vez mais quentes até ocasionar a paralisação do mecanismo, virtude de dilatação acentuada ou até mesmo fusão das peças superaquecidas. Por conseguinte vê-se que é da maior importância reduzir ao mínimo atrito metálico a fim de minorar a perda de calor como também diminuir o desgaste das peças. Isso se consegue pela interposição de um fluído adequado entre as superfícies, chamado lubrificante, que impede o contato direto dessas superfícies. Além de impedir contato direto de duas superfícies em movimento relativo, o lubrificante ainda tem a função de : • Dissipar o calor gerado; • Proteger as superfícies contra a corrosão; • Remover as partículas provenientes do desgaste das peças, ou outros materiais estranhos.
5.16.4.1
33
Lubrificação das Turbinas pequenas: A lubrificação dos mancais das turbinas, de pequeno porte é feita, geralmente, por anel em banho de óleo. Um anel de diâmetro bem maior que o do mancal fica repousando sobre o eixo e com a parte inferior mergulhada no óleo. Com a rotação do eixo, o anel gira lentamente e arrasta o óleo do cárter para o eixo, e daí, para o mancal.
5.16.4.2 Lubrificação das turbinas grandes : As turbinas de grande porte são lubrificadas normalmente por um sistema de circulação forçada do óleo. O óleo também serve para o sistema hidráulico de regulagem da turbina.
Uma bomba principal de óleo, acionada pelo eixo da turbina, aspira óleo do cárter descarrega no sistema. O óleo passa por um filtro F 1 (ou F2, pois há 2 filtros de óleo para se poder limpar um quando o outro estiver em operação). Após o filtro, parte do óleo vai para o sistema de regulagem. voltando desses elementos ao cárter. Uma parte do óleo passa por um resfriador e daí para os mancais, retornando depois ao cárter. As válvulas de alívio instaladas ao longo das tubulações servem para controlar as pressões de óleo dos sistemas de regulagem e de lubrificação. Além da bomba principal de óleo, existe uma bomba auxiliar com dispositivo para entrar automaticamente em operação. Quando houver falha na principal. Esta bomba auxiliar é utilizada também nas partidas e paradas da turbina principal para suprir de óleo o sistema de lubrificação. No cárter, há um indicador de nível de óleo e um dreno para extração de água contaminada no óleo. 34
5.16.4.3 Desarme por baixa pressão no óleo:
Toda turbina com mancais lubrificados por um sistema forçado, sob pressão, tem um dispositivo que desarma o sistema de gatilho do limitador de velocidade no caso da pressão de óleo cair abaixo de um valor prefixado. As figuras apresentam desenhos esquemáticos de um sistema de atuação múltipla. O desarme funciona por sobrevelocidade e por baixa pressão de óleo. Além disso, tem uma particularidade importante: a instalação de uma válvula solenóide permite atuar no desarme, à distância. 35
5.16.5 Outros Dispositivos de Segurança Dependendo da necessidade, ainda pode-se instalar outros dispositivos de segurança nas turbinas. Exemplos: a- Desarme por baixa pressão diferencial entre mancais;
5.17
b-
Válvula sentinela na carcaça;
c-
Desarme por alta temperatura nos mancais;
d-
Desarme por alta temperatura no vapor de saída;
e-
Desarme por vibração elevada; etc.
TURBINA DE EXTRAÇÃO Nas centrais termelétricas da refinarias, e nas industrias em geral, e comum o emprego de do tipo de extração ou de contrapressão. Isto se deve ao fato de se ter necessidade de vapor para aquecimento na área industrial.
