37945766 Introducao as Maquinas Termicas Turbinas a Gas e a Vapor

5/27/2018 37945766 Introducao as Maquinas Termicas Turbinas a Gas e a Vapor

1/135

1

Introduo sMquinas Trmicas

Turbinas a Vapor e a Gs

Prof. Dr. Luiz Carlos Martinelli Jnior

ISBN 978-85-908775-3-0


2/135

2

Sumrio

TURBINAS A GS ........................................................................................................ 5

CAPTULO 1. INTRODUO .................................................................................... 6

DEFINIES BSICAS ..................................................................................................... 7PROCESSOS TERMODINMICOS PARA UM GS PERFEITO............................................... 9ANLISE ENERGTICA DE MQUINAS ......................................................................... 13APLICAES ................................................................................................................ 14

Como Mquinas Trmicas...................................................................................... 14Como Turbomquinas Frias .............................................................................. 16

CAPTULO 2. TURBOMQUINAS.......................................................................... 17

TURBINAS A GS ......................................................................................................... 18Histrico do Desenvolvimento da Turbina a Gs .................................................. 18

Componentes Principais......................................................................................... 25Classificao da Turbinas a Gs ........................................................................... 30COMPONENTES PRINCIPAIS.......................................................................................... 39

Compressores ......................................................................................................... 39Turbinas.................................................................................................................. 48

FUNCIONAMENTO DAS MQUINAS TRMICAS ............................................................. 51Construo e Princpio de Operao..................................................................... 53

ANLISE DO CICLO...................................................................................................... 55Anlise Comparativa do Ciclo ............................................................................... 56Fluido de Trabalho................................................................................................. 57Caractersticas de Torque ...................................................................................... 58

CAPTULO 3. MATERIAIS, COMBUSTVEIS E COMBUSTO....................... 59

MATERIAIS .................................................................................................................. 59Comportamento dos Materiais ............................................................................... 59

Materiais Comumente Utilizados ........................................................................... 66COMBUSTVEIS E COMBUSTO .................................................................................... 70

Tipos de Combustveis............................................................................................ 71Consideraes Sobre Combusto........................................................................... 72

CAPTULO 4. SISTEMA DE CONTROLE E OPERAO.................................. 77

SISTEMA DE ADMISSO DE AR E ESCAPAMENTO. ........................................................ 77

Sistema de Admisso .............................................................................................. 77Sistema de Escape .................................................................................................. 77

SISTEMA DE PARTIDA E IGNIO.................................................................................. 77Sistema de Partida.................................................................................................. 77Sistema de Ignio.................................................................................................. 80

INSTRUMENTAO....................................................................................................... 80NOES BSICAS DE MANUTENO ........................................................................... 82

Condies que Afetam a Manuteno das Turbinas a Gs.................................... 83

TURBINAS A VAPOR ................................................................................................ 87

CAPTULO 1. INTRODUO .................................................................................. 88

CAPTULO 2. FUNDAMENTOS............................................................................... 88


3/135

3

EXPANSORES CONVERGENTES E CONVERGENTES-DIVERGENTES................................ 89PRINCIPIO DA AO E PRINCPIO DA REAO ............................................................. 89TURBINA DE AO E TURBINA DE REAO................................................................. 91ESTGIOS MLTIPLOS ................................................................................................. 92ESTGIOS DE AO E ESTGIOS DE REAO .............................................................. 93

Estgios de Ao .................................................................................................... 93Estgios de Reao................................................................................................. 94

CAPTULO 3. COMPONENTES BSICOS ............................................................ 96

ESTATOR (RODA FIXA)................................................................................................ 96ROTOR (RODA MVEL) ............................................................................................... 96EXPANSOR ................................................................................................................... 96PALHETAS.................................................................................................................... 97DIAFRAGMAS............................................................................................................... 98DISCO DO ROTOR......................................................................................................... 99TAMBOR ROTATIVO..................................................................................................... 99

COROA DE PALHETAS .................................................................................................. 99ARO DE CONSOLIDAO.............................................................................................. 99LABIRINTOS ............................................................................................................... 100CARCAA .................................................................................................................. 101MANCAIS DE APOIO (RADIAIS) .................................................................................. 101MANCAIS DE ESCORA ................................................................................................ 101VLVULAS DE CONTROLE DE ADMISSO .................................................................. 102

I - Construo Multi-Valve .............................................................................. 102II - Construo Single-Valve............................................................................ 103

VLVULAS DE CONTROLE DE EXTRAO.................................................................. 104VLVULAS DE BLOQUEIO AUTOMTICO ................................................................... 105

CAPTULO 4. TURBINAS DE USO GERAL E ESPECIAL................................ 108

TURBINAS DE USO GERAL .......................................................................................... 108TURBINAS DE USO ESPECIAL ...................................................................................... 108TIPOS CONSTRUTIVOS USUAIS................................................................................... 109TURBINA DE FLUXO RADIAL ..................................................................................... 110TURBINAS USADAS EM INDSTRIAS .......................................................................... 110

CAPTULO 5. TIPOS E APLICAES ................................................................. 111

INTRODUO ............................................................................................................. 111TIPOS BSICOS........................................................................................................... 112APLICAES DE TURBINAS DE MLTIPLOS ESTGIOS ............................................... 114

Contrapresso Direta........................................................................................... 114Contrapresso com Simples Extrao ou Sangria ............................................... 115Contrapresso com Dupla Extrao ou Sangria ................................................. 115Contrapresso com Induo................................................................................. 116Contrapresso com Induo ou Sangria.............................................................. 116Condensao Direta............................................................................................. 116Condensao com Simples Extrao ou Sangria ................................................. 117Condensao com Dupla Extrao ou Sangria ................................................... 117Condensao com Induo................................................................................... 117

Condensao com Induo ou Sangria................................................................ 118Condensao com Vapor de Baixa Presso......................................................... 118TURBINAS COMPOSTAS EM SRIE E EM PARALELO .................................................... 119


4/135

4

TIPOS CONSTRUTIVOS USUAIS................................................................................... 120

CAPTULO 6. MATERIAIS EMPREGADOS ....................................................... 127

CARCAA .................................................................................................................. 127CONJUNTO ROTATIVO ............................................................................................... 128

PALHETAS.................................................................................................................. 129EXPANSORES ............................................................................................................. 129SELAGEM................................................................................................................... 130MANCAIS ................................................................................................................... 130PARAFUSOS DA CARCAA ......................................................................................... 130VLVULAS DE CONTROLE ......................................................................................... 130ESPECIFICAES DE MATERIAL ................................................................................. 130

BIBLIOGRAFIA TURBINAS A VAPOR ............................................................... 134

BIBLIOGRAFIA TURBINAS A GS ..................................................................... 134

LINKS.......................................................................................................................... 134


5/135

5

TURBINAS A GS

Teste da turbina do F119


6/135

6

Captulo 1.IntroduoAs turbinas a gs (TG) so turbomquinas que, de um modo geral pertencem ao grupo de motores de

combusto e cuja faixa de operao vai desde pequenas potncias (100 KW) at 180 MW (350 MW no casode nucleares), desta forma elas concorrem tanto com os motores alternativos de combusto interna (DIESEL

e OTTO) como com as instalaes a vapor (TV) de pequena potncia.

Suas principais vantagens so o pequeno peso e volume (espao) que ocupam. Isto aliado versatilidade de operao que apresentam est fazendo com que sua utilizao se encontre em francaascendncia atualmente. Sendo compostas de turbomquinas (Mquinas Rotativas) as turbinas a gsapresentam uma vantagem bastante grande quando comparadas aos motores alternativos uma vez que nelash ausncia de movimentos alternativos e de atrito entre superfcies slidas (pisto/camisa do cilindro). Istosignifica a quase inexistncia de problemas de balanceamento e, ao mesmo tempo, um baixo consumo de.leo lubrificante (uma vez que o mesmo no entra em contato direto com partes quentes e nem com osprodutos de combusto. Disso decorre uma outra vantagem: a elevada confiabilidade que apresentam. Almdisso, quando comparadas s instalaes a vapor, as turbinas a gs praticamente no necessitam de fluidorefrigerante o que facilita muito sua instalao. Outro aspecto bastante favorvel das turbinas a gs a baixainrcia trmica que lhes permite atingir sua carga plena em um espao de tempo bastante reduzido. No casode estar pr aquecida por exemplo, o tempo entre carga nula e carga plena varia de 2 a 10 segundos. Esteaspecto faz com que as turbinas a gs sejam particularmente indicadas para sistema de gerao de energiaeltrica de ponta, onde o processo de partida e necessidade da plena carga no menor tempo possvel desuma importncia. Esta tambm uma condio imprescindvel nos sistemas Stand-by ou No-Break,onde o fornecimento ininterrupto de energia condio bsica necessria (Figura 1.1).

Figura 1.1 Centrais Termeltricas no Brasil

Normalmente se denomina Turbina a Gs (TG) o conjunto completo do motor ou a instalao da

mesma que composta dos seguintes componentes principais:

- compressor (responsvel pela elevao de presso);


7/135

7- aquecedor do fluido de trabalho e,

- a turbina propriamente dita (elemento expansor).

Observa-se que a turbina a nica parte do sistema (conjunto) e que o fludo de trabalho sofre aexpanso que , por ela, transformada em energia ou trabalho mecnico.

A construo das turbinas a Gs (da qual trataremos posteriormente, em detalhe) pode ser feita da

seguinte maneira:

Instalao de potncia auto-suficiente com sistema de gerador de calor prprio atravs da queima decombustvel (cmara de combusto) Gerao interna de calor (ciclo aberto).

Instalao de potncia depende com introduo de calor independente (direto ou de rejeio) atravs deum trocador de calor gerao externa de calor (ciclo fechado)

Esta possibilidade de mltipla escolha para o mtodo de introduo de calor, aumenta ainda mais aversatilidade de funcionamento das turbinas a gs uma vez que assim ser permitido o uso de uma variedadede combustveis inclusive slido e, at mesmo, o uso de energia nuclear.

