1

Turbinas a gás

2

Questões TURBINAS A GÁS

1. Por que, apesar de o princípio de funcionamento das TG já ter sido usado pelos

gregos antigos, o desenvolvimento destas máquinas só ocorreu no século XX?

2. Quais são as dificuldades em construir uma TG que funciona a pressão

constante e não a volume constante?

3. Quais as características, vantagens e desvantagens das TG de fluxo axial e de

fluxo radial?

4. Quais as vantagens e desvantagens do uso de bocais de admissão supersônicos

axissimétricos em relação aos retangulares?

5. Quais as vantagens e desvantagens do uso de bocais de exaustão convergente

em relação aos bocais convergentes/divergentes?

6. Como funciona um pós-combustor de uma TG?

7. Explique como ocorre a compressão e a exaustão em motores tipo Ramjet.

8. Quais as exigências mínimas no projeto de um combustor de TG? Que

características o combustor precisa garantir?

9. Explique por que a maior parte da combustão ocorre na região primária do

combustor.

10. No combustor existem três regiões, primária, secundária e de diluição. Explique

quais as características da combustão e do fluxo de gases nestas regiões.

11. O que é e como ocorrem as perdas de pressão por dissociação no combustor

de uma TG?

12. Qual a quantidade de ar, em porcentagem, proveniente do compressor, que

entra no combustor na região de diluição?

13. Qual a principal vantagem em usar câmaras tipo tubular e tubo anular, nas TG?

14. Por que as câmaras anulares apresentam baixa perda de pressão no fluxo de

gás?

3

1. História das Turbinas a Gás Em 150 A.C. o filósofo e matemático egípcio Hero inventou um brinquedo, o

“Aeolipile” que rodava sobre uma pequena caldeira de água.

Em 1687, Sir Isaac Newton anuncia as leis do movimento. Especificamente, a

3ª Lei de Newton afirmava haver um equilíbrio entre ação e reação: “Para cada

ação haverá uma reação de mesma força e intensidade mas em sentido

oposto”.

A primeira concepção da turbina a gás e seu conseqüente patenteamento foi

proposta em 1791 pelo inglês John Barber.

4

Percebendo que os fracassos no desenvolvimento das turbinas eram atribuídos à

limitação tanto da temperatura máxima como da relação de pressão conseguida nos

compressores, Holzwarth, em 1909, na Alemanha, mudou a concepção do projeto da

turbina considerando a combustão a volume constante (turbina a explosão) em vez de

a pressão constante.

Possibilita que o ar seja comprimido a uma pressão de apenas cerca de ¼ daquela

necessária ao processo de combustão a pressão constante

Transferência de Energia na Turbina1

Em 1920, Dr. A. A. Griffith desenvolveu uma teoria de projetos de turbinas baseada no

fluxo de gás.

Frank Whittle em 1930 concebeu e patenteou o uso da reação ou jato como meio

propulsor e, neste caso, o uso de turbinas a gás tornou-se imprescindível. Whittle

desenvolveu o primeiro motor com essa finalidade em 1937.

1 Earl Logan, Jr. & Ramendra Roy, Handbook of Turbomachinery, Marcel Dekker Inc., New York, 2003.

5

Em 1936, no mesmo tempo que Frank Whittle estava trabalhando na Grã-Bretanha,

Hans von Ohian e Max Hahn, estudantes na Alemanha desenvolveram e patentearam

o seu próprio projeto de turbina.

Em 27 de agosto de 1939 Heinkel, fez voar o seu primeiro avião (HE178) utilizando o

gás como reator ou seja usando jato propulsão.

Em 1942, o Dr. Franz Anslem desenvolveu uma turbina de fluxo axial, a Junkers Jumo

004, usada no Messerschmtt ME262.

O Heinkel HeS-3b desenvolvia 1100lbs de empuxo e voou acima de 400 mph, o

ME262 voou a 500 mph.

Em 1943 a Escher Wyss constrói uma TG de 2 MW e em 1949 têm-se a primeira

instalação industrial 12,5 MW em St. Denis, França, funcionando com um sistema com

queima de óleo. Em 1956 a Escher Wyss constrói uma TG de 2,3 MW com Carvão

pulverizado.

6

2. Funcionamento das Turbinas a Gás Fonte: Martinelli Jr. e Carlos Alberto Gurgel Veras

2.1 Componentes

As turbinas a gás são constituídas de 03 sistemas principais, a saber:

Compressor

Câmara de Combustão

Turbina

Ciclo termodinâmico teórico a ar – Ciclo Brayton

7

8

9

Componentes de uma turbina a gás Compressor de fluxo axial

Compressor de fluxo radial

Queimadores ou combustores

10

11

Turbina Turbina de fluxo axial

Turbina de fluxo radial

12

Bocais de Admissão

Bocais de Exaustão

13

Pós Combustor

14

Eixos - Drive Shaft

3. Conceitos 3.1 Ciclos

15

3.2 Rendimento

3.3 Exergia

Ciclo Brayton – Processo de Combustão

16

17

4. Classificação das Turbinas a Gás

18

19

Quanto à aplicação das TG:

Industrial (estacionárias)

Turbina de geração termoelétrica

Microturbina

Marítima

Aeronáuticas:

Turbohélice

Turbofan

Turbojato (turbojet)

Ramjet

Scramjet

Motores Aeronáuticos Motor Turboeixo - Turbohélice

20

21

Motor Turbofan

22

Turbojato

23

24

Ramjet

Um ramjet é um motor estruturalmente muito simples. Ao contrário de um motor

a jato padrão. Um ramjet não tem uma turbina a gás que aciona um eixo ligado

a um compressor.

Scramjet

A única diferença entre ela e uma ramjet é que ele vai permitir que o ar entre

na câmara de combustão do motor em velocidades supersônicas -

impedindo a criação de uma onda de choque em que o ar fica mais lento,

quando entra no motor.

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A NASA X-43 é um scramjet.

O primeiro teste de vôo scramjet ocorreu em 2002 por pesquisadores

australianos, chamado HyShot. Foi essencialmente um foguete com um motor

de combustão supersônico amarrado nele, que foi lançado 20 milhas acima

da superfície da terra. Na reentrada o motor foi acionado por cinco segundos,

atingindo 5.000 milhas por hora (Mach 7.6) antes de cair no chão.

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Em 2004, X-43A da Nasa, um foguete artesanal, foi lançado fora

de um avião em movimento e chegou aos 7.307 mph (Mach 9,6) após 10

segundos. A nova meta é de 100 segundos de vôo contínuo.

As diferentes regiões de compressão, combustão e expansão nas turbinas a

gás:

(a) turbojet, (b) ramjet, (c) scramjet

27

Desempenho de propulsão dos diferentes tipos de TG.

28

5. Combustíveis e combustão nas turbinas a gás

As turbinas a gás consomem combustíveis fosseis na Câmara de Combustão.

Combustão em Turbinas a Gás (Fonte: Pedro Teixeira Lacava – Instituto Tecnológico de Aeronáutica) Particularidades do processo de combustão:

1. Alta taxa de liberação de energia por unidade de volume. Razão pela qual a

câmara de combustão precisa ser compacta.

2. Os processos físicos precisam ocorrer rapidamente (atomização e

vaporização do combustível e mistura entre reagentes).

3. Uniformidade no gradiente de temperaturas na saída da câmara de

combustão (para aumentar a segurança das pás da turbina).

4. Baixa perda de pressão ao longo da câmara de combustão.

Condições de Operação 1) Grande variação de carga.

• sem carga (idle): motor com rotação mínima, potência mínima ou geração de

empuxo nula.

• máxima carga: máxima potência ou empuxo.

2) Vazão de ar aumenta com o aumento da carga (incremento da rotação).

• 1 (sem carga) : 18 com máx. carga.

3) Pressão na câmara aumenta com a carga.

• 1 (sem carga) : 14 (máx. carga).

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4) Velocidade na entrada da câmara de combustão praticamente não muda

com o aumento da carga.

• O aumento da vazão é compensado com o aumento da densidade do ar em

razão da pressão de escoamento mais alta.

• m = r.A.v .

5) Variação da vazão de combustível.

• 1 (idle): 40 (máx. carga).

6) Proporção entre as vazões mássicas de combustível e ar.

• 1 (idle): 3 (máx. carga).

7) Taxa de Combustão (liberação de energia).

• 500.000 kJ/m3.s (cerca de 100 vezes a taxa de uma fornalha industrial).

• Razões:

a. Densidade do ar maior que a na pressão ambiente.

b. Eficiência do processo de atomização de combustível, acarretando uma alta

taxa de evaporação e troca térmica do combustível.

c. Intensa mistura entre os reagentes (resultado da eficiência no processo de

atomização, do alto nível de turbulência, da presença de uma zona de

recirculação de gases e gradiente de temperatura elevado.

Geometria típica de câmara de combustão de turbina a gás.

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Região Primária • Região onde o combustível é injetado e ocorre a maior parte da combustão.

• 15% a 20% em volume do fluxo total de ar proveniente do compressor é

introduzido nessa região.

• Mistura deve estar dentro dos limites de imflamabilidade.

• No caso dos combustíveis líquidos, corresponde à região onde deve

acontecer os processos físicos: injeção, atomização, vaporização e mistura.

Presença de zonas de recirculação:

A recirculação de gases, deve ser capaz de confinar a zona de queima na

região primária e melhorar a estabilidade de chama. A recirculação é

promovida principalmente pelo “swirler” e por jatos opostos, ou por uma

combinação de ambos, como mostra as figuras abaixo.

(a) Jatos opostos. (b) Swirler. (c) Combinação de jatos opostos com swirler.

31

Escoamento de ar ao emergir do swirler apresenta uma componente tangencial de

velocidade. A medida que ele se desenvolve há uma tendência do fluxo “abrir” em

direção à parede do combustor, o que causa uma queda de pressão na região central,

fazendo com que parte do escoamento se reverta, melhorando a turbulência e a

atomização.

Detalhe do swirler na entrada de ar da zona primária de uma câmara de

combustão tubular.

• Conjunto swirler e injetor de combustível.

32

Chama confinada na zona de recirculação.

Exemplos de swirler

Região Secundária

• Adição de cerca de 30% em volume do ar proveniente do compressor.

• Funciona como uma extensão da zona primária, caso a queima completa não

tenha ocorrido nesta região inicial.

_ Idle: 40% da combustão ocorre na região primária.

_ Máxima carga: 80% da combustão ocorre na região primária.

Combustão incompleta na região primária.

_ Deficiência na mistura entre os reagentes na região primária.

_ Em elevadas altitudes, a taxa de reação química é mais lenta, em razão da

queda de pressão; desta forma, boa parte da queima ocorre na região

secundária.

_ Minimizar perdas por dissociação.

33

Região de Diluição.

• Admite o ar remanescente proveniente do compressor.

• Diluição entre os produtos de combustão formados nas regiões anteriores e o ar

remanescente, atingindo uma distribuição de temperatura aceitável para o material da

turbina.

• Qualidade transversal (TQ):

TQ = Tmáx – Tmed . 100 T med

Onde: Tmáx é a máxima temperatura obtida na saída da câmara de combustão e

Tmed a temperatura média da distribuição de temperatura.

34

Orifícios zona primária Orifícios zona secundária Orifícios zona de diluição

3 Tipos de Câmara

Tubular

• Ar proveniente do compressor é dividido em canais que “alimentam” câmaras

individuais através de conectores que devem manter a mesma pressão de

operação em todas as câmaras além de facilitar a ignição da mistura

ar/combustível.

• Mecanicamente a câmara tubular é robusta e pesada.

• Apresenta elevada perda de pressão durante o escoamento.

• Aumenta a área frontal do motor e consequentemente o seu arrasto.

Câmara de Combustão Tubular – Motor Dart – Liner

35

36

37

38

39

Câmara com seis injetores.

40

Câmara de Combustão

41

Câmara Anular • Câmara de combustão única concêntrica ao eixo de centro do motor.

42

Turbina a Gás Aeronáutica Moderna Unidade compacta e com baixa perda de pressão.

• Para mesma potência da TG, o comprimento da câmara é cerca de 75%

menor do que as câmaras tubulares.

• Apresentam área frontal menor.

• Adequada para motores com compressor axial .

• Os ensaios para o desenvolvimento são complexos.

