Turbina a vapor funciona com o direcionamento de vapor pressurizado em um conjunto de palhetas fixadas em uma roda, realizando assim um trabalho mecânico
Hoje vamos falar sobre o funcionamento turbina a vapor. Vamos descobrir melhor e em detalhes como é o processo de geração de energia elétrica utilizando turbinas a vapor.
Ou seja, vamos descobrir como funciona uma turbina a vapor.
Antes de falar do funcionamento de uma turbina, vamos primeiro para sua definição.
O que é uma turbina vapor?
Uma turbina a vapor é um dispositivo mecânico que transforma a energia do vapor pressurizado em trabalho mecânico.
As turbinas a vapor são utilizadas em processos industriais onde existe a disponibilidade de vapor para utilização em cogeração de energia.
A transformação de energia total na turbina a vapor, ou seja, a transformação da energia do vapor em energia elétrica ocorre em três etapas:
- 1º - Transformação da energia térmica do vapor em energia cinética;
- 2° - Transformação da energia cinética em energia mecânica;
- 3° - Transformação da energia mecânica em energia elétrica por meio do acionamento de um gerador elétrico;
Como funciona uma turbina a vapor?
Para entender o funcionamento de uma turbina a vapor, devemos inicialmente entender alguns detalhes sobre o seu combustível de funcionamento, o vapor.
O vapor, como todo fluído possui basicamente três formas básicas de energia:
- 1º - Velocidade (cinética)
- 2° - Pressão
- 3° - Temperatura
No interior das turbinas existem muitas peças as quais falaremos ao longo dos assuntos. Mas hoje vamos destacar e tratar uma das mais importantes que são as palhetas.
Toda palheta de uma turbina a vapor contém um perfil aerodinâmico que ocasiona uma diferença de pressão quando o vapor passa por ela.
Então basicamente, o processo é o seguinte:
1° O vapor entra na turbina a uma determinada temperatura e pressão;
2° O vapor é direcionado para uma peça (placa expansora ou diafragma) que direciona todo o fluxo do vapor para as palhetas;
3° As palhetas estão fixadas em rodas, que por sua vez estão ligadas a um eixo ou o rotor da turbina;
Portanto, durante o funcionamento de uma turbina a vapor, o vapor sempre será direcionado para as palhetas, onde em cima do perfil, ou seja, por dentro da palheta ocorre uma pressão maior e por fora, uma pressão menor do vapor.
Essa diferença de pressão ajudada pela força de ação e reação de Newton, cria uma espécie de força de sustentação, e é essa força a responsável por fazer o rotor girar.
Durante a operação de uma turbina a vapor, o vapor se expande, isso quer dizer que ele ganha velocidade ao passo que sua pressão e temperatura diminuem na medida que o vapor passa pelas rodas da turbina.
Mas voltando um pouquinho ainda antes do vapor passar pela palheta da roda da turbina, é necessário expandir esse vapor para elevar sua velocidade. Logo, a pressão e a temperatura do vapor são menores em cada estágio (conjunto de roda + expansor) em direação ao escape da turbina.
Assim, a força de sustentação do vapor sozinho não é efetivo e não consegue fazer o rotor girar sozinho.
Assista como é o interior de uma Turbina a Vapor
Em uma turbina a vapor típica, o vapor flui a uma velocidade média de 160km/h, em uma temperatura de 200 a 500°c e um volume que se expande mais de 1.000x
Como ocorre a expansão do vapor nas turbinas a vapor?
A expansão de vapor na turbina ocorre por meio da pressurização do vapor, para conseguir um ganho de velocidade cinética.
Dentro das turbinas vapor, as peças que fazem isso são os diafragmas e as placas expansoras.
Como essas peças extraem a energia do vapor?
Olhando o perfil de uma placa expansora ou diafragma observamos uma redução da área de passagem do vapor, ou seja, uma restrição de fluxo de vapor, isso ocasiona diminuição de pressão no entanto um aumento de velocidade cinética do vapor. Esse efeito chama-se Venturi.
Porque a turbina a vapor tem um formato escalonado?
Esse visual escalonado das turbinas a vapor, ou seja, rodas e palhetas sucessivamente maiores ao longo da turbina tem a função de acomodar toda a expansão do vapor.
Em qualquer sistema fechado, físico ou químico, nunca se cria nem se elimina matéria, apenas é possível transformá-la de uma forma em outra.