Empregam-se então turbinas que admitem vapor superaquecido a uma pressão alta retirando parte de sua energia para transformação em energia elétrica, fornecendo o vapor saturado para o aquecimento industrial. Para estes casos, a utilização mais comum é de turbinas de extração serão descritas superficialmente logo abaixo sob o ponto de vista operacional. 36
A figura acima, mostra o esquema em corte, de uma turbina de extração. Pode ser observados que entra uma quantidade de vapor W1 com pressão P1 nos estágios de alta pressão (conjunto do lado esquerdo), sendo que uma parte deste vapor e extraído após passar pelos estágios de alta pressão (quantidade W2 com pressão P2) e a parte restante W3 entra para os estágios de baixa pressão saindo destes para o condensador com pressão P3. Então, o vapor consumido realmente pela turbina para gerar energia elétrica é o que passa pelos estágios de alta e baixa pressão (quantidades diferentes). O vapor retirado entre os estágios de alta e de baixa, denominados vapor de extração, é enviado para o consumo em aquecimento industrial. Nota-se que sempre deve ser W1 = W2 + W3. No caso de haver uma solicitação maior de carga elétrica ou motriz, a rotação tende a baixar, mas o regulador de rotação abre automaticamente a válvula de admissão de vapor para suprir a demanda maior de energia solicitada pelo gerador. Aumentando então a quantidade de vapor W1, considerando que a quantidade demandada para aquecimento industrial W2 permaneceu constante, haverá um aumento na pressão P2. Isto resultará numa atuação do regulador de pressão de extração abrindo a válvula de admissão de vapor para os estágios de baixa pressão aumentando o valor de W3. Desta maneira, quantidades W1 e W3 maiores passarão pelos estágios da turbina fornecendo a energia demandada pelo gerador, enquanto que a quantidade W2 permaneceu praticamente constante. Se acontecer de haver uma demanda maior de vapor exaustão para aquecimento, a pressão P2 diminuirá fazendo atuar o regulador de pressão para fechar a válvula de admissão para os estágios de baixa pressão. Isto causará uma diminuição na potência fornecida ao gerador pela turbina que fará cair à rotação. Esta queda provoca a atuação do regulador da rotação no sentido de abrir a válvula de admissão de vapor para os primeiros estágios aumentando a quantidade admitida, restabelecendo o equilíbrio. Qualquer quer outra situação de operação pode ser analisada como as situações consideradas acima mostram um esquema de regulagem em turbinas de extração.
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Um outro componente da turbina que pode ser considerado como integrante do sistema governador é o dispositivo de desligamento de emergência. Este dispositivo atua através do sistema governador para fechar totalmente a entrada de vapor para a máquina quando uma situação anormal indesejável existir. Pode ser operado manual ou automaticamente. Geralmente é comandando automaticamente por sistemas de proteção contra sobrevelocidade da turbina, superaquecimento de mancais, vibração excessiva, lubrificação deficiente, etc.
5.18
OPERAÇÃO A operação de turbinas a vapor requer que sejam tomados certos cuidados, muitos deles comuns a todos os tipos e tamanhos de turbinas, e outros inerentes a cada uma delas em particular. Os fabricantes fornecem todas as instruções e cuidados operacionais que são de grande valia para o bom funcionamento da turbina. Logicamente, a dificuldade e complexidade operacional é função de cada máquina em particular. Por exemplo, uma turbina de pequeno porte, de estágios simples, de condensado total, que 38
aciona uma bomba comum, e de operação muito mais simples do que uma turbina de grande porte, de múltiplos estágios, de extração e condensação, com controle de rotação e pressão de extração rigorosos, que acionam um gerador de energia e elétrica de uma Central Termelétrica. Os cuidados a serem tomados e a complexidade operacional no segundo caso são muito maiores que no primeiro. Embora existam muitas diferenças entre os vários tipos de turbina sob ponto de vista operacional, muita coisa existe em comum. De um modo geral, as seguintes considerações devem ser levadas em conta na operação de umaturbina a vapor.
5.18.1 Operação de Pequenas Turbinas Para turbinas de pequeno porte, proceda como se segue: 1- Drene todo o vapor condensado das linhas de admissão e vapor exausto; 2- Abra todas as válvulas de dreno situadas na parte inferior da carcaça; 3- Verifique o nível de óleo nos mancais e restabeleça, se necessário; 4- Rearme os mecanismos de desarme rápido; 5- Abra totalmente a válvula de vapor exausto; 6- Abra a válvula de admissão de vapor o suficiente para fazer girar o rotor, fechando-a em seguida; 7- Certifique-se que não há ruídos estranho; 8- Estabeleça a circulação de água de refrigeração nos mancais; 9- Abra novamente a válvula de admissão de vapor até ã turbina atingir uma rotação de 200 a 300 rpm; 10- Feche os drenos quando tiver certeza que não há mais condensado no interior da turbina; 11- Certifique-se que os anéis de lubrificação estão girando e carregando óleo para os mancais; 12- Abra mais, gradativamente, a válvula de admissão de vapor até a turbina atingir sua velocidade normal de operação; 13- Verifique se o governador assumiu o controle da máquina; caso positivo, abra totalmente a válvula da linha de admissão de vapor.