43

Câmara de combustão Anular – Motor Viper – liner parte externa

Câmara de combustão Anular – Motor Viper – liner parte interna

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Câmara de combustão Anular – Motor Viper – vista frontal do liner

Câmara de combustão – Anular

45

46

47

Tubo-Anular

• Várias câmaras são alimentadas por um único duto de ar proveniente do

compressor.

Adequada para compressores axiais.

• Comprimento e peso menor que a tubular.

• Perda de pressão intermediária.

Tubular > Tubo-anular > anular

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6. Principais combustíveis e suas principais características

Fonte: Carlos Alberto Gurgel Veras

Existem três tipos tradicionais de combustíveis: sólido, líquido e gasoso.

Normalmente os combustíveis são de origem fóssil, constituindo os hidrocarbonetos

podem conter impurezas como enxofre e cinzas.

Gases combustíveis sintéticos (artificiais) como gás de alto forno, carvão de madeira

gaseificado também podem ser usados.

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No caso de circuitos fechados pode-se, ainda, utilizar calor de rejeito de processos

químicos (uso de trocador) ou ainda calor proveniente de reator nuclear onde o hélio é

usado como fluído de trabalho. A Tabela abaixo apresenta os principais combustíveis

e suas principais características.

Tabela: Principais tipos de combustíveis usados nas TG.

Combustível Poder Calorífico Inf. (kJ/kg)

Massa

Específica (kg/m³)

Conteúdo de

Cinzas (% peso)

Carvão

29.000 780 3 – 15 Óleo

Combustível Leve (EL) 43.000 850 0,01 Pesado (S) 40.000 980 0,01 – 0,04

Gás Gás Natural 50.000 0,7 0 Gás Alto Forno 3.000 1,28 2.10

-4

pó

Combustíveis Sólidos

Devido ao conteúdo de cinzas e demais impurezas (metal, enxofre, etc.), este tipo de

combustível é geralmente utilizado em turbinas com circuitos fechados (podendo, em

alguns arranjos, ser um circuito aberto- caso onde há necessidade de um trocador de

calor).

Particularmente aqui no Brasil existe um potencial bastante grande para uso deste tipo

utilizando cavaco de madeira ou bagaço de cana encontrada em abundância.

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Combustíveis Líquidos

Diversos tipos ocorrem desde os leves como a Querosene de uso aeronáutico

até aos pesados como óleo cru (petróleo).

Óleo pesado

Schweren Heizole (D), Bunker-C (England) ou Mazut (USA):

• Conteúdo de cinza 0,010 – 0,04%

• Necessita chama muito quente

• Diminui vida útil

• Diminui tempo carga parcial

• Formam depósitos

• Contém asfalto e betume (alcatrão)

• Perigo de formação de depósitos na câmara de combustão e nas pás

• Piora escoamento

• Perigo de danificação das pás devido ao desprendimento de pedaços de

coque.

• Trabalho com temperatura 750ºC

• Deve conter pouco sódio.

Óleo Cru: Bom, mas a maior parte dos componentes voláteis tem a tendência de

formar coque flutuante.

Óleo Diesel: É adequado, porém caro.

Álcool: É adequado, porém o custo é alto.

Combustíveis Gasosos: Os principais são gás pobre (de alto forno) e gás natural.

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Gás pobre

• subproduto barato

• baixo poder calorífico inferior

• necessita uma dispendiosa Purificação (despoeiramento)

• grande volume

• dutos e câmara de Combustão grandes.

• diferentes misturas podem causar corrosão.

Gás natural

• é o combustível ideal para turbinas

• não há necessidade de limpeza

• pressão é suficiente para injetar diretamente na câmara de combustão.

Gaseificação de carvão

• é também indicado, porém mais caro

• no momento está em grande desenvolvimento.

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1.Coal burnt to produce syngas

2. Syngas burnt in combustor

3. Hot gas drives gas turbines

4. Cooling gas heats water

5. Steam drives steam turbines

Combustão

Combustão é uma reação química (oxidação) exotérmica em que os reagentes são o

combustível (normalmente hidrocarbonetos) e o comburente (normalmente o oxigênio

do ar atmosférico).

Da análise desta reação química podem ser determinadas diversas grandezas como:

• Poder Calorífico (quantidade de calor que é fornecido por kg de combustível),

• Quantidade Mínima de Ar (relação estequiométrica),

• Dissociação, e outras de menor importância.

Através da análise da química é possível determinar as massas e a energia envolvidas

no processo de combustão sendo necessário o prévio conhecimento da composição

dos seus componentes (reagentes).

Composição dos combustíveis

Os combustíveis têm sua composição variada dependendo de cada tipo.

Entretanto, de modo geral:

• existe uma predominância de carbono ou de hidrogênio e,

• em menor quantidade, a presença de metais e de enxofre que é indesejável.

Poder Calorífico

Pode ser obtido por meio de um Calorímetro ou pode ser calculado.

Normalmente o fabricante do combustível fornece o seu valor.

4,187. 81,3. 243. 15. 45,6. 23,5. 6.PCI C H Ni S O W

53

C - carbono S – enxofre

H – hidrogênio O - oxigênio

Ni – nitrogênio W - tungstênio

Para os combustíveis gasosos normalmente os valores do Poder Calorífico são dados

em:

Exemplo: Um óleo combustível possui uma composição gravimétrica de 85C, 12H e

3S

Ar atmosférico

O oxigênio (comburente) é o do ar atmosférico, cuja composição é dada na Tabela:

Tabela: Composição aproximada do ar atmosférico a 1atm.

Componentes % Volumétrica % Gravimétrica

Oxigênio 20,95 23,1

Nitrogênio 78,05 76,5

Outros: CO2, gases nobres 1,00 0,4

Quantidade de Ar Mínimo

É estimado através de cálculo.

É importante observar que para haja a combustão (reação), a mistura deve atingir o

seu "ponto de inflamação", logo, necessita de aquecimento.

O valor da quantidade de ar mínimo necessário (ar ideal ou estequiométrico) pode ser

estimado pelo uso de fórmula:

Considera-se a quantidade mínima de oxigênio o que, entretanto, é corrigido

posteriormente, tendo em vista que no ar atmosférico existe apenas 25% de oxigênio.

Ex: Para o mesmo óleo combustível (composição gravimétrica de 85C, 12H e 3S).

3

760

kJ

m

3

760

kcal

m

4,187. 81,3.85 243.12 15.0 45,6.3 23,5.0 6.0

4,187 .9960 41500

PCI

kJ kcal kJPCI

kcal kg kg

min

2,67. 8.

0,23ar

C H S Om

min

2,67.0,85 8.0,12 0,03 0 3,2614,2

0,23 0,23

arar

comb

kgm

kg

54

para T= 0ºC e P= 760mmHg

logo:

Na realidade, para garantir a combustão completa do combustível, deve-se considerar

certo excesso de ar, logo:

é a relação de excesso de ar, que varia de 1,05 a 1,5 dependendo do combustível

Quanto maior o excesso de ar, menor será o calor fornecido.

Combustível Relação de Excesso de Ar

Carvão pulverizado 1,15 a 1,2 (15 a 20%)

Carvão em esteira 1,2 a 1,5 (20 a 50%)

Óleo combustível 1,05 a 1,2 (5 a 20%)

Gás natural 1,05 a 1,12 (5 a 12%)

A quantidade de ar mínimo (ar estequiométrico) necessário para a combustão dos

combustíveis mais usados em turbinas a gás é de aproximadamente 14,5.

Situação em que a reação fornecerá mais calor, fornecendo então uma temperatura

de combustão situada entre 2000 e 2800ºC.

A temperatura máxima admissível para turbinas a gás situa-se entre 700 e 1300ºC,

devido às características dos materiais utilizados.

Para este tipo de máquina, se faz necessário um excesso de ar muito maior, uma vez

que este ar atuará como refrigerante.

Os valores usuais para o excesso de ar ficam entre 3 e 5.

No caso de turbinas aeronáuticas, esta relação pode atingir até 120 kgar/kgcomb

Relação Combustível/Ar

Em geral usa-se rc/a para indicar a relação combustível/ar

3

9,81.13,6.7601,294

287.273ar

P kg

RT m

3

760min

14,21,0

1,294ar

comb

mm

kg

min..ar arm m

50 a 70 arar

comb

kgm

kg

/

1 1 a 0,015 a 0,20

70 50

arc a

comb

kgr

kg

55

A parcela correspondente ao combustível que aparece nos gases de escape fica entre

1,5 a 2,0% da massa de ar.

Temperatura Máxima

Da análise da combustão (balanço de energia) é possível prever a temperatura

máxima aproximada atingida na combustão:

cc calor específico do combustível (kJ/kg.ºC)

tc temperatura do combustível (ºC)

excesso de ar

mar min massa de ar mínimo (m³/kg)

cp mar calor específico médio do ar (kg/kg.ºC)

cpmg calor específico médio dos gases de escape (kJ/kg.ºC)

PCI poder calorífico inferior (kg/kg comb)

Vg volume dos gases de escape, onde:

H, O e W são as parcelas em massa do combustível.

min 2

max

. . . .

.

mar

mg

c c ar p

g p

PCI c t m c tt

V c

3

760min

3 2. 1,868 3

8 3g ar

comb

mV m H O W

kg

56

57

58

7. Materiais usados nas Turbinas a Gás

Fonte: Luiz Carlos Martinelli Júnior

Na escolha dos materiais o projetista deve ter em mente os aspectos de segurança,

confiabilidade, vida útil, fabricação e economia.

Devido à ocorrência de combustão contínua nas turbinas a gás, aparecerá um

sobrecarregamento térmico principalmente na câmara de combustão e nas pás do

primeiro estágio da turbina, podendo levar a superaquecimentos críticos para a

integridade dos materiais.

Existe ainda a corrosão devido à agressividade e ao excesso de oxigênio a alta

temperatura nos gases de escape.

No caso particular da pá da turbina existe a ação de forças centrífugas muito intensas,

uma vez que estas forças dependem do quadrado da rotação.

59

As altas temperaturas causam o aparecimento de grandes tensões, devido

principalmente aos seguintes fenômenos:

- FLUÊNCIA e FADIGA

- MICROTRINCAS – Ocorrem devido à rápida mudança de temperatura do gás e

consequentemente do material, pela mudança rápida do regime de funcionamento.

Sua origem é devido às altas tensões térmicas localizadas.

- DILATAÇÃO TÉRMICA – Decorrente das diferenças de dilatação entre aos diversos

materiais, por exemplo, entre peças de aço austeníticos e martensíticos.

- ELASTICIDADE – Com o aumento de temperatura diminui o módulo de elasticidade

dos sólidos (materiais) diminui, isto conduz à mudança da frequência do natural tanto

do rotor como das pás.

Comportamento dos Materiais

Quando um material é submetido a um esforço ele se deforma.

A lei de Hook mostra que existe uma relação proporcional entre a tensão e a

deformação para a região elástica do material.

A Figura abaixo mostra o resultado de testes de tensão causada pela tração de

diferentes materiais. Inicialmente com uma carga ocorre uma deformação

proporcional, que desaparece com o descarregamento. Chamada de região elástica

do material com um comportamento semelhante a uma mola.

60

Diagrama de Tensão – Deformação

Aumentando o carregamento o material tem um comportamento plástico, ocorre

escoamento do material através dos planos de escorregamento molecular, assim

permanece uma deformação residual no material após o descarregamento.

Aumentando mais ainda o carregamento, haverá a ruptura do material que pode

ocorre de forma frágil ou dúctil.

É importante observar que o comportamento depende do tipo de material, da

temperatura de trabalho e do tempo de carregamento.

A Figura abaixo mostra o comportamento de um material, submetido a diversas

tensões e o seu tempo de ruptura para cada carregamento.

Este tipo de informação da vida útil do equipamento, principalmente para as partes

que estão sujeitas a maiores temperaturas e esforços.

ESCOAMENTO OU FLUÊNCIA

Comportamento é indicado na Figura a seguir onde é representado o comportamento

da deformação com o tempo quando submetida a um determinado carregamento

(tensão) e sob ação 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.

61

FADIGA

É o fenômeno que ocorre com uma peça metálica que pode falhar quando submetida

a tensões cíclicas ou flutuantes muito menores que as necessárias para causar fratura

em uma aplicação estática de carga.

As falhas que ocorrem sob condições de carregamento dinâmico são denominados de

“Falhas por Fadiga” devido ao fato de que as mesmas geralmente ocorrem após longo

tempo em serviço.

Hoje, cerca de 90% das falhas mecânicas registradas em serviço deve-se à fadiga do

material.