Seu campo de aplicao o mais variado possvel e o mais amplo dentre os diversos tipos demotores. Inicialmente elas foram desenvolvidas objetivando fornecimento de trabalho mecnico. Entretanto,o desenvolvimento efetivo s ocorreu em virtude de sua aplicao na aeronutica como elemento propulsor(reator). Enquanto fornecedores de trabalho mecnico as turbinas a gs tem sido utilizadas, de maneira geral,como elemento propulsor para navios; avies (hlice); no setor automotivo, ferrovirio e, principalmente,como acionador de estaes booster de bombeamento (oleodutos e gasodutos) assim como tambm nagerao de eletricidade, principalmente, nas centrais de ponta e sistemas Stand-by e em locais onde peso evolume so levados em conta como o caso das Plataformas Off-shore de extrao de petrleo. Tambmso usadas em locais remotos e de difcil acesso e instalao, pois a sua alta confiabilidade aliada simplicidade de operao permitem inclusive que elas sejam operadas distncia.

Como desvantagens das turbinas a gs tm-se o baixo rendimento e a alta rotao, fatores bastantedesfavorveis no caso de aplicao industrial.

DEFINIES BSICAS

Calor a forma de energia transferida entre dois sistemas em virtude da diferena de temperatura entreeles.

Ciclo Quando um sistema parte de um estado inicial passa por diversas transformaes e retorna mesmoestado inicial, i. e, quando o estado inicial idntico ao estado final aps as transformaes sofridas.

Energia a capacidade de produzir trabalho. O estado de um sistema ser transformado pela adio ouextrao de energia.

Calor e trabalho so diferentes formas de energia em trnsito, no so contidos em nenhum sistema.

Tanto o calor como o trabalho so funes do caminho e dependem portanto do processo (Eles noso propriedades ou sistemas).

Energia, calor e trabalho so expressos em joules (J) = Newton.m (Nm)

Energia mecnica60

.2... nbFwMto =


8/135

8Entropia Entropia indica o grau de desorganizao do universo. Faz consideraes sobre o grau de

liberdade das molculas (tomos) = TdQ

S

Estado o estado de um sistema a sua condio a qual definida por suas propriedades.

Grandeza especfica quando a grandeza relacionada unidade de massa.

Processo uma transformao ou srie de transformaes no estado do sistema.

Processo Reversvel Um processo reversvel se o sistema e sua vizinhana podem serreconduzidos aos seus estados iniciais pela reverso do processo. Um processo reversvel em umamquina com escoamento somente possvel quando h ausncia de atrito no fludo e transfernciade calor com diferenas de temperatura com degraus muito pequenos. Por ser um processo idealsomente serve como referncia na comparao com processos reais equivalentes.

Processo irreversvel No irreversvel o estado inicial no atingido pela reverso do processo.Como sempre h atrito e as diferenas de temperatura so finitas todos os processos reais so

irreversveis.

Processo Adiabtico Quando no h transferncia de calor entre o sistema e a vizinhana duranteo processo.

Sistema isolado

Aumenta (diminui) a temperatura da vizinhana na mesma proporo do sistema

Executa o processo rapidamente.

Sistema um conjunto arbitrrio de matria tendo uma fixada identidade.

fora do sistema tm-se a vizinhana

a interface entre sistema/vizinhana chama-sefronteira

Sistema fechado quantidade fixada de matria no h fluxo de matria h troca de calor etrabalho; a fronteira pode mudar (pisto).

Sistema aberto h um fluxo contnuo de matria atravs das fronteiras volume de controle(superfcie de controle). A quantidade da matria ocupando o volume de controle varia com o tempo!

Temperatura a medida do potencial trmico do sistema. Identifica, portanto, o estado do sistema.

Trabalho aquilo que o sistema transfere sua vizinhana quando suas fronteiras so deslocadas pelaao de uma fora.

Trabalho= forma x distncia (na direo das foras).

Trabalho mecnico F.dl = Mto .


9/135

9PROCESSOS TERMODINMICOS PARA UM GSPERFEITO

Cinco so os processos termodinmicos para um gs perfeito

- Processo Isovolumtrico (Isocrico)

- Processo Isobrico

- Processo Isotrmico

- Processo Adiabtico Reversvel (Isentrpico)- Processo Politrpico

PROCESSOISOVOLUMTRICO,ISOCRICO (V=CONSTANTE)

UWQ += Eq. 1

mas: === 0dv0pdvW

ento: == dtcmUQ v

22

11

mRTVp

mRTVp

=

=

2

1

2

1

T

T

P

p= Eq. 2

variao de entropia:

=== 211221 ln T

TcTdTc

TdQS vv Eq. 3

vc

S

eTT

= 12 Eq. 4

Figura 1.2 Diagramas de um processo isovolumtrico

PROCESSOISOBRICO (P =CONSTANTE)


10/135

10

22

11

.

.

mRTVp

mRTVp

=

=

2

1

2

1

T

T

V

V= Eq. 5

==

+=

)( 12 VVppdVW

UwQ Eq. 6

Figura 1.3 Diagramas de um processo isobrico

===1

221 ln. T

Tc

T

dTc

T

dQs pp

vp ccR = vp cc >

= dTcmQ p

pc

S

eTT

= 12 vp SS >

PROCESSOISOTRMICO (T=CONSTANTE)

UwQ += )0U( =

mRTVp

mRTVp

=

=

221.1 . 2211 VpVp = Eq. 7

pV = constante (hiprbole eqiltera) Eq. 8

( ) 0V.dpp.dVpVd =+= == tanV

p

dV

dp


11/135

11

Figura 1.4 Diagramas de um processo isotrmico

0U= pois T= constantee U = f(T)

=

====

2111

122121 lnln p

pVpVVmRT

VdVmRTpdVwQ Eq. 9

=

====

2

111

1

221

21 lnln

1

p

p

T

Vp

V

VmR

T

QdQ

TT

dQS Eq. 10

=

2

111 lnp

p

T

VpS Eq. 11

PROCESSOADIABTICOREVERSVEL,ISENTRPICO (S=CONSTANTE)

0=+= dUdWdQ pois dQ = 0

0=+ dTmcpdV v ou pV= mRT Eq. 12

assim: teconspVk tan=

0.. 1 =+ dVkVpVdp kk

1

1tan===

V

pk

V

Vkp

dV

dp

k

k

Eq. 13


12/135

12

Figura 1.5 Diagramas de um processo adiabtico reversvel

PROCESSOPOLITRPICO

teconspV tan= onde knk


13/135

13ANLISEENERGTICA DEMQUINAS

Existem dois possveis aspectos nesta anlise: um o aspecto externo onde a mquina analisadacomo sendo uma caixa preta e o outro, o aspecto interno, onde so analisados os detalhes de seufuncionamento. Discute-se aqui apenas os Aspectos Externos.

Na anlise externa interessa particularmente ao usurio da mquina. A energia disponvel est emregime permanente, as propriedades do fludo de trabalho permanecem constantes.

Uma anlise com o regime transitrio s de interesse para o fabricante! Neste caso os testesexigem sistema sofisticados de medies, conseqentemente caros (aparelhos registradores), exigindoportanto pessoal altamente qualificado.

Figura 1.7 Esquema da mquina

Aplicando a equao da energia (1alei da termodinmica).

( )

++++= gz

c

udpvddwdq 2

2

+ energ. qumica + energ. acstica + energ. eletromagntica +. . .

Nas aplicaes em Engenharia

( )

++++= gz

cudpvddwdq 2

2 Eq. 19

Simplificaes

Fluxo de massa constante (regime permanente)

Equao da continuidade:

constante..v.21 ==== ACmm &&& Eq. 20

* As propriedades em qualquer ponto do sistema permanecem constantes (sistema aberto) regimepermanente.

Fluxo de calor e/ou trabalho atravs das fronteiras so em taxa uniforme

( )

++++= gz

cupvwq

2

2 Eq. 21


14/135

14

APLICAES

Como Mquinas Trmicas

TURBINA A VAPOR

Simplificaes

* Sistema adiabtico (alta velocidade do vapor)

* Variao de energia cintica e potencial so desprezveis.

Figura 1.8 Esquema de uma Turbina a Vapor

)upv(u)pv(w +=+= Eq. 22

ento:

tch

hw

p =

=

.

logo: Potncia hmwmP == .. &&

Medidastemperatura, massa de vapor

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


15/135

15

Figura 1.9 Esquema de um bocal da turbina

= 0pdvw h)pvu(2c2

=+=

mas Tch p= medida da temperatura

TURBINA A GS

Figura 1.10 Esquema de uma Turbina a Gs

Potncia do compressor - hmP arc = .&

Potncia da turbina - hmP gt = .&

Potncia efetiva - ctef PPP =

O calor introduzidoPotncia do combustvel iccomb HmP .&=

Em geral retira-se informaes pela medida de temperatura, presso e massa em escoamento.

Vide norma ASME Gas Turbine VDI 2059 B. 1. 3

De modo em geral, nos interessa o rendimento


16/135

16

iciccomb

efm

e

s

e

s

Hm

nbF

Hm

wMto

P

P

P

P

E

E

&&&& .60

.2..

.

.

1

===


17/135

17

( )

( )

czpQmedies

QYP

BernoulligHYgzcp

w

gzc

pvw

pequenotu

q

gzc

upv

h

wq

=

==

++=

++=

=

++++=

,,,:

..

2

2

)(0

0

2

2

2

2

Eq. 27

Captulo 2.TurbomquinasAs turbomquinas so mquinas rotodinmicas nas quais o fluido de trabalho se desloca

continuamente em um sistema rotativo de ps (rotor), fornecendo ou absorvendo a energia, deste rotor,conforme seja turbina ou compressor respectivamente. Um das caractersticas principais a alta velocidadeque o fluido de trabalho pode atingir nestas mquinas (200 a 500 m/s ou mais).

