UNIDADE 3
SISTEMA DE PROPULSÃO À TURBINA A VAPOR
Nesta unidade, você vai conhecer : O histórico da evolução das turbinas. Definição do que é turbina a vapor. Vantagens da turbina a vapor em relação ao motor diesel. Principais partes de uma turbina a vapor. Classificação das turbinas a vapor. Preparação para colocarmos em operação uma instalação a vapor. Ciclos de Operação de uma turbina a vapor. Análises dos Componentes de um sistema de vapor superaquecido. Sistemas de proteção de uma turbina a vapor. Funcionamento da engrenagem redutora numa instalação a vapor. Mancais de uma turbina a vapor. Engaxetamento em uma turbina a vapor. Operações de rotina numa turbina a vapor. Neste módulo você terá a oportunidade de estudar os princípios de funcionamento das turbinas a vapor, os quais o levarão à condução e à manutenção de forma correta, bem como a aprender algumas dicas de trabalho que facilitarão o seu dia-a-dia em contato com este equipamento. Para facilitar a sua compreensão no que diz respeito ao estudo da turbina a vapor, é necessário falarmos um pouco do aspecto evolutivo do uso do vapor como fonte de energia. Então, daremos inicio aos nossos estudos. Veja a seguir o histórico dessa evolução.
3.1 HISTÓRICO DA EVOLUÇÃO DAS TURBINAS No Brasil, a necessidade do uso da turbina a vapor como meio eficaz e seguro de propulsão marítima acompanhou a tendência mundial após a 2° Guerra Mundial. Grande parte 211 PRO 01
da frota mercante brasileira utilizava esta propulsão. Porém, no final da década de 70, o planeta deparou-se com uma nova realidade: o aumento do preço do barril de petróleo. O preço do combustível naturalmente acompanhou esse aumento, abrindo espaço, então, para os fabricantes de motores diesel, que já produziam esses motores com consumo específico de óleo combustível um pouco inferior ao das turbinas a vapor, para uma mesma potência. A crise elevou os preços do barril de petróleo a níveis muito altos. Os preços dos combustíveis acompanharam esta tendência, forçando as indústrias de desenvolvimento de meios de propulsão da época a investirem em novas tecnologias e que melhorassem a relação Peso x Potência, bem como tornassem as instalações com vapor superaquecido mais seguras, como as dos motores. Novas ligas foram desenvolvidas pela industria siderúrgica, mais leves e resistentes, levando a um menor consumo especifico de combustível (reduzindo o peso final do navio como um todo). Ao final da década de 80, novo impulso foi acrescentado com o advento da Informática, que participou desses cálculos e incorporou sistemas supervisórios que integravam seus projetos em larga escala, aperfeiçoando o estudo do processo de transformação de energia que ocorre dentro da turbina. Hoje, esses estudos continuam e a turbina a vapor deverá, em breve, retornar à sua produção em larga escala. A evolução tecnológica é o fator determinante que nos faz sonhar com a real possibilidade do retorno desse meio de propulsão, que é limpo e seguro.
Figura 3.1 – Conjunto completo de uma turbina a vapor.
Agora, vamos realizar uma tarefa referente ao histórico estudado.
Tarefa 3.1 Qual é o fator determinante para que o retorno da propulsão a turbina a vapor seja uma realidade? ____________________________________________________________________________
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3.2 DEFINIÇÃO DO QUE É TURBINA A VAPOR Turbina a Vapor é uma máquina térmica de combustão externa, ou seja, os gases resultantes da queima do combustível não entram em contato com o fluido de trabalho – água/ vapor. É um equipamento que aproveita a energia calorífica do vapor. Na fornalha, a água é aquecida até à sua temperatura de ebulição, se transformando em vapor. A energia calorífica do combustível é transformada em pressão. O vapor sob pressão é direcionado para a turbina. Ao chegar à turbina, a energia calorífica do vapor é transformada em energia cinética e, finalmente, em energia mecânica. Por ser uma máquina de combustão externa, há uma maior flexibilidade no tipo de combustível a ser utilizado na fornalha, podendo o mesmo ser: óleo pesado, diesel, borra , borra orgânica, etc. Com relação às normas de construção, projeto e fabricação das turbinas, são utilizadas as padronizações estabelecidas pelo Instituto Americano de Petróleo (API). No que respeita ao aspecto energético, também podemos afirmar que: Uma máquina a vapor não cria energia, utiliza-se do vapor para transformar a energia calorífica liberada pela queima de algum combustível a fim de produzir trabalho. O processo de transformação de água em vapor ocorre em um ambiente fechado, denominado fornalha, circundada por serpentinas de água que, após receberem o calor produzido pela queima do combustível, ganha temperatura e aumenta seu volume. A água agora, já na forma de vapor, ocupa um espaço nas serpentinas muito maior do que aquele ocupado anteriormente, tendo em vista seu ganho calorífico.
3.3 VANTAGENS DA TURBINA A VAPOR EM RELAÇÃO AO MOTOR DIESEL Veja quais são essas vantagens: 1 Máquina rotativa, ou seja, sem movimentos alternativos, portanto, sem grandes impactos. 2 Permite variações de velocidade de forma suave. 3 Por possuir pouca área interna para lubrificação, proporciona grande economia de custo em óleos lubrificantes. 4 Fáceis controle e operação. 5 Não produz fagulhas. 6 Suporta longas jornadas de operação por não necessitar de grandes manutenções. 7 Manutenção simples e econômica. 8 Vida útil bem longa (mais de 25 anos). 213 PRO 01
9 Menor peso da instalação em comparação com o motor diesel. 10 Não necessita abertura da turbina para classificação. Demonstre o que você aprendeu, realizando a tarefa abaixo:
Tarefa 3.3 Descreva o processo de transformação de energia que ocorre na fornalha. ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
3.4 PRINCIPAIS PARTES DE UMA TURBINA A VAPOR Confira as principais partes de uma turbina a vapor. Cofre de vapor (ver figura 3.4.1) – local onde é admitido o vapor para a turbina e em seguida distribuído para os expansores. É o local que recebe o maior impacto dinâmico do conjunto turbina, sendo por isso fabricado com uma liga reforçada.
Figura 3.4.1 – Cofre de vapor.
Válvulas parcializadoras – ficam no interior do cofre de vapor e possuem a função de direcionar o fluxo de vapor de forma homogênea para a turbina. Expansores – o vapor, após passar pelas válvulas parcializadoras, prossegue para os expansores, onde sofrerão uma queda de pressão e conseqüente aumento de velocidade. No caso dos expansores que são instalados no diafragma, estes são constituídos de palhetas de seções variáveis. Como o volume de vapor aumenta, à medida que ele se expande ao atravessar um estágio, então as áreas físicas necessárias para o escoamento do vapor crescem de estágio para estágio. Com isso, o comprimento das palhetas será maior no último estágio. Diafragma – tem, entre outras, a função de evitar vazamento de vapor entre os vários estágios da turbina. Os diafragmas são bipartidos para facilitar sua montagem/desmontagem. 214
Vedação – possui a função principal de impedir a entrada de ar para o interior da turbina no caso de turbina condensante, o que provocaria uma queda do vácuo e conseqüente travamento do sistema. A vedação impede também o vazamento de vapor para fora da turbina, no caso de contrapressão no interior do estator. A vedação pode ser de anéis de labirinto ou anéis de carvão (ver figura 3.4.2). Essa vedação contribui também para impedir vazamentos pelo diafragma em função dos diferentes níveis de pressão que ocorre no diafragma durante a operação da turbina. a) Labirintos – são peças anelares internamente confeccionadas com uma série de alhetas circulares e, externamente, de um dispositivo de encaixe. Podem ser confeccionados em duas ou mais partes. Os labirintos devem ser ajustados de tal maneira que a folga entre o eixo e as bordas das alhetas seja mínima, permitindo apenas que o seu coeficiente de dilatação preencha o espaço em torno do eixo. b) Anéis de Carvão – são segmentos de carvão, formando um anel, e mantidos juntos ao redor do eixo, pressionados pela ação de uma mola helicoidal de tração. Em geral, os anéis são tripartidos em segmentos iguais, deixando apenas uma pequena folga entre o anel e o eixo, reduzindo ao mínimo a passagem de vapor. Para evitar que os anéis de carvão girem com o eixo, instalam-se dispositivos de trava.
