PROTEC 2011 - Turbinas a Gás
-
Upload
eder-theodoro -
Category
Documents
-
view
189 -
download
10
Transcript of PROTEC 2011 - Turbinas a Gás
EQUIPAMENTOS DINÂMICOS
TURBINAS A GÁS
TURBINAS A GÁS
APLICAÇÕES
A turbina de gás é uma máquina térmica usualmente projetada para transformar a maior parcela possível da energia liberada pela queima de um combustível em trabalho de eixo.
Por ser compacta, de baixo peso e utilizar múltiplos combustíveis, a turbina a gás é hoje muito empregada na geração de energia elétrica e acionamento mecânico na indústria e nas centrais de energia, principalmente em lugares remotos.
Também são utilizadas como motores propulsores em embarcações, trens, veículos terrestres e marítimos e principalmente aeronaves.
TURBINAS A GÁS
TURBINA GE LM-2500
TURBINAS A GÁS
TURBINA GE LM-2500
TURBINAS A GÁS
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
• Ar como fluido motriz para prover energia.
• Ar deve ser acelerado → aumento da velocidade (energia cinética).
• Primeiramente aumenta-se a pressão e, em seguida, adiciona-se calor.
• Finalmente a energia gerada (au-mento de entalpia) é transformada em potência no eixo da turbina.
CICLO DE FUNCIONAMENTO:
1-2: Compressão do ar em um compressor;
2-3: Combustão, na câmara de combustão, onde o ar comprimido age como comburente para o combustível injetado;
3-4: Expansão irreversível em um ou mais estágios, fornecendo a energia necessária à roda de palhetas de alta pressão, que por sua vez aciona o compressor de ar e os demais acessórios da turbina, tais como: bomba de óleo lubrificante, bomba de combustível, geradores de energia elétrica, etc;
TURBINAS A GÁS
CICLO DE FUNCIONAMENTO:
4-1: Expansão em um duto de expansão, onde os gases ganham velocidade e são lançados na atmosfera, propiciando o empuxo necessário ao deslocamento da aeronave (uso aeronáutico);
4-1: Expansão em um ou mais estágios, fornecendo a energia necessária à roda de palhetas de baixa pressão, a qual pode acionar um gerador elétrico, um compressor ou uma bomba (uso industrial).
TURBINAS A GÁS
TURBINAS A GÁS
CICLO BRAYTON
CICLO OTTO
TURBINAS A GÁS
EXAUSTÃO
PR
ES
SÃ
O
TE
MP
ER
AT
UR
A
ATMOSFERA
TEMPERATURA
PRESSÃO
INLET
COMPRESSÃO
COMBUSTÃO TURBINAS HP E PT
TURBINAS A GÁS
PRESSÕES E TEMPERATURAS NA TURBINA
CICLO IDEAL – HIPÓTESES SIMPLIFICADORAS
Considerando-se que a vazão de combustível é desprezível, se comparada com a vazão de ar, esta pode ser considerada constante ao longo da turbina.
Outras perdas de calor por radiação e perdas mecânicas em mancais , selos e acessórios são aqui desprezadas.
É assumido que o calor específico do ar permanece constante.
TURBINAS A GÁS
CICLO ABERTO TEÓRICO DA TURBINA A GÁS
)( 12 ttcWc p
)( 231 ttcQ p
)( 43 ttcWt p
)( 142 ttcQ p
3
compressão
expansão
combustão(pressão cte)
P2
P1
S
T
4
2
1
TURBINAS A GÁS
CICLO BRAYTON - EFICIÊNCIA E POTÊNCIA
1Q
Wutilt
EFICIÊNCIA MÁXIMA DO CICLO:
A EFICIÊNCIA MÁXIMA DO CICLO SERÁ:
)23(
)12()43(
TTc
TTcTTc
p
pp
1Q
WW ct
)23(
)14(1
TT
TT
1
1
2
1
2 )( k
k
T
T
P
PUTILIZANDO A RELAÇÃO DOS GASES PERFEITO:
k
k
tP
Pmáx
1
1
2)(/11
TURBINAS A GÁS
RENDIMENTO DO CICLO DE BRAYTON EM FUNÇÃO DE P2 / P1
0
20
40
60
80
100
0 2 4 6 8 10 12 14
Relacão de pressão P2 / P1
Ren
dim
ento
%
TURBINAS A GÁS
CICLO DE BRAYTON - POTÊNCIA X T3
Potência (W)
Temperatura T3 (K)
A adição de calor na câmara de combustão, tem uma proporcionalidade direta com o trabalho útil produzido.