Sendo uma mquina rotativa e permitindo altas velocidades no escoamento trabalham com altarotao. Isto lhes imprime as seguintes caractersticas:

- so relativamente pequenas em dimenso;

- tm pouco peso e apresentam um funcionamento suave (sem oscilaes);

- no existem movimentos intermitentes como nos motores de combusto interna - Figura 2.1.

Assim, podem funcionar com grandes potncias (at 500MW) oferecendo, ainda possibilidade deaumento de potncia.

As Turbinas a Gs possuem, alm de outros equipamentos, compressores e turbinas,. Faz-se aquiapenas um comentrio bsico sobre os diversos tipos de turbinas a gs, o seu princpio de funcionamento esuas principais caractersticas.


18/135

18

Figura 2.1 Comparao entre um Motor e uma Turbina a Gs

TURBINAS A GS

Histrico do Desenvolvimento da Turbina a Gs

O uso da turbina a gs como mquina motora tem sido um sonho bastante antigo dos Engenheiros. Aevidncia disto a grande quantidade de estudos no decorrer da histria.

Em 150 A.C., um filsofo e matemtico egpcio, Hero, inventou um brinquedo, o Aeolipile, querodava sobre uma pequena caldeira de gua (Figura 2.2). Ele verificou o efeito da reao do ar quente ou ovapor movimentado por alguns bocais sobre uma roda.

Figura 2.2 O AeolipilodeHero

Em 1232 os chineses comeam a utilizar foguetes como armas. A inveno da plvora usa oprincpio da reao para lanar os foguetes.

Em 1500,Leonardo da Vincidesenhou um esboo de um dispositivo, o macaco de chamin, quegirava pelo efeito dos gases quentes subindo a chamin. Ele criou um dispositivo que usava o ar quente paragirar um espeto.


19/135

19

Figura 2.3 O macaco de chamin de da Vinci

Em 1629, Giovanni Brancadesenvolveu uma oficina de estampagem que usava jatos de vapor paragirar uma turbina que ento, fornecia trabalho para as mquinas (Figura 2.4).

Figura 2.4 A turbina de Giovanni Branca

Em 1687, Sir Isaac Newton anuncia as leis do movimento. Especificamente, a 3 Lei de Newtonafirmava haver um equilbrio entre ao e reao: Para cada ao haver uma reao de mesma fora eintensidade mas em sentido oposto. Um exemplo dessa lei pode ser observada na Figura 2.5. Quando obalo est fechado as foras se equilibram, so iguais em todas as direes. Ao soltar o ar, ocorre uma aoque desequilibra o sistema. A fora a esquerda maior, movendo o balo.

Baseado nessas leis, Newton imaginou um veculo movido por jatos de vapor - Figura 2.6. Estas leisforam a bases da teoria da moderna propulso.


20/135

20

Figura 2.5 A 3 Lei de Newton

Figura 2.6 A carruagem deIsaac Newton

A primeira concepo da turbina a gs e seu conseqente patenteamento foi proposta em 1791 pelo

inglsJohn Barber-Figura 2.7.

1 Turbina

2 Compressor de Ar ou Gs

3 Cmara de Combusto

4- Receptor

5 Produtor de Gs

Figura 2.7 Desenho da primeira patente de uma turbina a gs (John Barber, 1791)

Dentre as idias originais e subseqente patenteamento importante mencionar John Dumbell,Inglaterra, 1808 e Bresson, Frana, 1837, os quais, em suas concepes j consideraram todos oscomponentes das atuais turbinas com combusto a presso constante. Entretanto a primeira turbina a gscom combusto a presso constante, realmente construda, foi concebida porJ. F. Stolze (1872), a partir dapatente de Fernlhougs e cuja fabricao e testes somente ocorreram entre 1900 e 1904 conforme indicado naFigura 2.8.


21/135

21

Figura 2.8 - Turbina a gs construda por Stolze

(a) Soprador axial mltiplo estgio (b) turbina de reao de mltiplo estgio (c) Pre aquecedor de ar

interessante observar que as melhores concepes e arranjos foram introduzidos a partir dosmeados do sculo XIX ocasio em que os estudos tericos de termodinmica (Dalton,Lord Kelvin,Joule,

Brayton) tiveram um grande desenvolvimento.

Apesar dos esforos no desenvolvimento da turbina a gs, somente no incio deste sculo quesurgiram os primeiros resultados efetivos, embora com um nvel de rendimento muito baixo, pois naquelapoca ainda havia limitaes de conhecimentos de aerodinmica e de metalurgia. Como j mencionadoStolze construiu sua turbina a gs entre 1900 e 1904 e, conforme indicado Figura 2.8, ela era composta de

uma turbina de reao mltiplo estgio bem como um compressor axial de mltiplo estgio. Alm disso eleutilizou tambm um trocador de calor para o pr aquecimento do ar antes da camada de combusto (pressoconstante), utilizando para tal o prprio gs de escape da turbina. Apesar desta construo genial, poucosucesso foi atingido principalmente devido ao baixo rendimento tanto do compressor como da turbina etambm da temperatura mxima em funo dos materiais disponveis na poca.

Na mesma poca (1903) Armengaud e Charles Lemale tambm construram e testaram, naSociedade Annima de Turbomotores em Paris, uma turbina a gs cuja particularidade era a injeo degua para resfriamento. Apesar dos esforos o resultado foi tambm insatisfatrio pois no se conseguiupotncia til alguma. Neste caso foi utilizada uma turbina Curtis e a compresso se fez com um compressorcentrfugo de fabricao da empresa Brown Boveri.

Neste mesmo perodo (1903) a General Electric Co. iniciou o desenvolvimento de uma turbina a gssob orientao do Dr. Sandford A. Moss, da Universidade de Cornell, que realizou em seu trabalho dedoutorado (1902) o primeiro estudo do assunto nos Estados Unidos. interessante observar que nestesprimeiros estudos a potncia consumida pelo compressor era maior do que a fornecida pela turbina, o queimplicava no uso de energia externa para o seu funcionamento (no caso acima mencionado foi utilizado umaturbina a vapor). Mesmo assim estes trabalhos foram vlidos pois como se sabe a GE , no momento, umdos grandes fornecedores de turbinas tanto para uso aeronutico como industrial.

Percebendo que os fracassos no desenvolvimento das turbinas eram atribudos limitao tanto datemperatura mxima como da relao de presso conseguida nos compressores, Holzwarth, em 1909, naAlemanha, mudou a concepo do projeto da turbina considerado a combusto a volume constante (turbina a

exploso) em vez de ser a presso constante. Com isto ele eliminaria a limitao do aumento de pressoconseguido nos compressores. Quanto limitao de temperatura foi utilizado um sistema de resfriamento agua, logo uma menor massa de ar foi necessria.


22/135

22

O fato da combusto se processar a volume constante possibilita que o ar seja comprimido a umapresso de apenas cerca de daquela necessria ao processo de combusto a presso constante. A firmaBrown Boveri chegou a construir uma turbina (Holzwarth) em 1913 projetada para uma potncia de 1000cv,a qual montada e testada forneceu somente 200 cv. O seu desenvolvimento continuou e em 1938 a BBC, emMannheim, chegou a fabricar com relativo sucesso uma turbina de 5000cv, atingindo um rendimento globalde 20%.

Figura 2.9 A Turbina a Gs de Holzwarth

A Westinghouse Electric and Manufacturing Comp., USA, iniciou em 1913 o seu desenvolvimentode turbina a gs, com base em uma patente deBischof.

Diversas outras tentativas foram realizadas como a de Karavodine, na Frana (1908), Stauber(1918)na Alemanha, mas ainda com pouco sucesso. Em 1935, Profs.Dr. AckereteDr. Keller T.H.,Zrich.

Em 1920,Dr. A. A. Griffithdesenvolveu uma teoria de projetos de turbinas baseada no fluxo de gs.

interessante observar que at 1937 todos os desenvolvimentos de turbinas a gs eram comfinalidade industrial e no conseguiam concorrer com o motor alternativo a pisto, devido ao seu baixorendimento (mximo 20%).

Um pouco antes do incio da 2 guerra mundial esforos foram realizados no desenvolvimento deturbinas para uso aeronutico, devido principalmente a sua caractersticas de baixo peso e, pequeno volume.Ao mesmo tempo, Whittle(Figura 2.10), em 1930 concebeu e patenteou o uso da reao ou jato como meiopropulsor e, neste caso, o uso de turbinas a gs tornou-se imprescindvel. Whittledesenvolveu o primeiro

motor com essa finalidade em 1937 - Figura 2.12.

Figura 2.10 Frank Whittle

Em 1936, no mesmo tempo que Frank Whittleestava trabalhando na Gr-Bretanha,Hans von OhianeMax Hahn, estudantes na Alemanha desenvolveram e patentearam o seu prprio projeto de turbina.


23/135

23

Em 27 de agosto de 1939Heinkel(Alemanha), fez voar o seu primeiro avio (o HE178 -Figura 2.11)utilizando o gs como reator ou seja usando jato propulso.

Figura 2.11 O HE178 deHeinkel

Motor:Turbojato HeS 3B

Empuxo (antes): 992 lb. (450kg)Empuxo (depois): 1102 lb. (500kg)

Dimenses:Envergadura da Asa: 7,20m (23 ft. 3 in.)rea de Superfcie da Asa: N/AComprimento: 7,48m (24 ft. 6 in.)Largura: 2,10m (6 ft. 10 in.)

Pesos:Vazio: 1620kg (3572 lb.)Caregado: 1998kg (4405 lb.)

Desempenho:Velocidade Mxima (ao nvel do mar): 435 mph(700 kph)

Figura 2.12 Esquema da Turbina de Whittle

Nesta mesma ocasio os estudos de aerodinmica tiveram um grande progresso pois, com o uso dejato propulso, os avies atingiam maior velocidade. Problemas de instabilidade aerodinmica surgiramforando a procura de novas solues o que conseqentemente trouxe melhores conhecimentos deaerodinmica.