A falha por fadiga são particularmente insidiosas devido ao fato de que ocorrem sem

nenhum aviso prévio.

A fadiga sempre resulta em uma fratura frágil sem deformações apreciáveis da peça.

Em escala macroscópica, a superfície da fratura por fadiga se apresenta geralmente

normal à direção das tensões principais.

A falha por fadiga pode ser facilmente reconhecida pelo aspecto característico da

superfície fraturada, a qual apresenta duas regiões distintas.

Curvas de fluência para metais

62

Esquema de uma fratura em eixo

Três fatores básicos são necessários para causar uma falha por fadiga:

• Uma tensão máxima de grandeza suficientemente alta.

• Uma variação suficientemente grande da tensão aplicada (variação ou

flutuação).

• Um número suficientemente alto de ciclos da tensão aplicada.

Além destes três fatores principais, podemos adicionar uma série de outras variações

tais como: concentração de tensões, estrutura metalúrgica, corrosão, temperatura, tipo

de carregamento, tensões combinadas, etc., todas influindo na ocorrência da falha por

fadiga.

A Figura a seguir mostra os tipos gerais de ciclos (a,b,c) de tensão flutuante que

podem causar falhas por fadiga. Mostra o ciclo senoidal, o qual corresponde a uma

situação ideal que pode ser reproduzida nas máquinas de Teste de Fadiga por flexão

rotativa.

CORROSÃO

Pode ser considerada como o ataque gradual e contínuo de um metal por parte

do meio circunvizinho que pode ser a atmosfera mais ou menos contaminada das

cidades ou um meio químico, líquido ou gasoso.

63

Como resultado de reações químicas entre os metais e elementos não-metálicos

contidos nesses meios, tem-se mudança gradual num composto ou em vários

compostos químicos, que são geralmente óxidos ou sais.Admite-se que a corrosão

não passa de uma forma de atividade química ou, mais precisamente, eletroquímica.

A velocidade do ataque e sua extensão dependem não só da natureza do meio

circunvizinho, como igualmente do tipo do metal ou liga sofrendo a ação corrosiva.

Quando um metal não corrói, admite-se que se produz alguma reação química entre

ele e o meio que o circunda, com formação de uma camada fina, a qual adere à

superfície metálica e é aí mantida por forças atômicas.

Se, por qualquer motivo, essa camada protetora for destruída momentaneamente, ela

será instantaneamente restabelecida e a lesão do metal é, por assim dizer,

automaticamente sanada. A proteção contra a corrosão é feita criando-se sobre

superfície do metal uma película protetora que separa o metal-base do meio corrosivo.

Essa película protetora pode ser criada artificialmente, mediante depósito propositado

de outra substância - metálica ou orgânica - sobre a superfície do metal a proteger ou,

naturalmente, i.e., pela formação de um composto químico, mantido sobre a superfície

metálica por forças atômicas, composto esse que resulta da reação de certos

elementos de liga introduzidos no metal com o meio circunvizinho.

64

Além do mecanismo da formação de uma película de óxido para explicar a resistência

à corrosão, outros dois mecanismos têm sido propostos:

• Absorção de gás oxigênio por átomos de cromo na camada superficial dos

aços contendo esse elemento de liga e;

• Produção de uma distribuição favorável de elétrons entre o ferro e o cromo,

auxiliada pela absorção do oxigênio e prejudicada por hidrogênio.

Sulfide–Oxide Corrosion of the Materials and Coatings of Gas Turbine Blades V. I. Nikitin and A. I. Rybnikov Thermal Engineering, 2011, Vol. 58, No. 2, pp. 109–118.

EROSÃO

Os compressores operando em atmosfera suja, cheia de partículas (poeira), sofrem a

ação da erosão pelas mesmas, devido à grande velocidade de seus componentes.

A alteração das características das superfícies acarreta alteração do rendimento do

compressor e fragilização mecânica, o que não é desejável.

65

As turbinas sofrem a erosão da mesma forma, desde que haja partículas

consideráveis no fluxo de gás quente.

A combustão inadequada pode formar minúsculas partículas de carbono que podem

provocar a erosão das palhetas.

Para evitar esse problema é vital a utilização de filtros na entrada do compressor e

inspecionar rigorosamente o sistema de combustível para assegurar combustão

adequada.

Rohan Swar, (2009); Particle Erosion of Gas Turbine Thermal Barrier Coating, Dissertação Mestrado, UNIVERSITY OF CINCINNATI, USA.

66

67

Materiais Comumente Utilizados

Os metais têm sido tradicionalmente utilizados em aplicações onde há altos

esforços e, ao mesmo tempo, alta temperatura.

Por volta de 1930 devido ao desenvolvimento da tecnologia de vapor a alta

temperatura e à petroquímica, esforços foram concentrados na descoberta de

materiais resistentes a alta temperatura.

Esta procura de materiais resistentes a alta temperatura resultou em um número

bastante grande de ligas para alta temperatura em especial as a base de níquel.

Até recentemente as turbinas a gás vinham utilizando somente materiais metálicos

na sua construção.

Atualmente há uma tendência, ainda em fase experimental, de se utilizar materiais

ligados não metálicos.

De um modo em geral, os reatores trabalham com temperaturas e rotações

muito altas o que impõe uma vida útil da ordem de, aproximadamente 5.000

horas de funcionamento enquanto que para as turbinas industriais o

funcionamento real é de cerca de 100.000 horas.

Na escolha de materiais para turbina, um dos aspectos mais importantes a

ser considerado é a alta tensão resistiva (tempo de aplicação)

(Zeitstandfestigkeit – fluência) do material.

Para o teste de indeformabilidade um corpo de prova é submetido a uma

força de tração constante sob temperatura constante.

A curva de tensão resistiva fornece informações sobre a dependência do

tempo necessária à fratura com a tensão.

68

Os materiais disponíveis e com boa qualidade resistiva são:

• Aços cromo

• Aços cromo níquel austeníticos

• Aços CrNi de alta liga, Cr-Ni-Co-Fe

• Ligas a base de níquel,

• Ligas a base de cobalto.

A Figura mostra o comportamento da tensão resistiva com a temperatura.

Tomemos como exemplo a temperatura de 700oC onde teremos 215 N/mm2

significando que, para esta temperatura e este carregamento, após 1.000h

ocorrerá a fratura do corpo de prova.

Resistência Creep

69

Condutividade térmica

Sob o aspecto físico temos a condutividade e a dilatação térmica e sob o

aspecto químico temos a resistência à formação de escamas e a corrosão. Os

aços austeníticos, ligas de níquel e cobalto, possuem má condutibilidade

térmica e, como resultado pode aparecer alta tensão térmica no material.

Dilatação térmica

Os aços austeníticos apresentam o mais alto e menos desejável nível de

dilatação térmica (1,4% a 8000C) contra 0,1% a 1000C. Acarreta problemas em

montagem de peças nas quais se usa aço de baixa liga.

70

Indicações gerais

- Para turbinas a gás aconselha-se o uso de aço cromo-martensítico (Nºs

3 a 4 da Tabela 2).

- O aço 12% cromo, por exemplo, é indicado para rotor e pás da turbina

com temperatura não muito alta. Excelentes, porém caras são as ligas

austeníticas Cr-Ni e Níquel base.

- As primeiras ligas utilizadas para turbinas foram a “Nimonic” (Inglaterra)

e “Inconel” (Estados Unidos) já descobertas em 1940.

Nimonic 90: Ni 54% min Cr 18-21% Co 15-21% Ti 2-3% Al 1-2%

Indicações gerais A introdução de Cr resulta em um melhoramento da resistência à corrosão a

alta temperatura (Cr 13%).

- Nas novas ligas uma parte de Ni contido é substituído por Cobalto,

Molibdênio e Tungstênio – sugestões são dadas pelos valores na

Tabela.

- Materiais sinterizados apresentam dificuldade na sua fabricação e pode-

se dizer que, até o momento, não têm sido usados.

71

8. Sistemas de Controle e Operação das Turbinas a Gás 7.1 Fluxo de ar e escapamento

- Para instalações industriais (turbinas a gás estacionárias).

- De um modo geral, as perdas de carga na admissão e no escapamento

representam uma perda de potência da ordem de 3 a 5% da potência útil.

Sistema de admissão

O ar deve chegar ao compressor isento de poeira e outras partículas.

Se o local onde está o pacote é local de muita poeira, é preciso colocar filtro no

duto de admissão. Entretanto, duto e filtro não devem apresentar perda de

carga excessiva, pois pode reduzir bastante a potência disponível no pacote.

O ruído pode ser importante fator a ser considerado, principalmente se o

pacote estiver em locais povoados.

Neste caso o duto de admissão deverá ser insonorizado.

72

Os dispositivos de ionização podem introduzir perdas consideráveis na

potência do grupo. Um pacote pode ser completamente insonorizado.

Como perda de carga na admissão é permitida até cerca de 100 mm H20.

Sistema de Escape

Os gases de escape saem a temperaturas bastante elevadas e devem ser

resfriados a temperaturas próximas da ambiente para não oferecer perigo.

Costuma-se utilizar o próprio fluxo de gases quentes para arrastar considerável

quantidade de ar frio de diluição para abaixar essas altas temperaturas de

escapamento.

Em outros casos os gases quentes são lançados diretamente na atmosfera,

através de dutos verticais. Esses dutos devem ser insonorizados.

No escapamento os dutos não devem ter seção pequena, pois os gases já

saem com grande velocidade e perda de carga é considerável. Se a velocidade

tiver que ser maior ainda existe o risco de bloqueio e explosão.

A potência disponível no pacote é sensivelmente afetada pela perda de carga

nos dutos de escape.

Deve-se prever a não recirculação de gases quentes para os dutos de

admissão, pois isto pode comprometer o funcionamento do pacote.

Sistema de Partida.

Para a partida da turbina precisamos que exista um acessório para dar ao

compressor uma rotação mínima a fim de que a massa de ar que está

mandando para a câmara de combustão.

73

Esses dois acessórios, motor de partida e sistema de ignição, são coordenados

para funcionarem satisfatoriamente durante a partida, por um sistema

automático, que corta a ignição após o motor atingir certa velocidade, em que a

chama não se extinga.

A partida pode ser:

- Elétrica

- Pneumática

- Combustão

- Outra turbina menor

Partida elétrica

Usa-se um menor acoplado diretamente à turbina, por meio de redução e

embreagem.

Esse motor elétrico deve girar o compressor até uma determinada velocidade,

de acordo com uma curva de aceleração própria de cada turbina.

A partir dessa rotação a turbina deverá ter potência suficiente para continuar

Acelerar-se e girar todos os demais acessórios, bem como o compressor.

Partida pneumática

Consiste de uma pequena turbina a ar que serve para girar o compressor.

O ar para acionar essa turbina deve provir de um compressor auxiliar externo

(GPU).

Em aviões com várias 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.

74

Partida por combustão - (cartridge starter)

Usado principalmente para pequenas turbinas durante partidas em

aeroportos mal equipados. Queima um combustível especial (por ex: nitrato de

isopropril) que não precisa de oxigênio, fornecendo elevado torque de partida.

Geralmente a carga desse combustível especial dá apenas para 2 ou 3

partidas, uma vez que seu peso compromete a carga do avião.

Partida por outra turbina menor

75

Sistema de Ignição

Durante o período de partida, o sistema de ignição é acionado e o

combustível é alimentado nos queimadores. A vela de ignição (plug) é colocada

próxima ou na zona primária da câmara de combustão. No caso da câmara

cannular, é colocada em somente um ou dois tubos de chama.

Sequência típica de partida de uma Turbina a Gás

Noções básicas de manutenção de Turbinas a Gás

O conceito de “pacotes” geradores demonstrou muitas vantagens que

permitiram o surgimento de novas aplicações.

Algumas características que aceleraram esse crescimento são:

76

• As flexibilidades da localização desses pacotes permitem acesso às

áreas de demandas sem custosas linhas de transmissão e distribuição.

• O tamanho reduzido desses pacotes-usinas requer o mínimo de terreno

e obras civis.

• O tempo de instalação é mínimo, pois já vem praticamente montado da

fábrica.

• O tempo de entrega pelo fabricante é relativamente curto.

• O R$/kW instalado compete com o de usinas térmicas maiores.

• O custo de operação está continuamente caindo.

• Os pacotes podem operar de acordo com condições de demanda, sendo

ligados ou desligados em poucos segundos.

