Bombas Compressores Turbinas

           

MÁQUINAS  DE  FLUXO    RESUMO   

2011 

               

BOMBAS CENTRÍFUGAS    DEFINIÇÃO DE BOMBAS  ‐  Bombas  são  máquinas  geratrizes,  isto  é,  que  recebem  trabalho  mecânico  geralmente  fornecidos  por  uma  máquina  motriz,  e  o  transformam  em  energia  hidráulica,  comunicando  ao  líquido  um  acréscimo  de  energia  sob  as  formas  de  energia potencial de pressão e cinética.    CLASSIFICAÇÃO  ‐ O modo pelo qual é feita a transformação do trabalho em energia hidráulica e o  recurso  para  cedê‐la  ao  líquido  aumentado  sua  pressão  e/ou  velocidade  permitem classificar as bombas em:  a) Bombas de Deslocamento Positivo;  b) Turbobombas;  c) Bombas Especiais (bombas com ejetor; pulsômetro; bomba de emissão de  ar);    BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO  CARACTERÍSTICA  Uma  partícula  líquida  em  contato  com  o  órgão  que  comunica  a  energia  tem  aproximadamente a mesma trajetória que a do ponto do órgão com o qual está  em contato.  FUNCIONAMENTO  Possuem  uma  ou  mais  câmaras  em  cujo  interior  o  movimento  de  um  órgão  propulsor  comunica  energia  de  pressão  ao  líquido,  provocando  o  seu 

escoamento.  Proporciona  então  as  condições  para  que  se  realize  o  escoamento  na tubulação de sucção até a bomba e na tubulação de recalque até o ponto de  utilização.    TIPOS  Podem ser:   

 

 

 

 

 

Palhetas 

 

 

 

 

 

 

Pistão Rotativo 

 

 

 

Um só Rotor   

Elemento Flexível 

 

 

 

 

 

 

Parafuso Simples 

 

 

Engrenagens 

Rotativas 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rotores Múltiplos 

Rotor Lobular 

 

 

 

 

 

 

Pistões Oscilatórios 

 

 

 

 

 

 

Parafusos 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Duplo Efeito 

 

 

 

Pistão ou Êmbolo 

 

 

 

 

Alternativas   

 

 

 

Diafragma 

   

 

Simples Efeito/Duplo Efeito 

TURBOBOMBAS    CARACTERÍSTICAS:  Possuem um órgão rotatório dotado de pás chamado ROTOR, que exerce sobre o  líquido forças que resultam da aceleração que o rotor imprime ao líquido.  A descarga gerada depende das características da bomba, do número de rotações  e das características do sistema de encanamentos ao qual estiver ligada.  A  finalidade  do  rotor  é  comunicar  à  massa  líquida  aceleração,  para  que  adquira  energia  cinética  e  se  realize  assim  a  transformação  da  energia  mecânica  de  que  está dotado. É em essência, um disco ou uma peça de formato cônico dotada de  pás.  O Rotor também é chamado de Impulsor ou Impelidor.  Tipos de Rotores  Fechado: além do disco onde se fixam as pás. Existe uma coroa circular também  preso as pás. Usa‐se para líquidos sem substâncias em suspensão.  Aberto:  quando  não  existe  essa  coroa  circular.  Usa‐se  para  líquido  contendo  pastas, lamas, areias, esgotos sanitários.  As  turbobombas  necessitam  de  um  outro  órgão,  o  difusor,  também  chamado  recuperador,  onde  é  feita  a  transformação,  em  energia  de  pressão,  da  maior  parte da elevada energia cinética com que o líquido sai do rotor.    Tipos de Difusores  ‐ De tubo reto troncônico, nas bombas axiais;  ‐  De  caixa  com  formas  de  caracol  ou  voluta,  nos  demais  tipos  de  bombas  (chamado neste caso simplesmente de coletor ou caracol). 

‐  Entre  a  saída  do  rotor  e  o  caracol,  em  certas  bombas,  colocam‐se  palhetas,  devidamente  orientadas,  as  pás  guias,  para  que  o  líquido  que  sai  do  rotor  seja  conduzido ao coletor com velocidade, direção e sentido tais que a transformação  da energia cinética em energia potencial de pressão se processe com um mínimo  de perdas por atrito ou turbulências.  ‐ Nas bombas de múltiplos estágios, as pás guias ou diretrizes são necessárias.    CLASSIFICAÇÃO DAS TURBOBOMBAS    CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO A TRAJETÓRIA DO LÍQUIDO NO ROTOR  A. BOMBA CENTRÍFUGA RADIAL OU PURA  CARACTERÍSTICAS  O  líquido  penetra  no  rotor  paralelamente  ao  eixo,  sendo  dirigido  pelas  pás  p/  a  periferia, segundo trajetórias contidas em planos normais ao eixo.    VANTAGENS  Pela sua simplicidade, se prestam a fabricação em série, sendo generalizada a sua  construção e estendida sua utilização a grande maioria das instalações comuns de  água  limpa,  para  pequenas,  médias  e  grandes  alturas  de  elevação,  e  baixas  vazões, possui baixo custo e maior flexibilidade de operação.    DESVANTAGENS  Quando  se  trata  de  grandes  descargas  e  pequenas  alturas  de  elevação,  o  rendimento das bombas radiais torna‐se baixo e o seu custo se eleva em virtude  das suas dimensões, tornando pouco conveniente empregá‐las. 