Embora estes estudos tenham sido intensificados, somente no final da guerra (1944 - 1945) querealmente os primeiros avies com propulso conseguiram voar eficientemente.

Em 1942, oDr. Franz Anslemdesenvolveu uma turbina de fluxo axial, a Junkers Jumo 004, usada noMesserschmtt ME262 (Figura 2.13).


24/135

24

Figura 2.13 A turbina Junkers Jumo 004

O Heinkel HeS-3b desenvolvia 1100lbs de empuxo e voou acima de 400mph, depois veio o ME262(Figura 2.14), que lutava a 500mph, mais de 1600 deste foram construdos no final de Segunda GuerraMundial.

Figura 2.14 ME262 Caa alemo

O uso da turbina a gs como agente propulsor (jato ou reator) simplificou bastante o emprego daprpria turbina a gs pois, nesta aplicao, a potncia, desenvolvida pela turbina utilizada apenas paravencer as perdas e acionar o compressor. Logo aps a 2 guerra, a aviao comercial passou a utilizar apropulso a jato intensivamente. Este uso intensivo aliado aos novos conhecimentos de aerodinmica fizeramcom que o desenvolvimento da turbina a gs tivesse um tremendo avano, uma vez que novas concepes emetodologias de clculo possibilitaram a construo de turbomquinas com alto rendimento.

O sucesso foi tanto que a partir dos anos 60 o uso de turbinas a gs foi aumentando e nos anos 70cerca de 100% dos avies de grande porte j eram impulsionados por turbinas.

Com a melhoria no projeto, mesmo na aplicao industrial, a turbina a gs com combusto a pressoconstante passou a predominar, devido principalmente a sua simplicidade de construo e quando comparadaa turbina com combusto a volume constante. Isto s foi possvel devido a dois fatores: o desenvolvimentodo compressor para alta relao de presso e com alto rendimento; e, tambm, o desenvolvimento de novosmateriais resistentes a alta temperatura.

Em 1943 a Escher Wyss constri uma TG de 2000kW. Em 1949 tm-se a primeira instalaoindustrial 12,5MW em St. Denis, Frana, funcionando com um sistema com queima de leo.

Em 1956 a Escher Wyss constris uma TG de 2,3MW com Carvo pulverizado (Figura 2.60) para a

gerao de eletricidade e aquecimento, com = 4 e tmax = 660C

Na dcada de 70 foi intensificado o uso de Turbinas. Foram construdas instalaes at 50MW (1974em Oberhausen).


25/135

25

Componentes Principais

As turbinas a gs so constitudas de quatro partes principais (Figura 2.15), a saber:

- Compressor - Figura 2.16;- Cmara de Combusto - Figura 2.17 a Figura 2.19;

- Turbina - Figura 2.20 e

- Eixo.

Possuem ainda um Bocal de Admisso (Inlet) - Figura 2.21 e um Bocal de Escape (Nozzle) - Figura2.22 e Figura 2.23). Nas turbinas de uso aeronutico, para um incremento no empuxo das mesmas, instala-seaps a turbina um Ps-Queimador (Afterburner) que, ao ser utilizado gera um jato de fogo pelo bocal deescape - Figura 2.24. O mesmo muito utilizado em turbinas aeronuticas militares.

Figura 2.15 Partes de uma Turbina a Gs


26/135

26

Figura 2.16 Compressor de Alta Presso

Figura 2.17 Tipos de Queimadores (Burners)


27/135

27

Figura 2.18 A Cmara de Combusto

Figura 2.19 Anel de Combustores (Cannular)


28/135

28

Figura 2.20 Turbina Axial

Figura 2.21 Tipos de Bocais de Admisso


29/135

29

Figura 2.22 Bocal de Exausto de Gases

Figura 2.23 Tipos de Bocais de Exausto


30/135

30

Figura 2.24 O efeito do Afterburner

Classificao da Turbinas a Gs

Apesar das muitas aplicaes e dos diversos tipos de turbinas a gs, h entre elas uma srie deaspectos que possibilitam uma classificao. Entre vrias classificaes, pode-se citar:

Quanto ao Ciclo

- Aberto e

- Fechado

Quanto Construo

- Leves (Jet-derived GT - derivadas de turbinas aeronuticas - Figura 2.26) e

- Pesadas (Heavy-Duty GT - )Quanto ao Mtodo de Transmisso de Fora

- Livres;

- Transmisso Direta;

- Transmisso por Engrenagens (Caixa de Reduo ou Ampliao da Rotao)

Quanto Rotao

- Operao em Velocidade Constante (turbo-alternadores)

- Operao em Velocidade Varivel (turbo-bombas e turbo-compressores)

Quanto ao Nmero de Eixos

- De um eixo e

- De vrios eixos

Quanto Localizao

- Onshore (Interna) Figura 2.28;

- Offshore (Externa);

- Mvel (on-board) especialmente aplicaes martimas

Quanto Aplicao


31/135

31

- Industrial - Figura 2.28;

- Martima - Figura 2.30;

- Aeronutica

QUANTO AO CICLO

As turbinas podem operar em um Ciclo Aberto ou Ciclo Fechado.

Por Ciclo Abertoentende-se que o fluido de trabalho no retorna ao incio do ciclo - Figura 2.25a. Oar, retirado da atmosfera, comprimido, levado cmara de combusto onde, juntamente com ocombustvel, recebe uma fasca, provocando a combusto da mistura. Os gases desta combusto entoexpandem-se na turbina, fornecendo potncia mesma e ao compressor, e, finalmente, saem pelo bocal deexausto.

Ao contrrio do ciclo aberto, no Ciclo Fechado, o fluido de trabalho permanece no sistema. Para

isso, o combustvel queimado fora do sistema, utilizando-se um trocador de calor para fornecer a energia dacombusto ao fluido de trabalho - Figura 2.25b.

O ciclo fechado possui algumas vantagens sobre o ciclo aberto, dentre elas:

- a possibilidade de se utilizar combustveis slidos;

- a possibilidade de altas presses em todo o ciclo, reduzindo o tamanho da turbomquina emrelao a uma potncia til requerida;

- evita-se a eroso das palhetas da turbina;

- elimina-se o uso de filtros;

- aumento da transferncia de calor devido a alta densidade do fluido de trabalho (alta

presso);- uso de gases com propriedades trmicas desejveis.

Mas este ciclo tem como desvantagem a necessidade de investimento em um sistema externo deaquecimento do fluido de trabalho, envolvendo um ciclo auxiliar com uma diferena de temperatura entre osgases.

(a) (b)

Figura 2.25 Os ciclos Aberto (a) e Fechado (b)

QUANTO CONSTRUO

As Turbinas Leves(Figura 2.26) tm como principais caractersticas:


32/135

32

- De construo leve;

- Alta velocidade e, geralmente,

- Mancais de rolamentos, que normalmente no so facilmente acessveis.

Dependendo do tipo, elas podem ter vrios eixos girando em diferentes velocidades (um eixo para o

compressor de baixa presso, um para o compressor de alta presso e um outro eixo para a turbina de fora.A turbina de fora pode ser uma do tipo pesado, que recebe gases quentes de uma outra ou outras turbinasderivadas de turbinas - jet-derived.

As duas principais aplicaes de turbinas a gs leves so a produo de energia mecnica e comoprincipal motor para mquinas como bombas e compressores.

Figura 2.26 Turbina Leve, estao de bombeamento da Avon

As Turbinas para Servios Pesados(Heavy Duty Gas Turbine - Figura 2.27) so construdas paraaplicaes estacionrias. Compreendem em uma vasta e diversa gama de mquinas, indicadas para geraode energia (de 10MW a acima de 100MW). Enquanto mquinas de menor potncia so similares as jet-derived, as turbinas de mdia e alta potncia possuem estruturas muito pesadas, volumosas. As cmaras decombusto no so necessariamente circulares, dispostas entorno do cilindro da turbina. Ao contrrio, estasmquinas podem ter uma ou duas cmaras de combusto dispostas separadamente.

Produzem energia mecnica principalmente para turbo alternadores, grandes turbo-compressores ou

turbo-bombas. Conseqentemente necessrio incluir estes equipamentos nos estudos sobre vibraes nasturbinas, dificultando o equilbrio nos clculos.


33/135

33

Figura 2.27 Turbina para Servios Pesados (Heavy-Duty GT Siemens KWU)

QUANTO AONMERO DEEIXOS

Um ciclo com um eixo apenas, parte da potncia produzida pela Turbina fornecida ao Compressor.Apenas o restante da potncia se destina a potncia til de eixo. No caso de turbinas aeronuticas, toda apotncia gerada ser utilizada internamente.

Um ciclo com dois eixos formado de um gerador de gs, que est ligado ao primeiro eixo, e umaturbina livre, que est ligada ao segundo eixo. No caso de turbinas aeronuticas, a turbina livre substituda

por um bocal. A diferena entre os dois ciclos est na operao.Um ciclo com vrios eixos tem aplicao na aeronutica. Neste caso, o conjunto pode ter um, dois

ou trs eixos concntricos com a finalidade de aumentar a razo de presso do ciclo e conseqentemente suaeficincia trmica. A diviso em vrios eixos do gerador de gs tem objetivo de aumentar a eficinciaaerodinmica da compresso pois, a compresso em um nico estgio diminuiria a operao da turbina e aeficincia trmica.

QUANTO APLICAO

As Turbinas Industriais so essencialmente fixas, Figura 2.29. So utilizadas para gerao deenergia mecnica, com rotao constante ou varivel.

As Turbinas Martimasso utilizadas na gerao de energia mecnica e eltrica em navios. So dotipo on board.

Sem dvida o maior desenvolvimento tecnolgico e cientfico da turbina a gs est no campoaeronutico. Por razes de segurana, estratgia, as grandes potncias mundiais investem grandes somas emdinheiro para a pesquisa e desenvolvimento de equipamentos que possam ter grandes eficincias trmicas,grande potncia (empuxo) e que possibilitem altas velocidades (supersnicas). Possui eficincias trmicasaltas, chegando a 41% e altas temperaturas de combusto (1800K).