OBS.: Não ponha a turbina em serviço sem estar sendo controlada pelo governador.
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5.18.2 Operação de Grandes Turbinas Para dar partida a uma turbina a vapor, com condensação, proceda como se segue: 1- Verifique o nível de óleo no reservatório; se estiver baixo, abasteça-o até atingir o nível correto; 2- Ligue a bomba auxiliar de óleo e verifique se a pressão de descarga está normal e se o óleo está circulando pelos mancais; 3- Abra todas as válvulas de dreno situadas na parte inferior da carcaça da turbina, para extrair o vapor condensado; 4- Drene também o condensado das linhas de alimentação de vapor; 5- Abra as válvulas de injeção de vapor de selagem; 6- Estabeleça a circulação de água no condensador; 7- Ligue a bomba de extração de condensado; 8- Ponha a selagem do vapor de alta pressão nas condições de partida; 9- Ponha a selagem do vapor exausto nas condições de partida; 10- Ligue o ejetor de ar do condensado e feche quebrador de vácuo; 11- Feche os drenos da carcaça nos estágios onde já há vácuo; 12- Teste o sistema de desarme por baixa pressão de óleo lubrificante; 13- Com o vácuo parcialmente estabelecido, abra rapidamente a válvula de admissão de vapor o suficiente para fazer girar o rotor, fechando-a logo em seguida; 14- Verifique se há ruídos estranhos; 15- Não havendo ruídos estranhos, abra novamente a válvula de admissão deixando passar vapor suficiente para fazer girar o rotor numa rotação de 200 a 500 rpm; mantenha essa rotação por 1/2 hora a fim de aquecer gradativamente por igual o rotor e a carcaça da turbina;
OBS. IMPORTANTE - Não se deve permitir que o rotor fique parado por tempo apreciável, enquanto o vapor estiver sendo admitido na turbina. 16- Restabeleça o fluxo de vapor e aumente pouco a pouco a velocidade da turbina, demorando de 10 a 15 minutos para atingir a velocidade normal de operação: se o rotor vibrar muito, reduza a rotação e continue o quecimento com 200 a 500 rpm até o aumento de velocidade não produzir mais vibrações; 40
17- Ajuste as selagens de alta e baixa para condições de operação; 18- Feche os drenos da carcaça quando tiver certeza que toda a água já foi removida e a condensação tiver terminado; 19- Estabeleça a circulação de água no resfriador de óleo para manter o óleo de saída numa temperatura de 40 a 45ºC; 20- Abra completamente a válvula de admissão de vapor e certifique-se que o governador assumiu o controle da máquina; 21- Sincronize a máquina e aplique 20% da carga;
OBS. IMPORTANTE - Evite operar a máquina a toda velocidade e com vácuo completo se não houver carga. 22- Aumente gradativamente a carga até o normal.
5.19
VERIFICAÇÕES PERIÓDICAS: Durante o período em que a turbina estiver em funcionamento, verifique periodicamente: a- o nível de óleo no reservatório; b- A temperatura do óleo nos mancais; não deve ser superior a 85ºC ou outra temperatura recomendada pelo fabricante do equipamento; c- A pressão do óleo nos mancais, se a lubrificação for forçada: não deve ser inferior a 0,4kgf/cm2; d- A pressão de óleo do sistema de regulagem; e- A pressão e a temperatura do vapor de admissão: a pressão e a temperatura do vapor exausto.
5.20 OPERAÇÃO:
VARIAÇÃO DAS CONDIÇÕES DE
A regulagem das turbinas pode ser feita: a- Através do variador manual de velocidade; b- Atuando na válvula da tubulação de admissão de vapor; nas nunca operando a válvula da tubulação de vapor exausto.