Então, a massa de vapor que entra na turbina obrigatoriamente tem que ser a mesma da saída da turbina.
Além disso, todo sistema pressurizado como uma turbina, que tem o vapor como combustível, toda vez que o ocorre a queda de pressão no processo ocorre um aumento do volume, portanto o fluxo de vapor aumenta.
Para acomodar esse aumento do fluxo de vapor, temos que fazer o aumento das palhetas (áreas de passagem) para manter a velocidade do sistema.
Caso contrário a velocidade poderia ser elevada a níveis críticos a ponto de superar os níveis de resistência dos materiais das rodas e palhetas.
Outro detalhe é que as palhetas menores estão submetidas a temperaturas e pressões mais altas, enquanto que as palhetas maiores sofrem maiores esforços e solicitações mecânicas.
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Tipos de turbinas a vapor
As turbinas a vapor são divididas em dois tipos:
Turbinas a vapor de condensação
As turbinas a vapor de condensação são aquelas que aproveitam ao máximo a energia potencial do vapor.
Logo, o vapor que sai da turbina não pode mais ser aproveitado para a geração de energia devido ao seu conteúdo já em estado líquido.
Nessas turbinas o vapor a uma pressão menor que a atmosférica (vácuo) é direcionado ao condensador.
Turbina a vapor de contrapressão
Nas turbinas de contrapressão, o vapor de saída da turbina ainda tem energia suficiente para alimentar outros processos industriais antes de voltar como água para uma caldeira.
O vapor de escape destas turbinas se encontra na maior parte das vezes na região superaquecida.
Este tipo de geração conjunta de energia elétrica e energia térmica provenientes de uma única fonte de combustível é comumente chamado de cogeração.
Nessas turbinas o vapor de saída tem sua pressão maior que a atmosférica.
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Extração nas turbinas a vapor
As turbinas podem ainda ser classificadas como com ou sem extração de vapor.
A extração nada mais é que uma retirada de vapor de dentro da turbina após a passagem por alguns estágios.
Ou seja, o vapor entra na turbina com alta entalpia e após a passagem por alguns estágios, parte desse vapor sai da turbina e vai para o processo.
A parte que continua na turbina, se expande até sair pelo escape da mesma.
Extrações são encontradas tanto em turbinas de condensação como de contrapressão.
Tipos de extração nas turbinas a vapor
As extrações de turbinas podem ser de dois tipos:
Extrações controladas
Quando a turbina dispõe de um dispositivo interno para controlar a pressão de saída do vapor.
Extrações não controladas
Conhecidas também como “tomadas” ou “sangrias” este tipo de extração é simplesmente uma retirada de vapor de dentro da turbina e sua pressão depende da carga atual da turbina.
Para a alimentação de processos industriais normalmente são usadas extrações controladas, uma vez que estes processos demandam pressão constante.
Assim, independente da carga da turbina a pressão de extração será sempre a mesma.
A extração para turbinas empregadas em ciclos regenerativos que usam o vapor de dentro da turbina para o aquecimento da água de alimentação de caldeira é sempre não-controlada.
As vantagens de ser ter uma extração controlada é que se pode garantir a operação do processo industrial mesmo com a turbina operando em baixa carga.
O uso de extrações controladas deixa a eficiência da máquina maior comparando-se com o uso de tomadas.
Tomadas (ou sangrias) tem a vantagem de serem de baixo custo e de fácil operação. São normalmente usadas para alimentar equipamentos do ciclo (desaeradores, e pré-aquecedores) e para processos industriais que não demandam pressão constante.
Tipo de estágio de uma turbina a vapor
O tipo de estágio de uma turbina se refere a como o vapor é expandido no interior delas.
São dois tipos distintos de estágios, sendo que a principal diferença é como se dá o processo de conversão de energia térmica em cinética.
As turbinas modernas e de múltiplos estágios frequentemente empregam esses dois tipos de estágios na mesma turbina, geralmente variando o grau de reação e impulso da raiz até a extremidade de cada palheta e quanto mais próximo do vapor condensado maior vai sendo o grau de reação.
Vamos conhecer então esses dois tipos de estágios:
Estágio de ação ou impulso
Chamamos de turbina a vapor de ação, quando o vapor é acelerado dentro da turbina e é o seu choque com as palhetas que movimenta o rotor. Ou seja, é quando somente o contato do vapor que impulsiona a palheta.
