Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul

Faculdade de Engenharia

Departamento de Engenharia Mecânica e Mecatrônica

TURBINAS

Finalidade e aplicações

  Classificação

  Turbinas a vapor

  Turbinas a gás

  Turbinas hiráulicas

  Turbinas eólicas

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  Perguntas e respostas

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Finalidade e Aplicações

As turbinas têm a finalidade de transformar um tipo de energia que a natureza nos oferece em trabalho mecânico. Ela é, portanto, uma máquina de fluxo motriz. Existem vários tipos de turbina, relacionadas com os tipos de fontes de energia oferecidas pela natureza (vento, água, calor, etc).

Ínumeras são as aplicações que podemos dar às turbinas: como gerar energia elétrica normalmente é o objetivo, suas aplicações estão ligadas com o local de onde elas vão trabalhar - iluminação elétrica, geração de calor, funcionamento de outras máquinas de fluxo, etc. Em geral, as turbinas têm sido aplicadas em substituição de motores a diesel.

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Classificação

Como as fontes oferecidas pela natureza são de tipos muito variados, existem vários tipos de turbinas. A energia potencial da água, a energia hidráulica, é transformada em trabalho mecânico pelas turbinas hidráulicas (ex.: Francis, Propeller, Kaplan, Pelton....). A energia cinética do vento pode ser transformada em trabalho mecânico por turbinas eólicas. A energia térmica, ou seja, a energia dos combustíveis e a energia nuclear, pode ser utilizada através das turbinas a vapor e das turbinas a gás. Cada uma delas está explicada separadamente abaixo.

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Turbinas a vapor

A turbina a vapor é o mais usado entre os diversos tipos de acionadores primários existentes, com exceção do motor elétrico. Uma turbina a vapor tem como objetivo transformar a energia contida no fluxo contínuo de um vapor que recebe em trabalho mecânico. O rendimento do ciclo térmico a vapor, bastante satisfatório, melhora a medida que aumentam a potência das máquinas e as pressões e temperaturas de geração de vapor. É uma máquina rotativa pura, isto é, a força acionadora é aplicada diretamente no elemento rotativo da máquina. Os impulsos aplicados pelo vapor nas palhetas da turbina são regulares, fazendo com que o torque aplicado no acoplamento da turbina seja uniforme.

Entre as características mais importantes das turbinas a vapor, podemos citar: facilidade de controle e a possibilidade de variação de velocidade, grande confiabilidade operacional, facilidade de operação, manutenção simples e econômica e vida útil longa. Os principais usos de uma turbina a vapor são: acionamento de geradores elétricos em centrais termelétricas convencionais ou nucleares e acionamento mecânico de outros equipamentos rotativos (bombas, compressores, ventiladores).

om relação ao seu funcionamento, a transformação de energia do vapor em trabalho é feita em duas etapas. Inicialmente, a energia do vapor é transformada em energia cinética. Isso ocorre quando o vapor escoa através de pequenos orifícios (Expansores), adquirindo grande velocidade. Na segunda etapa, essa energia cinética é transformada em trabalho mecânico, o que pode ocorrer de duas maneiras: segundo o princípio da ação ou segundo o princípio da reação. No princípio da ação (figura ao lado), o vapor é completamente expandido em uma ou mais boquilhas fixas, antes de atingir as pás do rotor; as velocidades de escoamento do vapor são muito altas. No princípio da reação, o vapor realiza um trabalho de distensão durante sua ação sobre as palhetas; nas turbinas de reação, a queda de pressão através de cada conjunto de boquilhas é relativamente pequena e as velocidades correspondentes são moderadas.

Classificação das Turbinas a Vapor

- Turbinas Axiais: o vapor flui axialmente de boquilhas dispostas radialmente em torno do rotor;

- Turbinas Radiais: o vapor se dirije de dentro para fora radialmente, através de canais fomados por palhetas móveis dispostas axialmente;

- Turbinas Tangenciais: o vapor é conduzido tangencialmente ao rotor.

 

- Turbinas de um único rotor;

- Turbinas de vários conjuntos de pás no mesmo eixo (com estágio de pressão, de velocidade ou de ambos - figura ao lado);

- Turbinas com recuperação direta;

- Turbina com recuperação indireta.

- Turbinas de admissão total: quando o vapor enche por completo a coroa de pás;

- Turbinas de admissão parcial: quando o vapor incide inicialmente somente sobre uma parte da coroa.

- Turbinas de escape livre: o vapor sai direto na atmosfera;

- Turbinas de condensação: o vapor vai a um condensador;

- Turbinas de contra-pressão: o vapor é conduzido a dispositivos para sua posterior utilização;

- Turbinas combnadas: uma partedo vapor é subtraído da máquina antes de sua total utilização e é conduzida a outros dispositivos (calefação, por exemplo).

