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Introduo s Mquinas TrmicasTurbinas a Vapor e a Gs

Prof. Dr. Luiz Carlos Martinelli JniorISBN 978-85-908775-3-0

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SumrioTURBINAS A GS ........................................................................................................ 5 CAPTULO 1. INTRODUO .................................................................................... 6 DEFINIES BSICAS ..................................................................................................... 7 PROCESSOS TERMODINMICOS PARA UM GS PERFEITO ............................................... 9 ANLISE ENERGTICA DE MQUINAS ......................................................................... 13 APLICAES ................................................................................................................ 14 Como Mquinas Trmicas...................................................................................... 14 Como Turbomquinas Frias .............................................................................. 16 CAPTULO 2. TURBOMQUINAS.......................................................................... 17 TURBINAS A GS ......................................................................................................... 18 Histrico do Desenvolvimento da Turbina a Gs .................................................. 18 Componentes Principais......................................................................................... 25 Classificao da Turbinas a Gs ........................................................................... 30 COMPONENTES PRINCIPAIS .......................................................................................... 39 Compressores ......................................................................................................... 39 Turbinas.................................................................................................................. 48 FUNCIONAMENTO DAS MQUINAS TRMICAS ............................................................. 51 Construo e Princpio de Operao..................................................................... 53 ANLISE DO CICLO ...................................................................................................... 55 Anlise Comparativa do Ciclo ............................................................................... 56 Fluido de Trabalho................................................................................................. 57 Caractersticas de Torque ...................................................................................... 58 CAPTULO 3. MATERIAIS, COMBUSTVEIS E COMBUSTO....................... 59 MATERIAIS .................................................................................................................. 59 Comportamento dos Materiais ............................................................................... 59 Materiais Comumente Utilizados ........................................................................... 66 COMBUSTVEIS E COMBUSTO .................................................................................... 70 Tipos de Combustveis ............................................................................................ 71 Consideraes Sobre Combusto........................................................................... 72 CAPTULO 4. SISTEMA DE CONTROLE E OPERAO .................................. 77 SISTEMA DE ADMISSO DE AR E ESCAPAMENTO. ........................................................ 77 Sistema de Admisso .............................................................................................. 77 Sistema de Escape .................................................................................................. 77 SISTEMA DE PARTIDA E IGNIO.................................................................................. 77 Sistema de Partida.................................................................................................. 77 Sistema de Ignio.................................................................................................. 80 INSTRUMENTAO....................................................................................................... 80 NOES BSICAS DE MANUTENO ........................................................................... 82 Condies que Afetam a Manuteno das Turbinas a Gs.................................... 83 TURBINAS A VAPOR ................................................................................................ 87 CAPTULO 1. INTRODUO .................................................................................. 88 CAPTULO 2. FUNDAMENTOS............................................................................... 88

3 EXPANSORES CONVERGENTES E CONVERGENTES-DIVERGENTES ................................ 89 PRINCIPIO DA AO E PRINCPIO DA REAO ............................................................. 89 TURBINA DE AO E TURBINA DE REAO ................................................................. 91 ESTGIOS MLTIPLOS ................................................................................................. 92 ESTGIOS DE AO E ESTGIOS DE REAO .............................................................. 93 Estgios de Ao .................................................................................................... 93 Estgios de Reao................................................................................................. 94 CAPTULO 3. COMPONENTES BSICOS ............................................................ 96 ESTATOR (RODA FIXA)................................................................................................ 96 ROTOR (RODA MVEL) ............................................................................................... 96 EXPANSOR ................................................................................................................... 96 PALHETAS.................................................................................................................... 97 DIAFRAGMAS ............................................................................................................... 98 DISCO DO ROTOR ......................................................................................................... 99 TAMBOR ROTATIVO..................................................................................................... 99 COROA DE PALHETAS .................................................................................................. 99 ARO DE CONSOLIDAO.............................................................................................. 99 LABIRINTOS ............................................................................................................... 100 CARCAA .................................................................................................................. 101 MANCAIS DE APOIO (RADIAIS).................................................................................. 101 MANCAIS DE ESCORA ................................................................................................ 101 VLVULAS DE CONTROLE DE ADMISSO .................................................................. 102 I - Construo Multi-Valve .............................................................................. 102 II - Construo Single-Valve............................................................................ 103 VLVULAS DE CONTROLE DE EXTRAO .................................................................. 104 VLVULAS DE BLOQUEIO AUTOMTICO ................................................................... 105 CAPTULO 4. TURBINAS DE USO GERAL E ESPECIAL................................ 108 TURBINAS DE USO GERAL .......................................................................................... 108 TURBINAS DE USO ESPECIAL ...................................................................................... 108 TIPOS CONSTRUTIVOS USUAIS................................................................................... 109 TURBINA DE FLUXO RADIAL ..................................................................................... 110 TURBINAS USADAS EM INDSTRIAS .......................................................................... 110 CAPTULO 5. TIPOS E APLICAES ................................................................. 111 INTRODUO ............................................................................................................. 111 TIPOS BSICOS ........................................................................................................... 112 APLICAES DE TURBINAS DE MLTIPLOS ESTGIOS ............................................... 114 Contrapresso Direta ........................................................................................... 114 Contrapresso com Simples Extrao ou Sangria ............................................... 115 Contrapresso com Dupla Extrao ou Sangria ................................................. 115 Contrapresso com Induo................................................................................. 116 Contrapresso com Induo ou Sangria .............................................................. 116 Condensao Direta ............................................................................................. 116 Condensao com Simples Extrao ou Sangria ................................................. 117 Condensao com Dupla Extrao ou Sangria ................................................... 117 Condensao com Induo................................................................................... 117 Condensao com Induo ou Sangria ................................................................ 118 Condensao com Vapor de Baixa Presso......................................................... 118 TURBINAS COMPOSTAS EM SRIE E EM PARALELO .................................................... 119

4 TIPOS CONSTRUTIVOS USUAIS................................................................................... 120 CAPTULO 6. MATERIAIS EMPREGADOS ....................................................... 127 CARCAA .................................................................................................................. 127 CONJUNTO ROTATIVO ............................................................................................... 128 PALHETAS.................................................................................................................. 129 EXPANSORES ............................................................................................................. 129 SELAGEM ................................................................................................................... 130 MANCAIS ................................................................................................................... 130 PARAFUSOS DA CARCAA ......................................................................................... 130 VLVULAS DE CONTROLE ......................................................................................... 130 ESPECIFICAES DE MATERIAL ................................................................................. 130 BIBLIOGRAFIA TURBINAS A VAPOR ............................................................... 134 BIBLIOGRAFIA TURBINAS A GS ..................................................................... 134 LINKS.......................................................................................................................... 134

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TURBINAS A GS

Teste da turbina do F119

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Captulo 1. IntroduoAs turbinas a gs (TG) so turbomquinas que, de um modo geral pertencem ao grupo de motores de combusto e cuja faixa de operao vai desde pequenas potncias (100 KW) at 180 MW (350 MW no caso de nucleares), desta forma elas concorrem tanto com os motores alternativos de combusto interna (DIESEL e OTTO) como com as instalaes a vapor (TV) de pequena potncia. Suas principais vantagens so o pequeno peso e volume (espao) que ocupam. Isto aliado versatilidade de operao que apresentam est fazendo com que sua utilizao se encontre em franca ascendncia atualmente. Sendo compostas de turbomquinas (Mquinas Rotativas) as turbinas a gs apresentam uma vantagem bastante grande quando comparadas aos motores alternativos uma vez que nelas h ausncia de movimentos alternativos e de atrito entre superfcies slidas (pisto/camisa do cilindro). Isto significa a quase inexistncia de problemas de balanceamento e, ao mesmo tempo, um baixo consumo de. leo lubrificante (uma vez que o mesmo no entra em contato direto com partes quentes e nem com os produtos de combusto. Disso decorre uma outra vantagem: a elevada confiabilidade que apresentam. Alm disso, quando comparadas s instalaes a vapor, as turbinas a gs praticamente no necessitam de fluido refrigerante o que facilita muito sua instalao. Outro aspecto bastante favorvel das turbinas a gs a baixa inrcia trmica que lhes permite atingir sua carga plena em um espao de tempo bastante reduzido. No caso de estar pr aquecida por exemplo, o tempo entre carga nula e carga plena varia de 2 a 10 segundos. Este aspecto faz com que as turbinas a gs sejam particularmente indicadas para sistema de gerao de energia eltrica de ponta, onde o processo de partida e necessidade da plena carga no menor tempo possvel de suma importncia. Esta tambm uma condio imprescindvel nos sistemas Stand-by ou No-Break, onde o fornecimento ininterrupto de energia condio bsica necessria (Figura 1.1).

Figura 1.1 Centrais Termeltricas no BrasilNormalmente se denomina Turbina a Gs (TG) o conjunto completo do motor ou a instalao da mesma que composta dos seguintes componentes principais: compressor (responsvel pela elevao de presso);

7aquecedor do fluido de trabalho e, a turbina propriamente dita (elemento expansor).

Observa-se que a turbina a nica parte do sistema (conjunto) e que o fludo de trabalho sofre a expanso que , por ela, transformada em energia ou trabalho mecnico. A construo das turbinas a Gs (da qual trataremos posteriormente, em detalhe) pode ser feita da seguinte maneira: Instalao de potncia auto-suficiente com sistema de gerador de calor prprio atravs da queima de combustvel (cmara de combusto) Gerao interna de calor (ciclo aberto). Instalao de potncia depende com introduo de calor independente (direto ou de rejeio) atravs de um trocador de calor gerao externa de calor (ciclo fechado) Esta possibilidade de mltipla escolha para o mtodo de introduo de calor, aumenta ainda mais a versatilidade de funcionamento das turbinas a gs uma vez que assim ser permitido o uso de uma variedade de combustveis inclusive slido e, at mesmo, o uso de energia nuclear. Seu campo de aplicao o mais variado possvel e o mais amplo dentre os diversos tipos de motores. Inicialmente elas foram desenvolvidas objetivando fornecimento de trabalho mecnico. Entretanto, o desenvolvimento efetivo s ocorreu em virtude de sua aplicao na aeronutica como elemento propulsor (reator). Enquanto fornecedores de trabalho mecnico as turbinas a gs tem sido utilizadas, de maneira geral, como elemento propulsor para navios; avies (hlice); no setor automotivo, ferrovirio e, principalmente, como acionador de estaes booster de bombeamento (oleodutos e gasodutos) assim como tambm na gerao de eletricidade, principalmente, nas centrais de ponta e sistemas Stand-by e em locais onde peso e volume so levados em conta como o caso das Plataformas Off-shore de extrao de petrleo. Tambm so usadas em locais remotos e de difcil acesso e instalao, pois a sua alta confiabilidade aliada simplicidade de operao permitem inclusive que elas sejam operadas distncia. Como desvantagens das turbinas a gs tm-se o baixo rendimento e a alta rotao, fatores bastante desfavorveis no caso de aplicao industrial.