34/135

34

Figura 2.28 Turbina Industrial: [1] Admisso, [2] Compressor Axial, [3] Sistema de Combusto, [4]Turbina, [5] Cilindro de Exausto e [6] Difusor de Exausto

Figura 2.29 Esquema de uma Usina de Energia Eltrica com Turbina a Gs

Figura 2.30 Turbina Martima WR 21 ICR da Northrop Corporation


35/135

35

As Turbinas Aeronuticaspodem ser classificadas ainda pela sua Aplicao:

- Turbohlice - Figura 2.31 e Figura 2.32;

- Turbofan - Figura 2.33, Figura 2.34 e Figura 2.42;

- Turbojato - Figura 2.37;

- Ramjet - Figura 2.39 e Figura 2.40;

As Turbohlice so turbinas a gs que convertem a energia do gs em potncia de eixo. Esse, estacoplado a uma caixa de engrenagem que reduz a rotao para um eixo que tem uma hlice. O compressordeste tipo de motor pode ser centrfugo ou axial, com um ou dois eixos.

Os gases de escape no possuem efeito propulsivo, o que d propulso aeronave a hliceacoplada ao eixo redutor de velocidade. So construdas para vos subsnicos.

Figura 2.31 Turbina Aeronutica Turbohlice


36/135

36

Figura 2.32 Turbohlice em corte

As Turbinas Turbofan possuem um grande conjunto frontal de ps que succionam o ar para dentro daturbina. A maior parte do ar succionado passa por fora do motor, i.e., ele no comprimido ou sofre umabaixa compresso. Esse fluxo de ar chamado de Bypass. Esse ar faz a turbina mais silenciosa (ou menosbarulhenta!) e fornece um maior empuxo aeronave em baixas velocidades sem aumentar o consumo decombustvel - Figura 2.34. A maioria das aeronaves, principalmente civis, so movidas por turbinas comturbofan, onde 85% do empuxo tem origem no ar de bypass.

Existem vrios tipos de turbinas, com Razes de Bypass grandes ou pequenas, dependendo de suaaplicao (vos subsnicos ou supersnicos, respectivamente - Figura 2.35).

Figura 2.33 Turbina Aeronutica Turbofan


37/135

37

Figura 2.34 Fluxo em uma Turbina Turbofan

(a)

(b)

Figura 2.35 Turbinas Turbofan (a) Civil e (b) Militar

O Ar de Bypass pode ser ainda utilizado como um sistema de freio nas aterrissagens, utilizando-se deum sistema de reverso do fluxo de ar - Figura 2.36.

As Turbinas Turbojato (turbojet) so utilizadas para vo supersnico. O ar admitido comprimidode 3 a 12 vezes por um compressor centrfugo ou axial. Depois de misturado ao combustvel e queimado,

expande-se em altas velocidades passando pela turbina, que transforma a energia cintica desses em trabalhomecnico.

Para aumentar o empuxo desta turbina utiliza-se o afterburner ou ps queimadores. O afterburnertem como funo aumentar a temperatura do ar de exausto atravs de uma segunda combusto, i.e., injeta-se combustvel nos gases exaustos provocando, atravs de uma fasca, uma nova combusto. A energialiberada pela combusto aumentar a temperatura dos gases e, conseqentemente, o volume dos mesmos.Como a o bocal de sada (nozzle) tem rea conhecida e constante (varivel nas militares), os gases sairocom uma velocidade muito maior, aumentando o empuxo final - Figura 2.24 e Figura 2.38


38/135

38

Figura 2.36 Sistema de Reverso do Ar de Bypass

Figura 2.37 Turbina Aeronutica TurboJet

Figura 2.38 Turbina Aeronutica TurboJet com o afterburner (F100-220)

As Ramjet (Figura 2.39) so motores de reao a ar forado para vos supersnicos, no possuipartes mveis. O ar forado para a cmara de combusto pelo movimento para frente do avio, semcompressor, implicando na necessidade de uma alta velocidade do avio para o seu funcionamento.


39/135

39

Em conseqncia, uma aeronave utilizando a ramjet, necessita de alguma forma uma outra fora deempuxo que a leve at a velocidade mnima de funcionamento, como por exemplo um outro avio. ANASA, rgo de pesquisa Norte Americano, est desenvolvendo aeronaves de teste, como o X-15 (Figura2.40).

Figura 2.39 Princpio de Funcionamento da Turbina Ramjet

Figura 2.40 O X-15 (NASA), com Turbina Ramjet

COMPONENTESPRINCIPAIS

Comenta-se a seguir sobre os dois principais componentes: compressores e turbinas.

Compressores

Os compressores (turbocompressores) so apresentados em dois tipos: o radialou centrfugo (Figura2.41) e o axial (Figura 2.42) conforme a direo com relao ao eixo de rotao, do escoamento na sada dorotor.


40/135

40

Figura 2.41 Turbina LTS 101, com Compressor Radial ou Centrfugo

Figura 2.42 Turbina CF6N com Compressor Axial

Seus componentes bsicos so um ROTOR, contendo ps, que, no seu movimento de rotao,transferem a energia (potncia) mecnica, recebida no eixo, para o ar (fluido de trabalho) em forma depotncia hidrulica ( v.pPh = ); e, um sistema de aletas (ps fixas) que formam o DIFUSOR (constabasicamente de passagens divergentes que desaceleram o ar aumentando sua presso). Existe ainda aCARCAA onde montado o conjunto.

De um modo geral podemos dizer que, para uma mesma potncia, o tipo radial fornece uma pressomaior com uma vazo correspondente menor quando comparado com o tipo axial. Normalmente, no uso emturbina a gs, os do tipo radial so mais adequados para sistemas de pouca potncia enquanto que o axial seajusta melhor para potncias maiores.

PRINCPIO DEFUNCIONAMENTO E TEORIABSICA DOS COMPRESSORES

Considera-se a Figura 2.43 e a Figura 2.44, onde esto representados os cortes longitudinais etransversais atravs do rotor, bem como seus tringulos de velocidade.


41/135

41

Figura 2.43 Compressores radial e axial, esquema e corte

Figura 2.44 Compressores radial e axial, tringulos de velocidade

No compressor RADIAL, o ar entra na direo axial do rotor, recebendo energia. , ento, desviadopara a direo radial saindo do mesmo e entrando em um sistema de passagem divergente (difusores oualetas fixas) que desaceleram o ar aumentando, conseqentemente, sua presso esttica.

O ar succionado na entrada do rotor (impeller eye) e ento gira a alta rotao, pelas ps do motor.Nesta situao o ar em escoamento, no rotor estar sujeito ao de uma fora centrfuga, que ser tantomaior quanto maior for a relao dimetro do rotor (D2/D1). Este processo j resultar um aumento de

presso esttica ao longo do rotor. O restante da presso esttica do compressor obtido no difusor, onde aalta velocidade do ar saindo do rotor reduzida a um valor prximo daquele ocorrendo na entrada no rotor. usual projetar o compressor de forma que cerca da metade do aumento da presso ocorra no rotor e a outrametade no difusor.

Na Figura 2.45, pode-se observar os tipos de rotores e algumas peculiaridades desta mquina.

No compressor AXIAL, o ar entra na direo axial do rotor, recebendo energia das ps, eprosseguindo, na mesma direo, para entrar no sistema difusor constitudo por aletas (ps fixas) fixadas nacarcaa. Neste tipo de mquina, no h o efeito da fora centrfuga m compresso, resultando num menoraumento da presso, por estgio. Por isso, este tipo de compressor sempre usa diversos estgios em sries.Figura 2.46. Tanto as ps (rotor) como as aletas (difusor) possuem perfis aerodinmicos (semelhantes aos de

sustentao), Figura 2.44. Neste tipo de mquina, a variao de velocidade atravs das ps e aletas no grande o que permite trabalhar com velocidades mais altas (no momento j existem em uso compressorestrans-snicos).


42/135

42

Figura 2.45 Compressor Radial, Tipos de Rotor

Um projeto cuidadoso das ps baseado em teoria aerodinmica e experimentos, necessrio nosomente para prevenir perdas como tambm para assegurar que no haja os problemas de stall quefreqentemente ocorrem nos compressores axiais, principalmente naqueles de muitos estgios, Figura 2.47.

Figura 2.46 Construo de um Compressor Axial


43/135

43

Figura 2.47 Efeito stall

A teoria bsica fundamentada no uso das equaes da continuidade, quantidade de movimento eenergia aplicadas no volume de controle a ser analisado.

Estes clculos objetivam desenvolver uma mquina que fornea uma determinada vazo e presso e,naturalmente, deseja-se saber tambm qual a potncia utilizada, para o seu funcionamento.

O volume de controle que deve ser analisado aquele envolvendo o rotor e os pontos de maisinteresses so aqueles correspondentes sees de entrada e sada onde as equaes acima so aplicadas.Neste caso considera-se o fluxo sendo representado por aquele de uma partcula representativa (linha decorrente).

Neste caso o movimento da partcula pode ser representado pelo tringulo de velocidade, conformemostra a Figura 2.44.

Esta a maneira mais simplificada para anlise; porm outros mtodos de clculo j existem. H,ainda outros em desenvolvimento como, por exemplo, alguns mtodos numricos.

MTODO DA VAZO

Da equao da conservao da massa (continuidade) podem ser determinadas as condies desejadaspara o fornecimento da vazo (regime permanente).

22 .... bDcmm =& radial

).(4

.. 2int2 DDcmm ext=

& axial

Eq. 28

onde fica relacionado a vazo com dimenses caractersticas da mquina.

A energia especificada transferida para o ar, pelo rotor pode ser calculada pela equao do momentoe cujo resultado o dado pela equao deEuler (1736).

1122 .. CuuCuuY = Eq. 29


44/135

44

Evidente que correes devem ser feitas levando em conta as diversas perdas.