41
5.21
PARADA: As turbinas de pequeno porte podem ser paradas fazendo-se desarmar o mecanismo limitador de sobrevelocidade ou fechando-se a passagem de vapor para a turbina. Abra os drenos e feche a válvula de vapor exausto. Para as turbinas de grande porte, recomenda-se proceder assim: 1- Reduza pouco a pouco toda a carga de turbina e, rapidamente tire a unidade de linha; 2- Feche as válvulas de vapor de extração; 3- Paralise depois a turbina desarmando manualmente o mecanismo de sobrevelocidade; 4- Abra o quebrador de vácuo; 5- Desligue os ejetores de ar; 6- Verifique se a bomba auxiliar de óleo parte quando a pressão óleo de regulagem cair ao ponto preestabelecido; 7- Pare a bomba de condensado; 8- Interrompa a circulação de vapor de selagem; 9- Abra todos os drenos para a atmosfera; 10- Interrompa a circulação de água no resfriador de óleo; 11- Mantenha a bomba auxiliar de óleo em funcionamento até água na se tornar relativamente fria pelo menos 1 hora após a parada total.
5.22
PRECAUÇÕES OPERACIONAIS: Siga as instruções do fabricante, mas, a boa técnica recomenda: 1-
Evitar operações que causem expansões desiguais;
2-
Evitar passar vapor na turbina com o rotor parado;
3-
Evitar a entrada de ar pela selagem com o rotor parado;
4-
Testar sempre o sistema de segurança na partida da máquina depois, quinzenalmente;
5-
Durante a operação normal. testar ocasionalmente entrada da bomba auxiliar de óleo;
42
5.23
6-
Não operar a turbina sem estar sendo controlada automaticamente pelo governador;
7-
Certificar-se da inexistência de condensado dentro da turbina antes da admissão de vapor;
8-
Sanar os vazamentos que aparecem em qualquer parte dos sistemas;
9-
Anotar periodicamente num quadro de leituras ou folha de operação (data sheet) as pressões e temperaturas do vapor e do óleo;
10-
Analisar periodicamente o óleo lubrificante (acidez; ponto de fulgor; viscosidade; umidade; resíduos)
ANÁLISE DE DEFEITOS: Causas prováveis e suas Medidas corretivas
5.23.1 Falta de Potência Causa: Válvula manual aberta insuficientemente; Correção: Fazer a correta combinação de abertura da válvula manual para várias cargas. Causa: Válvula reguladora não abre o suficiente; Correção: Ajustar articulação. Causa: Filtro de vapor obstruído; Correção: Limpar o filtro e localizar a fonte de partículas estranhas. Limpar a linha de vapor (o que deve ser sempre feito antes da primeira partida inicial). Causa: Alguns expansores obstruídos; Correção: Remover o rotor e verificar com um pedaço de arame. Causa: Excesso de carga; Correção: Reduzir a carga; Causa: Baixa pressão de vapor na admissão ou alta pressão de vapor descarga (linha de vapor pequena ou excesso de queda de vapor através das válvulas); Correção: Medir a pressão de admissão sob as condições máximas de carga para pressão mínima na caldeira. Se as condições não puderem se corrigidas, a turbina deve ser reprojetada.
5.23.2 Consumo Excessivo de Vapor Causa: Excesso de carga; Correção: Reduzir a carga;
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Causa: Baixa velocidade; Correção: Medir as pressões de admissão e descarga do vapor. Assegurar-se de que o regulador abre completamente a válvula. Verificar se as válvulas manuais estão sendo usadas devidamente. Causa: Muitas válvulas manuais abertas; Correção: Esta situação dá à turbina uma excessiva capacidade, a qual requer um estrangulamento pela válvula do regulador, para manter a velocidade adequada. Isto é ineficiente e usa mais vapor quando for necessário. Feche as válvulas manualmente para evitar o estrangulamento. Causa: Baixa pressão de admissão de vapor ou alta pressão de descarga; Correção: Se a turbina for desenvolver carga total, corrigir essas condições; Causa: Vapor úmido ou baixo superaquecimento; Correção: Corrigir as condições de vapor pois além da perda de potência pode causar uma excessiva corrosão nos expansores e palhetas. Causa: Expansores ou palhetas gastas ou danificadas; Correção: Trocar expansores e/ou palhetas.