Figura 3.4.2 – Engaxetamento labirinto e anéis de carvão.
Palhetas – o vapor, ao passar pelas palhetas aciona o rotor, no caso das palhetas fixas; ou direciona o fluxo do vapor para o próximo estágio, no caso das palhetas móveis. Acoplamento flexível – é flexível, pois absorve os esforços entre o rotor da turbina e a engrenagem redutora. Ajuda a diminuir pequenas diferenças no alinhamento, causadas por vibrações ou dilatações térmicas ou pequenos desalinhamentos provocados pelo uso continuo do equipamento.
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Figura 3.4.3 – Turbina em corte.
Estator – é a parte de ré ou descarga da turbina onde a temperatura estará mais baixa, tendo em vista que parte da energia calorífica do vapor já foi perdida na movimentação da turbina. A parte de vante é livre para se deslocar longitudinalmente. Normalmente, os estatores são bipartidos, a fim de permitir maior praticidade na desmontagem. A simples remoção da metade superior do estator permite pleno acesso a seu interior para inspeção e reparo. (Ver figuras 3.4.3 e 3.4.4) As faces justapostas das duas metades das carcaças são usinadas para formarem um conjunto estanque, ao final da montagem. Para reduzir a perda de calor para o exterior, os estatores possuem um Isolamento térmico.
Figura 3.4.4 – Carcaça de uma turbina.
Rotor – A função principal do rotor nas turbinas é transmitir o torque e o movimento de rotação para o eixo propulsor. É constituído de uma peça inteiriça e é balanceado para evitar vibrações durante o seu movimento de rotação. (Ver figura 3.4.5) Nas turbinas de reação, suporta: as fileiras de palhetas, o eixo e o tambor, formando o conjunto rotor. Nas turbinas de ação, a principal parte são os discos com suas palhetas montados sobre o rotor. As turbinas de alta rotação, devido ao aumento da força centrífuga, devem ter o rotor fabricado a partir de uma peça única, forjada e usinada.
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O Balanceamento de um conjunto rotativo é de extrema importância, uma vez que os pesos não estão distribuídos de modo uniforme e necessitam durante a operação de um movimento o mais suave possível. O balanceamento evita que tais vibrações possam danificar a turbina, tanto em operação em alta rotação quanto em baixa. Normalmente, a turbina, toda vez que for aberta, passará por um novo balanceamento.. Em baixa rotação, o excesso de vibrações pode fazer com que a turbina entre na faixa crítica, que é o momento em que todo o conjunto da turbina entrará em ressonância com o costado do navio, provocando grande vibração, podendo danificar os mancais de sustentação e de escora.
Figura 3.4.5 – Rotor.
Válvula de guarda – durante o funcionamento da turbina em regime de viagem, sua função é a de impedir a entrada de vapor acidental na turbina de marcha à ré. Essa válvula só será aberta por ocasião de o navio entrar em regime de manobra. Sistemas automáticos atuais controlam o funcionamento dessa válvula por ocasião do regime de manobra. Deflector de óleo – evita a contaminação do óleo lubrificante pela fuga de vapor ou contaminação de vapor pelo vazamento de óleo. Você acabou de estudar as principais partes de uma turbina a vapor, portanto faça a tarefa abaixo.
Tarefa 3.4
Responda. 3.4.1) Quais são as partes principais de uma turbina? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 3.4.2) Qual é a função do rotor? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
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3.4.3) Qual é a função das palhetas? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
3.5 CLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS A VAPOR, DE ACORDO COM O PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO, A DIREÇÃO DE FLUXO E O ARRANJO DOS ESTÁGIOS Observe o conjunto de figuras 3.5.1 e 3.5.2 e veja as diferenças básicas entre turbina de ação e turbina de reação: Ação
Ação Vapor Força
W Reação
Reação Vapor
Força
W Princípio de ação e princípio de reação
Turbina de ação e turbina de reação
Figura 3.5.1 – Diferenças conceituais entre turbina de ação/reação.
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Ação
Reação
Palhetas móveis
Palhetas móveis
Arco de expansores
Palhetas fixas
Velocidade
Pressão
Pressão
Velocidade
Figura 3.5.2 – Diferenças de palhetas de turbina de ação e de reação.
Você sabe qual é a diferença entre a turbina de ação e a de reação? Confira a classificação abaixo, e veja o que acorre em cada uma delas.
Turbina de Ação
Turbina de Reação
Queda de pressão no bloco de expansores fixos. No estágio de ação de pressão, o trabalho produzido atinge o valor máximo, quando a velocidade das palhetas for a metade da velocidade de entrada do vapor em seus canais. Observe as figuras acima com os seus gráficos.
A queda de pressão ocorre no conjunto palheta fixa/móvel, e a cada conjunto teremos um estágio.
3.5.1 Classificação quanto ao princípio de funcionamento Quanto ao princípio de funcionamento as turbinas podem ser do tipo: 1) Convergente Também chamado de De Laval. A velocidade do vapor aumenta em cerca de 1 mach (velocidade do som), quando do aumento da pressão de entrada. No entanto, quando a pressão inicial (P1) está cerca de 2 vezes a pressão de saída (P2), não haverá mais ganho de velocidade.Com isto, não precisamos aumentar a quantidade de vapor para a turbina que, neste momento, estará limitada pela passagem da garganta. A pressão máxima de vapor na garganta é chamada de pressão crítica.
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2) Convergente-divergente Também chamada de Rateau. Até a garganta, temos a mesma característica do convergente. Após a passagem pela garganta, o processo continua, ocorrendo, então, outro grande aumento de velocidade na seção divergente de saída. Por este motivo, chamamos o expansor convergente-divergente de supersônico. Observe o bocal de saída da figura 3.5.1.1.
Figura 3.5.1.1 – Diferença entre turbinas convergente/divergente.
Verifique seus conhecimentos. Responda à tarefa abaixo.
Tarefa 3.5.1 3.5.1.1) Como são classificadas as turbinas quanto ao princípio de funcionamento? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 3.5.1.2) Cite duas diferenças entre a turbina de ação e a turbina de reação. ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 3.5.2 O funcionamento do expansor de uma turbina a vapor A função principal do expansor é transformar a energia térmica do vapor em energia cinética. O expansor é o local de admissão do vapor. Seu formato próprio permite que ocorra uma queda de pressão e um aumento de velocidade no vapor. Além dessa função, o expansor orienta o fluxo de vapor para as palhetas móveis do rotor.
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3.5.3 Principais diferenças entre turbina de ação e turbina de reação
O rotor da turbina de ação tem maior rendimento em altas pressões, pois é menos pesado que o da turbina de reação.
O esforço axial é mínimo nas turbinas de ação, ao passo que nas de reação é grande.
As folgas radiais e axiais das turbinas de ação podem ser maiores desde que não comprometam a sua segurança.
Nas turbinas de reação, ao contrario, as folgas radiais têm que ser forçosamente muito pequenas.
Para uma mesma potência, a velocidade de rotação de uma turbina de reação é notadamente menor que a de ação similar, bem como maior rendimento em baixas pressões.
Nas turbinas de reação as perdas pelo atrito da passagem de vapor contra as palhetas é menor, devido à sua menor velocidade.
As turbinas de reação são de construção muito mais resistente que as turbinas de ação similares.
A título de enriquecer o seu conhecimento, cabe lembrar que existe uma outra turbina denominada: Turbina Mista – que é uma turbina de ação seguida de uma de reação. 3.5.4 Classificação da turbina quanto ao fluxo Fluxo direto Na turbina de fluxo direto, todo vapor admitido na máquina atravessa todos os estágios num único sentido. Confira a figura 3.5.4.1.