A Eq. 29 acima possibilita a interligao entre as caractersticas fsicas (construtivas) e asoperacionais da mquina.

Observando os tringulos de velocidade (relaes trigonomtricas) a Eq. 29 dada pode ser escrita da

seguinte forma:

)(2

1)(

2

1)(

2

1 22

21

21

22

21

22 wwuuCCY ++= Eq. 30

ONDE:

)(2

1 21

22 CC

Aumento de energia cintica

Energia a ser recuperada fora do rotor

Presso dinmica convertida no estator

)(2

1 21

22 uu

Presso esttica devido a ao de fora centrfuga

Troca no rotor

)(2

1 21

22 ww

Recuperao de energia cintica convertida em presso esttica devido o efeitodifusor das ps

Troca no motor

Analisando a frmula acima, conclui-se que o estgio do compressor axial, tm capacidade decompresso menor pois (u2= u1). Logo apresenta um termo a menor na transformao de energia.

O trabalho especfico no compressor dado por:

Cc

P

cC YTT

ChhW ==

= )(

)(015,02

01025

Eq. 31

onde c - rendimento do compressor tendo em vista corrigir as diversas perdas.

Ento, a Potncia do Compressor:

cadc

hhmP

)(. 01025

= & Eq. 32

e, da Eq. 29:

( ) v.... 1122 &&

pCuuCuumPh

== Eq. 33

onde:

YHgp ... ==


45/135

45

logo da Eq. 31:

1

5,01..1

+= k

k

p

cc

TCY Eq. 34

01501

02

.1

TC

Y

T

T

p

c+= Eq. 35

Para os compressores axiais comum utilizar o conceito de grau de reao:

dinest

est

YY

Yr

+==

estgiodototalpresso

rotornoestticapresso Eq. 36

ALGUMAS CARACTERSTICAS TPICAS DE COMPRESSORES

COMPRESSORESRADIAIS

So usados somente para turbinas a gs de pequeno porte at 500 kW (1500 kW em casosexcepcionais como por exemplo em sistemas de segurana stand-by, turboalimentadores e turbinas depropulso de helicpteros, etc.)

Vantagens

- compactas (compresso em um s estgio)

- mais resistentes

- mais fcil construo

Desvantagens

- rendimento mais baixo- alta relao de dimetro D2/D1(dificulta uso aeronutico)

Rotor

- semi-aberto (ligas de metal leve)

- duplos

- Normalmente um ou dois estgios

Grandezas caractersticas (usuais)


46/135

46

- velocidade perifricas

mu 500a450

- mxima velocidade do ar na entradas

m85,0

- mxima velocidade do ar na entradas

m350a200

- ngulo de sada da p 90a502 =

- Relao de presso-estgio )5(...3...7,1=st

um estgio 5 dois estgios 7

- Vazo

um estgios

kgmar 30&

dois estgios skgmar 60&

COMPRESSORESAXIAIS

So usadas para sistemas de turbinas a gs de grande e mdio porte, tais como em centraistermeltricas, avies, estaes booster, etc. . .

Compressores axiais tem dimetros e escoamento sem muito desvio (no h mudana de direo), oque permite atingir um melhor rendimento que o tipo radial, porm necessita um nmero maior de estgios

para a mesma relao de presso).

A fixao das ps no cubo podem ser realizadas de diversas formas como indicado na Figura 2.48.

A cauda de andorinha

B laval

C pinheiro

D cabea de martelo

E suporte

F cravada

G cabea de martelo

H espiga

I cada de andorinha

Figura 2.48 Tipos de Fixao de Ps


47/135

47

Figura 2.49 A fixao das Ps

Grandezas caractersticas

Velocidade tangencials

mu 350a250

Grau de reao r = 0,5

Velocidade na entrada C0=180 a 210m/s

Correspondente n de Mach M = 0,54 a 0,63

N de Mach crtico 85,0a7,0acM

Relao de cubo

- 1 estgio 5,0...4,0

- ltimo estgio 95,0a9,0

Relao de comprimento (p) b/D 0,03 a 0,05

Relao de presso (estgio)

- geral 30,1st

- normalmente 2,1a1,1=st

Vazo

jatos

kgmar 350a30=&

Turbo (fan)s

kgmar 600


48/135

48

Central trmica GTs

kgmar 1000&

Nmero de estgios

12a106 == i dando 16,1a19,1=st

18a1612 == i dando 16,1a17,1=st

Temperatura na compresso

Terica kk

s TT

1

12 .

=

Para o ar com temperatura de 20 C ( )K293T1 =

T2 = 200 ... 300 ... 500 para 30...12...6=

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

a) Rotao b) Temperatura

Figura 2.50 Caractersticas tpicas de compressores

Turbinas

As turbinas tambm podem ser radiais ou axiais.


49/135

49

TURBINASRADIAIS

Apresentam somente um estgio com rotor semi-aberto, muito semelhante a do compressor radial. Oescoamento, agora, segue contra o efeito da fora centrfuga no sentido radial de fora para dentro. Destaforma muito comum a denominao turbina centrpeta. So turbinas compostas normalmente utilizadaspara pequena potncia como, por exemplo, nas turboalimentadores ou turbinas automticas. Podem atingirat 4500kW em instalao com potncia efetiva de 1500kW (lembrar que o compressor consome cerca de2/3 da potncia da turbina).

O seu rendimento relativamente pequeno devido a folga do rotor, pequenas dimenses, altadiferena de temperatura e oposio da fora centrfuga por ocasio da expanso. Os valores comuns derendimento so da ordem de 75,0...6,0=t dependendo das dimenses.

Figura 2.51 Turbina centrpeta (radial)

TURBINASAXIAIS

As turbinas axiais so bastante semelhante s turbinas a vapor de reao (normalmente 0,5 para ograu de reao). Devido a relativamente queda da entalpia nas turbinas a gs, dificilmente so utilizadosmais de cinco estgios. Na maioria de 2 a 4 estgios sendo que, para pequena potncia basta 1 estgio. Abaixa presso e alta temperatura da turbina a gs possibilitam construo leve.

Materiais resistentes temperatura so necessrios, principalmente tendo em vista a pequenaespessura das paredes. Como j mencionado, devido a alta temperatura dos gases e alta rotao, a turbinafica sobrecarregada. Por tanto, materiais resistentes a alta temperaturas so usados o que permite uma

temperatura de trabalho de at 600C para turbinas a gs estacionrias e para as usadas na aeronutica at9000C.

Valores de temperaturas de trabalho maior requerem resfriamento, neste caso possibilitandotemperatura de:

Turbinas a gs estacionrias at 950C

Turbinas a gs mveis at 1300C

Devido a isso, diversos mtodos foram propostos para resfriamento de ps como mostra a Figura2.52.


50/135

50

Figura 2.52 Mtodos para resfriamento de ps.

Em uso corrente preferido o resfriamento a ar e neste caso, tm-se os seguintes mtodos deresfriamento: CONVENO FORADA, FILME e TRANSPIRAO, que apresentam entre si vantagense desvantagens.

O ar de resfriamento provm do prprio compressor e a quantidade requerida para turbina degrande potncia (20 MW) entre 7% a 13% da vazo total, dependendo da temperatura dos gases (800C a1300C).

Para instalaes menores este valor situa-se entre (4 e 10%).

No tipo mais usado, conveco forada, a quantidade de ar necessria ao resfriamento fica entre 1,5 e2% da vazo (m) por fileira de ps.

A Figura 2.53 apresenta uma p resfriada por ar e a Figura 2.54 mostra o modo pelo qual o ar deresfriamento introduzido.


51/135

51

Figura 2.53 P resfriada a ar

Figura 2.54 Introduo de ar de resfriamento

Quanto ao mtodo de dimensionamento de turbinas tm-se algo semelhante ao projeto decompressores, isto , os fundamentos bsicos de clculo so os mesmos.

Alguns valores caractersticos para turbinas axiais:

Comprimento da p: no mnimo b = 30 mm

Relao de comprimento: b/D ((0,03). . . 0,05. . . 0. 15)

Velocidade de perifrica: u = 200. . . 350. . . 400 m/s

Folgas: (2. . . 4) 10 D

Perda por fuga: 3. . . 5%

Temperatura dos gases na sada: 400. . . 500 C (S. T)

FUNCIONAMENTO DASMQUINAS TRMICAS

As Turbinas a Gs funcionam segundo o 2oprincpio da termodinmicaT

dQdS= , de forma cclica

que geralmente representada como segue:


52/135

52

Gerador de vapor (caldeira)TV

Compressor + cmara de combustoTG

Cmara de combustoMACI

Trabalho mecnico

- elemento rotativo

- pisto alternativo - rotativo

Rejeio de calor

- prpria atmosfera

- condensadores (TV)

Figura 2.55 Esquema de funcionamento de mquinas trmicas

Como veremos posteriormente, para o caso de turbinas a gs, o funcionamento destas mquinas podeser representado por ciclos termodinmicos, compostos por uma srie de transformaes processosteoricamente reversveis e praticamente irreversveis.

Mas de um modo geral temos:

Figura 2.56 Diagramas de processos cclicos

Observar que, sendo o processo cclico, o fludo de trabalho sai da condio0 sofre as diversastransformaes e retorna ao mesmo ponto0.

DQ = dW + dU dQ = dW Eq. 37

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


53/135

53

Construo e Princpio de Operao

Considere-se ento, para descrio da operao de turbinas a gs com finalidade da acionamento(energia mecnica) a Figura 2.57 que representa um dos tipos comuns de instalao para gerao de energia

eltrica e de turbinas a gs para aeronutica a Figura 2.15.

