Aula 1 - Turbinas a Gás - Definição e Principios de Funcionamento

Turbinas a Gás, Vapor e Caldeiras

DISCIPLINA TURBINAS A GÁS, VAPOR e CALDEIRAS Turbin urbinas as a Gás - Capítu Capítulo lo 1 - Definiç Definição ão e Princípio Princípio de Funciona Funcionamento mento

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Ementa: Turbin urbinas as a Gás - Capítu Capítulo lo 1 - Definiç Definição ão e Princípio Princípio de Funciona Funcionamento mento

A Turbina a gás (TG) e a termodinâmica. Noções fundamentais. Dados principais de uma TG. Partes componentes. Sistemas princ rincip ipai aiss. Contro ntrolles, es, opera peraçã ção o e aju ajustag stage ens. ns. A Cald Caldei eirra. Princípios básicos do ciclo vapor. Diagrama de Molier. Classificação ção das Caldeiras. Componentes tes principais da Caldeira. Água de alimentação e seu tratamento. A Turbina a vapor (TV) e a termodinâmica. Princípios básicos de funcionamento. Classificação geral das TV. Acessórios das TV. Aparelhos de controle de velocidade. Precauções Precauções de segurança.


Avaliação: Turbin urbinas as a Gás - Capítu Capítulo lo 1 - Definiç Definição ão e Princípio Princípio de Funciona Funcionamento mento

Avaliação: Será dividida em duas provas individuais e presenciais, denominadas V1 e V2, de mesmo peso totalizando 20 pontos.

Data

V1

V2

V3

24/09/15

26/11/15

10/12/15


Objetivos Turbinas a Gás - Capítulo 1 - Definição e Princípio de Funcionamento

1. Turbinas a gás funcionamento

-

definição

e

princípio

de

1.1. Comparação entre os ciclos de funcionamento de motores 1.1.1. O ciclo Otto 1.1.2. O ciclo Brayton


Objetivos Turbinas a Gás - Capítulo 1 - Definição e Princípio de Funcionamento

Ao final desse capítulo, você poderá: • Descrever o princípio de funcionamento da turbina a gás; • Identificar os componentes básicos de uma turbina a gás; • Diferenciar o ciclo termodinâmico da turbina a gás do ciclo

de um motor convencional; • Identificar as etapas do ciclo termodinâmico da turbina a

gás nos gráficos P x V.


Introdução a Turbinas a Gás Turbinas a Gás - Capítulo 1 - Definição e Princípio de Funcionamento

As turbinas a gás, em termos de fabricação em série, foram projetadas inicialmente para equipar os aviões na Segunda Guerra Mundial. Posteriormente, passaram a equipar os aviões de passageiros e helicópteros. Com o decorrer do desenvolvimento industrial, teve início o emprego das turbinas a gás aeronáuticas para acionamento de máquinas operatrizes, como bombas, compressores e geradores elétricos. Algum tempo depois, foram desenvolvidas as turbinas a gás industriais não aeroderivadas, ou seja, projetadas exclusivamente para a indústria.


Definição Turbinas a Gás - Capítulo 1 - Definição e Princípio de Funcionamento

A Turbina a gás é uma máquina térmica que utiliza o ar como fluido motriz para prover energia. Para conseguir isto o ar que passa através da turbina deve ser acelerado; isto significa que a velocidade ou energia cinética do ar é aumentada.

Para

obter

esse

aumento,

primeiramente

aumenta-se a pressão e, em seguida, adiciona-se calor. Finalmente a energia gerada (aumento de entalpia) é transformada em potência no eixo da turbina de expansão.


Ilustração Esquemática Turbinas a Gás - Capítulo 1 - Definição e Princípio de Funcionamento



Ela está ilustrada a seguir, sendo possível observar a sua estrutura de funcionamento: um ventilador ( 1), acionado por um motor elétrico, gera uma massa de ar com determinada velocidade. Essa massa de ar é direcionada para o ventilador (2), que funciona como uma roda de turbina e se encontra acoplado a um gerador elétrico e assim, conseqüentemente, a energia elétrica é produzida .



Na próxima ilustração, é apresentado um ventilador ( 1) que, na partida, é acionado por um motor elétrico (2) e, após a ignição e combustão, o seu acionamento ocorre através da roda de turbina (3), que foi acionada pela massa de ar oriunda do ventilador (1). Pode-se verificar que a massa de ar oriunda do ventilador é aquecida por uma chama contínua que, dessa forma, ganha temperatura e se expande na roda da turbina, de onde é retirado trabalho para o acionamento do ventilador, mantendo-se o ciclo de funcionamento.





