ESCOLA SUPERIOR NÁUTICA INFANTE D. HENRIQUE TECNOLOGIA MARÍTIMA Capítulo III – Instalações de...

ESCOLA SUPERIOR NÁUTICA ESCOLA SUPERIOR NÁUTICA INFANTE D. HENRIQUEINFANTE D. HENRIQUE

TECNOLOGIA MARÍTIMATECNOLOGIA MARÍTIMA

Capítulo III – Instalações de Capítulo III – Instalações de Turbinas a Vapor e GásTurbinas a Vapor e Gás

ENIDH – 2013/2014ENIDH – 2013/2014

Turbinas a vapor e gásÍndice

Instalações de máquinas de naviosMáquinas principais e auxiliaresClassificação das máquinas térmicasTipos de instalações propulsorasInstalações de turbinas a gásInstalações de turbinas a vapor

Turbinas a vapor e gásInstalação de máquinas de um

navioÉ constituída por todas as máquinas

térmicas principais e auxiliares e respectivos sistemas de tubagens e outras máquinas, órgãos e dispositivos

Destinam-se a assegurar todas as necessidades do navio, de modo a que este constitua uma unidade dotada de total autonomia

Turbinas a vapor e gásInstalação de máquinas de um navio

As máquinas da instalação designam-se de acordo com a função que desempenham, da seguinte forma: Máquinas Principais – as que propulsionam o navio

Máquinas Auxiliares - as que desempenham funções que contribuem para o funcionamento das máquinas principais, bem como para satisfazer as necessidades do navio (geradores de energia eléctrica, etc...)

Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora do navio

Compreende o Aparelho Propulsor constituído pelas máquinas térmicas principais e sistemas directamente ligados à propulsão

Máquinas auxiliares das principaisOutros órgãos e dispositivos

necessários à operação da instalação

Turbinas a vapor e gásMáquinas térmicas

A sua função, é converter a energia química do combustível em trabalho mecânico a fim de ser utilizado na propulsão do navio

São também usadas para o accionamento de geradores da energia eléctrica, necessária para o accionamento das máquinas auxiliares, iluminação, governo, manobra, carga, ventilação, refrigeração, navegação, comunicações, e muitas outras finalidades

Turbinas a vapor e gásMáquinas de combustão externa

São as máquinas que aproveitam o vapor de água produzido numa caldeira ou outro tipo de gerador de vapor, para accionar um órgão móvel, que tanto pode ser o êmbolo de uma máquina alternativa como o rotor de uma turbina

Transformam parte da energia térmica do vapor em energia mecânica

Turbinas a vapor e gásMáquinas de combustão externa

A transformação da energia química do combustível em calorífica, efectua-se através de uma combustão que ocorre num órgão exterior à máquina

Este órgão pode ser uma caldeira ou outro equipamento, que aproveitam o calor fornecido pela combustão para vaporizar a água, daí a designação de máquinas de combustão externa

Turbinas a vapor e gásMáquinas de combustão interna

Aproveitam a força expansiva dos gases produzidos na combustão efectuada nos seus cilindros ou em outro tipo de câmara inserida no seu interior, para accionar um órgão móvel, que tanto pode ser o êmbolo de um motor (diesel, explosão) como o rotor de uma turbina a gás

Transformam parte da energia térmica dos gases de combustão em energia mecânica

Turbinas a vapor e gásClassificação das máquinas quanto

ao tipo de movimentoQuanto ao tipo de movimento a que

está sujeito o órgão, que o fluido energético (fluido motor) acciona, as máquinas térmicas, classificam-se em:Alternativas - máquina alternativa a vapor, motor alternativo Diesel ou de explosão (Otto)

Rotativas - turbina a vapor ou a gás, motor rotativo de explosão (Wankel)

Turbinas a vapor e gásInstalações propulsoras

As instalações propulsoras dos navios mercantes designam-se de acordo com os tipos de máquinas térmicas que utilizam para a propulsão. Em termos gerais, tem-se:Instalação propulsora com motor DieselInstalação propulsora com turbina a vapor

