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Tipos de Turbinas


Industriais

As turbinas industriais são mais robustas e podem ser encontradas entre 10 kW e 350MW.

Quando comparadas com as turbinas aeroderivativas, as turbinas industriais são:

  • Mais pesadas;
  • Mais robustas;
  • Menos eficientes;
  • Possuem menor taxa de compressão;

  • Apresentam temperatura de exaustão maior;
  • Possuem manutenção mais simples;

  • São mais baratas;

Exemplos: Solar e GE Frame.

Aeroderivativas

Conforme o nome já diz, as turbinas a gás aeroderivativas são baseadas nas turbinas de avião.

Quando comparadas com as turbinas industriais, as turbinas aeroderivativas são:

  • Mais leves;
  • Mais barulhentas;
  • Mais eficientes;
  • Maior taxa de compressão;
  • Menor temperatura de exaustão;
  • Manutenção mais complexa e na fábrica;
  • Mais cara;

Exemplo: GE LM series.

Definições


 

Processos Termodinâmicos
Processo

Propriedade constante

Isotérmico
Temperatura
Isobárico
Pressão
Isocórico
Volume
Isotrópico
Adiabático
Sem Troca de Calor

 

Exemplo


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Introdução


O desenvolvimento das turbinas a gás começou paralelamente ao desenvolvimento do motor a vapor.

A primeira patente relativa ao antecessor da moderna turbina a gás foi concedida em 1791.

No entanto, a turbina a vapor difundiu-se no mercado enquanto a turbina a gás enfrentou problemas tecnológicos decorrentes da falta conhecimentos sobre aerodinâmica, necessários para o projeto de compressores eficientes, e decorrentes da inexistências de materiais adequados para resistir às altas temperaturas.

Somente a partir da década de 30, a turbina a gás tornou-se um produto comercial devido à necessidade da indústria aeronáutica de desenvolver propulsão com menor relação peso/potência.

Atualmente, as turbinas a gás são classificadas, de acordo com a aplicação, em:

  • Industriais;
  • Aeroderivativas.

e, em relação aos aspectos construtivos, elas podem ser classificadas em:

  • Eixo Simples;
  • Eixo Duplo;
  • Compressor Dual;
  • Regenerador;
  • Resfriador Intermediário;

Toda turbina a gás consiste basicamente em um compressor, uma câmara de combustão e a turbina, conforme mostra a figura abaixo.

 

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.

 

Este ciclo termodinâmico é chamado de ciclo Brayton e considera os seguintes hipóteses:

  • O fluído de trabalho é um gás perfeito com calor específico e composição constantes;
  • Os processos de compressão e expansão são reversíveis, isótrópicos e adiabáticos;
  • As parcelas de energia cinética são desprezíveis;
  • Não existem perdas de pressão;
  • O fluxo de massa é constante em todo o ciclo;
  • O processo de combustão é representado por um processo de transferência de calor a partir de uma fonte quente;
  • O ciclo é completado pela transferência de calor para o meio ambiente;
  • Todos os processos são reversíveis;

O projeto das turbinas a gás apresenta dois parâmetros básicos:

  • a taxa de compressão - rc;
  • e coeficiente de temperatura - t.

Estes parâmetros são dados por:

turbina 1

Onde a taxa de compressão é a relação entre a pressão na saída e na entrada do compressor e o coeficiente de temperatura é a relação entre a temperatura na saída da câmara de combustão e a temperatura do ar na entrada do compressor, em graus Kelvin.

As turbinas aeroderivativas apresentam taxa de compressão entre 20 e 30 e o coeficiente de temperatura entre 5 e 5,5.

Em todos os casos, a temperatura máxima é limitada pela tecnologia de materiais, que hoje é da ordem de 1500 °C.

A eficiência e o trabalho do ciclo Brayton são dados pelas expressões abaixo:

eq turbina2

Onde:

  • Cp0 é o calor específico a pressão constante;
  • Cv0 é o calor específico a volume constante;
  • ηt é o rendimento térmico;
  • wt é o trabalho específico;

É importante observar que o rendimento depende apenas da relação de pressão e do calor específico e o trabalho depende também da relação de temperatura.

Estas expressões foram deduzidas considerando calor específico constante e gás ideal.

Conforme pode ser visto na figura  abaixo, o calor específico do ar não pode ser considerado constante entre a temperatura ambiente e a temperatura máxima da turbina. Esta variação, de aproximadamente 16%, tem algum impacto nas analises anteriores.

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