5.23.3 Vibração Causa: Eixo acionado desalinhado; Correção: Revisar o alinhamento enquanto a turbina estiver quente. Se a turbina estiver acoplada a um redutor levar em consideração a tendência do pinhão se movimentar para cima ou para baixo quando em carga. Causa: Desbalanceamento; Correção: Limpar as palhetas drenar completamente o condensado antes de longos períodos de parada, para evitar a formação de ferrugem ou corrosão. Vibrações podem ser o resultado de parada de algumas palhetas ou fitas de reforço. Causa: Atrito; Correção: Corrigir a posição axial do rotor. Ajustar o mancal de escora, certificar-se de que o eixo acionado não possa ser impelido contra o eixo da turbina; Causa: Eixo empenado; Correção: Pode ser causado por mancais excessivamente quentes, engaxetamento muito apertado ou danos mecânicos. Causa: Rodas frouxas; Correção: É extremamente raro, porém pode ser causada por excessiva temperatura do vapor, carga de impacto ou disparo da turbina. Causa: Engaxetamento do eixo muito apertado; Correção: Anéis de carvão muito apertados podem causar vibração e superaquecimento. 44
5.23.4 Vazamento Excessivo no Engaxetamento do Eixo Causa: Anéis de carvão excessivamente gastos ou quebrados; Correção: Substituir os anéis. Os anéis de carvão devem ter uma folga pequena sobre o eixo quando frio, porque o carvão se dilata menos, com o calor, do que o aço. Causa: Anéis de carvão sujos por partículas trazidas pelo vapor. Correção: Os anéis devem estar livres para movimentar-se axialmente, e a face inferior do anel deve assentar perfeitamente contra a superfície (lisa, plana e limpa) do espaçador do anel de carvão adjacente. Causa: Linha de dreno não está completamente livre; Correção: Assegurar-se de que a linha de dreno não retenha água ou crie contrapressão; Causa: Excessiva pressão de descarga; Correção: As sedes dos engaxetamentos são projetadas para uma determinada contrapressão, que, quando excessiva, provoca vazamentos (os quais são a causa mais comum da presença de água nos óleos Iubrificantes). Causa: O composto usado para vedação das carcaças cobriu os anéis de carvão; Correção: Ao substituir os anéis use o vedante cuidadosamente, pois uma quantidade excessiva pode sujar os anéis e a superfície contra qual os mesmos se ajustam.
5.23.5 Aquecimento e Desgaste dos Mancais Causa: Uso de óleo inadequado; Correção: Usar óleo limpo e de viscosidade adequada. Causa: Resfriador inoperante; água de resfriamento excessivamente quente; Correção: Esta situação pode causar uma deterioração do óleo e superaquecimento do mancal de escora e dos casquilhos. Para cada instalação deve-se prever um sistema de refrigeração, de modo que o óleo saia do resfriador a 120°F (49ºC) quando se tratar de lubrificação forçada. Causa: Água no óleo; Correção: Isto pode ser causado por vazamentos no engaxetamento, no resfriador de óleo ou condensação da umidade ar atmosférico. Para minimizar a condensação da umidade do ar atmosférico, cortar o fluxo da água do resfriador de óleo após a parada da máquina, logo que a turbina esteja suficientemente fria, para que o calor excessivo não seja transferido para os mancais. Eventualmente drene a água, porventura existente, no reservatório de óleo. Causa: Desalinhamento; Correção: Causa comum para o excessivo desgaste do mancal. O metal antifricção (Babbitt) pode rachar ou soltar fragmentos devido a vibração de um eixo desalinhado. 45
Causa: Desbalanceamento; Correção: Isto é freqüentemente devido a depósitos nas palhetas ou na roda. Pode ser causado também, porém mais raramente, pela perda de uma ou mais palhetas ou fitas de reforço. Inspecionar e limpar os elementos rotativos. Causa: Superfície do casquilho áspera; Correção: Recuperar os casquilhos se não estiverem muito danificados. Em alguns casos os casquilhos precisarão ser trocados. Causa: Força axial do eixo acionado, através do acoplamento, sobre eixo da turbina; Correção: Ajustar a folga correta entre os eixos da turbina e acionador. Certificar-se de que o acoplamento está livre para mover-se Iateralmente e sem sujeiras. Causa: Regulador de velocidade tentando fechar uma válvula reguladora vazando ou emperrada. Correção: Uma válvula vazando ou emperrada deve ser reparada, pois constitui um risco à segurança, além de ser prejudicial ao mancal de escora e impor um desgaste excessivo ao mancal de escora do regulador. Causa: Água de vapor; Correção: Evitar com um controle adequado na caldeira. pois podem danificar os mancais de escora e rodas. Causa: Anéis de encosto do mancal de escora (tipo sapata) ásperos desalinhados; Correção: Reparar ou trocar os anéis.