Figura 2.57 - Esquema tpico de uma Turbina Gs Industrial

Aqui por meio de um compressor, o ar (comburente) comprimido (elevado a presso) e conduzido uma cmara de combusto onde introduzido o combustvel que pode ser gasoso, lquido ou mesmoslido, e que ser queimado sob uma condio de presso constante, num processo de queima em regimecontnuo, aumentando a temperatura dos gases e introduzindo, desta forma, a energia primria no sistema. Os

gases de combusto expandem-se na turbina que, por sua vez, transforma esta energia dos gases em energiamecnica a qual dever ser maior do que a energia necessria para acionamento do compressor. Estadiferena de energia a energia mecnica efetiva disponvel.

Numa primeira aproximao pode-se considerar como valor padro atuais para funcionamento noponto de projeto a distribuio de potncia (energia) entre os diversos componentes da instalao comoPt : Pc:Pef = 3:2:1. Isto significa que a potncia necessria compresso (P c) consome cerca de 2/3 depotncia liberada pela turbina (Pt). Desta forma a disponibilidade de potncia efetiva (Pef) somente 1/3 dapotncia da turbina (Pt). Evidente que estes valores so apenas uma indicao uma vez que perdas ocorremtanto no compressor como na turbina e isso concorre para o aumento da potncia absorvida (perdida) peloprprio sistema decrescendo, desta forma, a potncia efetiva disponvel.

A maior ou menor introduo de calor produz respectivamente uma maior ou menor potncia efetiva.

Assim, um aumento muito grande de calor (combustvel) resultar num aumento da potncia sendo,evidente que, para uma determinada vazo de ar, existe um limite para a proporo de introduo decombustvel. A mxima relao combustvel/ar que pode ser usada determinada pela temperatura detrabalho das ps da turbina que operam em condies de alto tensionamento (altos esforos aerodinmicos emecnicos; alta rotao; e, temperatura constante). Esta temperatura no poder ultrapassar determinadovalor crtico (1300C). Este valor, por sua vez, depende da tenso de creep (fluncia) do material usado naconstruo da turbina, bem como de sua vida til desejada.

Como pode-se ver existem dois fatores que afetam o desempenho da turbina a gs: rendimento dos

componentes e temperatura de trabalho da turbina. Quanto mais alto forem, melhor ser o desempenho dainstalao. De fato estes fatores foram os que mais concorreram para os fracassos de um grande nmero detentativas feitas nos primrdios do desenvolvimento das turbinas a gs. Naquela poca, e devido a essesfatores, a maioria das turbinas a gs conseguia apenas, na melhor das hipteses, manter o seu funcionamento.


54/135

54

Isto significa que, funcionavam sem produzir nenhuma ou quase nenhuma potncia efetiva. Nesta ocasio orendimento do compressor no era mais que 60% e a mxima temperatura admissvel era na ordem de 470.

O rendimento total da turbina a gs depende tambm da relao de presso do compressor ou dainstalao. A dificuldade de se obter alta relao de presso com um rendimento adequado do compressor sfoi sanada quando novos conhecimentos de aerodinmica puderam ser aplicados neste problema. Odesenvolvimento da turbina a gs ocorreu lado a lado com o desenvolvimento dos conhecimentos de

aerodinmica e, tambm da metalrgica.

O resultado disso que, no momento, possvel encontrar motores avanados usando relao depresso at 30:1; rendimento de componentes de 85 a 95%; e, temperatura permissvel na entrada da turbinaat 1300 C (casos extremos com o uso de cermica at 1500C - Figura 2.58).

Figura 2.58 Escala de Temperatura em um Reator

No incio do desenvolvimento da turbina a gs, dois possveis sistemas de combusto forampropostos: um, a presso constante e, o outro, a volume constante. Teoricamente, o rendimento trmico dociclo a volume constante maior de que o do ciclo a presso constante, mas as dificuldades mecnicas somuito maiores. Com adio de calor a volume constante, vlvulas so necessrias para isolar a cmara decombusto do compressor e da turbina. A combusto desta forma, intermitente, o que no permite ofuncionamento suave da mquina. Apesar do grande esforo, principalmente por parte dos Alemes eSuos, para desenvolver a turbina funcionando com este princpio pouco sucesso foi atingido. Desta formaeste princpio foi abandonado.

No ciclo com introduo de calor a presso constante, a combusto ocorre em um processo contnuo,

no necessitando de vlvulas o que simplifica muito sua construo e funcionamento. Este tm sido entoaceito como o tipo de ciclo que maiores possibilidades oferece para futuro desenvolvimento (Figura 2.59).


55/135

55

Figura 2.59 Reator com presso constante na Cmara de Combusto

importante observar que na turbina a gs os processos de compresso, combusto e expanso noocorrem em um nico componente como no caso dos motores alternativos a pisto. Eles ocorrem emcomponentes separados de forma que podem ser projetados, desenvolvidos e testados individualmente. Almdisso estes componentes podem ser interligados de diversas maneiras de modo a compor a unidade turbina ags.

O nmero possvel de componentes no limitado aos trs j mencionados. Outros compressores eturbinas podem ser adicionados, com inter-resfriamento entre os compressores e cmaras de combusto dereaquecimento entre as turbinas. Pode, tambm, ser usado um trocador de calor que usa parte da energia dosgases de escape da turbina para pr aquecer o ar entretanto na cmara de combusto. Estes refinamentospodem ser usados para aumentar a potncia efetiva e o rendimento da instalao as custas de um aumento nacomplexidade, peso (volume) e principalmente custo. importante mencionar que a maneira em que os

componentes so interconectados no afeta somente o rendimento total, mas tambm a variao dorendimento com a potncia efetiva e torque de sada com a variao de rotao.

Desta forma, dependendo do tipo de aplicao da turbina a gs, haver um arranjo adequado doscomponentes, pois um determinado arranjo poder ser conveniente para o acionamento de um gerador sobcarga varivel a uma rotao constante e outro poder ser adequado para o acionamento de compressor oubomba de estao booster de um gasoduto ou oleoduto cuja potncia varia com o cubo da rotao.

ANLISE DO CICLO

A turbina a gs de ciclo fechado, como o prprio nome indica, assim denominada em virtude dotipo de circulao de seu fluido de trabalho. Assim sendo o processo de combusto tem que serobrigatoriamente externo.

Sua diferena com relao a TG ciclo aberto est no processo de introduo e rejeio de calor.

A Figura 2.60 mostra o esquema de uma instalao de turbina a gs de circuito fechado, onde ofluido de trabalho a ar e o combustvel carvo pulverizado.


56/135

56

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

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

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

Anlise Comparativa do Ciclo

Vantagens:

a) Uso de alta presso no ciclo (maior densidade)

- dimenses menores das turbomquinas

- regulagem em larga faixa de operao sem alterao da temperatura (pouca variao dorendimento) regulagem pela presso.


57/135

57

- melhoria da troca de calor

b) Uso mltiplo de combustvel, inclusive outras fontes de calor (solar, nuclear)

c) Fluido de trabalho no contaminado

- no h corroso e desgaste (turbomquinas)

- no h necessidade de filtros

d) Uso de outros fluidos de trabalho

- melhores propriedades termodinmicas

- gs neutro

Desvantagens:

a) Combusto externa

- uso de sistemas auxiliares

- diferena de temperatura (gases x fluido de trabalho)

- limite mximo de temperatura770C (trocadores)

b) Uso de trocador de calorresfriamento (gua)

c) Custo, volume e peso maiores

d) Problemas de vedao

- carcaa mais reforada

Fluido de Trabalho

Em geral usado ar, CO2 e principalmente Hlio devido suas excelentes propriedadestermodinmicas.

Tabela 1 - Comparao do Hlio com o ArGrandeza Smbolo Unidade Helio Ar He/Ar

Massa especfica kg/m 0,179 1,20 1/7


58/135

58

Massa molecular M kg/mol 4,0 29

Constante dos gases R kJ/kg.K 2,078 0,287

Expoente Isentrpico k - 1,66 1,40

Calor especfico C kJ/kg.K 5,24 1,0 5

Velocidade do som a m/s 970 330 3

Coeficiente Conduo Calor W/m.K 0,144 0,026 5,5

Apesar do Hlio ser mais caro, tm as seguintes vantagens:

- No h corroso materiais comuns

- Turbomquinas com menor dimenses, devido ao valor maior de a (velocidade do som)

- Menor superfcie de troca de calor (maior)

- Para mesma temperaturaT menor (K maior)

- Materiais mais leves (menos resistentes)

- Alto rendimento, apesar de presso baixa

Em geral TG Hlio so menores e mais econmicas, porm mais caras.

Caractersticas de TorqueNo caso de turbinas a gs industriais (Pef) importante observar a dependncia do torque com a

rotao para uma determinada potncia uma vez que isto que determina a sua adequao em uma aplicaoou outra. Exemplificando: nas aplicaes com propsito de trao um alto torque de partida particularmente importante. Assim, um circuito pode ser adequado para gerao de energia eltrica (rotao

constante) e inadequado para estao de bombeamento ou propulso naval ( 3 Pkn= ).


59/135

59

Captulo 3.Materiais, Combustveis e CombustoEstes so os itens de grande importncia no aprimoramento das turbinas a gs tanto no aspecto de

aumento de sua potncia como no da melhoria de seu rendimento. Dado a sua importncia os pesquisadores

tem concentrado esforos no seu desenvolvimento e aprimoramento tendo em vista atender exignciasecolgicas.

MATERIAIS

Com respeito aos materiais interessante ter em mente, na sua escolha, os aspectos segurana,confiabilidade, vida til e economia.

Devido a ocorrncia de uma combusto contnua em turbinas a gs aparecer um sobrecarregamentotrmico principalmente na cmara de combusto e nas ps do primeiro estgio da turbina. Acrescido a isto

existe ainda a corroso devido a agressividade e a existncia de oxignio nos gases de escape ainda quentes.No caso particular da p da turbina existe a ao da fora centrfuga que muito grande uma vez que ela funo do quadrado da rotao e a rotao das turbinas so altas, principalmente naquelas de usoaeronutico. Como se v as turbinas a gs so um caso tpico para uso de materiais resistentes a altatemperatura. Esta alta temperatura so as causas de aparecimento de tenses, devido principalmente aosseguintes fenmenos:

- FLUNCIAe FADIGA as quais devido a sua importncia sero examinadas em detalhes maisadiante.