DEFINIES BSICAS

Calor a forma de energia transferida entre dois sistemas em virtude da diferena de temperatura entre eles. Ciclo Quando um sistema parte de um estado inicial passa por diversas transformaes e retorna mesmo estado inicial, i. e, quando o estado inicial idntico ao estado final aps as transformaes sofridas. Energia a capacidade de produzir trabalho. O estado de um sistema ser transformado pela adio ou extrao de energia. Calor e trabalho so diferentes formas de energia em trnsito, no so contidos em nenhum sistema. Tanto o calor como o trabalho so funes do caminho e dependem portanto do processo (Eles no so propriedades ou sistemas). Energia, calor e trabalho so expressos em joules (J) = Newton.m (Nm) Energia mecnica Mto.w = F .b.2 .

n 60

8Entropia Entropia indica o grau de desorganizao do universo. Faz consideraes sobre o grau de liberdade das molculas (tomos)

S=

dQ T

Estado o estado de um sistema a sua condio a qual definida por suas propriedades. Grandeza especfica quando a grandeza relacionada unidade de massa. Processo uma transformao ou srie de transformaes no estado do sistema. Processo Reversvel Um processo reversvel se o sistema e sua vizinhana podem ser reconduzidos aos seus estados iniciais pela reverso do processo. Um processo reversvel em uma mquina com escoamento somente possvel quando h ausncia de atrito no fludo e transferncia de calor com diferenas de temperatura com degraus muito pequenos. Por ser um processo ideal somente serve como referncia na comparao com processos reais equivalentes. Processo irreversvel No irreversvel o estado inicial no atingido pela reverso do processo. Como sempre h atrito e as diferenas de temperatura so finitas todos os processos reais so irreversveis. Processo Adiabtico Quando no h transferncia de calor entre o sistema e a vizinhana durante o processo. Sistema isolado Aumenta (diminui) a temperatura da vizinhana na mesma proporo do sistema Executa o processo rapidamente. Sistema um conjunto arbitrrio de matria tendo uma fixada identidade. fora do sistema tm-se a vizinhana a interface entre sistema/vizinhana chama-se fronteira Sistema fechado quantidade fixada de matria no h fluxo de matria h troca de calor e trabalho; a fronteira pode mudar (pisto). Sistema aberto h um fluxo contnuo de matria atravs das fronteiras volume de controle (superfcie de controle). A quantidade da matria ocupando o volume de controle varia com o tempo! Temperatura a medida do potencial trmico do sistema. Identifica, portanto, o estado do sistema. Trabalho aquilo que o sistema transfere sua vizinhana quando suas fronteiras so deslocadas pela ao de uma fora. Trabalho = forma x distncia (na direo das foras). Trabalho mecnico F.dl = Mto .

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PROCESSOS TERMODINMICOS PARA UM GS PERFEITOCinco so os processos termodinmicos para um gs perfeito Processo Isovolumtrico (Isocrico) Processo Isobrico Processo Isotrmico Processo Adiabtico Reversvel (Isentrpico) Processo Politrpico

PROCESSO ISOVOLUMTRICO, ISOCRICO (V = CONSTANTE)

Q = W +Umas: ento:

Eq. 1

W = pdv = 0 dv = 0Q = U = m c v dt p1V = mRT1 p 2V = mRT2

p1 T1 = P2 T2

Eq. 2

variao de entropia:2

S = 1

T dQ 2 c dT = 1 v = c v ln 2 T T T1 T2 = T1eS cv

Eq. 3

Eq. 4

Figura 1.2 Diagramas de um processo isovolumtrico

PROCESSO ISOBRICO (P = CONSTANTE)

10p.V1 = mRT1 p.V 2 = mRT2

V1 T1 = V2 T2

Eq. 5

Q = w + UW = pdV = p (V 2 V1 )

Eq. 6

Figura 1.3 Diagramas de um processo isobrico

s =

T dQ dT 2 = 1 c p = c p . ln 2 T T T1

R = c p cv Q = m c p dTS cp

c p > cv

T2 = T1e

S p > S v

PROCESSO ISOTRMICO (T = CONSTANTE)

Q = w + U p1.V1 = mRT p 2 .V 2 = mRT

(U = 0)

p1V1 = p 2V2(hiprbole eqiltera)

Eq. 7 Eq. 8

pV = constante

d(pV ) = p.dV + V.dp = 0

dp p = = tan dV V

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Figura 1.4 Diagramas de um processo isotrmico

U = 0

pois

T= constante e U = f(T)

V dV 2 2 Q = w = 1 pdV = 1 mRT = mRT ln 2 V V 1 V Q 1 2 2 dQ S = 1 = 1 dQ = = mR ln 2 V T T T 1 pV p S = 1 1 ln 1 p T 2

p = p1V1 ln 1 p 2

Eq. 9

p1V1 p1 = ln p T 2

Eq. 10

Eq. 11

PROCESSO ADIABTICO REVERSVEL, ISENTRPICO (S = CONSTANTE)

dQ = dW + dU = 0

pois

dQ = 0

pdV + mc v dT = 0 ou pV = mRT

Eq. 12

assim:

pV k = cons tan te dp.V k + p.kV k 1 dV = 0

dp p V k 1 = kp = k = tan 1 dV V Vk

Eq. 13

12

Figura 1.5 Diagramas de um processo adiabtico reversvel

PROCESSO POLITRPICO

pV = cons tan te

onde k < n < k

idem ao processo isentrpico

dp p = n = tan 2 dV V

Eq. 14

Figura 1.6 Diagramas de um processo politrpico

2 W = 1 pdV =

p 2V 2 p1V1 mR (T2 T1 ) = 1 n 1 n

Eq. 15

Q = mc v (

k n )(T2 T1 ) = mc n (T2 T1 ) 1 n k n ) 1 n dQ = mc n dT

Eq. 16 Eq. 17

cn = cv (2 S = 1

T dQ dT 2 = m 1 cn = mc n ln 2 T T T1

Eq. 18

13

ANLISE ENERGTICA DE MQUINASExistem dois possveis aspectos nesta anlise: um o aspecto externo onde a mquina analisada como sendo uma caixa preta e o outro, o aspecto interno, onde so analisados os detalhes de seu funcionamento. Discute-se aqui apenas os Aspectos Externos. Na anlise externa interessa particularmente ao usurio da mquina. A energia disponvel est em regime permanente, as propriedades do fludo de trabalho permanecem constantes. Uma anlise com o regime transitrio s de interesse para o fabricante! Neste caso os testes exigem sistema sofisticados de medies, conseqentemente caros (aparelhos registradores), exigindo portanto pessoal altamente qualificado.

Figura 1.7 Esquema da mquina Aplicando a equao da energia (1a lei da termodinmica).

c2 d q = dw + d ( pv ) + d u + + gz + energ. qumica + energ. acstica + energ. eletromagntica +. . . 2 Nas aplicaes em Engenharia

c2 d q = dw + d ( pv ) + d u + + gz 2 Simplificaes Fluxo de massa constante (regime permanente) Equao da continuidade:

Eq. 19

& & & m1 = m 2 = .v = .C. A = constante* As propriedades em qualquer ponto do sistema permanecem constantes (sistema aberto) permanente. Fluxo de calor e/ou trabalho atravs das fronteiras so em taxa uniforme

Eq. 20 regime

c2 q = w + ( pv ) + u + + gz 2

Eq. 21

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APLICAES Como Mquinas TrmicasTURBINA A VAPOR

Simplificaes * Sistema adiabtico (alta velocidade do vapor) * Variao de energia cintica e potencial so desprezveis.

Figura 1.8 Esquema de uma Turbina a Vapor

w = (pv) + u = (pv + u )

Eq. 22

ento:

w = h h = c p .tlogo:

& & Potncia P = m.w = m.hMedidas temperatura, massa de vapor

Se considerarmos apenas o bocal de uma turbina de ao, teremos:

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Figura 1.9 Esquema de um bocal da turbina

w = pdv 0

c 2 = (u + pv) = h 2

mas h = c p T medida da temperatura TURBINA A GS

Figura 1.10 Esquema de uma Turbina a Gs

Potncia do compressor Potncia da turbina Potncia efetiva O calor introduzido Potncia do combustvel

& Pc = m ar .h

& Pt = m g .hPef = Pt Pc& Pcomb = m c .H i

Em geral retira-se informaes pela medida de temperatura, presso e massa em escoamento. Vide norma ASME Gas Turbine VDI 2059 B. 1. 3

De modo em geral, nos interessa o rendimento

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=

E s Ps = 0,1 kg

s

Turbo alimentador Nmero de estgios

s

= 6 i = 10 a 12 dando st = 1,19 a 1,16 = 12 i = 16 a 18 dando st = 1,17 a 1,16Temperatura na compressok 1 T2 s = T1 . k

Terica

Para o ar com temperatura de 20 C ( T1 = 293K ) T2 = 200 ... 300 ... 500 para = 6...12...30

As caractersticas de funcionamento destes dois tipos de compressores so mostrados na Figura 2.50.

a) Rotao

b) Temperatura

Figura 2.50 Caractersticas tpicas de compressores

TurbinasAs turbinas tambm podem ser radiais ou axiais.

49TURBINAS RADIAIS Apresentam somente um estgio com rotor semi-aberto, muito semelhante a do compressor radial. O escoamento, agora, segue contra o efeito da fora centrfuga no sentido radial de fora para dentro. Desta forma muito comum a denominao turbina centrpeta. So turbinas compostas normalmente utilizadas para pequena potncia como, por exemplo, nas turboalimentadores ou turbinas automticas. Podem atingir at 4500kW em instalao com potncia efetiva de 1500kW (lembrar que o compressor consome cerca de 2/3 da potncia da turbina). O seu rendimento relativamente pequeno devido a folga do rotor, pequenas dimenses, alta diferena de temperatura e oposio da fora centrfuga por ocasio da expanso. Os valores comuns de rendimento so da ordem de t = 0,6...0,75 dependendo das dimenses.

Figura 2.51 Turbina centrpeta (radial) TURBINAS AXIAIS As turbinas axiais so bastante semelhante s turbinas a vapor de reao (normalmente 0,5 para o grau de reao). Devido a relativamente queda da entalpia nas turbinas a gs, dificilmente so utilizados mais de cinco estgios. Na maioria de 2 a 4 estgios sendo que, para pequena potncia basta 1 estgio. A baixa presso e alta temperatura da turbina a gs possibilitam construo leve. Materiais resistentes temperatura so necessrios, principalmente tendo em vista a pequena espessura das paredes. Como j mencionado, devido a alta temperatura dos gases e alta rotao, a turbina fica sobrecarregada. Por tanto, materiais resistentes a alta temperaturas so usados o que permite uma temperatura de trabalho de at 600C para turbinas a gs estacionrias e para as usadas na aeronutica at 9000C. Valores de temperaturas de trabalho maior requerem resfriamento, neste caso possibilitando temperatura de: Turbinas a gs estacionrias at 950C Turbinas a gs mveis at 1300C

Devido a isso, diversos mtodos foram propostos para resfriamento de ps como mostra a Figura 2.52.