• Não compromete a ecologia, de acordo com as normas atuais.

• A aplicação do pacote para geração contínua é menos severa que a

aplicação em pico devido aos frequentes ciclos térmicos.

• Entretanto, quando pensamos em termos de tempo decorrido da

instalação da unidade, não haverá muita diferença.

• As instalações para pico são comumente controladas e operadas

remotamente, necessitando consequentemente de maior grau de

sofisticação do sistema de controle do que as operadas manualmente.

Condições que Afetam a Manutenção das Turbinas a Gás

77

Tipo de carga: Geração contínua: a condição mais desejável de trabalho para uma turbina a

gás é em carga máxima e continuamente. Esse tipo de operação resulta em

menores custos de manutenção por MW.h. As temperaturas nas palhetas das

turbinas são constantes e as altas temperaturas das partidas deixam de existir,

isto é, as palhetas não são submetidas a ciclos térmicos.

Geração contínua com picos: a máxima carga possível é jogada na turbina por

pouco tempo. Nesse tipo de operação visto que as palhetas das turbinas

trabalham até uns 50ºC acima da temperatura ideal, estas (bem como todas as

“partes-quente”) são prejudicadas. A fluência dos metais se torna mais

acelerada.

Geração de pico: somente na hora de picos de demanda ou de emergência é

que a turbina é acionada, recebendo carga normal ou sobrecarga por pequeno

tempo, diariamente. Como o número de partidas é grande, a observância

desse número é tão importante como a observância do número de horas de

funcionamento da turbina. Durante a variação da temperatura na partida, cada

partida pode ser equivalente a um período de 5 a 25h de funcionamento

contínuo, da parte quente do motor.

Turbina Industrial:

• Há pouca diferença entre os tipos de turbinas industriais que afetam a

manutenção.

78

• Alguns projetos incorporam dispositivos que facilitam a manutenção.

(boroscópio, etc.)

Aeronáutica:

• O gerador de gás joga os gases quentes numa turbina livre de potência,

completamente independente daquele e não há registro de melhora de

manutenção desses tipos de turbinas.

Operação da Turbinas a Gás

1. A operação em temperaturas acima das de projeto, podem ocorrer:

- em partidas excessivamente rápidas.

- sistema de controle de temperaturas mal ajustado ou termopares

incorretos.

- variação muito grande da temperatura de escapamento ao longo da

seção onde se localizam os termopares.

- cargas flutuantes.

79

2. Operação além do tempo estipulado de manutenção.

Classificação da manutenção das Turbinas a Gás

Em geral, a manutenção de todos os tipos de turbinas a gás pode ser

classificada nos seguintes itens:

A) Em operação

É o tipo de manutenção que deve ser feita durante a operação da

máquina e pode ser incluído normalmente nos trabalhos do operador;

B) Inspeções de rotina.

Nesse tipo de inspeção é necessário desligar a turbina por pequeno

período (até uma semana), para inspeção e troca de peças. Ocorre comumente

após 3.000 a 6.000 horas de funcionamento (ou 150 a 250 partidas).

A câmara de combustão deve ser inspecionada para ver se apresenta

rachaduras ou áreas de superaquecimentos.

C) Revisão parcial.

Geralmente de ser feita após o 1 ano de uso: 8.000 horas ou 250

partidas e um prazo de 7 a 30 dias pode ser previsto. Deve-se remover a parte

da carcaça a fim de que se examine minuciosamente todo o caminho dos

gases quentes. O aspecto geral desse caminho irá determinar o intervalo entre

a revisão e a próxima.

D) Revisão geral

Requer de 1 a 2 meses de parada e é feito após 24.000 horas de serviço

ou 800 partidas e requer revisão geral do motor.

Cuidados especiais

Devem ser tomados com referência a:

- aumento ou mudança na vibração

- mudança na temperatura ou pressão do óleo de lubrificação

- vazamento de ar ou de gases através dos labirintos

- leituras desconcertantes dos termopares

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- vazamentos- funcionamento das válvulas de controle de combustível

- variações das pressões hidráulicas de controle

- barulho diferente no governador

- aumento de barulho nas engrenagens de caixa de redução

- funcionamento correto dos protetores de sobrevelocidade

- variação da temperatura de escape para mesma carga e condições

ambientes

- diminuição de queda de pressão através dos trocadores de calor.

9. Formação e Controle de Poluentes Fonte: Carlos Alberto Gurgel Veras - II Escola de Combustão - 2009

81

82

83

IPCC – Intergovernmental Panel on Climate Change

10. Transferência de Energia na Turbina a Gás2

As partes combinadas de uma turbina possibilitam extrair energia de um fluxo de gás e converter a mesma em energia mecânica útil em um eixo. O montante da energia extraída é uma fração da energia disponível na turbina. Fluxo que atravessa uma turbina é usualmente modelado como uma expansão adiabática. O processo é considerado adiabático desde que o montante de energia transferida como calor é insignificante comparado com a energia transferida como trabalho. Em um caso ideal, a expansão é isentrópica, como apresentado na Figura 1 em um diagrama entalpia-entropia (h-s).

2 Earl Logan, Jr. & Ramendra Roy, Handbook of Turbomachinery, Marcel Dekker Inc., New York, 2003.

84

Figura 1 – Diagrama h-s. O processo de expansão em uma turbina:

(a) expansão isentrópica ideal e (b) expansão real.

Na entrada da turbina há pressão 𝑝𝑒´ e em sua saída 𝑝𝑠

´ . A variação isentrópica de

entalpia é a maior energia específica que se pode retirar de um fluido. Assim, se a pressão de

entrada e a temperatura e pressão de saída de uma turbina são conhecidas, a máxima

extração de energia específica pode ser facilmente determinada a partir do diagrama de

estado do fluido de trabalho.

Para um gás ideal com calor específico constante, o salto isentrópico de entalpia é

calculado por:

∆ℎ𝑖𝑠𝑒𝑛𝑡 = 𝑐𝑝𝑇𝑒′ [1 − (

𝑃𝑠

𝑃𝑒′)

𝑘−1

𝑘] (1)

onde:

𝑇𝑒′ = Temperatura Total Absoluta na entrada

Cp = Calor específico a pressão constante

k = razão de calores específicos 𝑘 =𝑐𝑝

𝑐𝑣

A aproximação da Equação 1 é adequada para turbinas operando com ar e outros

gases comuns a pressões e temperaturas moderadas. Mas, a transferência de energia real em

uma turbina é menor que o valor isentrópico devido às irreversibilidades no escoamento.

Estas irreversibilidades são representadas pelo aumento da entropia e pode ser visto em

diagramas h-s, como os da Figura 1 apresentada acima.

O grau de crescimento da entropia é normalmente descrita indiretamente pelo razão

da queda real de entalpia pela queda de entalpia isentrópica. Esse valor é conhecido como

eficiência isentrópica (ou adiabática) [].

85

𝜂𝑇 =ℎ𝑒−ℎ𝑠

Δhisent (2)

O índice T indica a eficiência total, desde que a queda de entalpia seja tomada em toda

a turbina. A eficiência é um parâmetro crítico para descrever o desempenho da turbina.

Note-se que a pressão estática ou total na saída de uma turbina pode ser utilizada para

calcular o salto entálpico isentrópico. O uso depende da aplicação. Para aplicações onde a

energia cinética que sai do rotor da turbina é útil, a pressão total é utilizada. Esse modelo é

utilizado em todos os estágios de uma turbina multi-estágios, com exceção do último estágio

(neste último, quase toda energia cinética da exaustão pode ser convertida em trabalho útil).

E em turbinas onde os gases da exaustão são utilizados para gerar empuxo (thrust), como em

uma turbojet.

Na maioria das aplicações de geração de energia, a turbina é classificada pelo uso da

pressão estática de saída, desde que a energia cinética de saída seja normalmente dissipada na

atmosfera.

A Figura 2 apresenta o rotor de uma turbina.

O escoamento entra a montante do rotor no ponto 1 com velocidade 𝑉1 e sai a

jusante, ponto 2, com velocidade 𝑉2 .

O rotor gira em torno de uma linha de centro, coincidente com o eixo x, com uma

velocidade angular 𝑤.

A posição dos pontos 1 e 2 é arbitrária (enquanto sobre o rotor). Os vetores velocidade

são tidos como representantes do escoamento médio que atravessa a turbina.

O torque líquido que age sobre o rotor pode ser representado como pela diferença

entre os torques de cada lado do rotor.

Γ = 𝑟1𝐹𝜃1 − 𝑟2𝐹𝜃2 (3)

onde: 𝐹𝜃 é a força na direção tangencial e 𝑟 é o raio.

86

Figura 2 – Velocidades na entrada e saída do rotor de uma turbina.

Da segunda lei de Newton, a força tangencial é igual à variação do momento angular:

𝐹𝜃 =𝑑(𝑚𝑉𝜃)

𝑑𝑡 (4)

Assumindo 𝑉𝜃 constante e a vazão mássica (��), resulta:

Γ = ��(𝑉𝜃1𝑟1 − 𝑉𝜃2𝑟2) (5)

A energia transferida por tempo (potência) é obtida pela multiplicação de ambos os

lados da equação pela velocidade angular 𝑤.

P = Γ𝑤 = 𝑤 �� (𝑉𝜃1𝑟1 − 𝑉𝜃2𝑟2) (6)

A potência pode ser calculada ainda pelo diagrama h-s do processo como:

P = ��(ℎ𝑒 − ℎ𝑠) = �� Δℎreal (7)

Combinando as equações (6) e (7) e definindo a Velocidade Tangencial U como:

U = wr (8)

resulta na equação de Euler para a transferência de energia em uma turbomáquina:

Δℎreal = U1Vθ1 − U2Vθ2 (9)

Esta equação assume um escoamento adiabático pela turbina. Ela indica a energia

termodinâmica transferida em velocidade entre a entrada e saída do rotor.

Diagramas de Velocidade

87

Representam as velocidades na entrada e saída do rotor, são representados em um

plano simples. Para uma turbina com escoamento axial, ele é traçado em um plano 𝑥 − 𝜃 para

um valor específico de r.

A Figura 3 apresenta o diagrama de velocidade para a entrada de um rotor de

escoamento axial. As pás do estator e do rotor são representadas para mostrar a relação

entre o diagrama de velocidade e a geometria física da turbina.

Figura 3 – Diagramas de Velocidade para uma turbina de escoamento axial. (a) Diagrama de

velocidades na entrada do rotor. (b) Diagrama de velocidades para saída do rotor.

O escoamento sai do estator em um ângulo α1 a partir da direção axial. O vetor

velocidade 𝑉1 pode ser decomposto em 02 componentes, 𝑉𝑥1 na direção axial e 𝑉𝜃1 na direção

tangencial. Observe-se que o trabalho da turbina é controlado pelo componente tangencial

enquanto que a vazão que atravessa a turbina é controlada pelo componente axial (para

turbinas axiais).

O 𝑉1 é medido em uma referência absoluta, não rotativa. O mesmo é conhecido como

a velocidade de entrada absoluta no rotor. Da mesma forma, o ângulo α1 é conhecido como

ângulo de escoamento absoluto na entrada do rotor.

Uma referência rotativa também pode ser fixada no rotor. Velocidades nesta

referência são determinadas subtraindo-se a velocidade do rotor da velocidade absoluta.

Define-se o vetor velocidade relativa na entrada do rotor como 𝑊1 , onde:

𝑊1 = 𝑉1

− 𝑈1 (10)

A notação de vetor não é normalmente utilizada para a velocidade 𝑈1 por ser a mesma

sempre na direção tangencial. O vetor velocidade relativa é também apresentado na Figura 3.

88

O ângulo de escoamento relativo β1 é definido como o ângulo entre o vetor velocidade

relativa e a direção axial.

Observando a Figura 3 podem-se obter as seguintes relações entre as velocidades

absoluta e relativa e seus componentes:

�� 12 = �� 𝑥1

2 + �� 𝜃12 (11)

�� 12 = ��

𝑥12 + ��

𝜃12 (12)

𝑊𝜃1 = 𝑉𝜃1 − 𝑈1 (13)

𝑊𝑥1 = 𝑉𝑥1 (14)

A convenção utilizada indica positivo para os componentes tangenciais na direção da

velocidade de rotação. Isso implica que ambos os ângulos α1 e β1 são positivos. A Figura 3

apresenta ainda o diagrama de velocidades para a saída do rotor, note-se que os componentes

tangenciais absolutos e relativos são negativos.