5.23.6 Conjunto Rotativo não Permanece Alinhado Causa: Esforços da tubulação de descarga não previstos; Correção: Prever junta de expansão adjacente à turbina e suportes adequados. Causa: Esforços excessivos da tubulação de admissão; Correção: Prever suportes adequados, abraçadeiras, ganchos ou cintas. Causa: Os elementos de fixação da turbina esquentam devido ao pouco isolamento; Correção: Isolar estes elementos, mas deixá-los livre para uma boa ventilação. Causa: Fundações da turbina ou das máquinas acionadas movendo-se; Correção: Se a turbina e as máquinas acionadas estão em fundações separadas, qualquer movimento causará desalinhamento. Se as fundações não forem projetadas para suportar ambas as unidades, uma camada de concreto sobre ambas as bases para assegurar a operação das unidades ou conjunto num mesmo plano.
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Causa: Base estrutural exposta ao calor da tubulação de vapor; Correção: A distorção causada pelo excessivo calor na base pode causar desalinhamento . Isolar as tubulações e afastá-las da base .
5.23.7 Aumento Excessivo da Velocidade com Perda de .Carga Causa: Vazamento na válvula do regulador; Correção: Reparar ou trocar a válvula reguladora e sede, pois, caso contrário, a turbina continuará a admitir vapor, mesmo com a válvula fechada. Causa: O regulador responde lentamente devido a peças gastas ou emperradas. Correção: Soltar a válvula emperrada e inspecionar todos os pinos articulados quanto a emperramentos ou desgaste. Causa: O regulador não fecha a válvula completamente. Correção: Reparar e/ou ajustar o acionamento da válvula.
5.23.8 Oscilação de Velocidade Causa: Emperramento ou atrito excessivo no regulador, válvula ou haste das válvulas. Correção: Limpar, reparar ou trocar. Causa: Válvula do regulador não obedece ao comando do regulador. Correção: Trocar os anéis e pinos do acionamento pois pode haver desgaste excessivo nos mesmos.
5.23.9 Resposta Lenta Causa: Emperramento ou atrito excessivo no regulador, válvula ou haste das válvulas; Correção: Limpar, reparar ou trocar. Causa: Válvula do regulador não obedece ao comando do regulador; Correção: Trocar os anéis e pinos do acionamento pois pode haver desgaste excessivo nos mesmos. Causa: Turbina suportando carga excessiva com poucas reservas; Correção: Abrir as válvulas manuais necessárias para aumentar potência.
5.23.10 Válvula de Emergência Causa: Ajuste incorreto ou má condição do mecanismo de desarme, molas ou trincos; Correção: Testar freqüentemente a válvula de emergência, para isso desarmar manualmente o mecanismo de proteção por excesso de velocidade e assegurarse de que a válvula fecha imediatamente e para a turbina.
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Causa: Atrito excessivo no engaxetamento do eixo da válvula. Incrustação, desgaste ou danos na válvula ou seus suportes; Correção: Limpar, reparar ou trocar as peças para que esse importante dispositivo de segurança possa operar eficientemente.
5.23.11 Válvula de Emergência Causa: O dispositivo não desarma na rotação prevista ou próxima a ela; Correção: Examinar o dispositivo. Assegurar-se de que está limpo, em boa ordem e que o peso de emergência possa ser fácil e livremente movido por uma pequena chave de fenda ou uma ferramenta similar. Testar a unidade para um excesso de velocidade real, caso não desarmar na velocidade prevista, reajustar. Se forem fornecidos dispositivos de desarme po r baixa pressão de óleo, por solenóide, por alta pressão de descarga ou aparelhos similares, verificá-los na mesma ocasião.