  UTILIZAÇÃO  Bombeamento de água limpa, água do mar, condensados, óleos, para pressões de  até 16 kgf/cm² e temperaturas de até 140°C;  Bombas  centrífugas  também  de  voluta,  para  indústria  química,  petroquímica,  refinarias, indústria açucareira, para água quente até 300°C e pressões de até 25  kgf/cm²;  Bombas de processo podem operar com temperaturas de até 400°C e pressões de  até 45 kgf/cm².    B. BOMBA DIAGONAL OU DE FLUXO MISTO  O líquido sai do rotor com direção inclinada com relação ao eixo. Atende a faixa  intermediária entre a centrífuga e a axial. Parte da energia fornecida ao fluido é  devida à força centrífuga, parte é devida a força de arrasto. Utilizada para vazões  altas e médias cargas manométricas.    B1. BOMBAS HELICO‐CENTRÍFUGA  O  líquido  penetra  no  rotor  axialmente,  atinge  as  pás  cujo  o  bordo  de  entrada  é  curvo  e  inclinado  em  relação  ao  eixo.  Segue  uma  trajetória  que  é  uma  curva  reversa,  pois  as  pás  são  de  dupla  curvatura  e  atinge  o  bordo  de  saída,  que  é  paralelo ao eixo ou ligeiramente inclinada em relação a ele.    B2. BOMBAS HELICOIDAL OU SEMI‐AXIAL  O líquido atinge o bordo das pás, que é curvo e bastante inclinado em relação ao  eixo.  A  trajetória  é  uma  hélice  cônica,  reversa  e  as  pás  são  superfícies  de  dupla  curvatura. O bordo de saída das pás é bastante inclinada em relação ao eixo. As 

bombas desse tipo prestam‐se a grandes descargas (vazões) e pequenas e médias  cargas  manométricas.  Por  serem  as  pás  de  dupla  curvatura,  seu  projeto  é  mais  complexo e sua fabricação apresenta alguns problemas de fundição.    C. BOMBA AXIAL OU PROPULSORA  A  água  sai  do  rotor  com  direção  aproximadamente  axial  com  relação  ao  eixo.  Neste  tipo  de  bomba  o  rotor  é  também  chamado  de  hélice.  Não  são  propriamente bombas centrífugas, pois a força centrífuga decorrente da rotação  das pás não é a responsável pelo aumento da energia da pressão. É indicada para  grandes vazões e baixas alturas manométricas. A energia transmitida ao fluido é  devida puramente às forças de arrasto (propulsão).   

  Gráfico ‐ Campo de Emprego das Bombas     

CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO O NÚMERO DE ROTORES EMPREGADOS  A. BOMBAS DE SIMPLES ESTÁGIO  Nela existe apenas um rotor e, portanto, o fornecimento da energia ao líquido é  feito em um único estágio (constituído por um rotor e um difusor) não se utilizam  para grandes alturas de elevação devido às dimensões excessivas, custo elevado e  baixo rendimento.    B. BOMBAS DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS  Quando  a  altura  de  elevação  é  grande,  faz‐se  o  líquido  passar  por  dois  ou  mais  rotores  sucessivamente  fixados  ao  mesmo  eixo  e  colocados  em  uma  caixa  cuja  forma permita esse escoamento.  A passagem do líquido em cada rotor e difusor constitui um estágio na operação  de bombeamento.  São  próprias  para  instalações  de  alta  pressão.  Utilizadas  para  alimentação  de  caldeiras com pressões superiores a 250 kgf/cm² e para poços profundos de água  ou na pressurização de poços de petróleo.    CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO O NÚMERO DE ENTRADAS PARA ASPIRAÇÃO  A. BOMBAS DE ASPIRAÇÃO SIMPLES OU DE ENTRADA UNILATERAL  Entrada do líquido se faz de um lado e pela abertura circular na coroa do rotor.    B. BOMBAS DE ASPIRAÇÃO DUPLA OU DE ENTRADA BILATERAL  O  rotor  permite  receber  o  líquido  por  dois  sentidos  opostos.  Paralelamente  ao  eixo de rotação. 

Para  permitir  a  montagem  do  eixo  com  os  rotores  (ou  o  rotor),  a  carcaça  da  bomba  é  bipartida  para  temperatura  de  bombeamento  acima  de  205°C  e/ou  quando  se  tratar  de  líquidos  tóxicos  ou  inflamáveis  com  densidade  menor  que  0,7.    FUNCIONAMENTO DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA  ‐  A  bomba  Centrífuga  necessita  ser  previamente  enchida  com  o  líquido  a  bombear, isto é, deve ser escorvada.  ‐  Logo  que  se  inicia  o  movimento  do  rotor  e  do  líquido  contido  nos  canais  formados  pelas  pás,  a  força  centrífuga  decorrente  deste  movimento  cria  uma  zona de maior pressão na periferia do rotor e, consequentemente, uma de baixa  pressão na sua entrada, produzindo o deslocamento do líquido em direção à saída  dos canais do rotor e à boca de recalque da bomba.    POTÊNCIA NAS BOMBAS CENTRÍFUGAS    POTÊNCIA  MOTRIZ:  também  denomonada  consumo  de  energia  da  bomba,  é  a  potência fornecida pelo motor ao eixo da bomba (Lm).    POTÊNCIA DE ELEVAÇÃO: é a potência cedida pelo rotor ao líquido (Le).    POTÊNCIA ÚTIL: é a energia aproveitada pelo líquido para seu escoamento fora da  própria bomba (Lu).     