Figura 3.5.4.1
Indução
Na turbina de indução, o vapor é direcionado para duas posições de pressão diferentes, em locais diferentes. Admissão normal para os expansores do primeiro estágio e outra admissão de vapor, com menor pressão, em um estágio intermediário. (Ver figura 3.5.4.2). Figura 3.5.4.2
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Fluxo em contracorrente
Na turbina de fluxo em contracorrente, o vapor é admitido na parte central e se divide percorrendo trajetórias diferentes. Nesse caso, há dois bocais de saída de vapor. Veja a figura 3.5.4.3. Figura 3.5.4.3
Indução-extração
Na turbina de indução-extração, tanto ocorre injeção como retirada de vapor de um estágio intermediário. Trata-se de uma turbina mais complexa, mas com melhor rendimento. Veja a figura 3.5.4.4.
Figura 3.5.4.4
Fluxo dividido Na Turbina de fluxo dividido, na saída existe o último estágio com duas rodas que recebem vapor em fluxo cruzado. Cada roda recebe parte do fluxo de vapor admitido. Esse Sistema só é empregado em turbinas condensantes, conforme a figura 3.5.4.5. Figura 3.5.4.5
Tarefa 3.5.4 3.5.4.1) Como funciona um expansor? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 3.5.4.2) Estabeleça a diferença entre um expansor convergente e um expansor convergente – divergente? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
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3.5.5 Classificação da turbina quanto ao arranjo dos estágios Simples estágio
Apenas uma queda de pressão.
Múltiplos estágios Várias quedas de pressão. 3.5.6 Classificação da turbina pela pressão de descarga 1) Condensante A turbina condensante divide-se de acordo com a forma de funcionamento do seu condensador em atmosférica, operando nas pressões atmosféricas ou a vácuo, necessitando para isto de uma bomba para fazer vácuo ou arrastamento do vapor. Nas turbinas condensantes, a pressão na selagem no lado da admissão é positiva; e no lado do escape, é negativa. Portanto, existe a tendência de vazamento de vapor no lado de admissão e penetração de ar no lado de escape. Para minimizar o vazamento de vapor, no lado da admissão, pode-se empregar um ejetor para extraí-lo. Para impedir a infiltração de ar no lado de escape, a selagem de vapor será com uma pressão ligeiramente superior à pressão atmosférica. 2) Contrapressão Nas turbinas de contrapressão existe a tendência de vazamento de vapor para a atmosfera. Para minimizar a fuga de vapor, instala-se um duto na parte superior da caixa de selagem. Como nem todo o vapor é absorvido pelo duto, a quantidade remanescente pode ser retirada por meio de ejetores. Esses dois dispositivos podem ser empregados simultaneamente ou separadamente.
Que tal mais uma tarefa?
Tarefa 3.5.6 Responda. 3.5.6.1) Em qual local de uma turbina de ação ocorre a queda de pressão? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 3.5.6.2 ) Em que local de uma turbina de reação ocorre a queda de pressão? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
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3.6 PREPARAÇÃO E FUNCIONAMENTO DE UM SISTEMA DE PROPULSÃO DE TURBINA A VAPOR Antes de colocarmos uma instalação de vapor em funcionamento, precisamos seguir procedimentos que proporcionarão mais segurança e confiabilidade ao processo de operação. É importante sabermos que uma turbina opera com vapor superaquecido. 3.6.1 O uso da catraca A catraca é um dos principais acessórios de uma turbina (ver figuras 3.6.1.1 e 3.6.1.2). Ela é necessária quando precisamos acionar a turbina sem o uso de vapor. No início da operação, é deixada operando por pelo menos 8 horas para verificação correta de todas as partes móveis do equipamento. Utilizamos a catraca por ocasião de: aquecimento antes da partida; e secagem após manutenção.
Figura 3.6.1.1 – Catraca com seu motor elétrico.
Figura 3.6.1.2 – Condição de catraca engranzada.
3.6.2 A catraca numa instalação propulsora Nas figuras 3.6.1.1 e 3.6.1.2, temos a catraca de uma instalação propulsora. Como você pode ver, a catraca é engatada ou desengatada, pelo ¨braço de engate¨, que acopla ou desacopla a engrenagem existente no extremo do eixo ao pinhão de alta velocidade da turbina de alta, na engrenagem redutora. A catraca está normalmente situada na extremidade de ré da caixa da engrenagem redutora, do lado de alta pressão. Nas instalações propulsoras, uma vez movimentado um pinhão, todo o sistema (turbinas, engrenagens, eixo, hélice) é arrastado.
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Quais são os componentes de uma catraca? A catraca é composta por: motor elétrico com o seu respectivo painel de partida e parada; um cabo com botoeira de acionamento remoto do acoplamento; e um sistema de engate e desengate do motor com o eixo, polias e engrenagens. Veja mais detalhes em cada um de seus componentes. ACION ADO R
1) Motor elétrico e painel de partida e parada Dependendo do tipo de turbina e tamanho, o motor elétrico vai variar de potência na medida do peso a ser movimentado. O motor acionará a turbina nos 2 sentidos: para vante ou para ré como desejar o operador, girando a hélice a menos de 1 rpm. Após engranzar a catraca e ligar o motor elétrico, você deve observar, no amperímetro do painel, a amperagem do motor elétrico, pois um valor alto é indicativo de que existe algo travando o movimento das engrenagens. 2) Acoplamento O acoplamento entre o motor e o eixo da polia é de material plástico rígido ou PVC, de forma cilíndrica dentada internamente, que vai se romper em caso de esforço excessivo. 3) Sistema de engate/desengate do motor elétrico com o eixo O sistema funciona através de um braço, que encaixa a engrenagem dentada do motor elétrico com a engrenagem dentada da turbina. Quando você encaixar estes dois conjuntos de engrenagens, poderá então dizer que o conjunto está engranzado. Um sistema de proteção elétrico impede que acionemos a turbina em operação normal, se a catraca estiver engranzada.
3.6.3 Aquecimento – Colocando em operação uma instalação O período de aquecimento tem por finalidade elevar gradualmente a temperatura do conjunto da turbina até a temperatura de funcionamento determinada no Manual do Fabricante. O aquecimento do rotor deve ser uniforme, com a finalidade de evitar distorções. A catraca deve ficar em funcionamento contínuo, proporcionando através do seu movimento um aquecimento homogêneo. O aquecimento da turbina é feito pela irradiação do calor do vapor de selagem, dos 225 PRO 01
engaxetamentos de labirinto e do vapor principal retido no cofre de vapor com as válvulas parcializadoras fechadas. A importância da aplicação da catraca é vista pelo fato de o lado da descarga da turbina, localizado na parte inferior, ser ligado ao condensador a vácuo (baixa temperatura) e pelo fato de o lado da admissão de vapor, na parte superior, ser ligado ao cofre de vapor (alta temperatura). Essas distorções de temperatura podem levar ao empeno do rotor e graves avarias. Portanto, o aquecimento deverá ser gradual e uniforme. As bombas de óleo lubrificante que operam para a turbina principal deverão estar em operação. O condensador, se for a vácuo, deverá já estar com seu vácuo em, no mínimo, 98%. Após termos a turbina propulsora em aquecimento girando pela catraca, devemos começar a preparar a máquina para manobra e posterior regime de viagem. Deverão ser verificados: vácuo adequado; válvulas principais de vapor comunicadas; redes drenadas; circulação e nível do condensador principal normais; lubrificação normal. Que tal uma parada? Aproveite, faça um alongamento e depois verifique o que aprendeu.
Tarefa 3.6.3 Responda. 3.6.3.1) Quais são as principais funções de uma catraca? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 3.6.3.2) Como funcionam os sistemas de engate/desengate do motor da catraca com o eixo? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 3.6.3.3) Qual é o tipo de material utilizado no acoplamento entre o motor e o eixo da polia? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
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3.6.4 Preparação para colocarmos em operação uma instalação
1
Para que tenhamos uma circulação correta no condensador do ejeto, necessitamos de um fluxo contínuo de condensado. A quantidade de drenagens e descargas para o condensador só é conseguida com a turbina em operação no regime de viagem, pois somente nesta condição toda a planta geradora de vapor estará operando.
2
Na condição de navio parado, em preparação, abriremos a válvula de recirculação de condensado com a finalidade de mantermos o nível de condensado no condensador principal estável e um fluxo adequado desse condensado na circulação do condensador de ejeto e condensador de selagem, evitando com isto a presença de bolhas de ar, que poderiam provocar a cavitação da bomba.