Pode-se ainda definir a Temperatura Total Relativa e a Pressão Total Relativa.

A Temperatura, em uma referência absoluta é definida como:

𝑇′ = 𝑇 +𝑉2

2𝑐𝑝 (15)

11. Questões de revisão sobre TURBINAS A GÁS

1. O que é uma Turbina a Gás? Descreva seu funcionamento. A turbina a gás (TG) é definida como sendo uma máquina térmica, onde a energia

potencial termodinâmica contida nos gases quentes provenientes de uma combustão é convertida em trabalho mecânico ou utilizada para propulsão.

Desta forma, as turbinas a gás são máquinas tecnicamente muito complexas, com inúmeras partes móveis e sofisticados sistemas de lubrificação e controle eletrônico visando basicamente a conversão da energia contida no combustível em potência de eixo.

As turbinas a gás são acionadas pelos próprios gases quentes, produto da combustão, o que dispensa a utilização de um fluido de trabalho intermediário, como o vapor, ou outro fluído. Isto leva a unidades mais compactas, para os mesmos níveis de produção de potência.

O termo turbina a gás é mais comumente empregado em referência a um conjunto 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, concebido por George Brayton em 1870.

Este conjunto opera em um 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.

89

O compressor comprime o ar atmosférico até à câmara de combustão utilizando parte do trabalho mecânico da turbina. Por sua vez, o combustível queimado na câmara de combustão aumenta a temperatura dos gases. Estes gases aquecidos entram na turbina e se expandem realizando trabalho mecânico, que aciona o compressor e a carga.

Finalmente, os gases da saída da turbina são jogados de volta para a atmosfera que os esfria. Considerando a turbina a gás como sendo uma máquina térmica ideal, a Figura abaixo mostra os quatro processos envolvidos no seu funcionamento:

• Compressão Isotrópica, 1-2; • Adição de calor, 2-3; • Expansão, 3-4; • Retirada de calor, 4-1. Compressão - O ar é admitido e comprimido em um compressor onde as energias de

pressão e temperatura do fluido (ar) aumentam. Combustão - O ar comprimido flui para as câmaras de combustão, onde o

combustível, a alta pressão, é injetado e queimado a uma pressão aproximadamente constante. A ignição da mistura ar/combustível ocorre durante a partida, através ignitores. Posteriormente a combustão se auto sustenta.

Expansão - Gases em alta temperatura e pressão são expandidos a uma alta velocidade através dos estágios da turbina geradora de gás, que converte parte da energia dos gases em potência no eixo para acionar o compressor de ar (aproximadamente 2/3 da energia gerada com a queima).

Exaustão - Em um avião a jato, os gases remanescentes da expansão na turbina passam através de um bocal para aumentar sua velocidade e, consequentemente, o impulso (propulsão). Na aplicação industrial, os gases são direcionados para uma turbina de reação ou potência onde a energia residual (aproximadamente1/3) da energia gerada, dos gases é convertida em potência no eixo para acionar um componente como um compressor de gás, gerador elétrico ou uma bomba. Finalmente os gases fluem para o duto de exaustão, onde sua energia remanescente pode ainda ser aproveitada em um sistema de recuperação de calor (aquecimento de água, geração de vapor, aquecimento do ar de combustão, etc.).

Mais detalhadamente, as TG’s funcionam admitindo ar em condição ambiente ou refrigerado. O ar entra no compressor, onde ocorre compressão adiabática com aumento de pressão e conseqüentemente também aumento de temperatura. 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 converte a energia cinética em aumento de pressão.

O ar pressurizado (e aquecido), segue para as câmaras de combustão, onde também é alimentado com um combustível que pode ser gasoso ou líquido. Na combustão ocorre um aumento de temperatura a pressão constante, produzindo um aumento de volume do fluxo de gases. Estes gases quentes e pressurizados acionam a turbina de potência, gerando trabalho mecânico. Depois, os gases, ainda quentes, são finalmente liberados ainda em alta temperatura.

Nas turbinas a gás, 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 e 650 graus Celsius.

90

A denominação turbina a gás pode ser erroneamente associada ao combustível utilizado. 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. O combustível em si pode ser gasoso, como gás natural, gás liquefeito de petróleo (GLP), gás de síntese ou líquido, como querosene, óleo diesel e até mesmo óleos mais pesados.

2. Quais as vantagens e desvantagens de uma Turbina a Gás em relação aos Motores de Combustão Interna?

Turbinas a gás têm uma ótima relação potência/peso, se comparadas a motores a pistão. Isso quer dizer que a quantidade de potência que se consegue do motor comparada ao seu próprio peso é muito boa. Turbinas a gás são menores do que motores a pistão de mesma potência.

A principal desvantagem de turbinas a gás é que, comparadas a motores a pistão do mesmo tamanho, elas são caras. Por girar a velocidade muito alta e por causa das altas temperaturas de operação, o projeto e a construção são dificeis, tanto do ponto de vista da engenharia quanto dos materiais. Turbinas a gás também tendem a consumir mais combustível quando estão em marcha lenta e preferem uma carga constante à variável. Isso torna turbinas a gás excelentes para algo como aviões a jato e usinas, mas explica por que não há uma sob o capô do seu carro.

Tabela 1. Vantagens e desvantagens de uma T.G.

Vantagens Desvantagens

Tubinas a gás tendem a ser mais compactas, isto é, tem uma maior razão potência/peso

Necessidade de grande quantidade de gases quentes

Adequadas para sistemas de transporte como aviões, navios e transporte terrestre

Muitos componentes sob alta tensão mecânica

Partida e parada mais rápidas Menor vida útil

Tempo de resposta baixo Mais sensível à qualidade do combustível

Equipe de operação em manutenção reduzida Menor eficiência

Consome menos matéria prima na fabricação Ruído de alta frequência

Menor custo Menor potência específica

Produz menos vibração Não pode ser consertado na planta

Quase não requer água de resfriamento

Suas principais vantagens são o pequeno peso e volume (espaço) que ocupam. Isto

aliado à versatilidade de operação que apresentam está fazendo com que sua utilização se encontre em franca ascendência atualmente. Sendo compostas de turbo máquinas (Máquinas Rotativas) as turbinas a gás apresentam uma vantagem bastante grande quando comparadas aos motores alternativos uma vez que nelas há ausência de movimentos alternativos e de atrito entre superfícies sólidas (pistão/camisa do cilindro). Isto significa a quase inexistência de problemas de balanceamento e, ao mesmo tempo, um baixo consumo de óleo lubrificante (uma vez que o mesmo não entra em contato direto com partes quentes e nem com os produtos de combustão. Disso decorre uma outra vantagem: a elevada confiabilidade que apresentam. Além disso, quando comparadas às instalações a vapor, as turbinas a gás praticamente não necessitam de fluido refrigerante o que facilita muito sua instalação. Outro aspecto bastante favorável das turbinas a gás é a baixa inércia térmica que lhes permite atingir sua carga plena em um espaço de tempo bastante reduzido. No caso de estar pré 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 gás sejam particularmente indicadas para sistema de geração de energia elétrica de ponta, onde o processo de partida e necessidade da plena carga no menor tempo possível é de suma importância. Esta é também uma condição imprescindível nos sistemas

91

“Stand-by” ou “No-Break”, onde o fornecimento ininterrupto de energia é condição básica necessária.

3. Explique o que é e como funcionam os motores pulso jato e Ramjet (jato puro).

O pulso jato é um motor a jato que funciona utilizando um processo de combustão

em pulsos, ou combustão ressonante. O ciclo de combustão inicia-se com a admissão de ar através do difusor frontal, aonde o ar mistura-se com o combustível, que é injetado ou aspirado do bico injetor. A mistura ar-combustível atravessa a válvula "margarida" penetra na câmara de combustão e em contato com a faísca elétrica da vela de ignição ou com as paredes já aquecidas e entra em combustão. Devido a combustão ocorre o aumento de pressão na câmara, com isso a válvula "margarida" fecha impedindo a entrada de ar, os gases de combustão então são expelidos pelo tubo de escape, surgindo assim a força propulsora. O pulso jato é multicombustível, ele pode trabalhar com metanol, etanol, gasolina, querosene, gás natural, butano ou propano.

O ramjet (jato puro) é composta de quatro secções: compressor, câmara de combustão, turbina e exaustor. O compressor passa para a câmara de combustão ar de entrada com alta razão de velocidade. A câmara de combustão possui os injetores e os ignitores para a combustão. O ar queimado e altamente expandido movimenta a turbina que está conectada por um eixo concêntrico ao compressor, sustentando a operação do motor. Os gases acelerados da exaustão do motor produzem a tração (thrust) ou propulsão. Estas turbinas têm uso limitado do ponto de vista alcance e durabilidade e são de resposta lenta aos comandos feitos nos manetes, quando em baixas velocidades do compressor.

4. Quais os usos das Turbinas a Gás? Explique.

Podemos classificar elas em três famílias; industriais, marítimas e aeronáuticas. As Turbinas Industriais são essencialmente fixas. São utilizadas para geração de

energia mecânica, com rotação constante ou variável. As Turbinas Marítimas são utilizadas na geração de energia mecânica e elétrica em

navios. São do tipo “on board”. Sem dúvida o maior desenvolvimento tecnológico e científico da turbina a gás está

no campo aeronáutico. Por razões de segurança, estratégia, as grandes potências mundiais investem grandes somas em dinheiro para a pesquisa e desenvolvimento de equipamentos que possam ter grandes eficiências térmicas, grande potência (empuxo) e que possibilitem altas velocidades (supersônicas).

As Turbinas Aeronáuticas podem ser classificadas ainda pela sua Aplicação: Turbohélice; Turbofan, Turbojato e Ramjet.

As Turbohélice são turbinas a gás que convertem a energia do gás em potência de eixo. Esse, está acoplado a uma caixa de engrenagem que reduz a rotação para um eixo que tem uma hélice. O compressor deste tipo de motor pode ser centrífugo ou axial, com um ou dois eixos.

As Turbinas Turbofan possuem um grande conjunto frontal de pás que succionam o ar para dentro da turbina. A maior parte do ar succionado passa por fora do motor, i.e., ele não é comprimido ou sofre uma baixa compressão. Esse fluxo de ar é chamado de Bypass. Esse ar faz a turbina mais silenciosa (ou menos barulhenta!) e fornece um maior empuxo à aeronave em baixas velocidades sem aumentar o consumo de combustíve. A maioria das aeronaves, principalmente civis, são movidas por turbinas com turbofan, onde 85% do empuxo tem origem no ar de bypass.

As Turbinas Turbojato (turbojet) são utilizadas para vôo supersônico. O ar admitido é comprimido de 3 a 12 vezes por um compressor centrífugo ou axial. Depois de misturado ao combustível e queimado, expande-se em altas velocidades passando pela turbina, que transforma a energia cinética desses em trabalho mecânico. Para aumentar o empuxo desta

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turbina utiliza-se o “afterburner” ou pós queimadores. O afterburner tem como função aumentar a temperatura do ar de exaustão através de uma segunda combustão, i.e., injetase combustível nos gases exaustos provocando, através de uma faísca, uma nova combustão. A energia liberada pela combustão aumentará a temperatura dos gases e, conseqüentemente, o volume dos mesmos. Como a o bocal de saída (nozzle) tem área conhecida e constante (variável nas militares), os gases sairão com uma velocidade muito maior, aumentando o empuxo final.

As Ramjet são motores de reação a ar forçado para vôos supersônicos, não possui partes móveis. O ar é forçado para a câmara de combustão pelo movimento para frente do avião, sem compressor, implicando na necessidade de uma alta velocidade do avião para o seu funcionamento. Em consequência, uma aeronave utilizando a ramjet, necessita de alguma forma outra força de empuxo que a leve até a velocidade mínima de funcionamento, como por exemplo, outro avião.

5. Quais as principais partes de uma turbina a gás? Explique

A turbina a gás é composta de: - compressor de ar: O compressor é o componente da turbina a gás onde o

fluido de trabalho é pressurizado, sendo sempre empregado o do tipo dinâmico (centrífugo, axial ou axial com o último estágio centrífugo).

- câmara de combustão: A combustão em uma turbina a gás é um processo contínuo realizado a pressão constante. Um suprimento contínuo de combustível e ar é misturado e queimado à medida que escoa através da zona de chama. A chama contínua não toca as paredes da camisa da câmara de combustão, sendo estabilizada e modelada pela distribuição do fluxo de ar admitido, que também resfria toda a câmara de combustão. Podem ser queimadas misturas com larga faixa de variação da relação combustível - ar, porque a proporção combustível - ar é mantida normal na região da chama, sendo o excesso de ar injetado a jusante da chama.