Instalação propulsora com turbina a gás

Turbinas a vapor e gásInstalações propulsoras

Instalações propulsoras combinadas: Diesel - eléctrica (motor diesel-motor eléctrico)

Diesel - gás (motor diesel-turbina a gás)

Turbo - eléctrica (turbina a vapor-motor eléctrico)

Gás - turbo (turbina a gás-turbina a vapor)

Energia nuclear (reactor nuclear - turbina a vapor)

Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a gás

Apresenta como vantagem o facto de ser muito mais leve e ocupar menos espaço do que as instalações propulsoras de turbinas a vapor e motores diesel de potência equivalente

Tem como desvantagem o facto de ter um rendimento energético mais baixo e só poder queimar combustíveis de boa qualidade (destilados, gás natural)

Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a

gásConstituição da instalaçãoTurbina a gás (integra o gerador de gás

constituído pelo compressor de ar e respectiva turbina de accionamento e pela câmara de combustão)

Engrenagens redutoras e linha de veios (transmissor)

Hélice (propulsor) – em alternativa, a turbina pode accionar uma bomba hidráulica (propulsão a jacto)

gásCiclo de turbina a gás

1 – Compressão 2 – Adição de calor3 – Expansão 4 – Rejeição de calor

gásPrincípio de funcionamento de uma

turbina a gás

gásEsquema de uma turbina a gás com

duas linhas de veios (usado na marinha)

gásTurbina a gás LM2500 (ciclo simples)

gásTurbina a gás WR-21 (Rolls Royce) Turbina a

gás marítima com ciclo

avançado – possui pré-aqueciment

o do ar para a

combustão

Motores Diesel Relação ar/combustível

A formação da mistura ar/combustível, começa com a adição de combustível ao ar na câmara de combustão da turbina

O combustível, composto por elementos de hidrogénio (H) e carbono ( C ) deve ser misturado com uma determinada quantidade de ar, composta por oxigénio (O) e azoto (N), por forma obter-se uma mistura capaz de ser inflamada

Motores Diesel Relação ar/combustível

À relação ideal ou estequiométrica de ar/combustível, dizemos que o factor de ar λ (lambda) é igual à quantidade de ar fornecida/quantidade de ar teoricamente necessária (λ =1)

Se tivermos uma mistura pobre => λ>1, ou seja temos excesso de ar

Se tivermos uma mistura rica => λ<1, ou seja temos insuficiência de ar

Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a gás

A relação estequiométrica teórica para efectuar a combustão é de 15/1, ou seja, de 15 kg de ar para 1 kg de combustível

Na prática, devido à necessidade de baixar a temperatura dos gases de combustão que se expandem na turbina, utiliza-se um valor de λ≈2,5 (elevado valor de excesso de ar)

Desvantagem: elevada potência absorvida pelo compressor (aproximadamente 50%)

gásCaracterísticas principais das

turbinas a gás para aplicações marítimas

gásPrincipais construtores de turbinas a

gás para aplicações marítimas (desenvolvidas a partir de turbinas de avião)

Instalação de

turbinas a gás (duas

linhas de veios)

gásTurbina a gás instalada a bordo do

navio de cruzeiro “Queen Mary 2”As turbinas

LM2500 produzem 25

MW cada (40% da potência

total da instalação)

gásHovercraft que utiliza turbinas a gás

para a propulsão

Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora mista (COGES)

A evolução actual aponta para a utilização de sistemas de propulsão que utilizam a turbina a gás e a turbina a vapor numa única instalação

Os gases de evacuação da turbina a gás passam por uma caldeira recuperativa que gera vapor para uma turbina a vapor auxiliar (recuperação de energia)

O rendimento pode atingir cerca de 55%, que é superior ao dos actuais motores Diesel

Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora COGES

(COmbined Gas-Electric and Steam)

Esta configuração

é actualmente utilizada em

navios de cruzeiro

(mais de 17 navios)

Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora COGES

(layout)

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a

gásNavio de cruzeiro “Jewel of the Seas”

(2004)

Propulsão COGES: 2 turbinas a gás (2*25 MW)+uma turbina a vapor (7.8 MW)

vaporUtilizavam-se até aos anos 80 em navios

de grande porte como petroleiros (VLCC, ULCC), navios graneleiros (transporte de carvão, minério, etc..), porta-contentores e navios de passageiros que necessitavam de uma elevada potência propulsora