3
Nas instalações com automação, essa recirculação é feita por uma válvula automática comandada por um controlador de nível do condensador principal.
4
Desligaremos a catraca, desengranzando-a e desligando seu motor elétrico.
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Com a turbina livre e a devida permissão do passadiço, informando que a popa está clara, você vai iniciar o balanceamento da turbina, que consiste em liberar jatos de vapor na turbina de vante e na turbina de ré, alternadamente, levando-a a baixas rotações nos dois sentidos. Este procedimento é de extrema importância para verificar se a turbina encontra-se solta e pronta a operar. Nos sistemas modernos, esse aquecimento é feito automaticamente, ligando a chave no painel de controle. Isso leva a turbina a 5 rpm para vante e para ré, seguidamente, em intervalos programados.
No caso de aquecimento irregular, poderemos ter casos de empeno dos rotores. 6
Checar a pressão e temperatura de óleo lubrificante nos mancais, bem como o funcionamento da bomba de óleo lubrificante, deixando a bomba reserva no modo stand-by.
7
Verificar a qualidade e o nível de óleo lubrificante no poceto.
8
Deixar o purificador de óleo lubrificante operando de forma contínua.
9
Como abordado no item 1, deixar o condensador alimentado e colocar a bomba reserva em “modo automático”.
10 Verificar a temperatura da água salgada na saída do condensador.
11 Realizar monitoração contínua do vácuo no condensador, devendo este sempre estar na faixa de 99%.
Nas turbinas condensantes, onde temos uma baixa temperatura de vapor no lado de descarga do condensador e alta temperatura do vapor no lado de admissão, o risco de empeno é ainda maior. Durante a fase de manobra, os drenos do estator e da rede de vapor devem permanecer abertos para evitarmos risco de umidade na palheta da turbina.
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3.6.5 Avarias mais comuns das turbinas propulsoras e os procedimentos adequados para prevenir ou solucionar o problema. a) Projeção É o arrastamento de vapor com água para a turbina. Ocorre quando as caldeiras principais operam com nível de água muito alto. Instalações automáticas param inclusive a bomba de alimentação da caldeira, evitando danos ainda maiores. É previsto alarme de nível alto–alto (HH) na caldeira além do alarme de nível alto alertando o operador. A principal avaria é prevista nas normas de segurança obrigatórias pela Convenção SOLAS (edição 2004), regra 32, item 3 “caldeiras aquatubulares para turbinas propulsoras deverão estar providas de alarme de nível alto de água”. b) Circulação do condensador A falta de circulação de água salgada no condensador provoca a queda do vácuo e excessiva contrapressão na descarga da turbina, fazendo com que o sistema de proteção atue, desarmando a turbina. O aquecimento excessivo poderá causar inclusive dilatação excessiva nos tubos do condensador, o que provocará contaminação por água salgada de todo o sistema de condensado. c) Queda de vácuo Temos a queda do vácuo pelos seguintes motivos abaixo. A) Deficiência de água de circulação no condensador. Deve-se verificar as manobras das válvulas de água salgada, procurando meios de aumentar a circulação. Limpar os ralos de água salgada obstruídos. Trocar de ralo de aspiração e/ou de bomba. B) Condensador sujo Durante a atracação ou fundeio, o sistema de caixas de mar do navio pode apresentar sujeiras por mariscos, plásticos e outras sujeiras comuns à água nos portos. Por ocasião da saída dos portos, ao aumentarmos a carga de vapor no condensador, verificar se os condensadores estão sujos e se necessitam de limpeza; o procedimento deverá ser efetuado na primeira oportunidade. É necessária uma atenção especial quando a navegação for efetuada de uma região de água fria para uma de águas tropicais ou, mesmo, em navegação por rios. C) Ejetor de vapor com baixo rendimento Tubo de circulação do condensador furado, vazando água para o lado de drenagem de vapor, alagando o interior do condensador de ejeto. Vapor para o ejetor com pressão baixa. Verificar a razão da queda e aumentar a pressão do vapor. D) Nível alto de condensado no poço do condensador O nível alto provoca a queda de vácuo no condensador e pode ser causado pela falha do sistema de controle de nível ou falha da bomba de condensado.
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E) Arrastamento de sólidos O excesso de contaminantes na caldeira é conduzido para o sistema de vapor, danificando válvulas e juntas. Nas turbinas, ocorrem os danos nas palhetas e expansores, prejudicando o rendimento na máquina e provocando o desbalanceamento do conjunto. O vapor seco torna-se saturado pelo excesso de contaminantes, o que provoca repetidos “martelos hidráulicos” nas redes e variações de nível nas caldeiras. Isso torna impossível o seu controle automático. Em curto prazo, temos também avarias nos tubos das caldeiras. F) Outros Neste item, encontramos as penetrações de ar no sistema de vácuo através de válvulas inadvertidamente abertas, furos em redes, expansões e juntas. Temos ainda as penetrações de ar através de gaxetas e selos de bombas de condensado.
3.6.6 Vapor de Selagem O vapor de selagem já utilizado segue para o condensador de selagem, através da bomba de condensado. O vapor é, então, condensado pela ação da troca de calor, participando do aquecimento da água de alimentação. Com a turbina em “condição de aquecimento”, o vapor de selagem é distribuído pelo regulador para os labirintos nos lados de vante e ré das turbinas de alta e baixa pressão. Com a gradual admissão de vapor para o acionamento da turbina, lentamente a pressão nos labirintos torna-se superior ao vapor fornecido para selagem. Depois de um certo tempo, não existirá mais a necessidade desse vapor. A partir desse momento, a turbina é chamada de “auto selada”. I M P O R T A N T E : O equilíbrio entre a pressão do vapor de selagem fornecido e o
sistema de vedação segue orientações do fabricante. Entretanto, devemos levar em conta que o importante é que não tenhamos pressão excessiva a fim de não forçarmos o sistema de vedação, o que provocará vazamento de vapor para o exterior. Tampouco deve haver pressão baixa, que provoque penetração de ar através dos engaxetamentos. Antes de passar para a próxima subunidade, verifique o que aprendeu.
Tarefa 3.6.6
Responda. 3.6.6.1) Como é feito o aquecimento da turbina? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
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3.6.6.2) Quais são as avarias mais comuns em uma instalação de turbina a vapor? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
3.7 CICLOS DE OPERAÇÃO 3.7.1 Ciclo de Rankine Observe na figura 3.7 que, pelo sentido da seta, o vapor produzido pela caldeira segue diretamente para acionar a turbina. Após produzir esse trabalho, o mesmo vapor, já sem parte de sua temperatura, perdida pela produção de trabalho para acionamento do eixo da turbina, segue seu circuito dirigindo-se ao condensador, onde, ao trocar calor com a água do mar, liquefaz-se, armazenando-se na forma líquida em um reservatório chamado de cisterna. A partir daí, uma bomba aspira essa água novamente, enviando-a para a tubulação da caldeira, para iniciar-se, então, um novo ciclo de geração de vapor. Esse ciclo de operação é chamado de Ciclo de Rankine. Esta operação, como você verificou, é a forma mais simples de criarmos uma instalação de vapor, pois aciona de forma direta o palhetamento de uma turbina. Naturalmente, podemos melhorar a performance desse circuito se acrescentarmos mais alguma coisa, o que veremos mais adiante.
Figura 3.7 - Ciclo de Rankine.
3.7.2 Ciclo com reaquecimento Procure entender que, se aumentarmos a temperatura do vapor que acionará a turbina, mais energia na forma de calor estará disponível (energia potencial). Em conseqüência, haverá maior velocidade na passagem desse mesmo vapor nas palhetas do equipamento e, com isso, maior rotação e se obterá maior trabalho. Instalaremos, então, um equipamento chamado de SUPERAQUECEDOR, que, como o próprio nome já diz, superaquece o vapor gerado na caldeira, retirando o resto de umidade dele, através de um novo ciclo de aquecimento, DANDO-LHE MAIS ENERGIA. Com isto, o
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vapor ganhará temperatura, produzindo mais trabalho na turbina, propiciando uma melhora considerável ao rendimento de todo o sistema. Todo o vapor admitido na máquina (turbina) é expandido em um estágio intermediário, de onde ele é retirado para ser reaquecido no SUPERAQUECEDOR e reinjetado no estágio seguinte da turbina e prossegue, expandindo-se até sua saída e retorno para ser condensado e armazenado na cisterna para nova reutilização. (Ver figuras 3.7.2.1 e 3.7.2.2)
Figura 3.7.2.1 – Ciclo com reaquecimento.
