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Turbina de reação – turbina Parsons

A turbina de reação é composta por pás móveis ( bicos ) alternando com bicos fixos . Na turbina de reação, o vapor é expandido em bicos fixos e também nos bicos móveis. Em outras palavras, o vapor está se expandindo continuamente à medida que flui sobre as pás. Há perda de pressão e velocidade nas pás móveis. As pás móveis têm um bico de vapor convergente. Portanto, quando o vapor passa pelas lâminas fixas, ele se expande com a diminuição da pressão do vapor e o aumento da energia cinética.

Nas turbinas de reação, o vapor se expande através do bico fixo, onde a energia potencial de pressão é convertida em energia cinética. O vapor de alta velocidade dos bicos fixos afeta as lâminas (bicos), muda de direção e passa por uma expansão maior  . A mudança de direção e a aceleração da equipe s aplicam uma força. O impulso resultante impulsiona as pás para a frente, fazendo com que o rotor gire. Não há mudança líquida na velocidade do vapor no palco, mas com uma diminuição na pressão e na temperatura, refletindo o trabalho realizado no acionamento do rotor. Nesse tipo de turbina, as quedas de pressão ocorrem em vários estágios, porque a queda de pressão em um único estágio é limitada.

A principal característica desse tipo de turbina é que, ao contrário da turbina de acción, a queda de pressão por estágio é menor , de modo que as pás se tornam menores e o número de estágios aumenta . Por outro lado, as turbinas de reação são geralmente mais eficientes, ou seja, têm maior “eficiência da turbina isentrópica” . A turbina de reação foi inventada por Sir Charles Parsons e é conhecida como turbina de Parsons.

No caso de turbinas a vapor, como as que seriam usadas para geração de eletricidade, uma turbina de reação exigiria aproximadamente o dobro do número de linhas de pás como uma turbina de acción, para o mesmo grau de conversão de energia térmica. Embora isso torne a turbina de reação muito mais longa e pesada, a eficiência geral de uma turbina de reação é um pouco maior que a turbina de acción equivalente para a mesma conversão de energia térmica.

As turbinas a vapor modernas freqüentemente empregam reação e impulso na mesma unidade, tipicamente variando o grau de reação e impulso da raiz da lâmina até sua periferia. As pás do rotor são geralmente projetadas como uma lâmina de impulso na podridão e como uma lâmina de reação na ponta.

Composto de velocidade e pressão – turbina Curtis

Os estágios de impulso podem ser compostos por pressão, por velocidade ou por pressão-velocidade . A composição pressão-velocidade é uma combinação dos dois tipos de composição acima. De fato, uma série de estágios de impulso composto por velocidade é chamada de turbina composta por velocidade e pressão. Cada estágio consiste em anéis de lâminas fixas e móveis. Cada conjunto de anéis de lâminas móveis é separado por um único anel de bicos fixos. Em cada estágio, há um anel de bicos fixos e 3-4 anéis de lâminas móveis (com lâminas fixas entre eles). Cada estágio atua como uma turbina de acción composto por velocidade.

O vapor proveniente do gerador de vapor é passado para o primeiro anel de bicos fixos, onde é parcialmente expandido . A pressão diminui parcialmente e a velocidade aumenta correspondentemente. Em seguida, passa pelos 3-4 anéis das pás móveis (com pás fixas entre elas), onde quase toda a sua velocidade é absorvida. Do último anel do estágio, ele se esgota no próximo anel do bico e é novamente parcialmente expandido.

Isso tem a vantagem de permitir uma maior queda de pressão em cada estágio e, consequentemente, menos estágios são necessários, resultando em uma turbina mais curta para uma determinada queda de pressão. Pode-se observar que a pressão é constante durante cada estágio; a turbina é, portanto, uma turbina de acción. O método de composição pressão-velocidade é usado na turbina Curtis .

Composto de pressão – Turbina Rateau – Turbina Zoelly

Um estágio de impulso composto por pressão é uma fileira de bicos fixos seguidos por uma fileira de pás móveis , com vários estágios para composição. Nesse tipo, a queda de pressão total do vapor não ocorre no primeiro anel do bico, mas é dividida entre todos os anéis do bico. O efeito de absorver a queda de pressão em estágios é reduzir a velocidade do vapor que entra nas pás em movimento. O vapor da caldeira é passado através do primeiro anel do bico no qual é expandido apenas parcialmente . Em seguida, passa sobre o primeiro anel da lâmina em movimento, onde quase toda a sua velocidade (momento) é absorvida. Desse anel, ele se esgota no próximo anel do bico e é novamente parcialmente expandido. Esse método de composição de pressão é usado nas turbinas Rateau e Zoelly, mas essas turbinas são maiores e mais volumosas em tamanho.

Composição de turbinas a vapor

A composição de turbinas a vapor é o método pelo qual a energia do vapor é extraída em vários estágios, em vez de um único estágio em uma turbina. Em todas as turbinas, a velocidade da lâmina rotativa é proporcional à velocidade do vapor que passa sobre a lâmina. Se o vapor for expandido apenas em um único estágio, da pressão da caldeira à pressão de exaustão, sua velocidade deverá ser extremamente alta.