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Figura 2.52 Mtodos para resfriamento de ps. Em uso corrente preferido o resfriamento a ar e neste caso, tm-se os seguintes mtodos de resfriamento: CONVENO FORADA, FILME e TRANSPIRAO, que apresentam entre si vantagens e desvantagens. O ar de resfriamento provm do prprio compressor e a quantidade requerida para turbina de grande potncia (20 MW) entre 7% a 13% da vazo total, dependendo da temperatura dos gases (800C a 1300C). Para instalaes menores este valor situa-se entre (4 e 10%). No tipo mais usado, conveco forada, a quantidade de ar necessria ao resfriamento fica entre 1,5 e 2% da vazo (m) por fileira de ps. A Figura 2.53 apresenta uma p resfriada por ar e a Figura 2.54 mostra o modo pelo qual o ar de resfriamento introduzido.

51Figura 2.53 P resfriada a ar

Figura 2.54 Introduo de ar de resfriamento Quanto ao mtodo de dimensionamento de turbinas tm-se algo semelhante ao projeto de compressores, isto , os fundamentos bsicos de clculo so os mesmos. Alguns valores caractersticos para turbinas axiais: Comprimento da p: Relao de comprimento: Velocidade de perifrica: Folgas: Perda por fuga: Temperatura dos gases na sada: no mnimo b = 30 mm b/D ((0,03). . . 0,05. . . 0. 15) u = 200. . . 350. . . 400 m/s (2. . . 4) 10 D 3. . . 5% 400. . . 500 C (S. T)

FUNCIONAMENTO DAS MQUINAS TRMICASAs Turbinas a Gs funcionam segundo o 2o princpio da termodinmica dS = que geralmente representada como segue:

dQ , de forma cclica T

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Gerador de vapor (caldeira)

TV TG

Compressor + cmara de combusto Cmara de combusto MACI

Trabalho mecnico - elemento rotativo - pisto alternativo - rotativo

Rejeio de calor - prpria atmosfera - condensadores (TV) Figura 2.55 Esquema de funcionamento de mquinas trmicas Como veremos posteriormente, para o caso de turbinas a gs, o funcionamento destas mquinas pode ser representado por ciclos termodinmicos, compostos por uma srie de transformaes processos teoricamente reversveis e praticamente irreversveis. Mas de um modo geral temos:

Figura 2.56 Diagramas de processos cclicos Observar que, sendo o processo cclico, o fludo de trabalho sai da condio0 sofre as diversas transformaes e retorna ao mesmo ponto0. DQ = dW + dU dQ = dW Eq. 37

interessante ainda, observar que para as mquinas trmicas sempre necessrio uma fonte quente (introduo de calor) e uma fonte fria (rejeio de calor) bem como uma regio do sistema com alta presso e outra de baixa presso pois a transformao em que o trabalho produzido sempre uma expanso.

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Construo e Princpio de OperaoConsidere-se ento, para descrio da operao de turbinas a gs com finalidade da acionamento (energia mecnica) a Figura 2.57 que representa um dos tipos comuns de instalao para gerao de energia eltrica e de turbinas a gs para aeronutica a Figura 2.15.

Figura 2.57 - Esquema tpico de uma Turbina Gs Industrial Aqui por meio de um compressor, o ar (comburente) comprimido (elevado a presso) e conduzido uma cmara de combusto onde introduzido o combustvel que pode ser gasoso, lquido ou mesmo slido, e que ser queimado sob uma condio de presso constante, num processo de queima em regime contnuo, aumentando a temperatura dos gases e introduzindo, desta forma, a energia primria no sistema. Os gases de combusto expandem-se na turbina que, por sua vez, transforma esta energia dos gases em energia mecnica a qual dever ser maior do que a energia necessria para acionamento do compressor. Esta diferena de energia a energia mecnica efetiva disponvel. Numa primeira aproximao pode-se considerar como valor padro atuais para funcionamento no ponto de projeto a distribuio de potncia (energia) entre os diversos componentes da instalao como Pt : Pc:Pef = 3:2:1. Isto significa que a potncia necessria compresso (Pc) consome cerca de 2/3 de potncia liberada pela turbina (Pt). Desta forma a disponibilidade de potncia efetiva (Pef) somente 1/3 da potncia da turbina (Pt). Evidente que estes valores so apenas uma indicao uma vez que perdas ocorrem tanto no compressor como na turbina e isso concorre para o aumento da potncia absorvida (perdida) pelo prprio sistema decrescendo, desta forma, a potncia efetiva disponvel. A maior ou menor introduo de calor produz respectivamente uma maior ou menor potncia efetiva. Assim, um aumento muito grande de calor (combustvel) resultar num aumento da potncia sendo, evidente que, para uma determinada vazo de ar, existe um limite para a proporo de introduo de combustvel. A mxima relao combustvel/ar que pode ser usada determinada pela temperatura de trabalho das ps da turbina que operam em condies de alto tensionamento (altos esforos aerodinmicos e mecnicos; alta rotao; e, temperatura constante). Esta temperatura no poder ultrapassar determinado valor crtico (1300C). Este valor, por sua vez, depende da tenso de creep (fluncia) do material usado na construo da turbina, bem como de sua vida til desejada. Como pode-se ver existem dois fatores que afetam o desempenho da turbina a gs: rendimento dos componentes e temperatura de trabalho da turbina. Quanto mais alto forem, melhor ser o desempenho da instalao. De fato estes fatores foram os que mais concorreram para os fracassos de um grande nmero de tentativas feitas nos primrdios do desenvolvimento das turbinas a gs. Naquela poca, e devido a esses fatores, a maioria das turbinas a gs conseguia apenas, na melhor das hipteses, manter o seu funcionamento.

54Isto significa que, funcionavam sem produzir nenhuma ou quase nenhuma potncia efetiva. Nesta ocasio o rendimento do compressor no era mais que 60% e a mxima temperatura admissvel era na ordem de 470. O rendimento total da turbina a gs depende tambm da relao de presso do compressor ou da instalao. A dificuldade de se obter alta relao de presso com um rendimento adequado do compressor s foi sanada quando novos conhecimentos de aerodinmica puderam ser aplicados neste problema. O desenvolvimento da turbina a gs ocorreu lado a lado com o desenvolvimento dos conhecimentos de aerodinmica e, tambm da metalrgica. O resultado disso que, no momento, possvel encontrar motores avanados usando relao de presso at 30:1; rendimento de componentes de 85 a 95%; e, temperatura permissvel na entrada da turbina at 1300 C (casos extremos com o uso de cermica at 1500C - Figura 2.58).

Figura 2.58 Escala de Temperatura em um Reator No incio do desenvolvimento da turbina a gs, dois possveis sistemas de combusto foram propostos: um, a presso constante e, o outro, a volume constante. Teoricamente, o rendimento trmico do ciclo a volume constante maior de que o do ciclo a presso constante, mas as dificuldades mecnicas so muito maiores. Com adio de calor a volume constante, vlvulas so necessrias para isolar a cmara de combusto do compressor e da turbina. A combusto desta forma, intermitente, o que no permite o funcionamento suave da mquina. Apesar do grande esforo, principalmente por parte dos Alemes e Suos, para desenvolver a turbina funcionando com este princpio pouco sucesso foi atingido. Desta forma este princpio foi abandonado. No ciclo com introduo de calor a presso constante, a combusto ocorre em um processo contnuo, no necessitando de vlvulas o que simplifica muito sua construo e funcionamento. Este tm sido ento aceito como o tipo de ciclo que maiores possibilidades oferece para futuro desenvolvimento (Figura 2.59).

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Figura 2.59 Reator com presso constante na Cmara de Combusto importante observar que na turbina a gs os processos de compresso, combusto e expanso no ocorrem em um nico componente como no caso dos motores alternativos a pisto. Eles ocorrem em componentes separados de forma que podem ser projetados, desenvolvidos e testados individualmente. Alm disso estes componentes podem ser interligados de diversas maneiras de modo a compor a unidade turbina a gs. O nmero possvel de componentes no limitado aos trs j mencionados. Outros compressores e turbinas podem ser adicionados, com inter-resfriamento entre os compressores e cmaras de combusto de reaquecimento entre as turbinas. Pode, tambm, ser usado um trocador de calor que usa parte da energia dos gases de escape da turbina para pr aquecer o ar entretanto na cmara de combusto. Estes refinamentos podem ser usados para aumentar a potncia efetiva e o rendimento da instalao as custas de um aumento na complexidade, peso (volume) e principalmente custo. importante mencionar que a maneira em que os componentes so interconectados no afeta somente o rendimento total, mas tambm a variao do rendimento com a potncia efetiva e torque de sada com a variao de rotao. Desta forma, dependendo do tipo de aplicao da turbina a gs, haver um arranjo adequado dos componentes, pois um determinado arranjo poder ser conveniente para o acionamento de um gerador sob carga varivel a uma rotao constante e outro poder ser adequado para o acionamento de compressor ou bomba de estao booster de um gasoduto ou oleoduto cuja potncia varia com o cubo da rotao.

ANLISE DO CICLOA turbina a gs de ciclo fechado, como o prprio nome indica, assim denominada em virtude do tipo de circulao de seu fluido de trabalho. Assim sendo o processo de combusto tem que ser obrigatoriamente externo. Sua diferena com relao a TG ciclo aberto est no processo de introduo e rejeio de calor. A Figura 2.60 mostra o esquema de uma instalao de turbina a gs de circuito fechado, onde o fluido de trabalho a ar e o combustvel carvo pulverizado.

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Figura 2.60 Esquema de turbina a gs ciclo fechado (Eletricidade e aquecimento 2,3 MW)

Outro exemplo o de uma instalao nuclear, conforme mostra a Figura 2.61.

Figura 2.61 Esquema de turbina a gs nuclear (ABB).

Anlise Comparativa do CicloVantagens: a) Uso de alta presso no ciclo (maior densidade) - dimenses menores das turbomquinas - regulagem em larga faixa de operao sem alterao da temperatura (pouca variao do rendimento) regulagem pela presso.

57- melhoria da troca de calor b) Uso mltiplo de combustvel, inclusive outras fontes de calor (solar, nuclear) c) Fluido de trabalho no contaminado - no h corroso e desgaste (turbomquinas) - no h necessidade de filtros d) Uso de outros fluidos de trabalho - melhores propriedades termodinmicas - gs neutro

Desvantagens: a) Combusto externa - uso de sistemas auxiliares - diferena de temperatura (gases x fluido de trabalho) - limite mximo de temperatura b) Uso de trocador de calor 770C (trocadores)

resfriamento (gua)

c) Custo, volume e peso maiores d) Problemas de vedao - carcaa mais reforada

Fluido de TrabalhoEm geral usado ar, CO2 e principalmente Hlio devido suas excelentes propriedades termodinmicas.