Em 1930, Frank Whittle apresentou a primeira patente de uma turbina a gás para produzir um jato de propulsão. A construção da turbina “Whittle formou as ”

bases das modernas turbinas a gás.

Na ilustração abaixo se vê a estrutura interna de uma turbina a gás e a simulação do fluxo de ar percorrendo o seu interior.




Etapas Contínuas do Ciclo Brayton Turbinas a Gás - Capítulo 1 - Definição e Princípio de Funcionamento

Cada parte da turbina a gás pode ser associada a uma etapa da conversão da energia térmica em energia mecânica. Uma turbina a gás produz energia a partir do resultado das etapas contínuas do ciclo Brayton - ciclo básico da turbina a gás. As etapas estão apontadas a seguir. 

ADMISSÃO;



COMPRESSÃO;



COMBUSTÃO;



EXPANSÃO;



EXAUSTÃO.



1. Admissão - etapa em que ocorre a entrada de ar atmosférico (a) na turbina a gás. 2. Compressão - um compressor dinâmico (b) - axial ou centrífugo - comprime o ar. Normalmente, o compressor é do tipo axial, de vários estágios, onde as energias de pressão e temperatura do fluido (ar) aumentam. O compressor de ar da turbina é o componente responsável pelo aumento da pressão do ar, no ciclo Brayton, e é acionado pela roda de turbina. Normalmente, o compressor axial é empregado nesses casos por ter uma capacidade maior de vazão, quando comparado ao compressor centrífugo, para o mesmo tamanho.



3. Combustão - o ar comprimido flui para as câmaras de combustão (c), onde o combustível, à alta pressão, é injetado através do bico injetor (d) e queimado a uma pressão aproximadamente constante. A ignição da mistura ar/combustível ocorre durante a partida, através de ignitores. Posteriormente, a combustão se auto-sustenta.



4. Expansão - os gases gerados na combustão, a alta temperatura e pressão, (em c), são expandidos a uma alta velocidade, na seção de expansão. Esta seção é um conjunto de rodas estatoras (d), com palhetas, que promovem o efeito bocal e direcionam o fluido motriz (gases), a fim de proporcionar um melhor ângulo de ataque nas palhetas das rodas da turbina (e) ou no conjunto rotor (eixo com rodas de palhetas). Assim, a energia dos gases é convertida em potência no eixo, que aciona o compressor axial de ar (aproximadamente 2/3 da energia gerada com a queima).



5. Exaustão - os gases remanescentes da expansão na turbina passam através de um bocal de propulsão ( f) para aumentar sua velocidade e, conseqüentemente, o impulso (propulsão). Na imagem a seguir estão representados as variações e os valores máximos de pressão e temperatura no interior da turbina a gás.




Conceito Turbinas a Gás - Capítulo 1 - Definição e Princípio de Funcionamento

É importante ratificar que a turbina a gás é uma máquina térmica que utiliza o ar como fluido motriz para prover energia. Para que isso ocorra, o ar que passa através da turbina deve ser acelerado, ou seja, a velocidade ou energia cinética do ar é aumentada. Para obter esse aumento, primeiramente eleva-se a pressão e, em seguida, adiciona-se calor. Finalmente, a energia gerada (aumento de entalpia) é transformada em potência no eixo da turbina.


Comparação entre os ciclos de funcionamento de motores Turbinas a Gás - Capítulo 1 - Definição e Princípio de Funcionamento

Todos os motores de combustão interna funcionam com base em um ciclo termodinâmico, portanto, vamos comparar os ciclos de funcionamento de uma turbina a gás (ciclo Brayton) e de um motor convencional de quatro tempos (ciclo Otto), para que as diferenças fiquem claras, e se entenda o conjunto de processo e princípios de funcionamento, destacando-se as vantagens. Em uma turbina a gás, a combustão ocorre a uma pressão constante, ao passo que, em um motor convencional, a combustão ocorre a um volume constante. A ilustração a seguir demonstra a comparação entre os dois ciclos.