Figura 3.7.2.2 - Reaquecimento ou reheat cicle.
3.7.3 Ciclo com Regeneração 1 Na Turbina de extração, parte do vapor admitido é retirado de um estágio intermediário da máquina. Esse vapor de extração pode ser utilizado para aquecimento em turbinas de pequena potência. Podemos ter, de acordo com o projeto da instalação, a retirada de vapor de dois ou mais estágios intermediários. (Ver figuras 3.7.3.1 e 3.7.3.2). O sistema de controle de uma turbina de extração atua simultaneamente, tanto nas válvulas de admissão quanto nas válvulas de extração, mantendo o sistema em equilíbrio. O controle da extração pode ser automático ou não automático. O mais importante é manter o fluxo de vapor constante, dando assim continuidade a rotação da turbina, quaisquer que sejam as variações de potência solicitadas. 2 Na turbina de extração não automática, a pressão do vapor retirado de um estágio intermediário varia conforme a solicitação de potência pela máquina acionada. Confira nas figuras 3.7.3.1 e 3.7.3.2.
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Figura 3.7.3.1 – Ciclo com regeneração.
Figura 3.7.3.2 – Circuito com regeneração.
Que tal aquecer a turbina do conhecimento e colocá-lo em prática com mais uma tarefa?
Tarefa 3.7.3
Responda. 3.7.3.1) Quais são os três ciclos básicos usados em um sistema de vapor? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 3.7.3.2) Qual é a principal diferença entre o ciclo de Rankine e o ciclo com reaquecimento? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ Parabéns, você concluiu com sucesso esta subunidade. Entretanto, temos ainda o que aprender. Veja, agora, pela figura 3.8.1.1, como são os componentes de um sistema de vapor superaquecido.
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3.8 A N Á L I S E S D O S C O M P O N E N T E S D E U M S I S T E M A D E V A P O R SUPERAQUECIDO 3.8.1 Equipamentos Aquecedores de água de alimentação
Localizam-se na linha de alimentação de água da caldeira, efetuando a troca de calor entre a água de alimentação e o vapor saturado ou desuperaquecido e a baixa pressão que, por sua vez, é controlada por válvulas redutoras de pressão. É importante lembrar que, se colocarmos a temperatura da água de alimentação próxima do ponto de ebulição, menor energia calorífica será gasta para vaporizarmos essa mesma água. Nos aquecedores de água de alimentação de alta pressão, normalmente o vapor usado como fonte calorífica é drenado para o desarejador.
Aquecedor de baixa pressão Instalado na rede de condensado, após o condensador do vapor de selagem Economizador
Sua fonte calorífica é proveniente dos gases de combustão da fornalha. O fluxo de água é controlado por uma válvula automática. Fornece energia calorífica para a água que vai ser vaporizada.
Figura 3.8.1.1 – Sistema de vapor superaquecido.
233 PRO 01
Tanque de destilado
Armazena toda a produção de água dos destiladores. Normalmente, a cada quatro horas, é feita uma análise da qualidade dessa água quanto a dureza, acidez e salinidade. Desarejador
Retira o excesso de oxigênio livre da água de alimentação, aproveitando o vapor de descarga da turbobomba de alimentação como fonte calorífica. Turbina da bomba de alimentação Motor propulsor da bomba. Utiliza vapor dessuperaquecido, descarregando o desarejador. Bomba de alimentação
É alimentada pelo desarejador, aumentando a pressão de alimentação acima da pressão de trabalho da caldeira. Superaquecedor - fornece energia calorífica ao vapor saturado oriundo da caldeira, para que com esse aumento do gradiente de energia ele possa ser usado na turbina. Dessuperaquecedor - abaixa a temperatura do vapor superaquecido. Os demais equipamentos auxiliares, como turbobombas e aquecedores, usam vapor com menor temperatura, reduzindo com isto o custo da instalação. Condensador de selagem Serve como condensador do excesso de vapor de selagem descarregado pela turbina. Válvula de corte rápido
Responsável pelo corte imediato da pressão de vapor para a turbina. Normalmente, é comandada à distância por razões óbvias de segurança. Pode ser comandada mecânica, hidráulica e pneumaticamente. Confira na figura 3.8.1.2.
Observe com mais detalhes o aquecedor de água de alimentação, na figura 3.8.1.3.
Figura 3.8.1.2 – Válvula de corte Rápido. Figura 3.8.1.3 – Aquecedor de água de alimentação.
234
Tarefa 3.8.1
Agora que você já conhece os componentes de um sistema de vapor, responda às perguntas abaixo. 3.8.1.1) Para que servem os aquecedores de água de alimentação? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 3.8.1.2) Qual é a função do economizador? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
3.9 SISTEMAS DE PROTEÇÃO 3.9.1 Limitador de velocidade em uma turbina A Convenção SOLAS, no capítulo II-1 regra 27, item 1, determina a necessidade de mecanismo capaz de proteger o equipamento e o operador de um súbito aumento de velocidade em uma turbina. “Quando houver risco de excesso de velocidade nas máquinas, deverá haver meios que garantam que a velocidade de segurança não seja excedida”. Ao ser acionado o limitador, uma válvula irá fechar, cortando o vapor de acionamento da turbina. A rotação de corte é geralmente cerca de 10% acima da rotação de trabalho, mas a rotação correta varia de acordo com o fabricante. Exemplo de sistema de corte /regulagem de velocidade com atuação hidráulica de válvulas solenóides. Observe, nas figuras 3.9.1 e 3.9.2, que a válvula solenóide libera um sinal para corte do vapor para a turbina.
235 PRO 01
Figura 3.9.1 – Limitador de velocidade hidráulico.
O sistema de corte será acionado toda a vez que houver risco para a i n s ta l a ç ã o . Veja abaixo alguns meios pelos quais este sistema de corte opera. a) Pressão alta no sistema de óleo lubrificante – sendo a bomba de óleo lubrificante acoplada ao pinhão da redutora, desenvolve a bomba uma rotação constante gerando uma pressão de óleo lubrificante fixa para os mancais. No caso de um aumento de velocidade (rotação) da turbina, teremos, como observado no parágrafo anterior, um aumento de pressão de óleo lubrificante, que, por sua vez, acionará um pressostato que acionará uma válvula solenóide. Esta, então, cortará o óleo lubrificante de acionamento da válvula de vapor do limitador, desarmando a turbina. Através de indicador eletrônico de velocidade – o sistema de indicação de rotação por minuto (rpm) por sensor eletrônico vem sendo muito usado para indicação de rotações de turbinas e motores. O sinal desse indicador também é enviado para um sistema eletrônico, que acionará o dispositivo de desarme. b) O sistema de massas – este velho sistema, apesar de antigo, ainda é usado em muitos equipamentos.
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Combinação de dois ou até mais sistemas para um maior nível de proteção. (Regulagem do limitador de velocidade) Inicialmente devemos consultar o manual do fabricante ou mesmo a experiência de bordo (se houver a necessidade operacional para que a turbina desarme em uma determinada rotação). No caso da alta pressão de óleo lubrificante, exigirá uma nova regulagem do pressostato que vai definir uma nova rpm de desarme. No caso do indicador eletrônico de velocidade) deverá ser regulada a voltagem do sinal de acionamento do sistema de desarme.
Diafragma pneumático
Válvula agulha de acionamento local
Válvula agulha de acionamento remoto
Diafragma
Acionamento pelo eixo da turbina
Bomba de óleo Válvula de controle de admissão
Alavanca de transmissão
Vapor para expansores
Admissão de vapor
Figura 3.9.2 – Diagrama do circuito de atuação de um sistema de corte.
Na figura 3.9.2, observe todo o circuito de atuação pneumática que transmite a informação de corte, atuando diretamente na válvula garganta por meio de um instrumento amplificador de força, que vai liberar pressão de óleo hidráulico e atuar em um controlador hidráulico de velocidade.