Actualmente, a sua utilização está restringida quase em exclusivo aos navios-tanque LNG (metaneiros), embora esteja em declínio

vaporEvolução

dos sistemas

de propulsão usados em

navios-tanque

LNGEm 2009 havia 308 navios LNG; cerca de 262 a vapor

O Turbinia foi o primeiro

navio a utilizar o sistema de propulsão de

turbina a vapor (1894)

vaporElementos principais da instalação:Caldeira (gerador de vapor) Turbinas a vapor (máquinas

principais)Caixa de engrenagens redutorasLinha de veios (transmissor) Hélice (propulsor)

vaporEsquema

típico uma instalação marítima

de turbinas a vapor

(p=62 bar; T=515ºC)

Aspecto de uma turbina a vapor

Elementos típicos de

uma instalação

propulsora de turbinas a

vaporDados do navio-tanque LNG “Berge

Everett”

vaporNa marinha, as instalações de turbinas

a vapor operam geralmente com um ciclo de vapor sobreaquecido (60 bar; 525ºC -> rendimento baixo)

Em 2005, surgiu uma nova instalação marítima a vapor com reaquecimento (100 bar ; 560ºC -> aumento de eficiência de 12% segundo o fabricante MHI – Mitsubishi Heavy Industries)

Turbinas a vapor e gásEvolução da pressão e temperatura

do ciclo a vapor nas instalações marítimas

vaporEsquema de

uma instalação

marítima de turbinas a vapor com

reaquecimento(p=100

bar; T=560ºC)

vaporEsquema em corte de uma

instalação moderna de turbinas a vapor (com

reaquecimento e gerador de

Aspecto de uma

instalação propulsora moderna

de turbinas a vapor

vaporNavio-tanque LNG “Energy Horizon” – primeiro

navio LNG a operar com

ciclo a vapor com

reaquecimento (Agosto de

vapor com utilização de energia nuclearEsta instalação é utilizada hoje em dia

apenas em navios militares (porta-aviões e submarinos)

Existem na Rússia alguns quebra-gelos que também utilizam energia nuclear

A principal vantagem desta fonte de energia deriva do facto de o reactor nuclear não consumir ar, o que permite que os submarinos possam permanecer debaixo de água durante longos períodos

vapor com utilização de energia nuclearInstalação propulsora de um submarino

nuclear

vapor utilizando energia nuclear

Esquema de uma central nuclear em

terra (PWR –

Pressurized Water Reactor)

vapor utilizando energia nuclear

Navio “Savannah” de transporte de passageiros e

carga com propulsão

nuclear(1959 -1972 )Até hoje só foram construídos 4 navios de

carga com propulsão nuclear

Turbinas a vapor e gásEstudo da instalação propulsora

de turbinas a vaporCaldeirasTurbinasCaixa redutoraSistemas auxiliares (combustível, ar

e gases das caldeiras, água de circulação, vapor principal e auxiliar, óleo de lubrificação, etc...)

Turbinas a vapor e gásCaldeiras a vapor (Steam Boilers)

Geradores de vapor para a propulsão e sistemas auxiliares

São órgãos potencialmente perigosos a bordo dos navios

Os materiais utilizados na sua construção bem como os processos de fabrico utilizados, são obrigatoriamente submetidas a rigorosos testes, quer durante a sua construção, quer ao longo de toda a sua vida útil

Turbinas a vapor e gásCaldeiras

A construção das caldeiras obedece a regras estabelecidas pelas Sociedades Classificadoras, com base em estudos técnicos e na experiência recolhida ao longo de muitos anos de experiência

Estas especificações visam garantir a segurança e fiabilidade das caldeiras, a par de uma reduzida manutenção e facilidade de operação

Classificação das caldeiras - é grande a diversidade de caldeiras utilizadas em instalações marítimas e terrestres

É possível classificá-las relativamente a vários aspectos, nomeadamente:Função que desempenhamTipo de combustível que queimaFormaPercurso dos gases e da águaEtc....