RENDIMENTOS NAS BOMBAS CENTRÍFUGAS    RENDIMENTO MECÂNICO: é a relação entre a potência de elevação e a motriz   

 

 

 

r =  Le    =     He 

   

                               Lm          Hm        RENDIMENTO HIDRÁULICO: é a relação entre a potência útil e a de elevação                           e =  Lu    =     Hu                                  Le            He      RENDIMENTO TOTAL: é a relação entre a potência útil e a motriz    η =  Lu    =     Hu         

 

         Lm          Hm 

ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS CENTRÍFUGAS  Dentre as razões que conduzem a necessidade de associarmos bombas, citamos:  a) A inexistência, no mercado, de bombas que possam, isoladamente, atender a  vazão necessária;  b) Aumento escalonado de vazões com o correr do tempo;  c)  Inexistência  no  mercado  de  bombas  capazes  de  vencer  a  altura  manométrica  de projeto.  ‐ As razões (a) e (b) requerem associação em paralelo, que consiste em fazer duas  ou mais bombas recalquem em uma ou mais linhas comuns, de forma que cada  bomba recalque uma parte da vazão.  ‐  Para  satisfazer  a  razão  (c)  é  necessária  a  associação  em  série.  Neste  caso  as  bombas recalcam em linha comum, de tal forma que a anterior bombeia para a  sucção  da  posterior,  que  recebe  o  fluido  com  maior  quantidade  de  energia  de  pressão.    ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS EM PARALELO  ‐  É  recomendável  neste  tipo  de  associação  que  as  bombas  tenham  as  mesmas  características, ou pelo menos muito próximas.  ‐ Neste tipo de associação tem‐se:   Bombas operando com a mesma altura manométrica:   HB1 = HB2   A vazão do sistema é:       

QS = Q1 + Q2 

ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS EM SÉRIE  ‐  Se  duas  ou  mais  bombas  estão  operando  em  séries  as  vazões  se  mantém  e  as  alturas manométricas totais se somam.  ‐ Para a associação em série, a curva resultante tem as seguintes características:     

 

HBS = HBS1 + HBS2   

 

QS = Q1 = Q2 

                             

 

COMPRESSORES  DEFINIÇÃO:  São  máquinas  operatrizes  que  transformam  trabalho  mecânico  em  energia  comunicada  a  um  gás,  preponderantemente  sob  forma  de  energia  de  pressão.  Graças à energia de pressão que adquire, isto é, à pressurização, o gás pode:   

‐ Deslocar‐se a longas distâncias em tubulações; 

  ‐ ser armazenado em reservatórios para ser usado quando necessário, isto  é, acumular energia;    ‐realizar  trabalho  mecânico,  atuando  sobre  dispositivos,  equipamentos  e  máquinas motrizes (motores a ar comprimido, por exemplo).    UTILIZAÇÃO:  Além  de  ser  empregado  para  comprimir  o  ar,  o  compressor  é  aplicado  a  outros  gases  e  misturas  de  gases,  sendo  de  imensa  importância  nas  instalações  químicas, petroquímicas, mecânicas, na construção civil e outras mais.    Façamos  uma  referência  às  aplicações  de  ar  comprimido,  conforme  as  características dos equipamentos que o utilizam:  a) Equipamentos  à  pressão  de  ar  ou  de  ação  fechada:  trabalhos  submarinos;  inflagem  de  câmaras  de  ar  de  veículos;  transporte  pneumático.    b) Equipamentos a jato de ar ou de ação livre: resfriadores ou aquecedores  a  ar;  jateamento  de  areia;  pintura  a  pistola;  metalização;  projeção  de  revestimentos plásticos.    c) Equipamentos  e  máquinas  de  percussão:  marteletes  a  ar  comprimido;  perfuratrizes de rocha; bate‐estacas. 

  d) Motores a ar comprimido de pistões, de palhetas, de engrenagens.    e) Bombas de injeção de concreto.    f) Máquinas  ferramentas  fixas  e  portáteis  de  todos  os  tipos:  furadeiras,  serras, aparafusadeiras, etc.    g) Abertura e fechamento de portas.      CLASSIFICAÇÃO    Os  compressores  visam  conseguir  que  a  pressão  do  gás  venha  a  alcançar  uma  pressão  consideravelmente  maior  do  que  a  pressão  atmosférica.  Se  classificam em:    a) Compressores de Deslocamento Positivo  O gás é admitido em uma câmara de compressão, que é, por isso, isolada  do exterior. Por meio da redução do volume útil da câmara sob a ação de  uma peça móvel, alternativa ou rotativa, realiza‐se a compressão de gás.      b) Compressores Dinâmicos  O gás penetra em uma câmara onde um rotor em alta rotação comunica às  partículas  gasosas  aceleração  tangencial  e,  portanto,  energia.  Atravé  da  descarga por um difusor, grande parte da energia cinética se converte em  energia  de  pressão,  forma  adequada  a  transmissões  por  tubulações  a  distâncias consideráveis e à realização de operações específicas.             