 

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Turbinas a gás

As turbinas a gás têm uma única fonte de calor recuperável constituída por um fluxo de gases quentes a uma temperatura elevada (na ordem de 500 graus). , A demanda de potência mínima requerida é na ordem de 500 kW elétrico e 2000 kW térmico. Um exemplo de utilização dessas turbinas é num complexo hospitalar que apresenta uma grande necessidade de vapor ou calor. As turbinas a gás apresentam três partes distintas:

- compressão de ar para ser injetado na câmara de combustão;

- câmara de combustão;

- expansão dos gases da combustão.

Classificação das Turbina a Gás

- Axiais: quando tem um fluxo de gases coaxial com o eixo da máquina;

- Radiais: quando tem um fluxo de gases radial ao eixo da máquina.

 O rendimento nas turbinas axiais é menor do que nas radiais devido à menor deflexão das correntes de gases. Alem disso, são complexas e mais caras. Logo, predominam as turbinas radiais de gás de pequena potência e operam com excesso de ar na ordem 275 a 500 %. O combustível mais adequado é o gás natural, pois evita impurezas ou partículas sólidas nas pás, possibilitando sua reutilização após a combustão. As turbinas a gás natural são alimentadas com uma pressão 6 a 25 bar. Os gases de escape da turbina tem temperaturas na faixa de 420 C a 650 C, o que torna possível, depois de uma passagem por uma caldeira de recuperação, produzir vapor a alta pressão. Dependendo do caso podem ser usados, junto com a turbina, equipamentos complementares, tais como um compressor de gás (co-geração). A figura ao lado mostra uma turbina a gás acoplada a um compressor.

Apesar de ser mais adequado o uso do gás natural, pode-se também optar pelos seguintes tipos de combustíveis: querosene, óleo diesel e óleo pesado de alto grau. Pode-se, em certos modelos, misturar combustível líquido e gasoso.

Como as turbinas a gás têm um grande momento de inércia, grandes cargas reversas produzidas por elevadores, guindastes, etc., podem ser facilmente absorvidas sem necessidade de cargas externas reservas. Esta capacidade é estimada em 4 vezes maior que a dos motores a diesel, além do que pequenas turbinas são utilizadas para dar partida em grandes motores.

 

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Turbinas hidráulicas

Turbinas Francis: O receptor fica internamente ao distribuidor, de modo que a água ao atravessar o rotor da turbina aproxima-se constantemente do eixo. São rigorosamente centrípetas, e permitem o uso de um tubo para conduzir a água, após sair do receptor, até um poço, chamado de tubo de sucção, de aspiração, difusor ou recuperador. A função do tubo de sucção é manter a continuidade da massa líquida em escoamento, impedindo que caia livremente do receptor. Conseguindo desse modo, um aumento da queda hidráulica e, pela transformação da energia cinética que possui a água ao sair do receptor em energia de pressão, um aumento na potência da turbina.

O distribuidor das turbinas Francis é constituído de um conjunto de pás dispostas em volta do receptor, podendo ser ajustado um melhor ângulo de entrada no receptor para cada valor de descarga, obtendo um mínimo de perdas hidráulicas. As pás desta turbina, possuem um eixo de rotação paralelo ao eixo da turbina e podem girar simultaneamente de um mesmo ângulo, fezendo a seção de escoamento variar de uma admissão máxima até o fechamento total. Esse tipo de rotor está mostrado na foto a esquerda.

 

 Turbinas Hélices: São utilizadas para velocidades consideráveis em baixas quedas e grandes descargas. O receptor possui um formato de hélice de propulsão. A distãncia entre as pás do distribuidor e as do receptor é bem maior em relação à tipo Francis. Ver figura a direita. 

Turbinas Kaplan: São turbinas axiais a hélice de pás orientáveis. Podem ter diferentes números de pás. Servem para quedas pequenas e médias e grandes descargas. Permite variar o ângulo de inclinação das pás conforme a descarga, sem variação apreciável do rendimento. A figura abaixo (esquerda) mostra uma turbina Kaplan.

 

 

 

 

 

Turbinas Dériaz: ou turbinas diagonais, devido a forma inclinada de suas pás. Nestas turbinas, as pás do receptor são articuladas e podem variar o ãngulo de inclinação. Esta variação as torna adequadas a amplas variações de descarga numa faixa de bom rendimento. São usadas também em instalações de Centrais de Acumulação, onde funcionam ora como turbina, ora como bomba. Conservam o rendimento numa larga amplitude de variação de potência, podendo trabalharem quedas acima de 200m. A figura a direita é uma foto do rotor de uma turbina Dériaz.