Tabela 1 - Comparao do Hlio com o ArGrandeza Massa especfica Smbolo Unidade kg/m Helio 0,179 Ar 1,20 He/Ar 1/7

58Massa molecular Constante dos gases Expoente Isentrpico Calor especfico Velocidade do som Coeficiente Conduo Calor M R k C a kg/mol kJ/kg.K kJ/kg.K m/s W/m.K 4,0 2,078 1,66 5,24 970 0,144 29 0,287 1,40 1,0 330 0,026

5 3 5,5

Apesar do Hlio ser mais caro, tm as seguintes vantagens: - No h corroso materiais comuns - Turbomquinas com menor dimenses, devido ao valor maior de a (velocidade do som) - Menor superfcie de troca de calor ( maior) - Para mesma temperatura T menor (K maior)

- Materiais mais leves (menos resistentes) - Alto rendimento, apesar de presso baixa Em geral TG Hlio so menores e mais econmicas, porm mais caras.

Caractersticas de TorqueNo caso de turbinas a gs industriais (Pef) importante observar a dependncia do torque com a rotao para uma determinada potncia uma vez que isto que determina a sua adequao em uma aplicao ou outra. Exemplificando: nas aplicaes com propsito de trao um alto torque de partida particularmente importante. Assim, um circuito pode ser adequado para gerao de energia eltrica (rotao constante) e inadequado para estao de bombeamento ou propulso naval ( n = k3 P ).

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Captulo 3. Materiais, Combustveis e CombustoEstes so os itens de grande importncia no aprimoramento das turbinas a gs tanto no aspecto de aumento de sua potncia como no da melhoria de seu rendimento. Dado a sua importncia os pesquisadores tem concentrado esforos no seu desenvolvimento e aprimoramento tendo em vista atender exigncias ecolgicas.

MATERIAISCom respeito aos materiais interessante ter em mente, na sua escolha, os aspectos segurana, confiabilidade, vida til e economia. Devido a ocorrncia de uma combusto contnua em turbinas a gs aparecer um sobrecarregamento trmico principalmente na cmara de combusto e nas ps do primeiro estgio da turbina. Acrescido a isto existe ainda a corroso devido a agressividade e a existncia de oxignio nos gases de escape ainda quentes. No caso particular da p da turbina existe a ao da fora centrfuga que muito grande uma vez que ela funo do quadrado da rotao e a rotao das turbinas so altas, principalmente naquelas de uso aeronutico. Como se v as turbinas a gs so um caso tpico para uso de materiais resistentes a alta temperatura. Esta alta temperatura so as causas de aparecimento de tenses, devido principalmente aos seguintes fenmenos: - FLUNCIA e FADIGA as quais devido a sua importncia sero examinadas em detalhes mais adiante. - MICROTRINCAS que ocorrem devido a rpida mudana de temperatura do gs e conseqentemente do material pela mudana rpida do regime de funcionamento. Sua origem devido as altas tenses trmicas localizadas. Ainda sob o aparecimento de tenses trmicas, temos: - DILATAO TRMICA decorrente das diferenas de dilatao entre aos diversos materiais, por exemplo, aos austenticos e martensticos. - ELASTICIDADE com o aumento de temperatura diminui o mdulo de elasticidade dos slidos (materiais) que conduz mudana da freqncia do natural do rotor e das ps. Sob o espao ECONOMIA, naturalmente que os materiais mais caros que so os resistentes A altas temperaturas, ento seu uso fica somente para a cmara de combusto e partes da turbina. Para o compressor usado aos normais ou ligas metlicas leves (principalmente para aviao).

Comportamento dos MateriaisComo sabemos quando um material submetido a um esforo ele se deforma. A lei de Hook mostra que existe uma relao proporcional entre a tenso e a deformao ( = .E), porm isto vlido apenas para a regio elstica do material. A Figura 3.1 mostra o resultado de um teste de tenso, o qual aps um carregamento ( = F x A) com 350 N/mm2 , uma deformao de 0,2% atingida, a qual desaparece com o descarregamento.

60Aumentando-se o carregamento ele torna-se plstico, permanecendo portanto uma deformao residual por ocasio do descarregamento. Aumentando mais ainda o carregamento, haver a ruptura do material.

Figura 3.1 Diagrama de Tenso Deformao importante observar que este comportamento depende do tipo de material da temperatura e do tempo de carregamento. A Figura 3.2 mostra o comportamento de um material, submetido a diversas tenses e o seu tempo de ruptura para cada carregamento. Este tipo de informao da vida til do equipamento, principalmente para as partes que esto sujeitas a maiores temperaturas e esforos.

Figura 3.2 Diagrama de Deformao Tempo e Tenso de Ruptura FLUNCIA Uma outra caracterstica apresentada pelos metais o ESCOAMENTO OU FLUNCIA, cujo comportamento indicado na Fig. 3. 3, onde representado o comportamento da deformao com o tempo quando submetida a um determinado carregamento (tenso) e sob ao de temperatura. As curvas I, II, e III representam =f (tempo) para o mesmo carregamento e diferentes temperaturas, sendo que a temperatura decresce de 1 para 3. Conclui-se que a fratura ocorre mais rapidamente com o aumento da temperatura.

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Figura 3.3 Curvas de fluncia para metais Tomando como base a curva II, pode-se definir regies distintas para a deformao como segue: 1-2 assim que aplicada a carga, ocorre a deformao elstica. 2-3 fluncia primria, primeiramente rpido a vagarosamente; nesta condio ocorre uma deformao intercristalina, interligada com um amolecimento. 3-4 fluncia com velocidade constante. 4-5 velocidade de fluncia e acelerada at que haja fratura. Obs: acima do ponto 2 tem-se deformao plstica. Conhecidas estas caractersticas do material, o projetista pode, em funo das condies de trabalho, determinar a vida til das ps. Evidente que operao da turbina em condies acima da estipulada no projeto, certamente reduzir a sua vida til. Ainda outro aspecto relevante deve ser considerado com relao a deformao uma vez que as tolerncias de fabricao so apertadas e devem permanecer dentro de certos limites para garantir a integridade da mquina.

FADIGA Outro aspecto importante quanto ao comportamento dos materiais a FADIGA que o fenmeno que ocorre com uma pea metlica que pode falhar quando submetida a tenses cclicas ou flutuantes muito menores que as necessrias para causar fratura em uma aplicao esttica de carga. . As falhas que ocorrem sob condies de carregamento dinmico do tipo supra citado so denominados de Falhas por Fadiga devido ao fato de que as mesmas geralmente ocorrem aps longo tempo em servio. A fadiga tornou-se um problema cada vez mais relevante medida que a tecnologia desenvolveu equipamentos tais como turbinas, bombas, compressores, motores, etc., cujos elementos repetidos. Modernamente, cerca de 90% das falhas mecnicas registradas em servio deve-se fadiga do material. A falha por fadiga so particularmente insidiosas devido ao fato de que ocorrem sem nenhum aviso prvio. A fadiga sempre resulta em uma fratura frgil sem deformaes apreciveis da pea. . Em escala macroscpica, a superfcie da fratura por fadiga se apresenta geralmente normal direo das tenses principais.

62A falha por fadiga pode ser facilmente reconhecida pelo aspecto caracterstico da superfcie fraturada, a qual apresenta duas regies distintas (Figura 3.4 e Figura 3.5), ou seja, uma regio lisa, resultado da ao friccional da propagao das trincas de fadiga, e uma regio rugosa que corresponde rea de fratura dtil Instantnea quando o material no pode suportar estaticamente as tenses aplicadas. Geralmente, o progresso da fratura de fadiga (regio lisa) indicado por uma srie de anis mais ou menos concntricos em torno do ponto de iniciao da falha. Este ponto de iniciao da falha geralmente coincide com pontos de concentrao de tenses (cantos vivos, por ex. ), entalhes, incluses, etc.

Figura 3.4 Esquema de uma fratura em eixo

Figura 3.5 Exemplo de Fratura por Fadiga em um parafuso {1}

Trs fatores bsicos so necessrios para causar uma falha por fadiga: Uma tenso mxima de grandeza suficientemente alta Uma variao suficientemente grande da tenso aplicada (variao ou flutuao) Um nmero suficientemente alto de ciclos da tenso aplicada

Alm destes trs fatores principais, podemos adicionar uma srie de outras variaes tais como: concentrao de tenses, estrutura metalrgica, corroso, temperatura, tipo de carregamento, tenses combinadas, etc., todas incluindo na ocorrncia da falha por fadiga. Desde que no existe ainda uma explicao satisfatria das causas de fadiga em metais, torna-se necessrio discutir todos estes fatores de um ponto de vista essencialmente emprico.

63A Figura 3.6 mostra os tipos gerais de ciclos de tenso flutuante que podem causar falhas por fadiga. Mostra o ciclo senoidal, o qual corresponde a uma situao ideal que pode ser reproduzida nas mquinas de Teste de Fadiga por flexo rotativa.

Figura 3.6 Ciclos que ocasionam fadiga O ciclo senoidal pode ser encontrado em alguns casos prticos de eixos operando a velocidade constante sem sobrecargas. Para este tipo de ciclo, as tenses mximas so iguais as tenses mnimas. A figura (b) mostra o ciclo senoidal com tenso mdia, no qual a tenso mxima diferente da tenso mnima devido existncia de uma tenso esttica mdia em torno da qual se define a variao senoidal das tenses. No caso particular da figura (b) as tenses do ciclo so sempre positivas, ou seja, so sempre de trao; podero ocorrer ciclos deste tipo com tenses s de compresso, ou mistos de trao e compresso. A figura (c) mostra um ciclo de tenses irregulares ou aleatrias, o qual pode ser encontrado em elementos tais como ps situadas em locais com instabilidade aerodinmica. A apresentao bsica de dados tecnolgicos de fadiga feita atravs do Diagrama -N, (ou curva de fadiga) o qual mostra a dependncia da vida de uma amostra do material, em termos do nmero de ciclos at a falha por fadiga, (N), com a tenso alternativa () do ciclo de tenso aplicado. No diagrama deve estar especificada a tenso mdia do ciclo. Geralmente, o diagrama - N feito a partir de ciclos com tenso mdia nula (vide Figura 3.6-a) obtidos em mquinas de teste de fadiga por flexo rotativa. A Figura 3.7 a seguir ilustra dois diagramas -N tpicos para este tipo de teste, feitos com amostras de ao doce (AISI- 1020 normalizado) e de liga de alumnio (2024 T3). Como pode ser observado na figura, o nmero de ciclos que o metal pode suportar antes de falhar, aumenta com diminuio da tenso aplicada. A menos que seja especificamente indicado, N tomado, como o nmero de ciclos que causa fratura completa na amostra testada. Normalmente, os testes de fadiga para baixos valores de tenso so levados a efeito at 107 ciclos para materiais ferrosos e at 5x108 ciclos para no ferrosos. Para alguns materiais de importncia tecnolgica, como o ao e o titnio, o diagrama -N tornase horizontal a partir de um certo valor de tenso. Para tenses abaixo deste valor limitante, que se denomina de limite de fadiga(inf) o material poder suportar um nmero infinito de ciclos sem falhar por fadiga. Muitos no ferrosos, como alumnio, magnsio, cobre e suas ligas, apresentam um diagrama -N sempre decrescente com o aumento do nmero de ciclos, ou seja, no apresentam um verdadeiro limite de fadiga pois o diagrama nunca chega a ser horizontal.