COMPRESSORES DE DESLOCAMENTO POSITIVO    1) COMPRESSORES ALTERNATIVOS DE PISTÃO    CARACTERÍSTICAS  Podem ser de:    ‐ um cilindro, para pressões de 6 a 8 kgf/cm²;    ‐ mais de um cilindro: duplex, com dois cilindros e dois pistões; triplex, com  três cilindros e três pistões, e existem outros de ainda maior número de cilindros.      Os compressores alternativos, conforme a atuação do pistão, podem ser:    ‐  de  simples  efeito,  quando  apenas  uma  das  faces  do  pistão  atua  comprimindo o gás;     ‐  de  duplo  efeito,  quando  ocorre  a  ação  das  duas  faces  do  pistão  sobre  o  gás      Podem ainda ser classificados em:    ‐ compressores de um estágio, que possuem um só cilindro;    ‐ compressores de dois estágios ou duplo estágio, nos quais os gás, depois  de sair comprimido do primeiro cilindro, é resfriado e entra num segundo cilindro  para receber nova compressão.    ‐ compressores de vários estágios, nos quais o ar passa sucessivamente por  vários cilindros.    O rendimento do compressor de dois estágios é maior do que o de um estágio.  O  compressor  necessita  ser  resfriado,  e  esse  resfriamento  pode  ser  a  ar  (ventilação natural, ventilação forçada com ventilador) ou a água.  Devemos  fazer  uma  distinção  entre  os  compressores  convencionais  de  ar  comprimido  e  os  compressores  de  gases  diversos  chamados  compressores  de  processo.  Estes  possiem  características  construtivas  e  empregam  materiais  altamente resistentes à ação dos gases aos quais se destinam. 

Pode‐se dizer que é o tipo mais versátil para a maioria das aplicações industriais,  principalmente quando se trata de ar comprimido, sendo, por isso mesmo, o mais  usado.    VANTAGENS  ‐  São  facilmente  controlados  de  acordo  com  a  demanda  do  gás  comprimido.  Podem  operar  em  plena  carga,  meia  carga  ou  em  vazio,  mediante  abertura  automática das válvulas de admissão, de sorte que não há compressão durante os  períodos em que não há demanda de gás comprimido.  ‐ Operação econômica.  ‐ Manutenção simples.  ‐  Uma  parcela  elevada  da  energia  fornecida  ao  eixo  do  compressor  é  dissipada  sob  forma  de  calor  e  pode  ser  aprovaitada  para  aquecimento  de  elementos  de  uma instalação industrial. 

  Consumo específico de potência em compressores alternativos 

 

COMPRESSORES DINÂMICOS    Possuem  um  ou  mais  rotores  parecidos  com  os  das  turbobombas  e  que  giram  com  elevada  rotação  no  interior  de  uma  caixa.  Podem  ser  dos  seguintes  tipos:  1) CENTRÍFUGO OU TURBO COMPRESSOR    Possui pás semelhantes às das bombas centrífugas. A unidade compressora  desse tipo é conhecida na prática como uma centrífuga.  2) HELICOCENTRÍFUGO OU HELICOIDAL    As pás são de dupla curvatura semelhantes, em alguns tipos, às de turbinas  Francis. As vazões obtidas são maiores que as do turbocompressor e as pressões  são menores.    3) COMPRESSOR AXIAL    Possui  grande  número  de  palhetas  e  proporciona  um  escoamento  no  sentido longitudinal. É compressor para grandes descargas – até 1.000.000 m³/h,  com pressão de trabalho de até 6 bars.    4) COMPRESSOR AXIAL‐CENTRÍFUGO    Reúne  em  um  mesmo  eixo  rotores  do  tipo  axial  e  rotores  centrífugos,  conseguindo aliar as vantagens de vazões elevadas (500.000 m³/h) a pressões de  até 9 bars.       

5) COMPRESSOR CENTRÍFUGO SUNDYNE    É  um  compressor  de  alta  rotação  (4.800  a  3.400  rpm),  isento  de  óleo,  de  um  estágio,  pra  pressões  elevadas  com  vazões  reduzidas  (até  3.200  m³/h  nos  tipos maiores). Existem dois modelos:  a) O  de  emissão  parcial,  para  vazões  menores.  O  rotor  possui  oito  lâminas  radiais.  b) O de emissão total, para grandes vazões. O rotor possui de 16 a 19 lâminas  radiais.    FATORES A CONSIDERAR NA ESCOLHA DO COMPRESSOR  Para Baixo Custo de Operação = Baixos Custos de Funcionamento.  ‐ Baixo custo de energia.  ‐ Alto atendimento se traduz em baixo consumo específico de energia.  ‐ Segurança de operação.  ‐  Bom  balanceamento,  mínima  vibração,  materiais  e  dimensões  adequados,  alta  qualidade na fabricação das peças componentes.  ‐ Baixo custo de manutenção.  ‐  As  peças  sujeitas    desgaste  devem  ser  de  fácil  substituição  e  projeto  simples,  possibilitando manutenção por pessoal adequado.  ‐ Baixo custo de água de resfriamento  ‐ Em certos casos, baixo consumo de água de resfriamento  ‐ Baixo custo de supervisão  ‐Lubrificação automática; drenagem automática de água condensada; dispositivos  de controle e de segurança tornam desnecessária supervisão manual contínua. 