Quanto à função que desempenhamCaldeiras principais – são utilizadas

nas instalações propulsoras de turbinas a vapor, para fornecerem vapor para o funcionamento de:Máquinas principais Máquinas auxiliares (turbo-geradores, turbo-bombas de alimentação, turbo-bombas de carga, etc...)

Quanto à função que desempenham Caldeiras auxiliares – são utilizadas

na generalidade das instalações propulsoras, para fornecerem vapor para os serviços auxiliares do navio, tais como aquecimento de combustível, óleo de lubrificação, água para banhos, cozinha, lavandaria, etc.

As caldeiras auxiliares possuem um sistema próprio para queima de combustível que inclui pelo um ou mais queimadores (em geral 3 ou 4)

Caldeiras auxiliares recuperativas - aproveitam parte da energia dos gases de evacuação dos motores diesel para produzirem vapor de uma forma económica (Nota: também podem ter um queimador auxiliar)

Quanto ao combustível que utilizam:Caldeiras a gás – gás natural, butano e propano

Caldeiras a combustíveis destilados – gasóleo (MGO)

Caldeiras a combustíveis intermédios – Marine Diesel Óleo (MDO)

Caldeiras a combustíveis residuais – fuel-óleo intermédio (IFO) e fuel-óleo pesado (HFO – Heavy Fuel Oil)

Turbinas a vapor e gásCaldeiras - Quanto à sua formaCaldeiras cilíndricas - foram as primeiras

utilizadas na propulsão dos naviosDevido às suas limitações de rendimento e

às baixas pressões de regime, hoje em dia apenas são utilizadas como caldeiras auxiliares para gerar vapor para os serviços auxiliares do navio

Caldeiras com formas especiais - são as únicas actualmente utilizadas como Caldeiras Principais para fornecimento de vapor para a propulsão dos navios

Quanto ao percurso dos gases e da água

Caldeiras gás-tubulares (gas-tube boilers) – os gases circulam pelo interior dos tubos da caldeira e a água pelo exterior

Caldeiras aquitubulares (water-tube boilers) – a água circula pelo interior dos tubos da caldeira e os gases pelo exterior

As caldeiras gás tubulares, outrora muito usadas como caldeiras principais, são hoje em dia utilizadas apenas como caldeiras auxiliares para gerar vapor a pressões da ordem dos 7 aos 10 bar

Possuem as seguintes vantagens: São de construção simples e de fácil limpeza e manutenção

Turbinas a vapor e gásCaldeiras gás-tubulares

Requerem poucos cuidados no seu funcionamento dado disporem de grandes depósitos de água e vapor

Esta característica permite flutuações na combustão sem afectar muito a pressão de regime

Turbinas a vapor e gásCaldeiras gás-tubulares

Podem utilizar água de alimentação de menor qualidade (Ex: água doce tratada quimicamente) em vez de água destilada (embora não seja aconselhável)

Dadas as baixas pressões a que operam e a considerável massa de água de que dispõem, a formação de depósitos calcários reveste-se de menor importância

Esquema genérico de

uma caldeira cilíndrica

gás-tubular

As caldeiras aquitubulares são as únicas actualmente utilizadas como caldeiras principais nas instalações propulsoras a vapor, dado apresentarem sobre as caldeiras gás-tubulares as seguintes vantagens: São mais leves para a mesma potênciaSão mais fáceis de desmontar e montar,

dado serem constituídas por partes mais pequenas e leves

Turbinas a vapor e gásCaldeiras aquitubulares

Têm maior capacidade para produzir vapor e por isso satisfazem mais facilmente as rápidas variações de potência, dado o reduzido volume de água em circulação

Adaptam-se melhor às elevadas pressões e sobreaquecimentos requeridos pelas actuais instalações

Turbinas a vapor e gásCaldeiras aquitubulares

São mais fáceis de desmontar e montar, dado serem constituídas por partes mais pequenas e leves

Só utilizam água destilada, devidamente tratada através de produtos químicos

A dosagem de produtos químicos é obtida após efectuar-se a análise a amostras de água da caldeira

Quanto à pressão de regime ou pressão de trabalho:

Baixa pressão – até 10 bar Média pressão – 10 a 40 bar Alta pressão – 40 a 170 bar Pressão muito alta – 170 a 225 barPressão super-crítica – acima de 225

Quanto à disposição do tubularHorizontal – tubular posicionado na

horizontal Vertical – tubular posicionado na vertical As caldeiras verticais gás-tubulares, são

por vezes utilizadas a bordo dos navios como caldeiras auxiliares para recuperar parte da energia dos gases de evacuação dos motores diesel, a fim de produzir vapor para os serviços auxiliares até à pressão de 10 bar

Turbinas a vapor e gásCaldeira

auxiliar

Caldeira cilíndrica gás-

tubular vertical de

chama invertida

Sistemas AuxiliaresCaldeira recuperativa (recovery

boiler)A caldeira recuperativa aproveita a

energia dos gases de evacuação dos motores do navio

A navegar, muitas vezes a produção de vapor da caldeira recuperativa é suficiente para as necessidades do navio

Neste caso, a caldeira auxiliar fica fora de serviço (ou seja, é isolada)

Quanto à circulação da água no tubular Caldeiras de circulação natural – a água

circula apenas por convecção, devido à diferença de densidades entre a água fria que desce e a água quente e vapor que sobem

Caldeiras de circulação forçada – a circulação da água no tubular é assegura-da por meio de bombas adequadas

Turbinas a vapor e gásCaldeiras principais (Main boilers)

Normalmente, queimam combustíveis pesados ou gás natural, têm formas especiais e fornalhas interiores

São aquitubulares com uma frente de trabalho, de alta pressão, com circulação natural ou forçada

A sua principal função é produzir vapor sobreaquecido para as turbinas de propulsão dos navios

Turbinas a vapor e gásCaldeiras principais (Main boilers)

Esquema genérico

Turbinas a vapor e gásElementos das caldeiras principais

Colector de vapor (steam drum) – É o superior, normalmente de maior diâmetro, com capacidade para armazenar o vapor saturado produzido e também a água para alimentar os colectores inferiores

Colector de água (feedwater drum) – É o inferior de menor diâmetro, cuja função consiste em alimentar os feixes tubulares vaporizadores através da água que recebem do depósito de vapor

Os colectores de água e vapor são fabricados em aço e possuem uma forma cilíndrica

São torneados e polidos internamente para evitar o aparecimento de corrosões

A zona de fixação dos tubos é sempre de maior espessura, para que o enfraqueci-mento resultante da abertura dos orifícios de passagem destes, não comprometa a sua resistência

Tubulares vaporizadores - Têm a função de, por um lado, direccionar a água de alimentação do colector de vapor para os colectores de água (inferiores) através dos tubos situados nas zonas de menor temperatura da caldeira (mais afastados combustão)

Proceder à vaporização da água através dos tubos situados nas zonas de maior temperatura da caldeira (mais próximos da combustão)

Câmara de combustão (fornalha) – é o espaço delimitado pelos tubulares vaporizadores, lar da câmara de combustão e paredes anterior e posterior

Este conjunto é envolvido por uma caixa de aço macio forrada internamente com materiais isolantes, sendo o lar da câmara de combustão, parede anterior, parede posterior e muros laterais geralmente revestidos com tijolos refractários

Queimadores (burners) – podem ser de vários tipos: copo rotativo, atomização a ar ou a vapor

Sobreaquecedores (superheater) – elevam a temperatura do vapor saturado seco que recebem do colector de vapor, transformando-o em vapor sobreaquecido

O vapor sobreaquecido permite reduzir as perdas por atrito e a erosão das pás das turbinas, originadas pelas condensações, aumentando deste modo o seu rendimento

Sobreaquecedor (colocado

entre os tubulares

vaporizadores)

Reaquecedor (reheatar) – aquecem novamente o vapor para eliminar as partículas de água que se formam durante a sua expansão na turbina de baixa pressão (BP), as quais podem provocar graves problemas de erosão nos últimos andares de pás da turbina