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Figura 3.7 Curva de Fadiga Nestes casos o limite de fadiga definido para 108 ciclos no diagrama -N.

CORROSO A corroso pode ser considerada como o ataque gradual e contnuo de um metal por parte do meio circunvizinho que pode ser a atmosfera mais ou menos contaminada das cidades ou um meio qumico, lquido ou gasoso. Como resultado de reaes qumicas entre os metais e elementos no-metlicos contidos nesses meios, tem-se mudana gradual num composto ou em vrios compostos qumicos, que so geralmente xidos ou sais. Admite-se que a corroso no passa de uma forma de atividade qumica ou, mais precisamente, eletroqumica. A velocidade do ataque e sua extenso dependem no s da natureza do meio circunvizinho, como igualmente do tipo do metal ou liga sofrendo a ao corrosiva. Quando um metal no corri, admite-se que se produz alguma reao qumica entre ele e o meio que o circunda, com formao de uma camada fina, a qual adere superfcie metlica e a mantida por foras atmicas. Se, por qualquer motivo, essa camada protetora for destruda momentaneamente, ela ser instantaneamente restabelecida e a leso do metal , por assim dizer, automaticamente sanada. Geralmente a proteo contra a corroso feita criando-se sobre superfcie do metal uma pelcula protetora que separa o metal-base do meio corrosivo. Essa pelcula protetora pode ser criada artificialmente, mediante depsito propositado de uma outra substncia - metlica ou orgnica - sobre a superfcie do metal a proteger ou, naturalmente, i.e., pela formao de um composto qumico, mantido sobre a superfcie metlica por foras atmicas, composto esse que resulta da reao de certos elementos de liga introduzidos no metal com o meio circunvizinho. Alm do mecanismo da formao de uma pelcula de xido para explicar a resistncia corroso, outros dois mecanismos tm sido propostos: Absoro de gs oxignio por tomos de cromo na camada superficial dos aos contendo esse elemento de liga e; Produo de uma distribuio favorvel de eltrons entre o ferro e o cromo, auxiliada pela absoro do oxignio e prejudicada por hidrognio.

O primeiro mecanismo, formao de pelcula de oxignio, ainda o mais aceito. De qualquer modo, a presena da pelcula superficial de cromo, de espessura inferior a dois centsimos de mcron, indispensvel para conferir resistncia corroso. A concentrao de cromo nesta pelcula maior que a do

65metal e tanto a espessura da pelcula como o seu teor em cromo aumenta medida que se melhora o polimento superficial. Os mais importantes metal no sentido de ligar-se ao ferro em condies econmicas para formar as pelculas protetoras discutidas acima so, na realidade, relativamente poucos e incluem o cromo, o nquel e, em menor grau, o cobre, o silcio, o molibdnio e o alumnio. O cromo , de fato, o elemento mais importante e quando usado em elevados teores, acima de 10%, o mais eficiente de todos, sob a maioria das condies, se bem que os aos ao cromo e ao cromo-nquel no sejam resistentes em certos meios, como cido clordrico. Parece que nenhum dos elementos citados, ss ou combinados, em teores abaixo de 1% retarda materialmente a corroso com exceo do cobre que j em teores de 0,2% retarda definitivamente a corroso atmosfrica, melhorando a resistncia dos aos corroso atmosfrica de 03 a 05 vezes, em relao aos aos sem cobre. A passividade dos aos resistentes corroso depende essencialmente dos seguintes fatores: Composio qumica; Condies de oxidao - Figura 3.8; Susceptibilidade corroso localizada ("pitt") - Figura 3.9; Susceptibilidade corroso intergranular - Figura 3.10.

Figura 3.8 Exemplo de Oxidao

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Figura 3.9 Exemplo de Corroso Localizada

Figura 3.10 Exemplo de Corroso Intergranular {1} EROSO Os compressores operando em atmosfera suja, cheia de partculas (poeira), sofrem a ao da eroso pelas mesmas, devido grande velocidade de seus componentes. A alterao das caractersticas das superfcies acarreta alterao do rendimento do compressor e fragilizao mecnica, o que no desejvel. As turbinas sofrem a eroso da mesma forma, desde que haja partculas considerveis no fluxo de gs quente. A combusto inadequada pode formar minsculas partculas de carbono que podem provocar a eroso das palhetas. Para evitar esse problema vital a utilizao de filtros na entrada do compressor e inspecionar rigorosamente o sistema de combustvel para assegurar combusto adequada.

Materiais Comumente UtilizadosOs metais tm sido tradicionalmente utilizados em aplicaes onde h altos esforos e, ao mesmo tempo, alta temperatura. Por volta de 1930 devido ao desenvolvimento da tecnologia de vapor a alta temperatura e petroqumica, esforos foram concentrados na descoberta de materiais resistentes a alta temperatura. Esta procura de materiais resistentes a alta temperatura resultou em um nmero bastante grande de ligas para alta temperatura em especial as a base de nquel. At recentemente as turbinas a gs vinham utilizando somente materiais metlicos na sua construo. Atualmente h uma tendncia, ainda em fase experimental, de se utilizar materiais ligados no metlicos. De um modo em geral, os reatores trabalham com temperaturas e rotaes muito altas o que impe uma vida til da ordem de, aproximadamente 5.000 horas de funcionamento enquanto que para as turbinas industriais o funcionamento real de cerca de 100.000 horas.

67Na escolha de materiais para turbina, um dos aspectos mais importantes a ser considerado a alta tenso resistiva (tempo de aplicao) (Zeitstandfestigkeit fluncia) do material. Para o teste de indeformabilidade um corpo de prova submetido a uma fora de trao constante sob temperatura constante. A curva de tenso resistiva fornece informaes sobre a dependncia do tempo necessria fratura com a tenso.

A Figura 3.11 mostra o comportamento da tenso resistiva com a temperatura. Tomemos como exemplo a temperatura de 700oC onde para ( B / 1000 ) teremos 215N/mm2 significando que, para esta temperatura e este carregamento, aps 1.000 horas ocorrer a fratura do corpo de prova.

Figura 3.11 Tenso resistiva Os materiais disponveis e com boa qualidade resistiva so: Aos cromo Aos cromo nquel austenticos Aos CrNi de alta liga, Cr-Ni-Co-Fe Ligas a base de nquel, Ligas a base de cobalto, conforme indicado na Tabela 2 onde se v sua designao e composio qumica.

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Figura 3.12 Resistncia (Creep)

Figura 3.13 Resistncia (Creep)

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Tabela 2 - Lista de metais normalmente utilizados em turbinas a gsTipo Ao Baixa Liga Ao Cr Martenstico Ao Cr - Ni Austentico Ao Cr Ni Alta Liga Liga Cr Ni Co Fe Liga a Base Ni Liga a Base de Co N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Designao St 35.8 21 CrMoV511 0.1 C 12 Cr 12 CrMoVNb 18 8 CrNi 14 - 19 WNNb INCOLOY T A - 286 S - 590 G 18b Niminic 105 Inconel 713 C V-36 Forjado L-605 Forjado C 0,15 0,21 0,1 0,18 0,07 0,1 0,1 0,05 0,4 0,4 0,12 0,12 0,3 0,15 0,4 0,5 1,0 1,5 0,3 0,5 0,5 0,4 0,6 0,4 1 0,5 1,2 1,5 1,0 1,4 1,2 0,8 Si 0,2 0,4 Mn 0,3 0,4 Cr 1,4 13 11,5 19 14 20 15 20 13 15 13 25 20 0,4 9 19 30 26 20 13 54 73 20 10 44 50 0,3 20 10 20 1,2 4 2 5 4,2 4 15 2 2,3 4 2.5 4 3 1,2 0,8 0,3 2 2,4 1,1 1,5 0,25 0,3 Ni Co Mo 0,4 W Nb V 0,3 Ti

Adaptado de Dietzel, F.; Gasturbinen; Vogel-Verlag, 1974

A Figura 3.12 e a Figura 3.13 mostram o comportamento quanto tenso resistiva para as ligas indicadas na Tabela 2. Apenas como termo de comparao foram tambm representados dois aos de baixa liga (nmeros 1 e 2). Sob o aspecto fsico temos a condutividade e a dilatao trmica e sob o aspecto qumico temos a resistncia a formao de escamas e a corroso. CONDUTIVIDADE TRMICA Os aos austenticos, ligas de nquel e cobalto, possuem m condutibilidade trmica e, como resultado pode aparecer alta tenso trmica no material. DILATAO TRMICA Os aos austenticos apresentam o mais alto e menos desejvel nvel de dilatao trmica (1,4% a 8000C) contra 0,1% a 1000C. Isto acarreta problemas em montagem de peas nas quais usa-se ao de baixa liga. INDICAES GERAIS - Para turbinas a gs aconselha-se o uso de ao cromo-martenstico (Ns 3 a 4 da Tabela 2). O ao 12% cromo, por exemplo, indicado para rotor e ps da turbina com temperatura no muito alta. Excelentes, porm caras so as ligas austenticas Cr-Ni e Nquel base. - As primeiras ligas utilizadas para turbinas foram a Nimonic (Inglaterra) e Inconel (Estados Unidos) j descobertas em 1940. - A introduo de Cr resulta em um melhoramento da resistncia corroso a alta temperatura (Cr 13%).

70- Nas novas ligas uma parte de Ni contido substitudo por Cobalto, Molibdnio e Tungstnio sugestes so dadas pelos valores na Tabela 2. - Materiais sinterizados apresentam dificuldade na sua fabricao e pode-se dizer que, at o momento, no tm sido usados. - Recentemente materiais cermicos como o Nitrito de Slica (Siliconitride Si3N4) e o Siliconcarbid (Sic), esto sendo testados e aprimorados objetivando aplicao em turbinas a gs mas isto ainda acontece em carter experimental. Comercialmente, s tem sido utilizados para unidades de pequeno porte como os turboalimentadores. Entretanto o seu futuro bastante promissor, pois temperaturas at 1500C podem ser atingidas com o emprego deste material. VIDA TIL A vida til da turbina limitada em funo da fluncia do material. Entende-se por vida til o tempo de funcionamento (horas) entre duas revises gerais, na qual devero ser substitudas as peas (partes) altamente carregadas. Com o objetivo de fornecer termos de comparao a Tabela 3 mostra a vida dos diferentes tipos de turbinas. Tabela 3 Valor padro para vida til mdia de Turbinas a GsTipo de turbina TG pequena TG automotiva TG aeronutica Militar Civil TG Centrais Trmicas e Naval Motor alternativo (comparao) Vida til em hora 300 500 1000 4000 200 1000 2000 6000 ca. 150000 (como TV) 2000 3000

Adaptado de SIGLOCH, H.; Strmungsmanschinen; Carl Hanser Verlag, Wien, 1984

COMBUSTVEIS E COMBUSTONormalmente os combustveis so de origem fssil, constituindo os hidrocarbonetos podem conter impurezas como enxofre e cinzas. Gases combustveis sintticos (artificiais) como gs de alto forno, carvo de madeira gaseificado tambm podem ser usados. No caso de circuitos fechados pode-se, ainda, utilizar calor de rejeito de processos qumicos (uso de trocador) ou ainda calor proveniente de reator nuclear onde o hlio usado como fludo de trabalho. A Tabela 4 apresenta os principais combustveis e suas principais caractersticas.