Para Baixo Custo de Instalação = Baixos Custos Iniciais  ‐ Pequeno espaço necessário.  ‐ Compressor de projeto compacto e equipamento auxiliar reduzido economizam  área de construção.  ‐ Baixo peso.  ‐ Economia de fundações e de equipamentos de levantamento.  ‐ Instalação simples.  ‐  Equipamento  de  instalação  simples  e  adequado  para  a  montagem  sobre  amortecedores de borracha em fundações simples (pequenos compressores).  ‐ Equipamento elétrico simples  ‐  Um  compressor  projetado  para  motores  e  chaves  de  partida  padronizadas  contribui para baixo custo inicial.  ‐ Preços moderados.  CONSUMO ESPECÍFICO    Para uma comparação entre vários tipos de compressores, faz‐se referência  à grandeza denominada consumo específico.    Consumo específico é a potência absorvida por unidade de volume de ar e  na unidade de tempo escolhida.    O consumo específico de potência é medido em cv/m³/min, ou em HP/100  pés³/min de descarga livre padrão de ar.    Um  consumo  específico  de  7  vc/m³/min  já  é  bastante  baixo,  e  6,5  cv/m³/min  é  considerado  extremamente  baixo,  portanto  excelente.  Os  valores  baixos são obtidos em geral em compressores para capacidade média  e grande.  Para se conseguir um bom desempenho, isto é, um baixo consumo de potência, é 

preciso  que  o  compressor  seja  adequadamente  resfriado,  e  que  a  água  de  resfriamento seja fornecida a cerca de 10° abaixo da temperatura ambiente.    Compressores resfriados a ar possuem consumo específico 3 a 5% superior  ao  dos  resfriados  a  água,  sendo  o  ventilador  responsável  por  cerca  de  1  a  1,5%  deste acréscimo.    O consumo específico de energia é, portanto, um parâmetro da qualidade  de um compressor.    DESCARGA LIVRE PADRÃO (DLP) OU DESCARGA LIVRE EFETIVA (DLE)    É a quantidade de ar livre descarregada por um compressor, corrigida para  as  condições  de  pressão,  temperatura  e  umidade  reinantes  na  admissão.  Considerar‐se‐à  na  admissão  o  ar  livre,  isto  é,  o  ar  submetido  à  pressão  atmosférica,  cujo  valor  corresponde  a  um  coluna  de  760  mm  de  mercúrio,  à  temperatura de 15°C e a uma umidade relativa igual a 36%. 

  Consumo específico de potência em função da descarga. Escolha do tipo de compressor 

 

TURBINAS A VAPOR    DEFINIÇÃO  Turbina a Vapor é a Máquina Térmica que utiliza a energia do vapor sob forma de  energia  cinética.  Deve  transformar  em  energia  mecânica  a  energia  contida  no  vapor vivo sob a forma de energia térmica e de pressão.    FUNCIONAMENTO    A turbina é um motor rotativo que converte em energia mecânica a energia  de uma corrente de água, vapor d’água ou gás. O elemento básico da turbina é a  roda  ou  rotor,  que  conta  com  paletas,  hélices,  lâminas  ou  cubos  colocados  ao  redor de sua circunferência, de forma que o fluido em movimento produza uma  força tangencial que impulsiona o rotor, fazendo‐o girar. Essa energia mecânica é  transferida através de um eixo para movimentar uma máquina, um compressor,  um gerador elétrico ou uma hélice. As turbinas classificam como hidráulicas ou de  água, a vapor ou de combustão.    Em uma turbina a vapor, a transformação de energia do vapor em trabalho  é  feita  em  duas  etapas.  Inicialmente,  a  energia  do  vapor  é  transformada  em  energia  cinética.  Para  isso  o  vapor  é  obrigado  a  escoar  através  de  pequenos  orifícios, de formato especial, denominados expansores onde, devido à pequena  área de passagem, adquire alta velocidade, aumentando sua energia cinética, mas  diminuindo  em  consequência,  sua  entalpia.  Em  um  expansor,  além  do  aumento  de  velocidade  e  da  diminuição  da  entalpia  ocorrem  também  queda  na  pressão,  queda na temperatura e aumento no volume específico do vapor.  Na segunda etapa da transformação, a energia cinética obtida no expansor  é  transformada  em  trabalho  mecânico.  Esta  transformação  de  energia  pode  ser  obtida no expansor é transformada em trabalho mecânico. Esta transformação de 

energia  pode  ser  obtida  de  duas  maneiras  diferentes:  Segundo  o  princípio  da  Ação ou segundo o princípio da Reação.    EXPANSORES CONVERGENTES E CONVERGENTES‐DIVERGENTES    Os  expansores  são  restrições  ao  fluxo  de  vapor  e  tem  o  objetivo  de  converter a energia do vapor em energia cinética.  Expansores  Convergentes:  são  usados  sempre  que  a  pressão  de  descarga  for  maior ou igual a 53% da pressão de admissão (pequenos saltos de entalpia).    Expansores  Convergentes‐Divergentes:  são  usados  sempre  que  a  pressão  de  descarga for menor que 53% da pressão de admissão (grandes saltos de entalpia).   

  Expansor 

  TURBINA DE AÇÃO E TURBINA DE REAÇÃO    Se tivermos um expansor, montado em uma câmara de vapor estacionária,  dirigindo um jato de vapor para uma palheta, montada na periferia de uma roda,  teremos uma “turbina de ação rudimentar”. 