Só recentemente passou a ser usado em caldeiras marítimas

É utilizado há muitos anos em caldeiras das centrais térmicas em terra

Estrutura de um caldeira

aquitubular moderna com reaquecedor

(inclui queimador próprio)

(Fonte: Mitsubishi Heavy Industries)

Economizador (Economizer) – aproveitam parte do calor dos gases de combustão à saída da caldeira para efectuarem o pré-aquecimento da água de alimentação antes de entrar na caldeira

São aquecedores constituídos por um tubular percorrido interiormente pela água de alimentação da caldeira e exteriormente pelos gases de combustão

Sistemas AuxiliaresEconomizad

Ventiladores de ar de tiragem forçada (Forced draft blower) - Têm por finalidade fornecer o ar para a combustão

Aquecedores de ar de tiragem (Air heater) Têm por finalidade aquecer o ar que vai alimentar a combustão

O caudal de ar é insuflado pelos ventiladores de ar de tiragem através dos aquecedores de ar para as caixas de ar na frente da caldeira, onde estão montados os distribuidores (registos) de ar da combustão

Esquema típico de ar de tiragem

Aquecedor de ar de tiragem

Em geral, utilizam vapor para aquecer

o ar de tiragem

Desobreaquecedor (desuperheater) – serve para baixar a temperatura do vapor sobreaquecido, de modo a poder alimentar determinadas máquinas a vapor

Este vapor é utilizado em turbinas auxiliares que não podem trabalhar com vapor sobreaquecido

Exemplos de turbinas auxiliares: turbo-bombas de alimentação das caldeiras, turbo-bombas de carga (navios-tanque)

Desobreaquecedores: podem ser constituídos por tubulares montados no depósito de água da caldeira

Podem ainda ser órgãos externos especiais em que se injecta água de alimentação da caldeira pulverizada no seio do vapor sobreaquecido para lhe baixar a temperatura

Este processo é controlado por uma válvula termostática, controlada pela temperatura do vapor sobreaquecido

Turbinas a vapor e gásOperação das caldeiras

Se o ar de tiragem entrar demasiado frio na fornalha, a combustão será retardada, uma vez que irá absorverá parte do calor desta para poder efectuar-se a combustão

Se o ar entrar demasiado quente na fornalha, será mais difícil fornecer a quantidade de ar adequada para efectuar uma combustão completa

É necessário encontrar o equilíbrio adequado entre estas duas situações

Turbinas a vapor e gásOperação das caldeiras

Na prática, devido às dificuldades inerentes ao processo de combustão, obtêm-se os melhores resultados com λ=1,2 ou seja com 20% de excesso de ar relativamente ao valor teórico (caldeiras a queimar fuel-óleo pesado)

O valor de λ varia consoante o tipo de combustível utilizado, ou seja:Gás natural: 5 a 10%Carvão pulverizado: 15 a 20%…..

Turbinas a vapor e gásElementos de limpeza e

manutenção das caldeirasSopradores de fuligem (Soot blowers) –

permitem efectuar durante o funcionamento das caldeiras, a limpeza externa dos seus tubulares através de injecções de vapor nos tubulares

São colocados nos economizadores e nos tubulares vaporizadores (o seu número varia podendo atingir dez por caldeira)

manutenção das caldeirasSão constituídos por tubos compridos

com orifícios espaçados a intervalos regulares, inseridos entre os tubulares

Estes tubos rodam através de um servomotor (eléctrico / ar comprimido)

Ao rodarem, injectam vapor a grande velocidade sobre os tubos, de modo a remover a fuligem que se acumula nos tubulares

manutenção das caldeirasSoprador de fuligem rotativo

Turbinas a vapor e gásSopradores de fuligem (simulador)

Sopradores de

fuligem (8)

Turbinas a vapor e gásElementos de limpeza e manutenção

das caldeirasPortas de visita – são elementos

desmontáveis de forma a permitirem aceder ao interior da caldeira, para efeitos de inspecção e limpeza, sempre que seja necessário.