237 PRO 01
Observe, a seguir, que nas figuras 3.9.3 e 3.9.4 temos 2 modelos de sistema de corte/regulagem de velocidade.
Figura 3.9.3 – Controlador hidráulico de velocidade.
Na figura 3.9.3, temos o controlador hidráulico de velocidade de forma mais detalhada.
Figura 3.9.4 – Regulador de Velocidade com ajuste pneumático.
Acima, temos uma forma pneumática de controlar a rotação de uma turbina através de um regulador de velocidade pneumático. Após a análise das figuras 3.9.1 a 3.9.4, certamente você já aqueceu a turbina do conhecimento. Portanto, realize a tarefa a seguir.
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Tarefa 3.9.1
3.9.1.1) Qual é o organismo internacional que determina a necessidade de limite de velocidade em uma turbina? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 3.9.1.2) Como funciona o sistema de corte de vapor quando acionado por alta pressão de óleo lubrificante? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 3.9.1.3) Quais são os quatro principais meios de corte de vapor em uma instalação de turbina? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ Você concluiu com sucesso esta subunidade. Avance para o próximo assunto.
Você sabe como funciona a engrenagem redutora na instalação? Veja como isso acontece.
3.10 FUNCIONAMENTO DA ENGRENAGEM REDUTORA NA INSTALAÇÃO A função da engrenagem redutora é a de conciliar a necessidade da alta velocidade da turbina com a obrigatoriedade da baixa velocidade do propulsor, evitando a cavitação do hélice, ou ainda, no caso de um turbogerador, adequando a rotação do turbo com o consumo do equipamento (gerador, bomba, compressor, etc.), sem que com isto haja um esforço acentuado nos mancais. 3 . 1 0 . 1 Diferença entre engrenagens redutoras de simples redução e de dupla redução Razão da redução de velocidade – as engrenagens de simples redução são construídas com uma razão de redução de até 20 para 1. Nas de dupla redução, a razão será até de 45 para 1. Diferenças quanto à constituição física - o rendimento das redutoras vai de 97,5 a 98,5 nas de simples redução, e de 95 a 97%, nas de dupla redução.
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A lubrificação dos mancais das redutoras é feito sob pressão (lubrificação forçada), sendo também borrifado óleo lubrificante nas engrenagens através de esguichos. Os jatos dos esguichos incidem diretamente entre as engrenagens, a fim de manter sempre uma película de óleo entre as engrenagens. Para que o funcionamento seja suave e silencioso, com distribuição de esforços uniformes ao longo dos dentes, os dentes das engrenagens apresentam a forma helicoidal. IMPORTANTE: Nenhuma engrenagem deve trabalhar mergulhada em óleo lubrificante, pois ocasionaria a formação de espuma, além de resistência mecânica desnecessária no movimento do rotor. A fim de evitar a perda de óleo por evaporação e para retirar a umidade do interior da caixa, algumas unidades possuem uma instalação frigorífica do tipo “secador de ar”.
Tarefa 3.10.1
Com base no que você acaba de estudar, responda. Qual é a função de uma engrenagem redutora? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
3.11 MANCAIS DE UMA TURBINA A VAPOR Observe que, na figura 3.11.1, onde se encontram os círculos vermelhos, que mostra onde estão localizados os mancais de sustentação, que permitem o alinhamento do eixo.
Figura 3.11.1 – Mancais do eixo de uma turbina.
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Figura 3.11.2 – Peças componentes de um engaxetamento do eixo.
Nesta figura observe as peças que compõem um sistema de Mancais de um Eixo. Casquilho É a peça que recebe todo o impacto de temperatura e vibração do mancal. Observe, na figura 3.11.3 abaixo, que o casquilho é bipartido e que possui um orifício para circulação do óleo lubrificante.
Figura 3.11.3 – Casquilhos.
Devido ao esforço que suportam, os mancais podem ser: radiais; axiais ou de escora; e mistos (combinação de radial e axial).
241 PRO 01
Também os mancais são classificados em, função do atrito, de: Deslizamento os mancais radiais de deslizamento são ajustados com um diâmetro interno 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, introdução e distribuição de lubrificante e neutralizar pequenos desalinhamentos. Rolamento usados em instalações com alta rotação da turbina. O desenvolvimento da indústria de óleos lubrificantes permitiu à indústria de turbinas a fabricar equipamentos com maior potência, exigindo com isso maiores esforços nos mancais. Esse desenvolvimento deve-se ao fato da inclusão de aditivos que aumentam de forma considerável as propriedades lubrificantes e refrigerantes dos fluidos lubrificantes modernos. 3.11.1 Diferenças entre mancais de sustentação e de escora Mancal de sustentação
Mancal de escora
Suporta os esforços radiais do rotor.
Suporta o esforço axial do conjunto do rotor.
É responsável pela manutenção das folgas radiais entre o conjunto rotativo e as partes estacionárias.
O mancal axial é responsável pela manutenção das folgas axiais. As turbinas, sejam elas de ação, sejam de reação, usam mancal de escora de deslizamento.
O tipo mais empregado de mancal de escora é o mancal de sapatas oscilantes, conhecido pelo nome de seu inventor, Kingsbury. Basicamente, é um colar preso ao eixo e de várias sapatas pivotadas em anéis, chamados anéis de nivelamento. A força axial que se manifesta numa turbina de reação é muito maior que, numa turbina de ação, devido à diferença de pressão existente nos dois lados das palhetas. Para minimizar essa força no mancal de escora, os fabricantes desenvolveram um pistão de balanceamento, instalado no eixo da turbina, do lado da admissão do vapor, que aciona de forma hidráulica, compensando o efeito de torção do eixo. As turbinas de um modo geral possuem dois mancais radiais e um axial ou de escora.
Tarefa 3.11.1
Agora, que você já sabe como funciona a engrenagem redutora, responda à tarefa a seguir.
242
3.11.1.1) Qual é o nome do equipamento que evita a perda de óleo lubrificante por evaporação em uma engrenagem redutora? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 3.11.1.2) Quanto ao esforço que suportam, quais são os tipos de mancal que existem? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ Veja agora como funciona o sistema de engaxetamento da turbina.
3.12 ENGAXETAMENTO Nos pontos onde o eixo atravessa a carcaça, se a pressão no seu interior for inferior à pressão atmosférica (caso das turbinas de condensação), haverá infiltração de ar para dentro da turbina. A infiltração de ar tende a elevar a pressão no condensador reduzindo o rendimento da turbina. Em situação inversa, se a pressão no seu interior for maior, haverá vazamento de vapor para o exterior. O vazamento de vapor também reduz o rendimento da turbina, além de aumentar o consumo específico de vapor. Daí, então, a necessidade de se reduzirem ao mínimo as perdas provocadas por fugas de vapor ou por infiltração de ar dentro da turbina. Em turbinas com pressões de trabalho acima da pressão atmosférica, temos que evitar vazamentos de vapor entre as vedações das saídas para os mancais do eixo do rotor e o corpo do estator. Neste caso, o vazamento de vapor causará desconforto ao homem na praça de máquinas e desperdício de energia. Em turbinas com pressões de trabalho abaixo da pressão atmosférica, o engaxetamento evita a entrada de ar entre as vedações das saídas para os mancais do eixo do rotor e o corpo do estator. Neste caso, a entrada de ar causará perda de vácuo no condensador, reduzindo o rendimento da turbina e danos à instalação. O sistema de desarme das turbinas atua no caso de contrapressão excessiva (perda de vácuo). Nos danos à instalação, podemos citar o aquecimento do condensador, que provoca danos ao revestimento interno de neoprene e perda de vedação no mandrilhamento dos tubos do condensador, causando contaminação por água salgada no sistema de condensado. Observe na figura 3.12.1 a seguir, toda a distribuição do vapor de selagem.
243 PRO 01
Figura 3.12.1 – Sistema de selagem em um conjunto de turbina.
3.12.1 Tipos de engaxetamento Os principais sistemas de selagem utilizados nas turbinas, nas saídas do eixo pelo estator, em que encontramos labirintos, são anéis de carvão ou misto.