  Por, outro lado, montarmos a própria câmara de vapor com o expansor, na  periferia da roda e conseguirmos levar vapor, de forma contínua, a esta câmara,  através de um eixo oco, teremos construído uma “turbina de reação elementar”.    Embora  estas  duas  turbinas  rudimentares  ilustrem  os  princípios  básicos  envolvidos, algumas modificações são necessárias para convertê‐las em unidades  práticas.    TURBINA DE AÇÃO  Em  um  estágio  de  ação,  toda  a  transformação  de  energia  do  vapor  (entalpia) em energia cinética ocorrerá nos expansores. Em consequência, no arco  ou no anel de expansores (roda de palhetas fixas) de um estágio de ação, haverá  uma queda na pressão do vapor (diminuem também a entalpia e a temperatura,  enquanto aumenta o volume específico) e um aumento da velocidade. Na roda de  palhetas  móveis  não  haverá  expansão  (queda  de  pressão),  pois  as  palhetas  móveis têm seção simétrica e que resulta em áreas de passagens constantes para  o vapor.    TURBINA DE REAÇÃO  Na  realidade,  o  que  chamamos  comercialmente  de  turbina  de  reação  é  uma  combinação  com  grandes  saltos  de  entalpia  e  onde  a  preocupação  com  a  eficiência  é  essencial,  seríamos  levados  a  velocidades  excessivas  nas  palhetas,  incompatíveis com sua resistência mecânica. A solução para o problema é dividir  o  aproveitamento  do  salto  de  entalpia  em  vários  saltos  menores  subsequentes  que  chamamos  de  estágios.  Máquinas  de  grande  potência  tem,  portanto,  usualmente, vários estágios colocados em série, podendo ser tanto de ação como  de reação.     

ESTÁGIOS DE AÇÃO    Os estágios de ação podem ser de dois tipos: estágios de pressão, também  conhecidos  como  estágios  RATEAU,  e  estágios  de  velocidades  conhecidos  como  estágios CURTIS.    Os  estágios  de  pressão  são  compostos  por  um  arco  de  expansores  e  uma  roda de palhetas móveis, se for o primeiro estágio da máquina, ou por um anel de  expansores  (roda  de  palhetas  fixas)  e  uma  roda  de  palhetas  móveis,  se  for  um  estágio intermediário.    O estágio de velocidade é composto de um arco de expansores, seguido por  duas rodas de palhetas móveis entre as quais há um arco de palhetas guias. Toda  a  queda  de  pressão  do  estágio  ocorre  nos  expansores.  A  velocidade  do  vapor,  porém é absorvida apenas parcialmente na primeira roda de palhetas móveis. O  vapor deixa então esta roda com uma energia cinética ainda elevada.   

  Estágios de Ação 

  Estágios de Reação (esq.)‐Turbina de Reação de Estágios Múltiplos (dir.) 

  ESTÁGIOS DE AÇÃO E ESTÁGIOS DE REAÇÃO  ESTÁGIOS DE AÇÃO    Os estágios de ação podem ser de dois tipos: estágios de pressão, também  conhecidos  como  estágios  Rateau  e  estágios  de  velocidade  conhecidos  como  estágio Curtis.    O estágio de pressão é composto de um arco de expansores e uma roda de  palheta  móveis  se  for  o  primeiro  estágios  da  máquina,  ou  por  um  anel  de  expansores  (roda  de  palhetas  fixas)  e  uma  roda  de  palhetas  móveis  se  for  um  estágio intermediário.    O  estágios  de  velocidade  é  composto  de  um  arco  de  expansores,  seguido  por duas rodas de palhetas móveis, entre as quais há um arco de palhetas guias.  Toda  a  queda  de  pressão  do  estágio  ocorre  nos  expansores.  A  velocidade  do  vapor  porém,  é  absorvida  apenas  parcialmente  na  primeira  roda  de  palhetas  móveis.  O  vapor  deixa  então  esta  roda  com  uma  energia  cinética  ainda  elevada  que  será  aproveitada  em  uma  segunda  roda  de  palhetas  móveis.  Apenas  com  a  finalidade de reorientar o jato de vapor, para que o esforço sobre a segunda roda  de  palheta  móveis  seja  de  sentido  igual  ao  do  esforço  sobre  a  primeira  roda,  é  colocado entre ambas um arco de palhetas guias. É importante notar que não há 

expansão  nas  palhtas  guias,  permanecendo  constantes,  ao  longo  delas,  tanto  a  pressão como a velocidade.    Em um estágio de velocidade, como apenas metade da velocidade do vapor  é  absorvida  por  roda,  admite‐se  que  a  velocidade  do  vapor  na  entrada  da  primeira  roda  seja  igual  a  quatro  vezes  a  velocidade  periférica  da  palheta.  Por  esta razão, em um estágio de velocidade conseguimos aproveitar um grande salto  de entalpia, embora com algum prejuízo da eficiência.    O estágio “CURTIS” tem duas aplicações características: como estágio único  de  máquinas  de  pequena  potência  e  como  primeiro  estágio  de  máquinas  de  grande potência.    ESTÁGIOS DE REAÇÃO    Os  estágios  de  reação,  chamados  também  de  estágios  PARSONS,  são  sempre  constituídos  de  uma  roda  de  palhetas  fixas,  seguidas  de  uma  roda  de  palhetas  móveis.  Como  as  turbinas  de  estágio  único  são  sempre  de  ação,  o  uso  dos  estágios  de  reação  restringe‐se  aos  estágios  intermediários  e  finais  das  turbinas de reação de estágios múltiplos, pois mesmo nestas o primeiro estagio é  usualmente um estágio de ação. 