Desta forma, quanto maior for a temperatura na câmara de combustão (t3), para uma mesma vazão mássica de ar, maior será a potência disponível na ponta do eixo da turbina.
TURBINAS A GÁS
TURBINAS A GÁS
TURBINAS INDUSTRIAIS X AERONÁUTICAS
As turbinas de aviação, face a necessidade de diminuição de peso e consumo de combustível, são relativamente menos robustas, no que se refere ao aspecto peso do que as projetadas para fins industriais. Usualmente possuem um só eixo onde são estão acoplados o compressor de ar e a turbina de alta pressão;
As turbinas de uso industrial costumam ter dois eixos, sendo um acoplado o compressor de ar e a turbina geradora de gás para seu próprio acionamento, e no outro a turbina acionadora ou de potência e o equipamento a ser acionado.
TURBINAS A GÁS
CLASSIFICAÇÃO TURBINAS INDUSTRIAIS
Não Aeroderivadas
(Industriais, Frame ou Heavy Duty)
Câmara de combustão externa e em número reduzido Menor relação potência / peso Potência até 200 MW Menor eficiência (RC menor, Temperatura de firing menor)
TURBINAS A GÁS
CLASSIFICAÇÃO TURBINAS INDUSTRIAIS
Aeroderivadas
Utilizam geradores de gás de turbinas aeronáuticas Múltiplas câmaras de combustão internas Ligas leves como Al ou Ti Potência até 50 MW
TURBINAS A GÁS
INDUSTRIAL
Saturn 201,590 Hp 1,210 kW
Taurus 60/65/707,700-10,310 Hp 5,500-7,520 kW
Mars 90 &10013,220-15,000 Hp 9,450-10,690 kW
Titan 13019,850 Hp 14,250 kW
Centaur 40/504,700-6,100 Hp 3,515-4,600 kW
Mercury 504,600 kW
TURBINA INDUSTRIAL LEVE
TURBINAS A GÁS
TURBINAS A GÁS
TURBINA ROLLS ROYCE RB211
TURBINA GE 7FA
TURBINAS A GÁS
TURBINA GE MS-5002-E
TURBINAS A GÁS
TURBINA EIXO SIMPLES – SOLAR TAURUS 60
TURBINAS A GÁS
TURBINA SOLAR CENTAUR
TURBINAS A GÁS
TURBINAS A GÁS
COMPONENTES
Gerador de gás• Compressor de ar • Câmara de combustão• Turbina de alta pressão (HP)
Turbina de potência (LP ou PT)
TURBINAS A GÁS
Principais componentes de
uma turbina a gás
TURBINAS A GÁS
TURBINAS A GÁS
GERADOR DE GÁS
COMPRESSORES DE AR
• Centrífugo• Axial• Axial com último estágio centrífugo.
TURBINAS A GÁS
ESTÁGIO 1 ESTÁGIO 2
ESTATOR
ROTOR
TURBINAS A GÁS
DIAGRAMA DA COMPRESSÃO
TURBINAS A GÁS
DIAGRAMA DA COMPRESSÃO
TURBINAS A GÁS
FLUXO DE AR NO INTERIOR DA TURBINA
TURBINAS A GÁS
COMPRESSORES DE AR
Um inconveniente do compressor axial é apresentar uma faixa de operação pequena, entre os limites de “surge” e “choke”, o que exige cuidados especiais na partida.
TURBINAS A GÁS
VIGVs
TURBINAS A GÁS
Variable Inlet Guide Vanes
• Variação do ângulo de ataque das palhetas para o primeiro rotor;
• Estabilização do fluxo de ar;
• Aumento do rendimento com o aumento da rotação.
ACIONAMENTO DAS IGVS
TURBINAS A GÁS
Bleed Valve
válvula de alívio
ANTI-SURGE
TURBINAS A GÁS
CÂMARA DE COMBUSTÃO
• função de adicionar energia sob a forma de calor;• processo contínuo (pressão constante).