Turbinas a Gás - Capítulo 1 - Definição e Princípio de Funcionamento


NOTA: Turbinas a Gás - Capítulo 1 - Definição e Princípio de Funcionamento


O ciclo Otto Turbinas a Gás - Capítulo 1 - Definição e Princípio de Funcionamento

O ciclo Otto é o ciclo de funcionamento do motor convencional de quatro tempos, que equipa os automóveis. Em ambos os ciclos – Otto e Brayton – ocorrem etapas de admissão, compressão, combustão, expansão e exaustão. Em um motor de ciclo convencional (Otto), essas etapas são produzidas no mesmo local (cilindro), em tempos diferentes, sendo, portanto, um ciclo intermitente.



O ciclo Otto é o ciclo de funcionamento do motor convencional de quatro tempos, que equipa os automóveis. Em ambos os ciclos – Otto e Brayton – ocorrem etapas de admissão, compressão, combustão, expansão e exaustão. Em um motor de ciclo convencional (Otto), essas etapas são produzidas no mesmo local (cilindro), em tempos diferentes, sendo, portanto, um ciclo intermitente.



Do ponto 1 ao ponto 2, o ar é admitido, ocorrendo aumento do volume sem variação da pressão. Do ponto 2 ao 3, ocorre o movimento ascendente do pistão, acarretando a redução do volume, o aumento da pressão e o conseqüente aumento da temperatura, visto tratar-se de um processo de compressão politrópica.



No ponto 3, acontece a ignição com grande aumento da temperatura da mistura. O termo, volume constante, deve-se ao seguinte fato: do ponto 3 ao ponto 4, durante a combustão da mistura, não ocorre mudança considerável no volume, mas sim, um grande aumento da pressão. Do ponto 4 ao ponto 5 ocorre a expansão dos gases empurrando o pistão, quando é extraído o trabalho para o acionamento do eixo, que faz funcionar as rodas do carro. Na expansão acontece a queda da temperatura e da pressão e aumento do volume. Esta é a única etapa (ponto 4 ao 5) em que a energia pode ser extraída (trabalho extraído do processo). Quando a válvula de exaustão abre (ponto 5 ao ponto2), resulta em uma rápida queda de pressão a volume constante. O pistão então sobe, forçando os gases remanescentes para a exaustão (ponto 2 ao ponto 1). O ciclo, então, é reiniciado.


O ciclo Brayton Turbinas a Gás - Capítulo 1 - Definição e Princípio de Funcionamento

O ciclo Brayton (ou de Joule) é um ciclo aberto e de fluxo contínuo, ou seja, todas as etapas ocorrem simultaneamente, tendo o ar escoado por dentro da turbina. As turbinas a gás operam no ciclo Brayton (pressão constante), que comumente é denominado ciclo aberto. As etapas deste ciclo são mostradas no gráfico P x V da ilustração a seguir.


O ciclo Brayton Turbinas a Gás - Capítulo 1 - Definição e Princípio de Funcionamento

O ar é admitido e comprimido do ponto 1 ao ponto 2 com conseqüente aumento de pressão e temperatura, e redução do volume. Do ponto 2 ao 3 temos representado a combustão à pressão constante, mas com um aumento acentuado do volume. Este aumento de volume se manifesta em aumento de velocidade de escoamento dos gases, porque não há mudança acentuada na área desta seção da turbina. A partir da combustão ocorre a expansão dos gases nas rodas da turbina causando uma redução da pressão e temperatura e aumento de volume. Este processo continua do ponto 4 ao 5 através da turbina de potência. NOTA: A combustão isobárica do ciclo Brayton da turbina a gás proporciona o aumento do volume específico do ar, que se manifesta com o aumento de sua


Comparação entre os ciclos de funcionamento de motores Turbinas a Gás - Capítulo 1 - Definição e Princípio de Funcionamento


Exercícios Turbinas a Gás - Capítulo 1 - Definição e Princípio de Funcionamento

1) Considerando o que foi apresentado sobre as turbinas a gás, responda ao que se pede. a) Como podemos definir a turbina a gás? b) Que fluido motriz é empregado na turbina a gás? c) Que processo ocorre no interior de uma turbina a gás e qual o resultado obtido?

2) Indique as diferenças existentes entre o funcionamento da turbina a gás e de um motor convencional.



Identifique os componentes da turbina a gás, fazendo a correspondência das letras aos elementos destacados. ( ( ( ( ( (

d ) Bico injetor a ) Entrada de ar b ) Compressor e ) Rodas de turbina c ) Câmara de combustão f ) Bocal de propulsão










Glossário Turbinas a Gás - Capítulo 1 - Definição e Princípio de Funcionamento

•

Combustão isobárica - combustão a pressão constante.

•

Palheta - palheta estacionária, fixada na carcaça da turbina .

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