  Estágio de ação e de reação   

VANTAGENS DAS TURBINAS A VAPOR  a) Do ponto de vista termodinâmico:  O  ciclo  térmico  a  vapor  do  qual  a  turbina  é  parte  integrante,  apresenta  rendimentos  bastante  satisfatórios  quando  comparados  com  os  ciclos  térmicos  de  outras  máquinas  (Turbinas  à  Gás  e  Motores  de  Combustão  Interna)  b) Do ponto de vista mecânico:  ‐ As Turbinas a Vapor são puramente rotativas isto é, a força acionadora é  aplicada  diretamente  no  elemento  rotativo  da  máquina.  Têm  balanceamento  bastante  fácil,  resultando  em  um  funcionamento  bem  suave da máquina.  ‐  É  uma  máquina  de  alta  rotação  (3.500  a  6.000  rpm)  sendo  ideal  para  acionar bombas e compressores centrífugos.  ‐ Não há lubrificação interna. O óleo circula somente através dos mancais e  do sistema de controle, sendo continuamente filtrado e resfriado.  ‐ A facilidade de controle e a possibilidade de variação de velocidade feita  pelo governador é bastante simples, precisa e confiável.    CLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS A VAPOR    SEGUNDO TRAJETÓRIA DESCRITA POR UMA PARTÍCULA DE VAPOR EM RELAÇÃO À  BASE DA TURBINA    TURBINAS AXIAIS  O vapor flui axialmente de boquilhas dispostas radialmente em torno do rotor. 

  TURBINAS RADIAIS (tipo Ljungstrom)  O vapor se dirige de dentro para fora radialmente através de canais formados por  palhetas móveis dispostas axialmente.    TURBINAS TANGENCIAIS  O  vapor  é  conduzido  tangencialmente  ao  rotor.  O  escoamento  no  rotor  é  uma  composição de escoamento axial e radial.      CONFORME O MODO DE ATUAÇÃO DO VAPOR NO ROTOR    TURBINAS DE AÇÃO  O vapor se expande unicamente em órgãos fixos (boquilhas ou expansores) e não  nos  móveis  (rotores),  de  modo  que  a  pressão  sobre  as  faces  das  palhetas  dos  mesmos não varia sensivelmente.  TURBINAS DE REAÇÃO  O  vapor  se  expande  também  no  rotor,  de  modo  que  a  pressão  à  entrada  do  mesmo é maior que na saída.    TURBINAS MISTAS (de ação e reação)  A parte inicial da turbina é construída para a ação (alta pressão) e a outra parte  como turbina de reação.   

CONFORME O NÚMERO DE ESCALONAMENTOS (ESTÁGIOS)     Turbinas de um único rotor.   Turbinas de vários conjuntos de pás no mesmo eixo.   Turbinas com recuperação direta da energia de saída na diretriz seguinte.   Turbinas com recuperação indireta da energia de saída na diretriz seguinte.    CONFORME O NÚMERO DE PÁS SOBRE AS QUAIS INCIDE O VAPOR    TURBINAS DE ADMISSÃO TOTAL  O vapor enche por completo toda a coroa de pás.  TURBINAS DE ADMISSÃO PARCIAL  O vapor incide inicialmente somente sobre uma parte da coroa.    CONFORME AS CONDIÇÕES DO VAPOR DE ESCAPE DA TURBINA    TURBINA DE ESCAPE LIVRE  O vapor sai diretamente na atmosfera.    TURBINA DE CONDENSAÇÃO  O vapor vai para um condensador.   

TURBINA DE CONTRAPRESSÃO  O vapor de escape é conduzido a dispositivos especiais para a sua posterior  utilização, como por exemplo, na calefação.    TURBINAS COMBINADAS  Parte  do  vapor  é  subtraída  da  máquina  antes  de  sua  total  utilização,  e  é  conduzida  a  outros  dispositivos  (para  calefação,  por  exemplo).  O  restante  do  vapor  continua  sua  evolução  no  interior  da  turbina,  passando  a  um  condensador ou diretamente à atmosfera.                             

TURBINAS A GÁS  DEFINIÇÃO  O  termo  turbina  a  gás  é  mais  comumente  empregado  em  referência  a  um  conunto  de  três  equipamentos:  compressor,  câmara  de  combustão  e  turbina  propriamente  dita.  Esta  configuração  forma  um  ciclo  termodinâmico  a  gás,  cujo  modelo ideal denomina‐se Ciclo Brayton. Este conjunto opera em ciclo aberto, ou  seja,  o  fluido  de  trabalho  (ar)  é  admitido  na  pressão  atmosférica  e  os  gases  de  escape,  após  passarem  pela  turbina,  são  descarregados  de  volta  na  atmosfera  sem que retornem à admissão.  A palavra “gás” não se refere à queima de gases combustíveis, mas sim, ao fluido  de  trabalho  da  turbina,  que  é  neste  caso  a  mistura  de  gases  resultante  da  combustão.    UTILIZAÇÃO  Turbinas  a  gás  são  amplamente  empregadas  na  propulsão  de  aviões  e  outros  tipos de aeronaves. Isto se deve principalmente à sua alta densidade de potência,  em  relação  a  outras  máquinas  como  os  MCI.  Ou  seja,  as  turbinas  a  gás  geram  maiores potência comparadas a máquinas do mesmo peso.    FUNCIONAMENTO  A  turbina  a  gás  é  uma  máquina  feita  para  empurrar,  usando  a  terceira  lei  de  Newton.  A  ação  de  forçar  massa  em  forma  de  gases  quentes  para  uma  direção  gera uma força em sentido contrário.  Todas as peças que estão dentro da Turbina a Gás têm a finalidade de captar o ar  e expulsá‐lo com a maior velocidade possível.  Para fazer isto, em uma turbina de tamanho adequado a uso para aeromodelo, é  usado um compressor radial que ao girar expulsa o ar a grande velocidade para a 