Figura 3.12.1.1 – Mancal de turbina.
Você se lembra do que é uma turbina auto-selada?
244
3.12.2 Sistema de Selagem Automático As turbinas atuais utilizam-se de sistemas de selagem automática com conseqüente aumento do nível de segurança da sua operação. Pressostatos indicam e controlam a quantidade de vapor que efetuará a vedação do conjunto t u rb i n a . Observe que na figura 3.12.2.1 a seguir, a parte mais escura representa o circuito de vapor de selagem automática.
Figura 3.12.2.1 – Sistema de selagem automática.
Veja na figura 3.12.2.2, o Eixo do engaxetamento labirinto com seu ponto de extração.
Figura 3.12.2.2 – Ponto de extração do engaxetamento labirinto.
245 PRO 01
Que tal uma parada para refletir sobre o que aprendeu até aqui?
Tarefa 3.12.1
Responda. 3.12.1.1) Quais são os tipos de engaxetamento que existem? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 3.12.1.2) Descreva duas conseqüências que podem ocorrer em uma turbina caso ocorra perda de engaxetamento. ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ Para que você possa ter sucesso nesta unidade, finalizaremos com o assunto que trata da rotina de uma máquina dispensada.
3.13 OPERAÇÕES DE ROTINA PARA ATENDER AS CONDIÇÕES DE MÁQUINA DISPENSADA 3.13.1 Preparação/cuidados para colocarmos em operação Encontramos nas instalações com automação moderna um nível de segurança muito avançado, pois o trabalho de controle de variações de pressão, nível e temperatura são controlados e monitorados de modo razoável, não causando maiores transtornos. As pequenas variações de rotação da turbina provocam alterações ligeiras nas caldeiras principais e as entradas e saídas de queimadores são bem controladas. A exceção fica por conta da manobra de “TODA FORÇA A RÉ” que, ao consumir em um curto espaço de tempo uma imensa massa de vapor, traz a caldeira de uma condição de baixa produção à produção máxima em cerca de minutos. As variáveis do sistema afetam desde a capacidade da bomba de alimentação ao controle de nível do desarejador. A temperatura do corpo do condensador começa a se elevar e a queda de vácuo aos poucos vai sendo notada. O rápido aumento de produção de vapor solicita a utilização de todos os queimadores e por algum tempo pode chegar a descontrolar a ventilação de tiragem forçada. Passados alguns minutos, temos a parada da máquina, trazendo todo o sistema para uma condição mínima em pouco tempo.
246
Neste caso, é o atraso do controle no sistema de combustão que poderá provocar o disparo de alguma válvula de segurança da caldeira ou do sistema. 3.13.2 Principais problemas para colocarmos em operação Válvula de manobra de vapor de marcha avante trancada por aperto excessivo. Apertos em demasia na válvula ainda fria e posterior dilatação por ocasião do aquecimento da rede de vapor provocam esta anormalidade e deve ser evitado. Vácuo insuficiente no condensador principal. A falta de vácuo acarretará consumo de maior massa de vapor. Pressão e temperatura de vapor na rede principal insuficientes. Será necessária maior abertura de vapor para o início de funcionamento da turbina. Após reparo na turbina, temos a possibilidade de aperto excessivo nos mancais, alterando as folgas axiais, o que causará dificuldades na partida da turbina. Neste caso, a turbina deverá ser parada imediatamente para não termos avarias nos mancais e no eixo. 3.13.3 Operações de rotina com o navio em regime de viagem Com a embarcação em regime de viagem, devemos procurar os seguintes objetivos: Balanço térmico colocar a planta dentro do projeto básico com as sangrias abertas. Economia Parar os equipamentos operados a vapor desnecessários; e, fechar ou reduzir o fluxo de vapor para os equipamentos fora de uso. Isolar ou reduzir a circulação de água salgada para condensadores fora de uso. Como exemplo temos o condensador das turbinas das bombas de carga e guinchos a vapor do convés. 3.13.4 Operação dos Sistemas de geração de energia elétrica com turbina a vapor A operação de sistemas a vapor é entendida como a operação de um conjunto de equipamentos que fazem parte, como já vimos, do ciclo de vapor. Nestes equipamentos temos as caldeiras, turbinas, condensadores, bombas diversas e aquecedores. O ciclo funciona em série, retornando sempre ao ponto inicial. Assim sendo, qualquer equipamento do circuito é critico. Qualquer falha em um item do circuito terá conseqüência nos itens subseqüentes, daí a importância da pronta intervenção dos sistemas supervisórios automáticos de controle e segurança. A perda da geração de energia elétrica pode ter conseqüências imprevisíveis caso ocorra em canais ou áreas de trafego intenso. O ponto crítico muitas vezes está na caldeira e em seus inúmeros inputs: de água de 247 PRO 01
alimentação, óleo combustível e ar de tiragem. As caldeiras, seja qual for a capacidade, terão sempre o combustível armazenado, aquecido e bombeado sob pressão para os queimadores. O risco de incêndio por vazamento de combustível é um risco sempre a ser avaliado e cuidados devem ser tomados no que diz respeito à limpeza da área e ao manuseio de equipamentos ligados ao sistema de óleo combustível. A ruptura de juntas e furos em redes de vapor devem ser também esperados, não obstante uma manutenção cuidadosa. O barulho e o calor seguido ao vazamento de vapor deixa inicialmente o operador mais despreparado sem iniciativa, contudo, a prática o ensinará como atuar de modo seguro. A deficiência ou falta de água de circulação para os condensadores ocasiona logo a perda de vácuo e seu aquecimento. A redução ou parada da turbina e providências na recuperação da circulação devem ser feitas de imediato, para impedir danos ao condensador com real possibilidade de salgamento do sistema de condensado. A perda da turbina de geração de energia elétrica é a que pede uma solução mais imediata. Nas instalações modernas, esse procedimento é efetuado de forma automática, pois com os geradores diesel de reserva tendo capacidade semelhante ao turbogerador na instalação, fica mais simples a recuperação do sistema. O apagamento repentino de uma instalação a vapor, mesmo com o pronto restabelecimento da energia elétrica através dos diesel-geradores de reserva, é um transtorno que sempre deverá ser evitado. Neste caso, todas as caldeiras e turbinas desarmam e o reacendimento das caldeiras e turbinas é sempre manual e demorado, o que exige grande atenção. Após a normalização do sistema de vapor, é feita a comunicação às turbinas e a rotação é restabelecida. 3.13.5 Condições de máquina dispensada Após a seqüência de manobras para saída do porto, é finalmente a máquina dispensada; e, a partir deste momento, iniciam-se os procedimentos para colocar a máquina propulsora em “regime de viagem”. Alguns procedimentos deverão ser seguidos, a saber: 1
Fechar os drenos das turbinas e do quadro de manobras.
2
Fechar a válvula de guarda da turbina de marcha à ré.
3
Fechar a válvula de recirculação do condensador (caso seja controle manual). Observar o nível do condensado no nível do condensador.
4
248
Abrir de modo gradual até 100% de abertura, a válvula de manobra de marcha a vante. Observar o vácuo e as temperaturas de entrada e saída de água salgada de circulação do condensador. Verificar a pressão do vapor de selagem.
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Caso a abertura das válvulas de sangria seja proporcional à carga da turbina, abrir a sangria para o aquecedor de água de alimentação de água de baixa pressão. As demais sangrias serão abertas conforme for aumentada a carga (abertura de mais válvulas expansoras), alcançando a rotação normal de viagem.
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Verificar o aumento de temperatura dos mancais da turbinas, redutoras e mancais do eixo propulsor.