Válvulas de purga de ar – são montadas no colector de vapor (“pescoços de cavalo”)

Válvulas de dreno (sangria) – são montadas no depósito de água para escoar (sangrar) a água da caldeira

Turbinas a vapor e gásElementos de segurança e controlo

das caldeirasVálvula de escumação – é montada no

depósito de vapor para escoar impurezas que se juntam na superfície de nível

Válvulas de segurança – protegem as caldeiras de pressões superiores às de segurança para que são projectadas, as quais poderiam levar à sua ruptura com graves consequências.

São normalmente do tipo carregadas por mola

Turbinas a vapor e gásElementos de segurança e controlo

das caldeirasInstrumentação – elementos de medida

das principais variáveis da caldeira (no local e à distância). Destacam-se:Indicadores de nível de águaManómetros de pressãoTermómetros (combustível, água, ar, vapor,

etc...)Detectores de chamaIndicadores de fumo, analisador de gases, ...

Turbinas a vapor e gásTurbinas a vapor

Como são máquinas de fluxo contínuo, dispensam os complexos órgãos de distribuição necessários ao funcionamento das máquinas alternativas a vapor

Relativamente às máquinas alternativas a vapor, para a mesma potência ocupam menos espaço e possuem um maior rendimento

Por estes motivos, substituíram as máquinas alternativas a vapor a partir da segunda metade do século XX

Turbinas a vapor e gásSistema de propulsão a vapor

mistoO navio Titanic

utilizava o vapor de

evacuação dos motores

alternativos a vapor para

accionar uma turbina a

vapor de baixa pressão

Turbinas a vapor e gásTurbinas a vapor versus motores

dieselUtilizam-se em navios cujas máquinas não

sejam sujeitas a grandes variações de carga (funcionamento estável)

Relativamente aos motores Diesel, possuem um binário motor mais regular pelo que dispensam a montagem de qualquer volante no veio

No entanto, o rendimento térmico do ciclo a vapor é mais baixo, pelo que têm vindo a ser progressivamente substituídas por motores Diesel na propulsão marítima

Para que as turbinas a vapor tenham um bom rendimento, a sua velocidade de rotação deve ser elevada, ou seja:

3000 a 4000 rpm, para as de elevada potência

9000 a 12000 rpm, para as de média potência

35000 a 40000 rpm, para as de pequena potência

O hélice, para poder funcionar com bom rendimento, deve ter uma velocidade de rotação muito inferior à das turbinas que o accionam (cerca de 80 a 100 rpm)

É imprescindível instalar caixas redutoras de velocidade entre as turbinas de vapor e o hélice, de modo a que cada um possa operar num regime de rotação em que o seu rendimento seja mais elevado, sem penalizar o outro

Caixa de engrenagens de dupla redução

Uma das desvantagens das turbinas de vapor deve-se à sua irreversibilidade, isto é, à incapacidade para alterarem o seu sentido de rotação

Quando são utilizadas para a propulsão de navios, é necessário instalar um grupo de turbinas para efectuar a propulsão a vante e outro, embora de menor potência (40 a 70%), para efectuar a propulsão a ré durante as manobras do navio

Turbinas a vapor e gásTurbinas a vapor para propulsão

Turbina de baixa pressão

(marcha a vante)

Turbina de marcha a ré

Turbinas a vapor e gásTurbina a vapor para produção de

energia eléctrica (turbo-geradores)Utilizam-se em geral a bordo

de navios-tanque e

navios porta-contentores

para aproveitar o

vapor produzido a

Turbinas a vapor e gásTurbinas a vapor usadas para

funções auxiliares Turbo-bombas de carga

Utilizam-se em geral a bordo

de navios-tanque de grandes

dimensões (VLCC, ULCC)

Turbinas a vapor e gásClassificação das turbinas a vapor

São máquinas a vapor rotativas e podem classificar-se de acordo com a direcção do fluxo de vapor no seu interior, da seguinte forma:

Turbinas de acção - fluxo axial Turbinas de reacção - Fluxo radial Turbinas mistas - fluxo misto

Turbinas de acção vs.