- MICROTRINCAS que ocorrem devido a rpida mudana de temperatura do gs econseqentemente do material pela mudana rpida do regime de funcionamento. Sua origem devido asaltas tenses trmicas localizadas.

Ainda sob o aparecimento de tenses trmicas, temos:

- DILATAO TRMICA decorrente das diferenas de dilatao entre aos diversos materiais,por exemplo, aos austenticos e martensticos.

- ELASTICIDADE com o aumento de temperatura diminui o mdulo de elasticidade dos slidos(materiais) que conduz mudana da freqncia do natural do rotor e das ps.

Sob o espao ECONOMIA, naturalmente que os materiais mais caros que so os resistentes

A altas temperaturas, ento seu uso fica somente para a cmara de combusto e partes da turbina.Para o compressor usado aos normais ou ligas metlicas leves (principalmente para aviao).

Comportamento dos Materiais

Como sabemos quando um material submetido a um esforo ele se deforma. A lei de Hook mostraque existe uma relao proporcional entre a tenso e a deformao ( = .E), porm isto vlido apenaspara a regio elstica do material.

A Figura 3.1 mostra o resultado de um teste de tenso, o qual aps um carregamento ( = F x A)com 350 N/mm2 , uma deformao de 0,2% atingida, a qual desaparece com o descarregamento.


60/135

60

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

Figura 3.1 Diagrama de Tenso Deformao

importante observar que este comportamento depende do tipo de material da temperatura e dotempo de carregamento.

A Figura 3.2 mostra o comportamento de um material, submetido a diversas tenses e o seu tempode ruptura para cada carregamento. Este tipo de informao da vida til do equipamento, principalmente paraas partes que esto sujeitas a maiores temperaturas e esforos.

Figura 3.2 Diagrama de Deformao Tempo e Tenso de Ruptura

FLUNCIA

Uma outra caracterstica apresentada pelos metais o ESCOAMENTO OU FLUNCIA, cujocomportamento indicado na Fig. 3. 3, onde representado o comportamento da deformao com o tempoquando submetida a um determinado carregamento (tenso) e sob ao de temperatura.

As curvas I, II, e III representam =f (tempo) para o mesmo carregamento e diferentes temperaturas,sendo que a temperatura decresce de 1 para 3. Conclui-se que a fratura ocorre mais rapidamente com oaumento da temperatura.


61/135

61

Figura 3.3 Curvas de fluncia para metais

Tomando como base a curva II, pode-se definir regies distintas para a deformao como segue:

1-2 assim que aplicada a carga, ocorre a deformao elstica.

2-3 fluncia primria, primeiramente rpido a vagarosamente; nesta condio ocorre umadeformao intercristalina, interligada com um amolecimento.

3-4 fluncia com velocidade constante.

4-5 velocidade de fluncia e acelerada at que haja fratura.

Obs: acima do ponto 2 tem-se deformao plstica.

Conhecidas estas caractersticas do material, o projetista pode, em funo das condies de trabalho,determinar a vida til das ps. Evidente que operao da turbina em condies acima da estipulada noprojeto, certamente reduzir a sua vida til. Ainda outro aspecto relevante deve ser considerado com relaoa deformao uma vez que as tolerncias de fabricao so apertadas e devem permanecer dentro de certoslimites para garantir a integridade da mquina.

FADIGA

Outro aspecto importante quanto ao comportamento dos materiais a FADIGA que o fenmenoque ocorre com uma pea metlica que pode falhar quando submetida a tenses cclicas ou flutuantes muitomenores que as necessrias para causar fratura em uma aplicao esttica de carga. . As falhas que ocorremsob condies de carregamento dinmico do tipo supra citado so denominados de Falhas por Fadiga devido ao fato de que as mesmas geralmente ocorrem aps longo tempo em servio. A fadiga tornou-se umproblema cada vez mais relevante medida que a tecnologia desenvolveu equipamentos tais como turbinas,bombas, compressores, motores, etc., cujos elementos repetidos. Modernamente, cerca de 90% das falhasmecnicas registradas em servio deve-se fadiga do material.

A falha por fadiga so particularmente insidiosas devido ao fato de que ocorrem sem nenhum avisoprvio. A fadiga sempre resulta em uma fratura frgil sem deformaes apreciveis da pea. . Em escalamacroscpica, a superfcie da fratura por fadiga se apresenta geralmente normal direo das tensesprincipais.


62/135

62

A falha por fadiga pode ser facilmente reconhecida pelo aspecto caracterstico da superfciefraturada, a qual apresenta duas regies distintas (Figura 3.4 e Figura 3.5), ou seja, uma regio lisa,resultado da ao friccional da propagao das trincas de fadiga, e uma regio rugosa que corresponde reade fratura dtil Instantnea quando o material no pode suportar estaticamente as tenses aplicadas.Geralmente, o progresso da fratura de fadiga (regio lisa) indicado por uma srie de anis mais ou menosconcntricos em torno do ponto de iniciao da falha. Este ponto de iniciao da falha geralmente coincide

com pontos de concentrao de tenses (cantos vivos, por ex. ), entalhes, incluses, etc.

Figura 3.4 Esquema de uma fratura em eixo

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

Trs fatores bsicos so necessrios para causar uma falha por fadiga:

- Uma tenso mxima de grandeza suficientemente alta

- Uma variao suficientemente grande da tenso aplicada (variao ou flutuao)

- Um nmero suficientemente alto de ciclos da tenso aplicada

Alm destes trs fatores principais, podemos adicionar uma srie de outras variaes tais como:concentrao de tenses, estrutura metalrgica, corroso, temperatura, tipo de carregamento, tensescombinadas, etc., todas incluindo na ocorrncia da falha por fadiga.

Desde que no existe ainda uma explicao satisfatria das causas de fadiga em metais, torna-senecessrio discutir todos estes fatores de um ponto de vista essencialmente emprico.


63/135

63

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

Figura 3.6 Ciclos que ocasionam fadiga

O ciclo senoidal pode ser encontrado em alguns casos prticos de eixos operando a velocidadeconstante sem sobrecargas. Para este tipo de ciclo, as tenses mximas so iguais as tenses mnimas. Afigura (b) mostra o ciclo senoidal com tenso mdia, no qual a tenso mxima diferente da tensomnima devido existncia de uma tenso esttica mdia em torno da qual se define a variao senoidal dastenses. No caso particular da figura (b) as tenses do ciclo so sempre positivas, ou seja, so sempre detrao; podero ocorrer ciclos deste tipo com tenses s de compresso, ou mistos de trao e compresso. Afigura (c) mostra um ciclo de tenses irregulares ou aleatrias, o qual pode ser encontrado em elementostais como ps situadas em locais com instabilidade aerodinmica.

A apresentao bsica de dados tecnolgicos de fadiga feita atravs do Diagrama -N, (ou curvade fadiga) o qual mostra a dependncia da vida de uma amostra do material, em termos do nmero de ciclos

at a falha por fadiga, (N), com a tenso alternativa () do ciclo de tenso aplicado. No diagrama deve estarespecificada a tenso mdia do ciclo. Geralmente, o diagrama - N feito a partir de ciclos com tensomdia nula (vide Figura 3.6-a) obtidos em mquinas de teste de fadiga por flexo rotativa. A Figura 3.7 aseguir ilustra dois diagramas -N tpicos para este tipo de teste, feitos com amostras de ao doce (AISI- 1020normalizado) e de liga de alumnio (2024 T3).

Como pode ser observado na figura, o nmero de ciclos que o metal pode suportar antes de falhar,aumenta com diminuio da tenso aplicada. A menos que seja especificamente indicado, N tomado, comoo nmero de ciclos que causa fratura completa na amostra testada. Normalmente, os testes de fadiga parabaixos valores de tenso so levados a efeito at 107ciclos para materiais ferrosos e at 5x108 ciclos para noferrosos.

Para alguns materiais de importncia tecnolgica, como o ao e o titnio, o diagrama -N torna-se horizontal a partir de um certo valor de tenso. Para tenses abaixo deste valor limitante, que se denominade limite de fadiga(inf) o material poder suportar um nmero infinito de ciclos sem falhar por fadiga.Muitos no ferrosos, como alumnio, magnsio, cobre e suas ligas, apresentam um diagrama -N sempredecrescente com o aumento do nmero de ciclos, ou seja, no apresentam um verdadeiro limite de fadigapois o diagrama nunca chega a ser horizontal.


64/135

64

Figura 3.7 Curva de Fadiga

Nestes casos o limite de fadiga definido para 108ciclos no diagrama -N.

CORROSO

A corroso pode ser considerada como o ataque gradual e contnuo de um metal por parte do meiocircunvizinho que pode ser a atmosfera mais ou menos contaminada das cidades ou um meio qumico,lquido ou gasoso. Como resultado de reaes qumicas entre os metais e elementos no-metlicos contidosnesses meios, tem-se mudana gradual num composto ou em vrios compostos qumicos, que so geralmentexidos ou sais.

Admite-se que a corroso no passa de uma forma de atividade qumica ou, mais precisamente,

eletroqumica. A velocidade do ataque e sua extenso dependem no s da natureza do meio circunvizinho,como igualmente do tipo do metal ou liga sofrendo a ao corrosiva.

Quando um metal no corri, admite-se que se produz alguma reao qumica entre ele e o meio queo circunda, com formao de uma camada fina, a qual adere superfcie metlica e a mantida por forasatmicas. Se, por qualquer motivo, essa camada protetora for destruda momentaneamente, ela serinstantaneamente restabelecida e a leso do metal , por assim dizer, automaticamente sanada.

Geralmente a proteo contra a corroso feita criando-se sobre superfcie do metal uma pelculaprotetora que separa o metal-ba

Documents

37945766 Introducao as Maquinas Termicas Turbinas a Gas e a Vapor