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Tabela 4 Valores caractersticos de combustveis para Turbinas a GsPoder Calorfico Inf. Combustvel (kJ/kg) Carvo leo Combustvel Gs Leve (EL) Pesado (S) Gs Natural Gs Alto Forno 29.000 43.000 40.000 50.000 3.000 (kg/m) 780 850 980 0,7 1,28 (% peso) 3 15 0,01 0,01 0,04 0 2.10-4 p Massa Especfica Contedo de Cinzas

Tipos de CombustveisDos combustveis tradicionais temos 3 tipos: slido, lquido e gasoso. COMBUSTVEL SLIDO Devido ao contedo de cinzas e demais impurezas (metal, enxofre, etc.), este tipo de combustvel geralmente utilizado em turbinas com circuitos fechados (podendo, em alguns arranjos, ser um circuito aberto- caso onde h necessidade de um trocador de calor). Particularmente aqui no Brasil existe um potencial bastante grande para uso deste tipo utilizando cavaco de madeira ou bagao de cana encontrados em abundncia. COMBUSTVEL LQUIDO Diversos tipos ocorrem desde os leves como a Querosene de uso aeronutico at aos pesados como leo cru (petrleo), cujo preo o menor, porm com a desvantagem de ter um contedo de cinzas muito grande o que altamente prejudicial ao funcionamento da turbina. LEO PESADO (SCHWEREN HEIZOLE (D), BUNKER-C (ENGL. ) OU MAZUT (USA) - Contedo de cinza 0,010 0,04% - necessita chama muito quente - diminui vida til - Diminui tempo carga parcial - formam depsitos - contm asfalto e betume (alcatro) - perigo de formao de depsitos na cmara de combusto e nas ps - piora escoamento - perigo de danificao das ps devido ao desprendimento de pedaos de coque. - trabalho com temperatura 750C - deve conter pouco sdio. LEO CR - bom mas a maior parte dos componentes volteis tm a tendncia de formar coque Flutuante.

72DIESEL - adequado porm caro. LCOOL - adequado porm o custo alto. COMBUSTVEIS GASOSOS Os principais so gs pobre (gs de alto forno) e gs natural. GS POBRE - subproduto barato - baixo poder calorfico inferior - necessita uma dispendiosa Purificao (despoeiramento) - grande volume - dutos e cmara de Combusto grandes. - diferentes misturas podem causar corroso. GS NATURAL - o combustvel ideal para turbinas - no h necessidade de limpeza - presso suficiente para injetar diretamente na cmara de combusto. GASEIFICAO DE CARVO - tambm indicado, porm mais caro - no momento est em grande desenvolvimento.

Consideraes Sobre CombustoCombusto uma reao qumica (oxidao) exotrmica em que os reagentes so o combustvel (normalmente hidrocarbonetos) e o comburente (normalmente o oxignio do ar atmosfrico). Da anlise desta reao qumica podem ser determinadas diversas grandezas como Poder Calorfico (quantidade de calor que fornecido por kg de combustvel), Quantidade Mnima de Ar (relao estequiomtrica), Dissociao, e outras de menor importncia. Como a determinao destas grandezas so em funo da anlise da qumica, necessrio se faz o prvio conhecimento da composio dos seus componentes (reagentes). O oxignio (comburente) o do ar atmosfrico, cuja composio dada na Tabela 5:

Tabela 5 - Composio aproximada do ar atmosfricoComponentes Oxignio Nitrognio Outros: CO2, gases nobres % Volumtrica 20,95 78,05 1,00 % Gravimtrica 23,1 76,5 0,4

73Os combustveis tm sua composio variada dependendo de cada tipo. Entretanto, de modo geral, existe uma predominncia de carbono ou de hidrognio e, em menor quantidade, a presena de metais e de enxofre que indesejvel. O Poder Calorfico, necessrio para os clculos de consumo de combustvel, pode ser obtido por meio de um Calormetro ou pode ser calculado. Normalmente o fabricante do combustvel fornece o seu valor. Adota-se aqui a notao: PCS e PCI para Poder Calorfico Superior e Inferior respectivamente, ambos em kJ/kg.

Pode-se estimar o valor do PCI pelo uso da frmula abaixo (composio gravimtrica):PCI = 4,187.(81,3.C + 243.H + 15.Ni + 45,6.S 23,5.O 6.W )

Eq. 38

onde: C - carbono H - hidrognio Ni - nitrognio S - enxofre O - oxignio W - tungstnio

dados em percentagem em peso (gravimtrica). Exemplo: Um leo combustvel possui uma composio gravimtrica de 85C, 12H e 3S. Qual o seu PCI? Soluo: kcal kJ kJ PCI = 4,187.(81,3.85 + 243.12 + 15.0 + 45,6.3 23,5.0 6.0 ) = 4,187 .9960 kg = 41500 kg kcal

Observao: Para os combustveis gasosos normalmente os valores do Poder Calorfico so dados em

kJ ou em m3 760

kcal . m3 760

QUANTIDADE DE AR MNIMO estimado atravs de clculo. importante observar que para haja a combusto (reao), a mistura deve atingir o seu "ponto de inflamao", logo, necessita de aquecimento. O valor da quantidade de ar mnimo necessrio (ar ideal ou estequiomtrico) pode ser estimado pelo uso da frmula abaixo em cujo desenvolvimento considera-se a quantidade mnima de oxignio o que, entretanto, corrigido posteriormente, tendo em vista que no ar atmosfrico existe apenas 25% de oxignio. Ento:

mar min =

kg ar 2,67.C + 8.H + S O em 0,23 kg comb

Eq. 39

onde: C, H, S e O esto em parcelas de massa (kg/kgcomb)

74

Exemplo: Do exemplo anterior tm-se 0,85C, 0,12H e 0,03S. Qual a quantidade de ar estequiomtrica necessria para a combusto? Soluo:

mar min =

kg ar 2,67.0,85 + 8.0,12 + 0,03 0 3,26 = = 14,2 kg 0,23 0,23 comb

para T= 0C e P= 760mmHg

ar =logo:

kg P 9,81.13,6.760 = = 1,294 3 RT 287.273 m

m3 14,2 mar min = = 1,0 760 kg comb 1,294

Na realidade, para garantir a combusto completa do combustvel, deve-se considerar um certo excesso de ar, logo:

mar = ..mar minonde a relao de excesso de ar, que varia de 1,05 a 1,5 dependendo do combustvel - Tabela 6.

Eq. 40

Tabela 6 Relao de excesso de ar por combustvelCombustvel Carvo pulverizado Carvo em esteira leo combustvel Gs natural Relao de Excesso de Ar 1,15 a 1,2 (15 a 20%) 1,2 a 1,5 (20 a 50%) 1,05 a 1,2 (5 a 20%) 1,05 a 1,12 (5 a 12%)

Observao: Quanto maior o excesso de ar, menor ser o calor fornecido. Como pode-se observar, a quantidade de ar mnimo (ar estequiomtrico) necessrio para a combusto dos combustveis mais usados em turbinas a gs de aproximadamente 14,5, situao em que a reao fornecer mais calor, fornecendo ento uma temperatura de combusto situada entre 2000 e 2800C. Entretanto, conforme j se sabe, a temperatura mxima admissvel para turbinas a gs situa-se entre 700 e 1300C, devido s caractersticas dos materiais utilizados. Desta forma, para este tipo de mquina, se faz necessrio um excesso de ar muito maior, uma vez que este ar atuar como refrigerante. Nesta situao, os valores usuais para o excesso de ar ficam entre 3 e 5. Logo o ar necessrio ser dado por:

75

kg ar mar = 50 a 70 kg comb

Eq. 41

Observao: No caso de turbinas aeronuticas, esta relao pode atingir at 120 kgar/kgcomb. Em geral usa-se rc/a para indicar a relao combustvel/ar, ento:

rc / a =

kg ar 1 1 0,015 a 0,20 a kg 70 50 comb

Isto mostra que a parcela correspondente ao combustvel que aparece nos gases de escape fica entre 1,5 a 2,0% da massa de ar. Logo, termodinamicamente falando, os gases de escape podem ser considerados como tendo o mesmo comportamento do ar. Da anlise da combusto (balano de energia) possvel prever a temperatura mxima aproximada atingida na combusto:

t max =

PCI + cc .t c + ..mar min .c p mar .t 2 V g .c p mg

Eq. 42

onde: cc tc mar min cp mar cpmg PCI Vg calor especfico do combustvel (kJ/kg.C) temperatura do combustvel (C) excesso de ar massa de ar mnimo (m/kg) calor especfico mdio do ar (kg/kg.C) - Figura 3.14 calor especfico mdio dos gases de escape (kJ/kg.C) - Figura 3.14 poder calorfico inferior (kg/kgcomb) volume dos gases de escape, onde:

3 3 2 m760 V g = .mar min + 1,868 3H + O + W 8 3 kg comb

Eq. 43

onde H, O e W so as parcelas em massa do combustvel.

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Figura 3.14 Calor especfico mdio para leo combustvel

Exemplo: Qual ser a temperatura mxima prevista na queima de leo combustvel do exemplo anterior, supondo o preaquecimento do leo de 100C, o ar na sada do compressor de 200C e um excesso de ar de 50% (=1,5)? Soluo: m3 V g = 1,5.11 + 1,868.(3.0,12 + 0 + 0 ) = 16,5 + 0,7 = 17,2 760 kg comb t max = 4150 + 2.100 + 1,5.11,0.1,3.200 46000 = = 1720( C ) 17,2.1,55 26,6 pode ser ainda considerado o rendimento da cmara de combusto ( c = 95% ) , logo: t max = 0,95.1720 = 1640( C )

77

Captulo 4. SISTEMA DE CONTROLE E OPERAOSISTEMA DE ADMISSO DE AR E ESCAPAMENTO.Consideraremos para anlise somente as instalaes industriais (turbinas a gs estacionrias). De um modo geral, as perdas de carga na admisso e no escapamento representam uma perda de potncia da ordem de 3 a 5% da potncia til.

Sistema de AdmissoO ar deve chegar ao compressor isento de poeira e outras partculas. Se o local onde est o pacote local de muita poeira, preciso colocar filtro no duto de admisso. Entretanto, duto e filtro no devem apresentar perda de carga excessiva, pois pode reduzir bastante a potncia disponvel no pacote. O rudo pode ser importante fator a ser considerado, principalmente se o pacote estiver em locais povoados. Neste caso o duto de admisso dever ser insonorizado. Os dispositivos de ionizao podem introduzir perdas considerveis na potncia do grupo. Um pacote pode ser completamente insonorizado. Como perda de carga na admisso permitido at cerca de 100 mm H20.