Turbina de reacção

As turbinas principais a vapor utilizadas na propulsão dos navios podem por isso ser de fluxo axial (turbinas de acção), de fluxo radial (turbinas de reacção) ou de fluxo misto (turbinas mistas)

As turbinas auxiliares utilizadas para accionamento de bombas, etc., são na maior parte dos casos de fluxo radial e de fluxo misto

Principais componentes Base de apoio ou fixe Estator ou carcaça, chumaceiras de

apoio do rotor, distribuidores (agulhetas ou pás fixas)

Rotor (veio motor, rodas de pás móveis)

Bucins de vedação de vapor Condutas de admissão e de evacuação

de vapor

Turbinas a vapor e gásTurbinas a vapor (esquema em

corte)

Estator ou carcaça – é o invólucro de aço da turbina em cujo interior se encontram devidamente fixados os distribuidores e o rotor que é suportado pelas chumaceiras de apoio da turbina

Distribuidores – são órgãos fixos monta-dos no interior do estator, constituídos por:

Várias agulhetas ligadas entre si (turbinas de acção)

Várias pás fixas também ligadas entre si de modo a formarem várias condutas para encaminharem o vapor para as pás móveis, (turbinas de reacção)

Agulhetas das turbinas de acção – são condutas fixas montadas nos respectivos distribuidores por onde passa o vapor de alimentação, cujas função consiste em expandir e direccionar o vapor por forma a accionar as pás móveis

Convertem em primeiro lugar a energia térmica em energia cinética e depois em energia mecânica, com a consequente rotação do veio motor

Agulhetas (nozzles) - direccionam o vapor para as pás da turbina de acção

Pás fixas das turbinas de reacção – são montadas nos respectivos distribuidores, de modo a formarem entre si várias condutas por onde passa o vapor de alimentação

Têm como função direccionar apenas o vapor para as pás móveis onde ocorre a transformação da sua energia térmica em mecânica

Funcionamento da turbina de reacção

Rotor – é o órgão móvel da turbina, que roda mediante a acção do vapor de água nas suas pás. É constituído pelo veio motor e pelas rodas nele montadas, onde se alojam as pás móveis

Nos espaços compreendidos entre os distribuidores formados pelas agulhetas no caso das turbinas de acção, ou entre os distribuidores formados pelas pás fixas no caso das turbinas de reacção, rodam as respectivas coroas de pás móveis

Bucins – servem para impedir as fugas de vapor do interior da turbina para o exterior (zona de alta pressão), através da folga existente entre o veio motor e a carcaça, nas zonas em que este sai para o exterior a vante e a ré

Nas zonas onde a pressão é negativa (vácuo), localizadas na turbina de baixa pressão, servem para impedir a entrada de ar (neste caso, fornece-se vapor auxiliar aos bucins)

Condensador principal (Main condenser)

Serve para condensar o

vapor descarregad

o pela turbina de

BP/Ré (funciona

com vácuo)

Turbinas a vapor e gásAnálise e tratamento de água das

caldeiras Durante o funcionamento das

caldeiras, são recolhidas regularmente amostras da água destilada em circulação, as quais são analisadas no laboratório existente a bordo

A partir das análises realizadas, são definidas as dosagens de produtos químicos a ser introduzidas no circuito de água de alimentação

Turbinas a vapor e gásAnálise e tratamento de água das

caldeiras Deste modo, impede-se que os

tubulares, os colectores, as válvulas e outros órgãos sejam atacados pela corrosão, bem como neles ocorra a formação de depósitos que dificultem a transmissão de calor

Os produtos são normalmente introduzidos no colector de aspiração das bombas de alimentação das caldeiras

Turbinas a vapor e gásSistemas da instalação propulsora a

vaporSistema de alimentação de água das caldeiras Sistema de alimentação de ar para a

combustão Sistema de alimentação de combustívelSistemas de distribuição de vaporSistema de condensação e arrefecimentoSistema de vapor aos bucins das turbinasSistema de lubrificação das turbinas PPSistema de produção de água destilada para

as caldeiras (vaporizadores-destiladores)

Turbinas a vapor e gásCircuito de combustível (fuel-óleo)

Turbinas a vapor e gásSistema de circulação de água

salgada

Turbinas a vapor e gásSistema de lubrificação das

turbinasNeste esquema

não está representado um tanque de

óleo de serviço que serve para

lubrificar as turbinas em

caso de emergência

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