- Turbina de alta pressão (HP): A roda de turbina é o meio mais eficaz para transformar a energia contida em um fluxo de gás a alta pressão e temperatura em trabalho no eixo.

O gás ao escoar através da turbina perde pressão e temperatura, à medida que se expande e transforma sua energia em trabalho. As turbinas empregadas em turbinas a gás são na grande maioria do tipo axiais por apresentarem maior eficiência isoentrópica, variando entre 75 e 90 %.

Ao contrário dos compressores axiais, antecede as palhetas da roda da turbina as palhetas estatoras que tem a finalidade de direcionar o fluxo de gás num ângulo favorável de ataque nas palhetas rotoras e proporcionarem o efeito bocal para que o fluxo aumente a velocidade.

6. Qual a faixa de potência desenvolvida pelas Turbinas a Gás?

Dos vários meios de produção o de potência mecânica à turbina a gás é o mais satisfatório. A ausência de movimentos alternativos e de atrito entre superfícies sólidas significa a quase inexistência de problemas de balanceamento, baixo consumo de óleo lubrificante e confiabilidade elevada.

As vantagens do uso das turbinas hidráulicas permitiram a construção de inúmeras usinas hidroelétricas que, até hoje, são responsáveis por uma parcela significativa da energia elétrica gerada.

Atualmente há usinas com turbinas a gás produzindo acima de 500 MW de potência de eixo, com eficiência na ordem de 40% e acima de 50% quando utilizadas em sistemas de cogeração.

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7. Qual a taxa de compressão de uma Turbina a Gás? Qual a temperatura máxima na câmara de combustão?

É possível encontrar motores avançados usando relação de pressão até 30:1; rendimento de componentes de 85 a 95%; e, temperatura permissível na entrada da turbina até 1300 ºC (casos extremos com o uso de cerâmica até 1500ºC).

8. Como é produzido empuxo ou tração nas turbinas a gás?

A finalidade de um motor turbofan é produzir empuxo para deslocar o avião para a frente. O empuxo é geralmente medido em libras nos Estados Unidos (o sistema métrico utiliza Newton; 4,45 Newton equivalem a 1 libra de empuxo). Uma "libra de empuxo" é igual a uma força capaz de acelerar 1 libra de material a 9,76 metros por segundo ao quadrado (o equivalente à aceleração da gravidade). Portanto, se você tiver um motor a jato capaz de produzir uma libra de empuxo, ele pode manter 1 libra de material suspenso no ar se o jato for apontado diretamente para baixo. Da mesma forma, um motor a jato produzindo 2.300 quilos de empuxo poderia manter 2.300 quilos de material suspensos no ar. E se um motor de foguete produzisse 2.300 quilos de empuxo aplicados a um objeto de 2.300 quilos flutuando no espaço, o objeto de 2.300 quilos iria acelerar à razão de 9,76 metros por segundo ao quadrado.

O empuxo é gerado de acordo com o princípio de Newton que diz que "a toda ação corresponde uma reação igual e em sentido contrário". Por exemplo, imagine que você esteja flutuando no espaço e que você pese na Terra 45 quilos. Na sua mão, você tem uma bola de beisebol que pesa 450 gramas na Terra. Se você a arremessar a uma velocidade de 10 metros por segundo (36 km/h), seu corpo vai se mover no sentido oposto (ele reagirá) a uma velocidade de 0,10 metro por segundo (0,36 km/h). Se continuasse a arremessar bolas de beisebol daquela maneira à razão de uma por segundo, suas bolas de beisebol estariam gerando 450 gramas de empuxo contínuo. Lembre-se que para gerar 450 gramas de empuxo por uma hora você precisa estar segurando 1.620 kg de bolas de beisebol no começo da hora. Se quisesse fazer melhor, teria que arremessar as bolas com mais força. "Arremessando-as" (vamos dizer, com uma arma) a 1.000 metros por segundo (3.600 km/h), você geraria 45 kg de empuxo.

Num motor turbofan, as bolas de beisebol que o motor está arremessando são moléculas de ar. As moléculas de ar já estão lá, de modo que o avião pelo menos não precisa carregá-las. Uma única molécula de ar não pesa muito, mas o motor está arremessando muitas delas - e a uma velocidade muito alta. O empuxo no turbofan vem de dois componentes:

• A própria turbina a gás: geralmente um estreitamento é formado no final do tubo de escape da turbina a gás (não mostrado nesta figura) para produzir um jato de alta velocidade do gás de exaustão. As moléculas de ar saem do motor a uma velocidade normalmente de 2.092 km/h;

• O ar desviado produzido pelas pás de ventilador: ele se desloca a uma velocidade menor do que a saída da turbina, mas as pás movimentam bastante ar.

9. Qual a taxa de compressão de uma turbina a gás? Qual a temperatura máxima na câmara de combustão?

É possível encontrar motores avançados usando relação de pressão até 30:1; rendimento de componentes de 85 a 95%; e, temperatura permissível na entrada da turbina até 1300 ºC (casos extremos com o uso de cerâmica até 1500ºC).

10. Qual a faixa de potência desenvolvida pelas turbinas a gás?

Dos vários meios de produção o de potência mecânica à turbina a gás é o mais satisfatório. A ausência de movimentos alternativos e de atrito entre superfícies sólidas significa a quase inexistência de problemas de balanceamento, baixo consumo de óleo lubrificante e confiabilidade elevada.

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As vantagens do uso das turbinas hidráulicas permitiram a construção de inúmeras usinas hidroelétricas que, até hoje, são responsáveis por uma parcela significativa da energia elétrica gerada.

Atualmente há usinas com turbinas a gás produzindo acima de 500 MW de potência de eixo, com eficiência na ordem de 40% e acima de 50% quando utilizadas em sistemas de cogeração.

11. Quais os usos das turbinas a gás? Explique

Podemos classificar elas em três famílias; industriais, marítimas e aeronáuticas. As Turbinas Industriais são essencialmente fixas. São utilizadas para geração de energia

mecânica, com rotação constante ou variável. As Turbinas Marítimas são utilizadas na geração de energia mecânica e elétrica em

navios. São do tipo “on board”. Sem dúvida o maior desenvolvimento tecnológico e científico da turbina a gás está no

campo aeronáutico. Por razões de segurança, estratégia, as grandes potências mundiais investem grandes somas em dinheiro para a pesquisa e desenvolvimento de equipamentos que possam ter grandes eficiências térmicas, grande potência (empuxo) e que possibilitem altas velocidades (supersônicas).

As Turbinas Aeronáuticas podem ser classificadas ainda pela sua Aplicação: Turbohélice; Turbofan, Turbojato e Ramjet.

As Turbohélice são turbinas a gás que convertem a energia do gás em potência de eixo. Esse, está acoplado a uma caixa de engrenagem que reduz a rotação para um eixo que tem uma hélice. O compressor deste tipo de motor pode ser centrífugo ou axial, com um ou dois eixos.

As Turbinas Turbofan possuem um grande conjunto frontal de pás que succionam o ar para dentro da turbina. A maior parte do ar succionado passa por fora do motor, i.e., ele não é comprimido ou sofre uma baixa compressão. Esse fluxo de ar é chamado de Bypass. Esse ar faz a turbina mais silenciosa (ou menos barulhenta!) e fornece um maior empuxo à aeronave em baixas velocidades sem aumentar o consumo de combustíve. A maioria das aeronaves, principalmente civis, são movidas por turbinas com turbofan, onde 85% do empuxo tem origem no ar de bypass.

As Turbinas Turbojato (turbojet) são utilizadas para vôo supersônico. O ar admitido é comprimido de 3 a 12 vezes por um compressor centrífugo ou axial. Depois de misturado ao combustível e queimado, expande-se em altas velocidades passando pela turbina, que transforma a energia cinética desses em trabalho mecânico. Para aumentar o empuxo desta turbina utiliza-se o “afterburner” ou pós queimadores. O afterburner tem como função aumentar a temperatura do ar de exaustão através de uma segunda combustão, i.e., injetase combustível nos gases exaustos provocando, através de uma faísca, uma nova combustão. A energia liberada pela combustão aumentará a temperatura dos gases e, conseqüentemente, o volume dos mesmos. Como a o bocal de saída (nozzle) tem área conhecida e constante (variável nas militares), os gases sairão com uma velocidade muito maior, aumentando o empuxo final.

As Ramjet são motores de reação a ar forçado para vôos supersônicos, não possui partes móveis. O ar é forçado para a câmara de combustão pelo movimento para frente do avião, sem compressor, implicando na necessidade de uma alta velocidade do avião para o seu funcionamento. Em conseqüência, uma aeronave utilizando a ramjet, necessita de alguma forma outra força de empuxo que a leve até a velocidade mínima de funcionamento, como por exemplo, um outro avião.

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12. Comente sobre as principais limitações encontradas na fabricação das turbinas a gás. Turbinas a gás que por limitações metalúrgicas não podem usar temperaturas tão

elevadas no início da expansão dos gases, precisam para produzir um saldo de potência positivo que os processos de compressão e expansão sejam eficientes. Por muitas décadas as perdas particularmente no compressor, foram tão altas, que não permitiram um saldo de potência positivo para as temperaturas que os materiais na época suportavam.

13. Explique o princípio de ação e reação de uma turbina a gás.

As turbinas de jato de gás apresentam o mesmo funcionemento das outras variações de turbinas.

Muitas usinas utilizam carvão, gás natural, óleo ou um reator nuclear para produzir vapor. O vapor passa por uma enorme turbina multi-estágio, cuidadosamente projetada para girar um eixo, que aciona o gerador da usina.

Represas hidroelétricas usam turbinas de água da mesma maneira para gerar força. As turbinas usadas em uma usina hidroelétrica parecem completamente diferentes de uma turbina a vapor porque a água é muito mais densa (e se move mais lentamente) do que o vapor, mas o princípio é o mesmo.

Turbinas de vento, também conhecidas como moinhos de vento, utilizam o vento como sua força motriz. Uma turbina de vento não se parece nada com uma turbina a vapor ou uma turbina de água porque o vento é mais lento e mais leve, porém, novamente, o princípio é o mesmo.

Uma turbina a gás é uma extensão do mesmo conceito. Nela, um gás pressurizado faz girar a turbina. Em todas as turbinas a gás modernas o motor produz seu próprio gás pressurizado, o que é feito queimando substâncias como propano, gás natural, querosene de aviação ou combustível de jato. O calor gerado pela queima do combustível expande o ar, e o deslocamento em alta velocidade desse ar quente aciona a turbina.

14. Como é o ciclo de trabalho (PxV) e (TxS) de uma TG? Ciclo Brayton: ciclo ideal, uma aproximação dos processos térmicos que ocorrem nas

turbinas a gás. O ciclo se constitui de 4 etapas: Primeira Etapa: o ar em condições ambiente passa pelo compressor onde ocorre a

compressão adiabática e isentrópica, com aumento da temperatura e consequentemente aumento de entalpia;

Segunda Etapa: ao sair da câmara de combustão, os gases a alta pressão e temperatura, se expandem conforme passa pela turbina idealmente sem variação de entropia;

Terceira Etapa: na medida em que o fluido exerce trabalho sobre as palhetas, reduzem-se a pressão e temperatura dos gases. A potência extraída através do eixo da turbina é usada para acionar o compressor e eventualmente acionar outra máquina;

Quarta Etapa: a última etapa representa a transferência de calor do fluido para o ambiente.

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1: compressão isentrópica do gás na compressão; 2: aquecimento isobárico; 3: expansão isentrópica do gás na turbina; 4: refrigeração isobárica.

15. Quais os principais acessórios de uma TG? As turbinas a gás são constituídas de quatro partes principais, a saber: - Compressor; - Câmara de Combustão; - Turbina e - Eixo.

16. Como é feito o controle de uma TG? Um de ensaios de turbinas, em testes de desenvolvimento ou de durabilidade, é vital

o controle e registro do maior número possível de parâmetros. Os principais de medidas são: temperatura, pressão, vazão, vibração e ruído. Nesses tipos de testes não só é importante a precisão com que os instrumentos dão a leitura como também o conhecimento de matéria do pessoal que neles está trabalhando. São essas informações que permitirão ao fabricante desenvolver um produto que, além de responder à demanda, seja seguro quando em operação. A necessidade de se adotar uma estratégia de controle avançada, que evite as instabilidades causadas, em particular, por distúrbios externos. O controle da turbina a gás é atualmente implementado em sistemas digitais que operam em um ciclo de 10 a 30 ms, dependendo do tipo do equipamento.