O projeto da câmara de combustão deve garantir:
• resfriamento adequado da camisa;• combustão completa;• estabilidade da chama;• baixa emissão de fumaça.
TURBINAS A GÁS
TURBINAS A GÁS
CÂMARA DE COMBUSTÃO ANULAR
CÂMARA DE COMBUSTÃO TUBO - ANULAR
TURBINAS A GÁS
CÂMARA DE COMBUSTÃO “EXTERNA”
TURBINAS A GÁS
COMBUSTOR
TURBINAS A GÁS
75% do ar é usado para diluição e resfriamento
COMBUSTOR
TURBINAS A GÁS
TURBINA DE ALTA PRESSÃO
Transforma a maior parcela da energia dos gases provenientes de câmara de combustão em trabalho para o eixo que aciona o compressor de ar.
TURBINAS A GÁS
Processo de Expansão:
Pressão ↓
Temperatura ↓
Volume ↑
TURBINAS A GÁS
TURBINA DE ALTA PRESSÃO
Estator: P → V
Rotor: Impulsão e reação
Tem
pera
tura
de
Que
ima
(o K)
Tem
pera
tura
do
Met
al (
o C)
1600
1550 1500
1450
1400
1350
1300
1250
1200
1150
1100
TURBINE TEMPERATURE CAPABILITY
Cooling improvementsCoating Developments
Firing temp
SC liga fundidaDC liga
fundidaLiga fundida convencional
Liga forjada
1100
1050
1000
950
900
850
800
TURBINAS A GÁS
TURBINAS A GÁSPALHETAS
Mono CristalMono CristalSolidificação Direcionada
Solidificação Direcionada
ConvencionalConvencional
RESFRIAMENTO DAS PALHETAS
Passo Simples Passo Múltiplo
TURBINAS A GÁS
RESFRIAMENTO DAS PALHETAS
TURBINAS A GÁS
TURBINAS A GÁS
PT recebe a energia remanescente dos gases provenientes da turbina HP e, em continuidade ao processo de expansão, transfere esta energia para o eixo que está acionando o equipamento desejado : gerador, compressor,
TURBINA DE POTÊNCIA (PT OU LP)
TURBINAS A GÁS
SISTEMAS AUXILIARES, PROTEÇÃO E SEGURANÇA
Sistema de Partida
Retira da inércia o rotor do gerador de gás e levá-lo até uma determinada rotação, conhecida como velocidade de purga, ventilação ou crank.
TURBINAS A GÁS
SISTEMAS AUXILIARES, PROTEÇÃO E SEGURANÇA
Sistema de Combustível
É o sistema responsável pelo suprimento de combustível líquido (diesel) ou gasoso (gás natural) dentro da pressão, temperatura, vazão e características necessárias em atendimento aos diversos regimes operacionais da turbina
TURBINAS A GÁS
SISTEMAS AUXILIARES, PROTEÇÃO E SEGURANÇA
Sistema de Admissão de Ar e Ventilação
Fornecer ar atmosférico filtrado com grau de impureza, umidade e características controladas.
TURBINAS A GÁS
Pressurizar os selos dos mancais;
Refrigerar discos e palhetas da turbina;
Fornecer ar para a ventilação do “hood”;
Fornecer ar para o sistema de controle de gás combustível;
Garantir a operação segura da turbina (surge).
SISTEMAS AUXILIARES, PROTEÇÃO E SEGURANÇA
Sistema de Exaustão
Direcionar os gases da exaustão da turbina para a atmosfera.
WHRU.
TURBINAS A GÁS
SISTEMAS AUXILIARES, PROTEÇÃO E SEGURANÇA
Sistema de Lubrificação
É o sistema responsável pelo suprimento de óleo lubrificante nas condições de pressão, temperatura e características necessárias para a lubrificação e refrigeração dos mancais da turbina, caixa de engrenagens e os mancais do equipamento acionado.
TURBINAS A GÁS
SISTEMAS AUXILIARES, PROTEÇÃO E SEGURANÇA
Hood
Confinar a turbina com o objetivo:
isolamento contra ruído – menos de 85 dB
confinamento do fogo em caso incêndio
Deve possuir:
ventilação forçada
sistema de combate a incêndio: CO2 ou H20
detecção de fogo & gás
TURBINAS A GÁS
TURBINAS A GÁS