A turbina de ação foi construída pela primeira vez em 1883 pelo engenheiro sueco De Laval, estava em todos os projetos de turbina a vapor da época por ser adequado a pequenos volumes de vapor.
A turbina a vapor original, a turbina De Laval, era uma turbina de ação com uma única roda.
Portanto, nos estágios de ação, a energia potencial contida no vapor, também conhecido como entalpia, é quem transforma o vapor em energia cinética e após o choque com as palhetas se transforma em energia mecânica, ou seja, o movimento de rotação do rotor da turbina que vai tocar o gerador elétrico.
Na turbina de ação, toda queda de pressão do vapor ocorre apenas nos expansores. Embora as palhetas dos estágios de ação tenham queda de pressão praticamente zero nas palhetas móveis, na teoria, para que o fluxo de vapor passe através dessas palhetas, vai ter também uma pequena queda de pressão nelas.
A turbina de ação é composta por palhetas móveis ou mais especificamente as rodas, que alternam com palhetas fixas, o vapor é expandido nos bicos ou blocos expansores e permanece sob pressão constante ao passar sobre as palhetas.
Estágio de reação
Após a invenção das turbinas de ação de De Laval, nos anos seguintes, turbinas de reação, introduzidas pela primeira vez por Charles Algernon Parsons em 1884, também passaram a ser usadas para acionamentos mecânicos.
Nas turbinas a vapor de reação a energia potencial se transforma diretamente em energia mecânica através da passagem entre os perfis das palhetas.
Quando o vapor ao passar através das palhetas gera uma força de reação que movimenta o rotor.
O princípio de funcionamento das palhetas de reação é similar ao das asas de um avião. O fluxo de vapor passando nos dois lados do perfil da palheta forma uma força de reação que vai impulsionar a palheta no sentido de rotação.
As palhetas de turbinas de ação têm perfil mais circulares, são simétricas. O perfil de palhetas de reação são mais retos, se aproximando do formato das asas de um avião
Estágio tipo Curtis – Roda Curtis
Turbinas de ação podem ainda ter rodas do tipo Curtis, que foi projetada para ser de máxima potência, extraindo uma grande quantidade de energia do vapor.
Em um estágio de velocidade tipo Curtis, é possível aproveitar um grande salto de entalpia, embora com algum prejuízo de eficiência.
O estágio Curtis tem duas aplicações características:
Turbinas de simples estágio com baixa potência, obtendo uma turbina mais compacta, de menor custo, porém menos eficiente
O estágio Curtis também é muito usado em primeiro estágio de máquinas de grande potência, que normalmente recebem vapor de alta pressão e temperatura.
Estágio Rateau – Roda Rateau
Esse tipo de estágio ou roda, são estágios de turbinas em que predomina a força de reação. Eles compreendem um diafragma seguido por um disco de palhetas móveis , a roda.
O nome Rateau, remete ao engenheiro francês Auguste Camille Edmond Rateau. Ele fabricou ventiladores para minas, sopradores para siderúrgicas, bombas de água e turbinas a vapor para navios.
Como as turbinas de simples estágio são na maioria das vezes turbinas de ação (tipo Curtis), o uso dos estágios de reação são mais utilizados nos estágios intermediários e finais das turbinas a vapor de múltiplos múltiplos estágios.
Rotor de Turbina a Vapor
O rotor da turbina a vapor pode ser considerado o item com maior valor agregado e o conjunto com maior número de particularidades em turbomáquinas, considerado o coração e espinha dorsal de toda turbina.
Talvez a tecnologia do projeto e da fabricação de um rotor seja um dos maiores diferenciais entre os fabricantes de turbinas a vapor, cada um tem sua especialidade e preferência nos detalhes construtivos.
Componente rotativo central, o rotor ou tambem chamado conjunto girante da turbina a vapor pode ser composto por eixo com rodas montadas por interferência, rotor integral ou chamado monobloco, ou seja, eixo e rodas forjados em único bloco maciço e contínuo, ou ainda, um misto dos dois, parte do rotor integral com rodas forjadas conjuntamente.
Nesse último caso, na região de alta pressão as rodas são forjadas e usinadas integralmente com o rotor e na região de baixa pressão as rodas são montadas por interferência.