17. Como evitar os problemas de superaquecimento e sobre velocidades em uma TG?

A ocorrência de sobrevelocidade na turbina e subseqüente saída de operação, o aquecimento, em combinação com o stress causado pela sobrevelocidade, pode danificar a turbina de alta pressão. Para que este fato não ocorra, a válvula de by-pass é providenciada para sangrar o vapor para o condensador. O sistema de desvio de vapor deve ser capaz de desviar até 100% do vapor produzido para o elemento condensador. Nesta condição extrema, o desligamento da turbina a vapor não requer a desativação da caldeira de recuperação, como seria de se esperar em uma instalação térmica a vapor convencional.

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18. Nas TG estacionárias o ar deve ser tratado na entrada. Explique por que e indique alguns equipamentos necessários para realizar este trabalho.

As turbinas a gás são bastante sensíveis à variações de carga e à variações de condições climáticas, quando alguns parâmetros podem variar sensivelmente em relação à uma condição operacional de referência.

19. Na partida de uma TG existe a fase de purga. O que é e para que serve?

O sistema de partida tem duas funções. A primeira é retirar o Gerador de Gás (G) da inércia e leva-lo a uma determinada rotação conhecida como velocidade de purga ou de ventilação, e o mantém nessa rotação durante a fase conhecida como fase de purga ou de purga (30 a 180 segundos) permitindo a “limpeza” interna da turbina com o ar limpo. A segunda função acontecerá durante a fase de partida, logo após a fase de purga, é auxiliar na aceleração do Gerador de Gás durante a ignição e início da formação dos gases de exaustão, até a velocidade de Idle, conhecida também como velocidade de macha lenta ou rotação de sustentação, após atingir esta velocidade o sistema de partida é desligado.

20. No sistema de lubrificação existem bombas em redundância. Qual é a sua função.

BOMBA PRINCIPAL: Bomba existente em ambos os sistemas e normalmente é acionada mecanicamente, através da caixa de acessórios, pelo Gerador de Gás (G) ou pela Turbina de Potência (PT). Funciona durante toda a fase da operação da turbina.

BOMBA AUXILIAR (PRÉ-PÓS LUBRIFICAÇÃO): Bomba existente no sistema com óleo mineral e é acionada por motor de corrente alternada, funciona durante a fase de pré-lubrificação (antes e durante a partida) e na fase de parada e pós-lubrificação.

BOMBA DE EMERGÊNCIA (BAKCUP OU RESERVA): Bomba existente no sistema com óleo mineral e é acionada por motor de corrente continua, fornecida por banco de baterias, funciona durante a fase de parada e pós-lubrificação caso a bomba auxiliar não pressurize o sistema adequadamente.

BOMBAS SCAVENGE: Bomba existente em turbina aeroderivada acionada, através da caixa de acessórios, pelo Gerador de Gás (G). Tem como função retirar o óleo da caixa do mancal.

21. Como é o sistema de ignição elétrica de uma TG? Existe embreagem no sistema?

Os sistemas de ignição instalados em motores de turbina a gás diferem dos demais sistemas de ignição de uso aeronáutico instalados em motores alternativos, basicamente por dois aspectos principais, ou seja, pelo fato de serem de elevada potência de centelhamento, por não necessitarem de distribuidor e por não estarem em funcionamento permanente, apenas durante a partida e em circunstâncias atmosféricas pré-definidas. O sistema tem seu funcionamento baseado em transformadores de energia elétrica e descargas de capacitores, conforme pode ser visto nas ilustrações que seguem, onde é mostrada uma instalação típica.

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http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfPTQAJ/turbinas-a-gas-jato?part=3

22. Para que servem as válvulas de combustível: de corte, dosadora e de by pass. VÁLVULA BY-PASS: Encontrada no sistema líquido controla a pressão do combustível

líquido a montante da válvula de reguladora de fluxo. Também pode Ter a função de purgar o sistema em caso de parada.

VÁLVULA REGULADORA OU DOSADORA: Conjunto atuador/válvula que controla o gás combustível enviado aos injetores. É comandada pelo “Controle de Velocidade da Turbina”, do painel de controle da turbina, em função da carga solicitada e limitações máximas a serem atendidas.

VÁLVULA SHUT-OFF: Válvula de corte de combustível. <http://pt.scribd.com/doc/221310498/Basico-de-Turbinas-a-Gas-Petrobras>.

23. Um sistema de ignição é composto basicamente de: caixa de ignição, vela, ignitor, tocha e injetor piloto, explique o funcionamento do sistema.

CAIXA DE IGNIÇÃO: Envia energia elétrica para a vela, existente na tocha, permitindo a centelha. INJETOR PILOTO/TOCHA/IGNITOR: Permite a chama inicial que “acenderá” o injetor

principal. No conjunto tocha encontra-se a vela de ignição. VÁLVULA DA TOCHA/PILOTO/IGNITOR: Permite o envio do combustível para o injetor

piloto (tocha) durante a fase de partida.

24. Quais as características dos bicos injetores e ignitores da TG? Os bicos injetores fazem p arte das partes quentes de uma TG, e são os

responsáveis por injetar o combustível na câmara de combustão para que os ignitores acendam a mistura e o calor seja gerado.

O ignitor em uma TG é um órgão situado no interior da câmara de combustão, que serve para acender a chama durante o processo de arranque. Geralmente é constituído por

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um injetor auxiliar situado de forma inclinada com relação ao injetor principal que é acionado eletromagneticamente e por uma vela de ignição.

Os vários materiais utilizados são resistentes às altas temperaturas, porém existem limites aos quais não podem ser ultrapassados durante a operação da máquina. A expectativa de vida útil das partes quentes reduz-se a metade caso opere a máquina com 20 a 25°C acima da Temperatura dos Gases de Exaustão.

25. Qual a função da CC nas TG? Tem função de realizar a queima da mistura ar/combustível, adicionando energia

calorifica ao ar, gerando gases como resultado da queima que aumentam ainda mais a temperatura e a pressão do ar já comprimido, resultando na expansão do mesmo.

O projeto da câmara de combustão deve garantir resfriamento adequado da camisa, combustão completa, estabilidade da chama e baixa emissão de fumaça, monóxido de carbono, hidrocarbonetos e óxidos de nitrogênio. O volume da câmara de combustão é muito pequeno em relação à taxa de liberação de calor desenvolvida, porque a combustão é feita a pressão elevada: em turbinas aeronáuticas este volume pode ser de apenas 5 % do volume que seria necessário em uma caldeira com a mesma taxa de liberação de calor.

26. Quais os principais tipos de Câmara de Combustão (CC) das TG? O combustor usado em uma turbina a gás pode ser: tubular, tubo-anular, anular ou

externo. O combustor tubular é usado em turbinas industriais de médio grande porte,

especialmente em projetos europeus, e em algumas turbinas, automotivas ou auxiliares, de pequeno porte. Apresentam como vantagens: simplicidade de projeto, facilidade de manutenção e vida longa devida às baixas taxas de liberação de calor. Podem ser de fluxo direto ou de fluxo reverso.

Em turbinas aeronáuticas, onde a área frontal é importante, os combustores empregados são do tipo tubo-anular ou anular. Estes combustores produzem uma distribuição circunferência de temperaturas bastante uniforme na entrada do primeiro estágio da turbina.

Embora seja de desenvolvimento mais difícil, o combustor anular é o mais empregado em turbinas aeronáuticas modernas, devido à sua compacidade. Combustores anulares são particularmente adequados para aplicações a altas temperaturas ou com gases de baixo poder calorífico, porque exigem menos ar de resfriamento, devido à menor área superficial da camisa. A quantidade de ar de resfriamento requerida pelo combustor é particularmente importante em aplicações com gases de baixo poder calorífico, porque estes gases exigem muito ar primário, sobrando pouco ar para resfriamento da câmara. Os combustores anulares são usualmente de fluxo direto, enquanto os tubo-anulares são normalmente de fluxo direto em turbinas aeronáuticas e de fluxo reverso em turbinas industriais.

27. Quais as características das câmaras de baixa emissão de poluentes nas TG? Na literatura apresentam-se alguns tipos de câmaras onde as principais são:

Câmara de combustão com geometria variável – A variação da geometria modula a quantidade de ar necessário de diluição, mantendo a temperatura da zona primária próxima às condições de baixa formação de NO. Quando a turbina trabalha em baixa carga, existe um sistema que desvia parte do ar para a zona de mistura, mantendo a chama controlada.

Câmara de combustão em estágios - O conceito da combustão em estágios é promover uma distribuição uniforme do fluxo de ar na câmara, alternando o fluxo de combustível para manter a temperatura de combustão constante e em valores adequados a baixas emissões.

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Câmara de Combustão Dry Low – Realiza uma mistura prévia do combustível com o ar, obtendo uma queima mais uniforme.

A primeira medida que pode ser tomada para uma menor emissão de poluentes é uma pré-combustão, que é uma medida preventiva à liberação de gases poluentes na queima. Para isso pode ser feita a recirculação de produtos da queima, uma combustão por etapas, uma injeção de agua e vapor ou a utilização de queimadores com baixa emissão de NOx.

Outra medida que pode ser feita é de correção, e são os métodos de pós-combustão. Os dois métodos mais conhecidos são a redução seletiva não-catalítica (SNCR) ou a redução catalítica seletiva (SCR). Ambos reduzem o NOx para N2, porém a utilização de catalisador ocorre a baixa temperatura dos gases e a não-catalítica a altas temperaturas.

28. Por que em muitas TG o combustível é aquecido antes de ser injetado na CC? Explique. Usa-se um trocador de calor que usa parte da energia dos gases de escape da turbina

para pré-aquecer o ar, entretanto na câmara de combustão. Estes refinamentos podem ser usados para aumentar a potência efetiva e o rendimento da instalação as custas de um aumento na complexidade, peso (volume) e principalmente custo. É importante mencionar que a maneira em que os componentes são interconectados não afeta somente o rendimento total, mas também a variação do rendimento com a potência efetiva e torque de saída com a variação de rotação.

Para aumentar o rendimento térmico da turbina. Quando o combustível é aquecido, menos energia é necessária para a ignição da mistura o que diminui o gasto com a ignição e aumenta a potência de saída.

29. Quais as possíveis causas de combustão instável em uma TG?

Em câmaras de combustão que trabalham com pré-mistura pobre de combustível, a liberação de calor acontece de forma abrupta através da frente da chama, como consequência, instabilidades acústicas são induzidas, enquanto que em chamas de difusão a liberação de calor cobre uma região mais ampla. Em consequência, era induzida a flutuação do calor liberado, quando estas flutuações estão em fase com as de pressão produzidas por estas mesmas flutuações de calor liberado, estas flutuações tornam-se grandes para serem amortecidas pelos efeitos viscosos, conduzindo desta forma a um regime de combustão instável.

Outras possíveis causas são: mistura ar/combustível desregulada, incidência de velocidade dos ciclos de flutuação acústica de mesma magnitude da velocidade do fluxo do fluído, produção de vorticidade. Também pode estar havendo vazamento ou mal funcionamento das válvulas controladoras de combustível.

30. Quais os principais componentes dos compressores centrífugos e axiais das TG e qual a sua função básica?

Centrífugos – Rotor e difusor.

Axiais – Palhetas fixas e discos com palhetas móveis. O compressor de ar da turbina a gás pode ser centrífugo ou axial e ambos estão

constituídos por um rotor e um difusor, o que constitui um salto (estágio). Geralmente, são constituídos por vários saltos (estágios), o que permite a instalação de resfriadores intermediários que melhoram o rendimento da instalação, ao reduzir a temperatura do ar entre uma compressão e outra. Ainda com relação ao rendimento, o compressor axial apresenta um maior rendimento que o compressor centrífugo.