Sistema de EscapeOs gases de escape saem temperaturas bastante elevadas (por exemplo, a 6400C, na PARAHYBA II a 6000C, na GARRET a 5000C) e devero ser resfriados temperaturas prximas da ambiente para no oferecer perigo. Costuma-se utilizar o prprio fluxo de gases quentes para arrastar considervel quantidade de ar frio de diluio para abaixar essas altas temperaturas. Em outros casos os gases quentes so lanados diretamente na atmosfera, atravs de dutos verticais. Esses dutos devem ser insonorizados. No devem ser de seo pequena, visto que os gases saem com grande velocidade e a perda de carga considervel. A potncia disponvel no pacote sensivelmente afetada pela perda de carga nos dutos de escape. Deve-se prever a no recirculao de gases quentes para os dutos de admisso pode at comprometer o funcionamento do pacote. Admite-se comumente para as turbinas industriais uma perda de carga na ordem de mm H2O no escapamento.

SISTEMA DE PARTIDA E IGNIO. Sistema de Partida.Para a partida da turbina precisamos que exista um acessrio para dar ao compressor uma rotao mnima a fim de que a massa de ar que est mandando para a cmara de combusto. Esses dois acessrios, motor de partida e sistema de ignio, so coordenados para funcionarem satisfatoriamente durante a partida, por um sistema automtico, que corta a ignio aps o motor atingir uma certa velocidade, em que a chama no se extinga. A partida pode ser: Eltrica

78Pneumtica Combusto Outra partida menor

PARTIDA ELTRICA Usa-se um menor acoplado diretamente turbina, por meio de reduo e embreagem. Esse motor eltrico deve girar o compressor at uma determinada velocidade, de acordo com uma curva de acelerao prpria de cada turbina. A partir dessa rotao a turbina dever ter potncia suficiente para continuar acelerar-se e girar todos os demais acessrios, bem como o compressor.

PARTIDA PNEUMTICA Consiste de uma pequena turbina a ar que serve para girar o compressor - Figura 4.1. O ar para acionar essa turbina deve provir de um compressor auxiliar externo (GPU). Em avies com vrias turbinas somente uma delas tem partida deste modo, enquanto que as demais usam ar do compressor do primeiro motor para acionar as respectivas turbinas de partida.

Figura 4.1 Motor de partida pneumtica

PARTIDA POR COMBUSTO: Para pequenas turbinas para partidas em aeroportos mal equipados. Queima um combustvel especial (por ex: nitrato de isopropril) que no precisa de oxignio, fornecendo elevado torque de partida. Geralmente a carga desse combustvel especial d apenas para 2 ou 3 partidas, uma vez que seu peso ir comprometer a carga do avio - Figura 4.2.

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Figura 4.2 Partida por combusto (Triple-breech cartridge cartucho culatra tripla)

A Figura 4.3 abaixo d idia da seqncia de eventos numa partida tpica.

Figura 4.3 Seqncia tpica de partida

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PARTIDA POR OUTRA TURBINA MENOR:

Figura 4.4 Turbina a gs auxiliar para partida

Sistema de IgnioDurante o perodo de acelerao, na partida, o sistema de ignio acionado e o combustvel alimentado nos queimadores. A vela (plug) de ignio colocada prxima ou na zona primria, no caso da cmara de combusto cannular somente em um ou dois tubos de chama. No caso aeronutico usa-se Surface- discharge igniter alta potncia 3 J/s. No caso industrial o usado Touch igniter que composto de uma vela de ignio e um queimador de pulverizao auxiliar em uma carcaa comum. Obs: O queimador auxiliar utiliza combustvel destilado.

INSTRUMENTAOUm de ensaios de turbinas, em testes de desenvolvimento ou de durabilidade, vital o controle e registro do maior nmero possvel de parmetros. Os principais de medidas so: temperatura, presso, vazo, vibrao e rudo. Nesses tipos de testes no s importante a preciso com que os instrumentos do a leitura como tambm o conhecimento de matria do pessoal que neles est trabalhando. So essas informaes que permitiro ao fabricante desenvolver um produto que, alm de responder demanda, seja seguro quando em operao.

81Ciente de que seu produto satisfaz as exigncias e regulamentos normalmente existentes nos pases, o motor entregue ao usurio sem a maior parte dos instrumentos que o acompanharam durante o desenvolvimento e ensaios de durabilidade, por serem praticamente desnecessrios. Seguem com o motor apenas os instrumentos essenciais, como medidores de temperatura dos gases de escapamento (que do indiretamente a temperatura de entrada no estgio de turbina), de presso de leo (uma vez que a lubrificao vital nas turbinas), indicadores de RPM (comumente em % de RPM). Cada fabricante tem sua peculiaridade no que se refere s instrues para operao do motor ou do grupo. Para que a garantia possa ter variedade, os manuais devem ser seguidos risca. Gostaria de enfatizar somente dois aspectos que so alarmantes no tocante operao de turbinas, em geral. O primeiro se refere temperatura de entrada da turbina. Uma operao fora dos limites estabelecidos pelo fabricante pode inutilizar completamente o motor, com riscos de catstrofe total. Como exemplo, notemos que uma determinada turbina, com palhetas feitas de um determinado ao especial, apresenta a seguinte caracterstica quanto vida dessa p:

Tabela 7 Temperaturas obtidas por termoparesTemperatura na entrada da turbina (C) 903 916 932 957 980 Nmero de horas de vida 1000 600 300 100 40

A concluso evidente, bastando lembrar que um aumento da temperatura de 800C anula a vida da palheta. Assim, a observao constante dos termopares que indicam a temperatura de escapamento um dos itens importantes da manuteno. A utilizao de termopares adequados outra observao a que nos devemos ater. Por exemplo, mesma temperatura se medida em termopares diferentes ligados a um mesmo aparelho calibrado para um determinado tipo de termopar, pode dar leituras errneas. O aparelho l a tenso do termopar e a converte para a escala desejada (por exemplo, C). Uma tenso de 16 mV na sada dos termopares abaixo ser interpretada como segue:

Tabela 8 Temperaturas obtidas por termoparesTipo de termopar Fe-Constant Ni-Cr-Ni Pt-Rh-Pt Temperatura (C) 290 391 1535

A ligao dos termopares aos indicadores deve ser cuidadosa e os fios de compensao devem ser utilizados O segundo aspecto se refere a rotao do grupo.

82So projetados para trabalhar com segurana na RPM recomendada. Se, por algum motivo, passa a trabalhar em rotao mais elevada, as tenses nos discos e palhetes aumentam com o quadrado da rotao. Em alguns casos, como em turbinas pequenas cujos rotores so presos aos eixos por ajustagem fretada, pode haver o completo desprendimento do rotor. Alm dos requisitos para operao da turbina deve-se levar em conta os estabelecidos pela parte de gerao de energia, como no caso dos grupos geradores.

NOES BSICAS DE MANUTENOO enorme crescimento da demanda de energia eltrica nos ltimos 10 anos e o crescimento estimado para as prximas dcadas criaram uma grande oportunidade para usinas utilizando turbinas a gs industriais. O conceito de pacotes geradores demonstrou muitas vantagens que permitiram o surgimento de novas aplicaes. Algumas caractersticas que aceleraram esse crescimento so: A flexibilidade da localizao desses pacotes permitem acesso reas de demandas sem custosas linhas de transmisso e distribuio. O tamanho reduzido desses pacotes-usinas requerem o mnimo de terreno e obras civis. O tempo de instalao mnimo, pois j vem praticamente montados da fbrica. O tempo de entrega pelo fabricante relativamente curto. O R$/kW instalado compete com o de usinas trmicas maiores. O custo de operao est continuamente caindo. Os pacotes podem operar de acordo com condies de demanda, sendo ligados ou desligados em poucos segundos. No compromete a ecologia, de acordo com as normas atuais.

A aplicao do pacote para gerao contnua menos severa que a aplicao em pico devido aos freqentes ciclos trmicos. Entretanto, quando pensamos em termos de tempo decorrido da instalao da unidade, no haver muita diferena. As instalaes para pico so comumente controladas e operadas remotamente, necessitando conseqentemente de maior grau de sofisticao do sistema de controle do que as operadas manualmente. O sistema de controle remoto, bem como os necessrios dispositivos de superviso muitas vezes mais complexo do que aquele necessrio para operao manual. Quando outros requisitos adicionais como: queima de dois tipos de combustveis, partida sem energia, partida eltrica, partida com motor diesel ou com outras turbinas menores, operao em sistemas de energia total, a complexidade do sistema de controle aumentada. Esse alto grau de sofisticao resulta num novo aspecto de se encararem essas usinas, bem como na determinao da falha e manuteno desses equipamentos. Torna-se imprescindvel o treinamento em eletrnica dos operadores e do pessoal de manuteno. A manuteno, em geral, no bem vista pelo proprietrio do grupo, por razes conhecidas. O procedimento de manuteno muito controvertido. A gama de tipos de manuteno varia desde planejamento criterioso e execuo das inspees e revises com relatrios completos das aes e contabilidade de custos, operao das turbinas at a falha de algum equipamento e, a, fazendo reparo necessrio.

83Enfim, cada companhia escolhe o tipo de manuteno que melhor se adapte as suas necessidades. Como as variveis em jogo so muitas, um critrio razovel para guiar a manuteno o registro dos requisitos reais de manuteno de equipamentos similares operando em condies similares (quando disponveis). Em geral, os custos de manuteno podem ser minimizados com operao correta do equipamento. Similarmente se obtm melhores resultados da manuteno quando esta tem um planejamento cuidadoso. Em geral a operao imprpria do equipamento a causa de sua deteriorao ou quebra.

Condies que Afetam a Manuteno das Turbinas a GsTIPO DE CARGA: Gerao contnua: a condio mais desejvel de trabalho para uma turbina a gs em carga mxima e continuamente. Esse tipo de operao resulta em menores custos de manuteno por MW.h. As temperaturas nas palhetas das turbinas so constantes e as altas temperaturas das partidas deixam de existir, isto , as palhetas no so submetidas a ciclos trmicos. Gerao contnua com picos: a mxima carga possvel jogada na turbina por pouco tempo. Nesse tipo de operao visto que as palhetas das turbinas trabalham at uns 500C acima da temperatura ideal, estas (bem como todas a parte-quente) so prejudicadas. A fluncia dos metais se torna mais acelerada. Gerao de pico: somente na hora de picos de demanda ou de emergncia que a turbina acionada, recebendo carga normal ou sobrecarga por pequeno tempo, diariamente. Como o nmero de partidas grande, a observncia desse nmero to importante como a observncia do nmero de horas de funcionamento da turbina. Durante variao da temperatura durante a partida, cada partida pode ser comparada com 5 a 25h de funcionamento da parte quente do motor.