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6 EJETORES
Em essência um ejetor usa a energia cinética de um fluido para impulsionar outro. Suas principais vantagens são as seguintes: • Leveza, pequeno número de peças e inexistência de peças móveis. o que redunda em não apresentarem problemas de manutenção; • Operação e instalação fácil, silenciosa, não necessitando de bases especiais e podendo ser suportados por quaisquer equipamentos; • Trabalham com líquidos corrosivos ou não, não apresentando riscos de contaminação de produtos. • Manipula grandes quantidades de fluido; As desvantagens: • Necessita de um fluido acionador de alta pressão; • O fluido acionador deve estar sempre dentro das condições de projeto do ejetor para não prejudicar sua eficiência; • No caso de utilizar vapor como fluido motor, a presença de condensado causa erosão acentuada; O seu uso na indústria. principalmente química. tornou-se bastante popular principalmente para: a) -Bombeamento de produtos químicos corrosivos ou não. b) Manutenção de vácuo em processos químicos e de refino. c) - Mistura de líquidos e gases. d) - Purificação e exaustão de ambientes industriais fechados.
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6.1
FUNCIONAMENTO / DESCRIÇÃO
A figura mostra o esquema de um ejetor no qual apresentam as suas partes principais: • Entrada do fluido motor (a) • Bocal (b) • Entrada do fluido induzido (c) • Câmara de arraste (d) • Zona de mistura (e) • Difusor (f)
Um fluido expande-se de uma região de alta pressão (a) por meio de um bocal (b) para uma região de menor pressão (e). Através desta expansão o fluido adquire velocidade elevada e, devido a um mecanismo que ainda não está perfeitamente definido, arrasta o fluido secundário da vizinhança do jato (d) para o difusor (f), diminuindo ainda mais a pressão reinante em (d) e dando origem a um escoamento do fluido secundário de (c) para (e). No difusor a mistura dos dois 50
fluidos escoa com menor velocidade e maior pressão, de tal modo que o escoamento continua no sentido da descarga que está a uma pressão inferior.
6.1.1 Bocal: É a parte responsável pela transformação da energia de pressão em energia de velocidade.
6.1.2 Zona de mistura: É a região do ejetor onde se dá o encontro do fluido motor com o fluido induzido. O fluido motor que sai em alta velocidade do bocal, se mistura com o fluido induzido que está com uma velocidade baixa, resultando em uma mistura que escoa com velocidade intermediária.
6.1.3 Difusor: Executa a função inversa da do bocal, pois transforma a energia cinética da mistura em energia de pressão, permitindo o escoamento dos fluidos para uma região cuja pressão é mais elevada que a da zona de mistura. O jato no difusor, tendo de passar por áreas cada vez maiores, perde velocidade gradativamente com o concomitante aumento da pressão.
6.2
TIPOS / INSTALAÇÃO / OPERAÇÃO
6.2.1 Ejetores a Vapor: É o mais comum, sendo usados para qualquer finalidade. Podem ser usados para criar vácuo elevado e por vezes são instalados em série, sendo usual o emprego de condensadores entre eles. É muito importante manter-se a pressão do fluido motor dentro da especificação de projeto para não afetar a eficiência do ejetor.
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6.2.2 Ejetores a Líquido: Os ejetores que trabalham com líquido como fluido motor são chamados de “edutores”. São também bastante comuns e podem transferir tanto líquido como gases e vapores. Os ejetores líquido-líquido e líquido-gás não têm capacidade de um ejetor a vapor, sendo muito utilizados como misturadores em tanques. É perfeitamente possível usar como fluido motor, ar ou gases comprimidos.
6.3
INSTALAÇÃO: Em princípio eles podem ser instalados da maneira mais conveniente ao usuário. Porém, os ejetores movidos com líquidos devem ser instalados verticalmente, com a descarga para baixo, para facilitar a operação e quando necessário, a drenagem. Nos ejetores a vapor, evitar a ocorrência do condensado que acentua erosão no bocal. Nos ejetores dos sistemas de vácuo evitar entrada de ar na sucção, para isso fazer inspeções rotineiras nas juntas e uniões das tubulações de sucção.
6.4
OPERAÇÃO:
Ela é muito simples desde que se observe a particularidade do sistema onde está instalado. Em princípio, depois de alinhar o ejetor, basta abrir o fluido motor. 52
Em instalações de ejetores em série, o primeiro a entrar em operação é o de último estágio, e a seguir o penúltimo até o primeiro. Para se retirar de operação um sistema de ejetores em série segue-se a seqüência inversa.
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