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O compressor axial é composto por uma seção estacionária, onde se encontram instalados os anéis com aletas estatoras e a seção rotativa composta por um conjunto de rotores com palhetas. Cada estágio de compressão é composto por um rotor com palhetas e um anel com aletas estatoras. O rotor com palhetas é responsável pela aceleração do ar, como um ventilador. É nesta etapa que o ar recebe trabalho para aumentar a energia de pressão, velocidade e temperatura. O anel de aletas estatoras tem a finalidade de direcionar o ar para incidir com um ângulo favorável sobre as palhetas do próximo estágio rotor e promover a desaceleração do fluxo de ar para ocorrer a transformação da energia de velocidade em pressão.

31. Explique o funcionamento de um compressor axial de TG.

Nesse tipo de compressor, o ar adentra na direção axial, e não muda sua direção, continua paralelo ao eixo de giro. Palhetas distribuídas radialmente, giram e aceleram o fluido, que ao passar por elas encontram um conjunto de palhetas fixas que desaceleram-no aumentando a sua pressão, o processo é repetido em vários estágios, diminuindo o espaço a cada estágio, gerando no final da compressão, a pressão requerida para a câmara de combustão.

O compressor é o componente da turbina a gás onde o fluido de trabalho é pressurizado, sendo sempre empregado o do tipo dinâmico (centrífugo, axial ou axial com o último estágio centrífugo). O compressor axial trabalha com relações de compressão por estágio baixas, valores usuais de projeto situando-se entre 1,1/ 1 e 1,4/ 1, o que resulta em um número grande de estágios para se atinjam as relações de compressão elevadas, de até 21/1, empregadas em algumas máquinas modernas. Na prática, relações de compressão muito elevadas são obtidas normalmente com dois ou três rotores axiais, operando em série, ou por um rotor com vários estágios axiais seguidos por um último estágio centrífugo. O compressor axial permite obter altas vazões de ar, até 700 kg/s, e eficiência isoentrópica muito boa, valores típicos entre 85 a 90 %, sendo por isso empregado em praticamente todas as turbinas a gás de médio e grande porte. Um inconveniente do compressor axial é a de apresentar faixa operacional pequena, entre os limites de surge e choke, o que exige cuidados especiais para evitar o surge durante os períodos de partida e/ou aceleração. O compressor axial é empregado nestes casos por ser especificado para maiores vazões do que os centrífugos com relação ao porte.

Seu princípio de funcionamento é o da aceleração do ar com posterior transformação em pressão. É composto por uma seção estacionária, onde se encontram instalados os anéis com aletas estatoras e a seção rotativa composta por um conjunto de rotores com palhetas. Cada estágio de compressão é composto por um rotor com palhetas e um anel com aletas estatoras. O rotor com palhetas é responsável pela aceleração do ar, como um ventilador. É nesta etapa que o ar recebe trabalho para aumentar a energia de pressão, velocidade e temperatura. O anel de aletas estatoras tem a finalidade de direcionar o ar para incidir com um ângulo favorável sobre as palhetas do próximo estágio rotor e promover a desaceleração do fluxo de ar para ocorrer a transformação da energia de velocidade em pressão. Essas máquinas são projetadas para que a velocidade na entrada de cada rotor seja a mesma para a condição de máxima eficiência. Este processo é repetido nos estágios subsequentes do compressor sendo que cada estágio promove um pequeno aumento de pressão. O fluxo de ar no compressor se dá paralelo ao eixo (axial) numa trajetória helicoidal, e a seção de passagem é reduzida da admissão para descarga, com o propósito de se manter a velocidade do ar constante dentro da faixa de operação, uma vez que a pressão sobe a cada estágio e respectivamente a massa específica.

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32. Explique o funcionamento e as características de um compressor centrífugo de uma TG. Funcionam da mesma maneira que as bombas centrifugas, possuindo as mesmas

partes básicas. O fluxo de ar entra pela parte central, onde através de um conjunto de palhetas (rotor) curvadas, o ar é direcionado para a periferia, através do efeito centrifugo, siando do mesmo e adentrando em um sistema de passagem divergente (difusores e aletas fixas), que desaceleram o ar, aumentando assim sua pressão para então ser direcionado à câmara de combustão.

Os compressores centrífugos são mais adequados quando se precisa trabalhar numa faixa mais ampla de fluxo mássico (variável), sem mudar a rotação. Este tipo de compressor é mais adequado para baixas pressões, razões de pressão de 4:1 são as mais comuns neles. Novos desenvolvimentos na forma das pás e a utilização de ligas de titânio permitiram chegar até razões de pressão de 8:1 em compressores centrífugos de um único estágio. Quando se deseja obter maiores razões de pressão é necessário combinar este tipo de compressor com um de fluxo axial, ou utilizar diretamente um compressor de fluxo axial. Um compressor centrífugo consta de quatro partes: entrada, rotor, estator ou difusor e coletor (em alguns casos o coletor pode não existir). A entrada pode (ou não) possuir palhetas fixas que direcionem o escoamento. O rotor possui palhetas com formato característico (ver slide seguinte). O estator têm por missão frear o escoamento e transformando a energia cinética em energia de estagnação. O coletor atua como um acumulador de ar pressurizado.

33. Explique o que é o Stall de uma turbina a gás. Ocorre com uma razoável frequência de o motor a reação “engasgar”, isso acontece

devido a um problema característico nos motores que usam compressor tipo axial chamado Stall.

Stall é o fenômeno de descolamento do escoamento nas pás do rotor e tem como consequência a perda de capacidade do compressor de manter o gradiente de pressão, ou seja, o compressor perde parcialmente a capacidade de elevar ou manter a pressão do sistema. Esta incapacidade em manter a pressão pode provocar o surge, que é um fenômeno caracterizado por violentas pulsações aerodinâmicas provocadas pelo movimento cíclico do fluxo de massa no compressor.

A palheta de um compressor é um aerofólio semelhante a uma asa. A asa é projetada para criar sustentação e a palheta para imprimir velocidade ao ar para fazê-lo circular. Ambas só funcionam corretamente quando o ar as atinge no ângulo correto e livre de turbilhonamento. Quando por qualquer motivo o ângulo de ataque esteja muito grande ou o fluxo do ar turbilhonado, a asa perde sustentação o que corresponde na palheta à perda da capacidade de imprimir velocidade ao ar para fazê-lo circular no interior do compressor.

34. Explique como evitar o Stall (Estol) de uma turbina a gás. Para minimizar os efeitos de um estol de compressor, o operador do motor deve tomar

algumas atitudes, que vão contribuir muito para reduzir seus efeitos danosos. Toda a aceleração do motor deve ser feita de maneira suave e uniforme, caso o motor

apresente estol, o acelerador deve ser retardado lentamente e o motor só deverá ser novamente acelerado, quando todas as condições que contribuíram para o estol tenham sido eliminadas. Quando o estol de compressor não puder ser controlado por essas atitudes, o motor deverá ser cortado ou operado abaixo do regime em que ocorreu o estol e depois o motor deverá ser investigado quanto a possíveis danos.

35. Comente sobre componentes, aspectos construtivos, aspectos da aerodinâmica, da expansão dos gases nas turbinas axial e radial.

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As turbinas radiais apresentam somente um estágio com rotor semiaberto, muito semelhante a do compressor radial. O escoamento, agora, segue contra o efeito da força centrífuga no sentido radial de fora para dentro. Desta forma é muito comum a denominação turbina centrípeta. São turbinas compostas normalmente utilizadas para pequena potência como, por exemplo, nas turbo alimentadores ou turbinas automáticas. Podem atingir até 4500kW em instalação com potência efetiva de 1500kW.

As turbinas axiais são bastante semelhantes às turbinas a vapor de reação (normalmente 0,5 para o grau de reação). Devido a relativamente queda da entalpia nas turbinas a gás, dificilmente são utilizados mais de cinco estágios. Na maioria de 2 a 4 estágios sendo que, para pequena potência basta 1 estágio. A baixa pressão e alta temperatura da turbina a gás possibilitam construção leve. Materiais resistentes à temperatura são necessários, principalmente tendo em vista a pequena espessura das paredes. Como já mencionado, devido a alta temperatura dos gases e alta rotação, a turbina fica sobrecarregada. Por tanto, materiais resistentes a alta temperaturas são usados o que permite uma temperatura de trabalho de até 600ºC para turbinas a gás estacionárias e para as usadas na aeronáutica até 9000C. Valores de temperaturas de trabalho maior requerem resfriamento, neste caso possibilitando temperatura de: turbinas a gás estacionárias até 950ºC e turbinas a gás móveis até 1300ºC.

36. Como é feita lubrificação de uma TG?

Através de um sistema de lubrificação composto por reservatório de óleo, bombas, trocadores de calor e filtro.

Este sistema tem a função de fornecer óleo na pressão e temperatura adequada, permitindo a lubrificação dos mancais, engrenagens da caixa de acessórios, caixa multiplicadora ou redutora e equipamento acionado; e o resfriamento dos mancais da parte quente, principalmente nas máquinas heavy-duty durante a fase de pós-lubrificação após a parada da máquina.

Pré-lubrificação - período de suprimento de óleo de lubrificação, que precede a partida da turbina a gás.

Pós-lubrificação - período de suprimento de óleo de lubrificação, logo após o comando de parada da turbina a gás.

37. Quais os principais testes usados nas TG? Testes de vazão do compressor, eficiência, potência absorvida, potência máxima de

saída, coeficiente térmico, calor de exaustão, referentes à performance da turbina. Temos também testes de emissão, barulho, vibração, fadiga, fluência, de micro trincas, dilatação térmica, elasticidade, e de análise econômica.

38. Quais as principais ações de manutenção necessárias às TG? A maneira pela qual é realizada a manutenção nos equipamentos, sistemas ou

instalações, caracteriza os vários tipos de manutenção existentes. O tipo de manutenção ou a filosofia de manutenção para a maioria dos equipamentos varia de companhia para companhia e depende da localização geográfica das instalações, da importância do equipamento dentro do processo produtivo, das condições ambientais, da complexidade do equipamento, etc.

Basicamente, as atividades de manutenção podem ser classificadas em três categorias:

Manutenção Corretiva

Manutenção Preventiva

Manutenção Preditiva O primeiro quesito a se verificar é quanto à condição de operação da turbina, se ela

atinge a carga máxima em picos ou se ela se mantém constante para poder se estipular o intervalo de manutenção necessária. Os principais quesitos a serem observados são:

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vazamentos, funcionamento das válvulas controladoras de combustível, leitura de temperatura, verificar acumulo de resíduos.

Várias ferramentas disponíveis e adotadas hoje em dia têm no nome a palavra Manutenção. É importante observar que essas não são novos tipos de manutenção, mas ferramentas que permitem a aplicação dos tipos principais de manutenção citados anteriormente.

39. Quais os sintomas no funcionamento de uma TG axial com: compressor sujo e

mancais desgastados. O compressor sujo pode alterar a quantidade de fluído admitido, o modo de

escoamento do mesmo e, consequentemente, a eficiência da turbina. Logo, a potência de saída não será mais a mesma.

Quando os mancais estão desgastados, há o desbalanceamento do eixo da turbina. Isso faz com que a turbina gere maior nível de ruído, vibração, e talvez fratura de algum componente.

Em geral, ocorrem mudanças nos seguintes paramentos razão de pressão, vazão de ar, eficiência do compressor e razão de temperatura.

40. Quais os principais combustíveis usados nas turbinas a gás e quais as suas principais características? Os combustíveis usados em turbinas a gás, são diesel ou gás natural. A qualidade do

combustível é fundamental para a vida útil dos componentes da parte quente, contaminantes diminuem a vida útil dos injetores, câmara de combustão, peça de transição (transition piece), distribuição HP e LP e rotores HP e LP, acarretando falhas prematuras. É importante durante a fase de projeto, anterior a aquisição da turbomáquina, o envio da análise da composição dos combustíveis aos futuros fornecedores. A composição definirá os tipos de proteções (coating) a serem aplicados na superfície dos componentes e estabelece a vida útil dos mesmos e os ciclos de manutenções.

41. Como é feita a refrigeração das T.G?

Em uso corrente, é preferível o resfriamento a ar, e neste caso, têm-se os seguintes métodos: convecção forçada, filme e transpiração. O ar do resfriamento vem do próprio compressor, e a quantidade requerida para turbinas de grande potência é de 7% a 13% da vazão total, dependendo da temperatura dos gases. Para turbinas menores, a quantidade varia entre 4% e 10%. Na convecção forçada (mais usada), a quantidade de ar para resfriamento fica entre 1,5% a 2% da vazão por fileira de pás.

Referências

Marttinelli, L.C.; Introdução às Máquinas Térmicas - Turbinas a Vapor e a Gás