TIPO DE TURBINA: Industrial: h pouca diferena entre os tipos de turbinas industriais que afetam a manuteno. Alguns projetos incorporam dispositivos que facilitam a manuteno. (boroscpio, etc. ) Aeronutica: o gerador de gs joga os gases quentes numa turbina livre de potncia, completamente independente daquele e no h registro de melhora de manuteno desses tipos de turbinas

OPERAO: 1. 2. A operao em temperaturas acima das de projeto, podem ocorrer: em partidas excessivamente rpidas sistema de controle de temperaturas mal ajustado ou termopares incorretos variao muito grande da temperatura de escapamento ao longo da seo onde se localizam os termopares cargas flutuantes Operao alm do tempo estipulado de manuteno

84POLTICA DE MANUTENO: a expresso do modo com que a companhia pode melhor cuidar da manuteno. Deve estabelecer um programa prtico, econmico, e confivel. Deve ser uma combinao das recomendaes dos fabricantes e de recomendaes que saiam dos dados adquiridos durante inspees anteriores.

RECOMENDAES DOS FABRICANTES: Obedincia sega s recomendaes dos fabricantes obrigatria nos primeiros meses de uso. A vida provvel da parte quente e os perodos entre inspees e revises so fixados de acordo com certos critrios, que variam de fabricante para fabricante.

PROGRAMA DE MANUTENO, RELATRIOS E DADOS: O programa deve ser prtico a fim de que possa ser modificado em virtude de mudanas nas cargas das turbinas ou dos procedimentos de partida. Deve ser confivel a fim de garantir o funcionamento da turbina e deve tambm ser econmico. Turbinas para trabalho de pico dirio devem ser inspecionadas diariamente. Turbinas para trabalho de pico em certas estaes do ano devem ter o seu programa de manuteno para ser executado durante a poca de baixa demanda. Turbinas para gerao contnua devem ser inspecionada e revisadas de acordo com planos prestabelecidos, de tal forma que a gerao de energia necessria no seja prejudicada. nesses casos que a manuteno preventiva de suma importncia, para que uma turbina no fique fora de operao por longo perodo necessidade de uma manuteno corretiva (h casos em que a turbina deve ser mandada para a fbrica para reparos!). bvio que preciso ter u, retrato fiel das condies internas da mquina em todo instante. Quando o registro manual de dados for possvel, fichas de inspees dirias, semanais, mensais, devem ser preenchidas criteriosamente. Em instalaes remotas, funcionando sem operadores, devem-se providenciar registradores adequados. Esses dados, enviados aos fabricantes, possibilitam melhor assistncia e a formulao de um programa de manuteno adequado.

PROGRAMA DE MANUTENO: Um programa de manuteno corretiva deve seguir as observaes dos fabricantes e s pode ser iniciado aps o conhecimento geral do equipamento. A experincia de manuteno ganha durante a operao do motor pode ser aproveitada para melhorar o programa e para formular outro programa de manuteno preventiva. Muitos usurios acham extremamente importante o preenchimento de fichas dirias, semanais anuais, compostas de itens que devem ser conferidos ou de trabalhos a serem feitos.

CLASSIFICAO DA MANUTENO: Em geral, a manuteno de todos os tipos de turbinas a gs pode ser classificada nos seguintes itens:A) EM OPERAO

85 o tipo de manuteno que deve ser feita durante a operao da mquina e pode ser includo normalmente nos trabalhos do operador;B) INSPEES DE ROTINA.

Nesse tipo de inspeo necessrio desligar a turbina por pequeno perodo (at uma semana), para inspeo e troca de peas. Ocorre comumente aps 3000 a 6000h de funcionamento (ou 150 a 250 partidas). A cmara de combusto deve ser inspecionada para ver se apresenta rachaduras ou reas de superaquecimentos.C) REVISO PARCIAL.

Geralmente de ser feita aps o 1 ano de uso: 8000h ou 250 partidas e um prazo de 7 a 30 dias pode ser previsto. Deve-se remover a parte da carcaa a fim de que se examine minuciosamente todo o caminho dos gases quentes. O aspecto geral desse caminho ir determinar o intervalo entre a reviso e a prxima.D) REVISO GERAL

Requer de 1 a 2 meses de parada e feito aps 24. 000 horas de servio ou 800 partidas e requer reviso geral do motor.

OUTROS ASPECTOS: A primeira inspeo ou reviso fornecem os mais importantes dados para a histria da manuteno do motor e deve ser feito sob as vistas de engenheiro da fbrica. Todos os dados devem ser anotados e comparados com os padres de fbrica para se saber h algum problema em curso. As inspees subseqentes so tambm importantes no sentido de conferir as recomendaes dos fabricantes e para ajudar na formao do programa de manuteno. Ao se aproximar a data para essas inspees, deve-se procurar o fabricante para acertar tudo o que for necessrio. Antes de se retirar a turbina deve-se fazer um teste geral de funcionamento, de preferncia na presena de engenheiro da fbrica. Cuidados especiais devem ser tomados com referncia a: aumento ou mudana na vibrao mudana na temperatura ou presso do leo de lubrificao vazamento de ar ou de gases atravs dos labirintos leituras desconcertantes dos termopares vazamentos funcionamento das vlvulas de controle de combustvel variaes das presses hidrulicas de controle barulho diferente no governador aumento de barulho nas engrenagens de caixa de reduo funcionamento correto dos protetores de sobrevelocidade variao da temperatura de escape para mesma carga e condies ambientes diminuio de queda de presso atravs dos trocadores de calor.

Como fixamos anteriormente, a turbina a gs deve ser inspecionada em perodos pr estabelecidos a fim de detectar qualquer tipo de anormalidades do funcionamento ou do material.

86Em caso de motor aeronutico, quando o motor atinge um certo nmero de horas ou quando se verifica qualquer defeito, o mesmo retirado do avio e submetido reviso parcial ou total. O tempo entre duas revises (TBO) varia consideravelmente de motor para motor e estabelecido por acordo entre fabricante, rgo oficial de aviao e operador. Nestas discusses, a idoneidade do fabricante, as condies climticas do local onde o motor ir operar, tipo de operao, experincia anterior, sero levados em conta. Houve muita discusso se considerava o motor revisado como novo, zerando suas horas e se levava em conta o total j utilizado. Hoje em dia a maioria dos fabricantes considera o motor que saiu de reviso geral como novo, dando-lhe todas as garantias. A importncia da manuteno inclui fatores econmicos e de segurana. Assim sendo, a manuteno correta e peridica ir prolongar a vida do motor alm de conservar suas caractersticas e confiabilidade. Entretanto, convm lembrar que a manuteno de um motor, pelas srias implicaes que pode acarretar, deve ser feita em oficina credenciada. Por oficina credenciada queremos entender uma que satisfaz os requisitos de pessoal e de material, da comisso de homologao de rgos oficiais. Uma oficina de reviso credenciada deve ter condies para efetuar quaisquer tipos de reparos que sejam necessrios para uma boa reviso. Por uma boa reviso no s entendemos a qualidade do servio mas tambm os mtodos e tcnicas utilizadas. Uma oficina dever ter uma disposio de setores bem estudada, para evitar estrangulamento e permitir o fluxo livre de materiais, necessitando ser, portanto, espaosa. Pelo tipo e qualidade de servio, as condies ambientes de uma oficina de reviso devero ser timas, para permitir leituras precisas e constncia na qualidade. Numa oficina de reviso, o setor mais solicitado dever ser o de controle de qualidade. Esse Departamento dever ser autnomo, com poderes de rejeitar lotes de peas que entram no almoxarifado e oficina ou de parar a produo se julgar necessrio, a bem da qualidade.

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TURBINAS A VAPOR

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Captulo 1. IntroduoTurbina a Vapor a Mquina Trmica que utiliza a energia do vapor sob forma de energia cintica. Deve transformar em energia mecnica a energia contida no vapor vivo sob a forma de energia trmica e de presso. Embora a histria registre a construo de dispositivos rudimentares, que se baseavam nos mesmos princpios, de ao ou de reao, das turbinas atuais em pocas bastante remotas, o desenvolvimento da turbina a vapor, como um tipo realmente til de acionador primrio at a sua forma atual, ocorreu somente nos ltimos setenta anos. A turbina um motor rotativo que converte em energia mecnica a energia de uma corrente de gua, vapor d'gua ou gs. O elemento bsico da turbina a roda ou rotor, que conta com paletas, hlices, lminas ou cubos colocados ao redor de sua circunferncia, de forma que o fluido em movimento produza uma fora tangencial que impulsiona a roda, fazendo-a girar. Essa energia mecnica transferida atravs de um eixo para movimentar uma mquina, um compressor, um gerador eltrico ou uma hlice. As turbinas se classificam como hidrulicas ou de gua, a vapor ou de combusto. Atualmente, a maior parte da energia eltrica mundial produzida com o uso de geradores movidos por turbinas. A turbina a vapor atualmente o mais usado entre os diversos tipos de acionadores primrios existentes. Uma srie de favorvel de caractersticas concorreu para que a turbina a vapor se destacasse na competio com outros acionadores primrios, como a turbina hidrulica, o motor de combusto interna, a turbina a gs.

Captulo 2. FundamentosUma mquina motora a vapor tem como objetivo transformar a energia, contida no fluxo contnuo de vapor que receber, em trabalho mecnico. Sabe-se, da 2 Lei da Termodinmica, que somente parte da energia contida no vapor que chega mquina poder ser convertida em trabalho (a chamada exergia). A parte restante da energia, que no pode ser transformada em trabalho (a anergia), permanece no vapor descarregado pela mquina. O trabalho mecnico realizado pela mquina pode ser o acionamento de um equipamento qualquer, como, por exemplo, um gerador eltrico, um compressor, uma bomba. A anergia, que permanece no vapor descarregado pela mquina, , em muitos casos, simplesmente rejeitada para o ambiente, em um condensador. Em outras situaes, entretanto, possvel aproveitar o vapor descarregado pela mquina para fins de aquecimento, por exemplo. Aproveita-se assim sua energia residual, melhorando, em conseqncia, de forma significativa o rendimento global do ciclo. Admitindo uma mquina a vapor que trabalhe em regime permanente, seja adiabtica, receba vapor em um estado termodinmico (1) e descarregue este mesmo vapor em um estado (2), tm-se: a) a energia contida no vapor admitido:

v2 h 1 + 1 + z1 2b) a energia contida no vapor descarregado:

v2 h2 + 2 + z2 2c) o trabalho realizado:

89 v2 v2 2 + (z z ) w = (h 1 h 2 ) + 1 1 2 2 onde: h entalpiav2 energia cintica 2

z energia potencial As variaes de energia cintica e energia potencial so normalmente desprezadas, a no ser em pontos onde a velocidade do vapor assume valores muito altos, como na sada dos expansores. Assim, prtica corrente desprezar nas expresses anteriores, a no ser quando aplicadas a expansores, tanto a energia cintica como a energia potencial, trabalhando apenas com os valores da entalpia. Em uma mquina alternativa a vapor, a energia do vapor convertida diretamente em trabalho mecnico medida que o vapor se expande no interior do cilindro, deslocando o mbolo, que, por sua vez, aciona o sistema biela - manivela produzindo trabalho no eixo. Em uma turbina a vapor a transformao de energia do vapor em trabalho feita em duas etapas. Inicialmente, a energia do vapor transformada em energia