sua  periferia.  Ou  seja,  este  compressor  retira  energia  mecânica  do  eixo  e  transfere esta energia para o ar. Este ar com alta velocidade é obrigado a passar  pelo  difusor  que  com  passagens  divergentes,  reduzem  a  velocidade,  transformando esta velocidade em pressão.  Este  ar  sob  pressão  entra  na  câmara  de  combustão,  onde  recebe  energia  pela  queima  do  combustível,  e  se  expande  ao  ser  aquecido.  Este  ar  quente  e  sob  pressão  é  obrigado  a  passar  pelo  estator  da  turbina,  que  pela  forma  das  suas  palhetas, direciona este ar em alta velocidade para o rotor da turbina. Ao alcançar  o rotor, o ar entrega uma parte da sua energia, ao obrigá‐lo a girar.  Observar  que  a  turbina  somente  tem  a  finalidade  de  fornecer  energia  mecânica  para  o  compressor.  A  sobra  de  energia  do  ar  do  escapamento  é  que  é  utilizada  como energia de propulsão.   

  Turbina a Gás 

  VANTAGENS    Tendem a ser mais compactas, isto é, tem uma maior razão potência/peso  (até 70% em relação a outros motores). Por isso, elas são adequadas para  sistemas  de  transportes  como  aviões,  navios  e  até  mesmo  transporte  terrestre. 

 Partida e parada mais rápidas.   Tempo de resposta baixo.   Equipe de operação e manutenção reduzida.   Consome menos matéria prima na fabricação.   Menor custo.   Produz menos vibração.   (Quase) não requer água de resfriamento.  DESVANTAGENS   Menor potência específica.   Menor eficiência.   Menor vida útil.   Mais sensível à qualidade do combustível.   Muitos componentes sob alta tensão mecânica.   Ruídos de alta freqüência.   Necessidade de grande quantidade de ar.   Produção de grande quantidade de gases quentes (objetivo).   Não pode ser consertado na planta.  RAZÃO DE POTÊNCIA  Parcela significativa da potência da turbina é utilizada para acionar o compressor  (back‐work).     

TURBOGERADORES  Turbinas  a  gás  dedicadas  à  geração  de  energia  elétrica  são  divididas  em  duas  principais categorias, no que se refere à concepção.   São elas as pesadas Heavy‐Duty, desenvolvidas especificamente para a geração de  energia elétrica ou propulsão naval e as aeroderivativas, desenvolvidas a partir de  projetos anteriores dedicados a aplicações aeronáuticas.  O compressor utilizado geralmente trabalha com fluxo axial, tipicamente com 17  ou 18  estágios de compressão. Cada estágio do compressor é formado por  uma  fileira  de  palhetas  rotativas  que  impõem  movimento  ao  fluxo  de  ar  (energia  cinética)  e  uma  fileira  de  palhetas  estáticas,  que  utiliza  a  energia  cinética  para  compressão.  O  ar  sai  do  compressor  a  uma  temperatura  que  pode  variar  entre  300°C e 450°C. Cerca de metade da potência produzida pela turbina de potência é  utilizada no acionamento do compressor e o restante é a potência líquida gerada  que movimenta um gerador elétrico.  Saindo da câmara de combustão, os gases têm temperatura de até 1250°C. Após  passar pela turbina, os gases são liberados ainda com significante disponibilidade  energética, tipicamente a temperaturas entre 500°C e 650°C. Considerando isso,  as  termelétricas  mais  eficientes  e  de  maior  porte  aproveitam  este  potencial  através de um segundo ciclo termodinâmico, a vapor (ou Ciclo Rankine).  Estes  ciclos  juntos  formam  um  ciclo  combinado,  de  eficiência  térmica  frequentemente superior a 60%. Ciclos simples a gás têm tipicamente 35%.  Turbinas  projetadas  para  operar  em  ciclo  simples,  tendo  em  vista  a  eficiência  térmica do ciclo, têm temperatura de saída de gases reduzida ao máximo e têm  otimizada taxa de compressão. A taxa de compressão é a relação entre a pressão  do ar à entrada e saída do compressor. Por exemplo, se o ar entra a 1 atm, e deixa  o compressor a 15 atm, a taxa de compressão é de 1:15.  Turbinas a gás específicas para operar em ciclo combinado, são desenvolvidas de  modo  a  maximizar  a  eficiência  térmica  do  ciclo  como  um  todo.  Desta  forma,  a  redução  de  temperatura  dos  gases  de  escape  não  é  necessariamente  o  ponto 

mais crítico, em termos  de eficiência, uma vez  que os gases de saída  da turbina  ainda são utilizados para gerar potência.    OUTRAS APLICAÇÕES  Turbinas a gás também podem acionar diversos outros tipos de máquina movidas  por eixo, tais como navios, ônibus, helicópteros, locomotivas, tanques de guerra,  bombas e compressores (externos ao próprio ciclo da turbina).