Turbinas Pelton: Nestas, o distribuidor é um bocal, proporcionando um jato cilíndrico sobre a pá do receptor, o que é conseguido por meio de uma agulha. O receptor possui pás com formato de conchas especiais, dispostas na periferia de um disco que gira, preso a um eixo. Estas turbinas podem ser de um, dois, quatro e até seis jatos. Possuem também um defletor de jato, que intercepta o jato, desviando os das pás quando ocorre uma diminuição violenta na potência demandada pela rede de energia. Ver as figuras abaixo:

 

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Turbinas eólicas

A energia eólica origina-se do ar em movimento próximo à superfície da Terra, conseqüência da ação do fluxo solar que aquece de forma desigual vastas zonas da superfície terrestre. As grandes turbinas eólicas acopladas a geradores são capazes de aproveitar essa energia, transformando-a em energia elétrica. Atualmente, grandes turbinas são instaladas em grandes áreas, formando "farms" para geração de grandes quantidades de energia. Em condições de vento favoráveis, como por exemplo, uma velocidade média de 50 Km/h, um único gerador eólico, pode gerar anualmente um total de 3 Megawatt. Isso seria suficiente, no Brasil para suprir de energia elétrica; uma cidade de 30.000 habitantes.

O país deve ter 1.600 turbinas eólicas para geração de energia elétrica até 2005. A energia eólica é atraente por não causar danos ambientais, ao contrário das usinas hidro e termoelétricas, e ter custo de produção mais baixo em relação a outras fontes alternativas, como a geração nuclear, a queimada de biomassa e a conversão da luz solar.

As modernas turbinas de torres tubulares -- as mais antigas ainda têm estrutura de metal entrelaçado -- aplicam princípios da engenharia aeronáutica para gerar energia. O segredo da melhor conversão do movimento do ar em energia elétrica está no design das pás da hélice: cada pá tem o mesmo formato que as asas de um avião. As três pás têm freios aerodinâmicos nas pontas, acionados em caso de excesso de vento (velocidade acima de 20 m/s), turbulências e raios. Por causa desses fatores, a escolha do local de instalação é fundamental para uma boa geração de energia. A estrutura interna é composta por um rotor, que liga à hélice à 'nacelle', compartimento onde ficam o gerador e sensores de velocidade, direção e temperatura do vento. O rotor transmite os movimentos da hélice para a 'nacelle' e também os comandos desse compartimento para as pás. Da 'nacelle' saem os cabos que levam a energia convertida para a rede elétrica e para os computadores do sistema de controle.

Um exemplo de turbina eólica é a Horizontal: possui corpo intermediário para imprimir movimento rotativo e força mecânica, capaz de movimentar máquinas, bombear água. Pode produzir energia elétrica com alternador e acomulador, ou gerar energia elétrica contínua em grande escala através de rotor, capacidade a ser dimensionada. Trabalha na posição horizontal com eixo vertical aproveitando mais a força eólica.

A grande vantagem desse tipo de turbina é que, além de poderem ser instaladas rapidamente, não necessitarão posteriormente de combustível. No Brasil, o primeiro gerador eólico para 75 kw, foi instalado em 1992 na Ilha de Fernando de Noronha, resultado de um Convênio celebrado entre o Folkecenter da Dinamarca, com a Celpe e UFPE. A torre tem 23 m de altura e a hélice tripás, tem 17 m de diâmetro.

 

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Links

www.windpower.dk , www.windcenter.com , www.lol.com.br/~movidoavento , www.netsite.com.br/fgm

www.bcity.com/fzanoto , www.highnet.combr/texas

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Perguntas e Respostas

  1. Qual a vantagem se se utilizar turbinas a gás ao invés de bombas a diesel?
  2. A absorção de cargas reversas nas turbinas a gás é 4 vezes maiors que dos motores a diesel, assim pequenas turbinas podem ser usadas para dar partida em grandes motores, ao contrário do motores a deisel. Motores a diesel requerem monitormento semanal, enquanto que as turbinas a gás precisam apenas de 5 minutos de giro em intervalos de 1 a 2 meses, sem a necessidade de carga. A turbina possui também, 1/4 da vibração estática dos motores a diesel, sendo fácil o seu atenuamnto.

  3. Porque as turbinas a vapor sâo as mais utilizadas dentre os diversos tipos de acionadores primários existentes?
  4. Porque possuem várias características muito positivas, dentre as quais podemos citar: facilidade de controle e a possibilidade de variação de velocidade, grande confiabilidade operacional, facilidade de operação, manutenção simples e econômica, e vida útil longa.

  5. Quais são os tipos de turbinas hiráulicas mais importantes e conhecidas que podemos citar?
  6. São as turbinas francis, hélices, Kaplan, Dèriaz e Pelton.

  7. Qual é a turbina mais econômica e mais ecologicamente satisfatória?

A turbina eólica, pois trabalha com o vento que é uma fonte de energia inesgotável e de graça, e ainda possui a vantagem de não produzir nenhum tipo de poluição.

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