3.13.6 Secagem-Parada É o processo inverso do aquecimento. A catraca e a bomba de óleo lubrificante devem ficar funcionando até que todo o calor tenha sido retirado do conjunto da turbina. Neste caso, o vapor principal e o de selagem são fechados e desfeitas as manobras do ejetor de ar. O condensador principal continua sendo circulado auxiliando na queda de temperatura da turbina. Atenção! Não se deve parar a catraca e as bombas de óleo lubrificante e de circulação de água salgada, sem a devida vistoria nas temperaturas das partes quentes, pois o calor remanescente volta em seguida, aquecendo o condensador e os mancais . 3.13.7 Manutenção e reparos Neste caso, usamos a catraca por ocasião de reparos ou manutenção, mudando a posição do eixo, hélice, turbina e engrenagens para as inspeções, medições ou reparos requeridos. A catraca é usada nas ocasiões de falta de programação ou desativação do navio (laidup), pois mantemos todas as máquinas paradas. É importante que uma rotina programada de acionamento da catraca e da bomba de óleo lubrificante seja efetuada. É importante que uma rotina já esteja preparada antes de colocarmos o navio em condição de ¨desativado¨ e deve ser mantida durante todo o período em que o navio estiver em ¨laid-up¨. Evitamos com isso a ferrugem nas redutoras e danos aos mancais, o que é feito com o simples funcionamento da bomba de óleo lubrificante e giro da catraca por cerca de 15 minutos por dia, colocando um filme de óleo lubrificante nos dentes das engrenagens e mancais e mudando a posição do eixo e do rotor. Numa turbina de menor porte como uma bomba de carga ou um turbogerador, o acionamento da catraca é manual. Com uma chave do tipo ¨chave de catraca¨, colocada em um quadrado ligado ao pinhão da redutora, acionamos manualmente a turbina durante o período de aquecimento ou de parada. Parabéns você concluiu com sucesso essa unidade.
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Considerações finais Com base no que foi estudado, você está apto a entender corretamente todo o ciclo de geração de vapor e sua aplicação como forma de propulsão ou mesmo como gerador de energia elétrica. Todos os modelos de turbina e troca de calor, como você verificou, possuem os mesmos princípios. Você agora possui o conhecimento necessário para a operação deste modelo energético. Muito bem! Você terminou com sucesso a unidade 4. Agora, verifique o que aprendeu realizando o teste de auto-avaliação.
Teste de Auto-Avaliação da Unidade 3
I) Marque V ou F: 3.1.a) Os tipos de anel de vedação que existem são: anéis de labirinto e anéis de carvão. 3.1.b) A função da válvula de guarda é permitir um maior aproveitamento do vapor. 3.1.c) A função do deflector de óleo é proteger o mancal de sustentação evitando vazamentos pelo engaxetamento. 3.1.d) As turbinas são classificadas como de ação e reação. 3.1.e) As engrenagens de simples redução são construídas com uma razão de redução de até 10 para 1. II) Responda. 3.1.f) Como funciona um expansor? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 3.1.g) Descreva as diferenças entre um expansor convergente e um expansor convergentedivergente. ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 3.1.h) Em que local de uma turbina de ação ocorre a queda de pressão? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 3.1.i) Quais são os tipos de turbinas condensantes que existem? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
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3.1.j) Quantas quedas de pressão podem ocorrer em uma turbina de simples estágio? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
Chave de Respostas das Tarefas e do Teste de Auto-Avaliação da Unidade 3
Tarefas: Tarefa 3.1 3.1) A evolução tecnológica introduziu o uso do computador, propiciando cálculos mais precisos e favorecendo uma melhor razão peso/potência. Tarefa 3.3 Serpentinas de água em um ambiente fechado recebem calor produzido pela queima de um combustível; no seu interior, a água transforma-se e o vapor ocupa um espaço nas serpentinas muito maior do que aquele anteriormente ocupado pela água. Tarefa 3.4 3.4.1) Cofre de vapor, válvulas parcializadoras, expansores, diafragma, anéis de vedação, palhetas, acoplamento flexível, deflector, estator, rotor, válvula de guarda e defletor de óleo. 3.4.2) Transmitir o torque e o movimento de rotação para o eixo propulsor. 3.4.3) Acionam o rotor no caso das palhetas fixas ou direcionam o fluxo de vapor para o próximo estágio no caso das palhetas móveis. Tarefa 3.5.1 3.5.1.1) Convergente e convergente divergente. 3.5.1.2) O esforço axial é mínimo nas turbinas de ação e nas de reação é excessivo. O rotor da turbina de ação é menos pesado que o da turbina de reação Tarefa 3.5.4 3.5.4.1) O expansor é o local de admissão do vapor, com formato próprio, onde temos uma queda de pressão e um aumento de velocidade. 3.5.4.2) O expansor convergente aumenta a velocidade do vapor, chegando à velocidade do som. No expansor convergente-divergente, após a passagem pela garganta, o processo continua acontecendo outro grande aumento de velocidade; por isso chamamos o expansor convergente-divergente de SUPERSÔNICO. Tarefa 3.5.6 3.5.6.1) No bloco de expansores fixos.
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3.5.6.2) No conjunto de palhetas fixas/móveis. Tarefa 3.6.3 3.6.3.1) Aquecimento, secagem, e durante a manutenção e reparo da turbina. 3.6.3.2) Um braço de engate acopla ou desacopla a engrenagem existente no extremo do pinhão de alta velocidade. 3.6.3.3) É de material plástico rígido ou PVC. Tarefa 3.6.6 3.6.6.1) Deverá ser uniforme para evitar distorções; a catraca deverá funcionar durante todo o regime de aquecimento. O aquecimento da turbina será feito pela irradiação do calor do vapor de selagem dos engaxetamentos labirinto e do vapor principal retido no cofre de vapor. 3.6.6.2) Projeção, falta de água salgada no condensador e queda de vácuo. Tarefa 3.7.3 3.7.3.1) Ciclo de Rankine, ciclo com reaquecimento e ciclo com regeneração. 3.7.3.2) A diferença é a instalação de um equipamento chamado de superaquecedor no ciclo de reaquecimento. Tarefa 3.8.1 3.8.1.1) Para aquecer a água de alimentação e o vapor saturado, mantendo a temperatura da água próxima do ponto de ebulição. 3.8.1.2) Fornecer energia calorífica para água de alimentação que irá ser vaporizada. Tarefa 3.9.1 3.9.1.1) IMO (International Maritime Organization), na convenção SOLAS, capitulo II-1, regra 27, item 1. 3.9.1.2) Um aumento de velocidade da turbina aumentará consequentemente a rotação da bomba de óleo lubrificante, que está acoplada ao pinhão da redutora. Com isto, este aumento de pressão acionará um pressostato, que irá gerar um sinal elétrico acionando uma válvula solenóide, descomprimindo o óleo lubrificante de acionamento da válvula de vapor do limitador de velocidade. Cortanto ou reduzindo com isto o fluxo de vapor. 3.11.3) Pressão alta de óleo lubrificante, indicador eletrônico de velocidade, sistema de massas e combinação de dois ou até mais sistemas em um mesmo equipamento. Tarefa 3.10.1 É conciliar a necessidade de alta velocidade da turbina com a obrigatoriedade da baixa velocidade do eixo propulsor.
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Tarefa 3.11.1 3.11.1.1) Secador de ar. 3.11.1.2) Radiais, axiais ou de escora e mistos. Tarefa 3.12.1 3.12.1.1) Labirintos, anéis de carvão ou misto. 3.12.1.2) Vazamento de vapor causará desperdício de energia e a entrada de ar causará perda de vácuo no condensador e reduzirá o rendimento da turbina. Teste de auto-avaliação da Unidade 3 3.1.a) verdadeiro 3.1.b) falso 3.1.c) verdadeiro 3.1.d) verdadeiro 3.1.e) falso 3.1.f) O expansor é o local de admissão do vapor, com formato próprio, onde temos uma queda de pressão e um aumento de velocidade. 3.1.g) No convergente, a velocidade do vapor aumenta consideravelmente, chegando à velocidade do som, quando aumentamos a pressão de entrada. No convergentedivergente, após a passagem pela garganta, o processo continua, acontecendo então outro grande aumento de velocidade. Por este motivo, chamamos o expansor convergente-divergente de SUPERSÔNICO. 3.1.h) Queda de pressão no bloco de expansores fixos. 3.1.i)
Atmosférica ou condensação a vácuo.
3.1.j)
Apenas uma queda de pressão.
Parabéns! Pelo êxito alcançado em seus estudos até aqui. Continue sua viagem, máquinas a vante. Prossiga para a unidade 4, onde estudaremos o “Sistema de Propulsão a turbina a gás”.
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