Todo rotor é sustentado e posicionado pelos mancais radiais e axiais. Em pequena escala, todo rotor se expande axial e radialmente sob os efeitos de dilatação térmica e de tensões mecânicas.
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Qual a função do rotor de Turbina a Vapor?
O rotor possui algumas funções para cumprir e permitir que a turbina opere com sucesso, ele deve ser capaz de suportar a carga centrífuga dele mesmo desenvolvida durante a operação da turbina, devido ao seu próprio peso e rotação.
Também durante a operação, o rotor deve ser capaz de transmitir ao gerador ou máquina acionada, o torque que é desenvolvido no rotor devido a expansão do vapor nas palhetas.
Para auxiliar no importante processo de projetar e dimensionar um rotor, simulando esforços e condições de trabalho reais, hoje os fabricantes utilizam avançados softwares de análise de dados computacionais e modelagem física.
O rotor deve ser dimensionado e fabricado com materiais específicos e capaz de suportar alta temperatura e pressão, elevadas solicitações e esforços mecânicos e ainda operar por longos períodos nessas condições.
Atestando a qualidade do material do rotor da turbina a vapor
Um rigoroso controle de qualidade deve ser feito no material, para análise da composição química e realização de ensaios mecânicos.
Geralmente esse controle é feito por meio de corpo de prova retirado do próprio material que será fabricado o rotor.
Teste de partícula magnética, ultrassom e líquido penetrante são alguns ensaios não destrutivos que ajudam a demonstrar ausência de descontinuidades, trincas, poros, defeitos internos estruturais ou defeitos superficiais, ajudando atestar a qualidade do material.
Tratamentos e processos de fabricação de rotores de turbomáquinas
Antes, durante e posterior ao processo de usinagem do rotor de uma turbina (ou nos eixos e rodas), quando esses forem fabricados separadamente, geralmente são realizados tratamentos térmicos para acomodação, correção ou alteração de propriedades mecânicas específicas de acordo com a especificação de cada projeto e fabricante.
Ainda falando de usinagem, o acabamento superficial é um item crítico, todo rotor deve possuir acabamento superficial bem fino nas superfícies das rodas e eixo, para evitar a formação de pontos de erosão, raios devem ser feito em todos os cantos vivos para minimizar pontos de concentração de tensões, evitando cisalhamentos ou empenos.
Assista o vídeo relacionado com turbinas a vapor
Talvez a tecnologia do projeto e da fabricação de um rotor seja um dos maiores diferenciais entre os fabricantes de turbinas a vapor
Características do rotor da turbina a vapor
O acabamento superficial na região dos colos de mancais e mancal de escora precisa de cuidados especiais, assim como na região onde ficam instalados os sensores de vibração, necessitando às vezes procedimentos específicos, mas isso é assunto para outro post!
Uma boa condição geométrica do rotor durante a usinagem também deve ser garantida. Concentricidade, circularidade, cilindricidade, perpendicularismo, paralelismo e simetria são algumas tolerâncias exigidas.
Algumas rodas possuem furos para equalização de pressão, já falei disso aqui, assim como fio de ligações nas palhetas, da uma olhada também.
Embora totalmente anormal, durante a operação de uma turbina, é possível que ocorra atrito entre as partes rotativas e estacionárias da turbina. Esses possíveis contatos podem gerar temperaturas centralizadas muito altas.
Por isso, o rotor deve ser capaz de absorver e operar o máximo possível em situações como essa, sem gerar danos maiores à turbina, em casos extremos acidentes graves.
Balanceamento de rotores de turbinas a vapor
Os rotores operam em velocidade, temperatura e pressão crítica, por isso, exige um rigoroso controle de balanceamento de massa, sobre isso existem normas internacionais específicas.
Para corrigir qualquer desvio nesse sentido, rotores sempre devem ser balanceados após montagem dos componentes e antes de ser montado na turbina, seja em equipamentos novos ou serviços de recuperação.
Dependendo de alguns fatores técnicos ou operacionais, pode ser recomendado tipos de balanceamento específicos, às vezes em ambiente controlado, mas isso é assunto para outro post.
Metalização e aplicação de cromo duro em rotor de turbinas
Alguns projetos de rotor ou eixo, também podem solicitar tratamento termoquímico superficial como aplicação de cromo duro, metalização, HVOF e ainda outros revestimentos para evitar ou minimizar corrosão e desgastes por exemplo nos colos de mancais ou engaxetamento né na região de selagem.
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