Uma turbina a vapor composta possui vários estágios, ou seja, possui mais de um conjunto de bicos e rotores, em série, chaveados no eixo ou fixados na carcaça, de modo que a pressão do vapor ou a velocidade do jato sejam absorvidas pela turbina em número de estágios. Por exemplo, a turbina HP de grande porte usada em usinas nucleares pode ser uma turbina de reação de fluxo duplo com cerca de 10 estágios com pás encobertas. As grandes turbinas de LP usadas em usinas nucleares são geralmente turbinas de reação de fluxo duplo com cerca de 5-8 estágios (com pás encobertas e com pás independentes dos últimos 3 estágios).

Em uma turbina a vapor de impulso, a composição pode ser alcançada das três maneiras a seguir:

• composição de pressão
• composição de velocidade
• composição pressão-velocidade

Tipos de turbinas a vapor

As turbinas a vapor podem ser classificadas em diferentes categorias, dependendo de sua construção, pressão de trabalho, tamanho e muitos outros parâmetros. Mas existem dois tipos básicos de turbinas a vapor:

• turbinas de impulso
• turbinas de reação .

A principal distinção é a maneira pela qual o vapor é expandido à medida que passa pela turbina.

Turbina de impulso e turbina de reação

Os tipos de turbinas a vapor baseadas na geometria da lâmina e no processo de conversão de energia são turbinas de impulso e turbina de reação.

Turbina de impulso

A turbina de acción é composta por pás móveis que se alternam com bicos fixos . Na turbina de acción, o vapor é expandido em bicos fixos e permanece sob pressão constante ao passar sobre as pás. Turbina Curtis , turbina Rateau ou turbina Brown-Curtis são turbinas do tipo impulso. A turbina a vapor original, a De Laval, era uma turbina de acción com uma roda de lâmina única.

Toda a queda de pressão do vapor ocorre apenas nos bicos estacionários. Embora as lâminas de impulso teórico tenham queda de pressão zero nas lâminas móveis, praticamente, para que o fluxo ocorra através das lâminas móveis, deve haver também uma pequena queda de pressão nas lâminas móveis.

Nas turbinas de impulso, o vapor se expande através do bico, onde a maior parte da energia potencial de pressão é convertida em energia cinética. O vapor de alta velocidade dos bicos fixos afeta as pás , muda de direção e , por sua vez, aplica uma força . O impulso resultante impulsiona as pás para a frente, fazendo com que o rotor gire. A principal característica dessas turbinas é que a queda de pressão por estágio único pode ser bastante grande, permitindo pás grandes e um número menor de estágios. Exceto para aplicações de baixa potência, as pás da turbina são dispostas em vários estágios em série, chamadas de composição, o que melhora muito a eficiência em baixas velocidades.

As turbinas a vapor modernas freqüentemente empregam reação e impulso na mesma unidade, tipicamente variando o grau de reação e impulso da raiz da lâmina até sua periferia. As pás do rotor são geralmente projetadas como uma lâmina de impulso na podridão e como uma lâmina de reação na ponta.

Como os estágios de Curtis reduzem significativamente a pressão e a temperatura do fluido para um nível moderado, com uma alta proporção de trabalho por estágio. Um arranjo usual é fornecer no lado de alta pressão um ou mais estágios de Curtis, seguidos de Rateau ou estadiamento da reação. Em geral, quando o atrito é levado em consideração, os estágios de reação são considerados os mais eficientes, seguidos por Rateau e Curtis nessa ordem. As perdas por atrito são significativas para os estágios de Curtis, pois são proporcionais à velocidade do vapor ao quadrado. A razão pela qual as perdas por atrito são menos significativas no estágio da reação está no fato de o vapor se expandir continuamente e, portanto, as velocidades de fluxo serem mais baixas.

Classificação de turbinas – condições de suprimento e exaustão de vapor

As turbinas a vapor podem ser classificadas em diferentes categorias, dependendo da finalidade e das pressões de trabalho . O uso industrial de uma turbina influencia as condições iniciais e finais do vapor. Para qualquer turbina a vapor operar, deve existir uma diferença de pressão entre o suprimento de vapor e o escapamento. Esta classificação inclui:

• Turbina a vapor de condensação ,
• Turbina a vapor de contrapressão ,
• Reaquecer a turbina a vapor ,
• Turbina com Extração a Vapor

Turbina a vapor de condensação

As turbinas a vapor de condensação são mais comumente encontradas em usinas termelétricas. Em uma turbina a vapor de condensação , a quantidade máxima de energia é extraída do vapor, porque há uma diferença de entalpia muito alta entre a inicial (por exemplo,  6MPa; 275 ° C; x = 1 ) e final (por exemplo,  0,008MPa; 41,5 ° C; x = 0,9 ) condições de vapor. Isso é conseguido passando o vapor de exaustão para um condensador (chamado condensador de superfície), que condensa o vapor de exaustão dos estágios de baixa pressão da turbina principal (diminui a temperatura e a pressão do vapor exaurido). O vapor exaurido é condensado passando sobre os tubos que contêm água do sistema de resfriamento.

O objetivo de manter a menor pressão prática de exaustão da turbina é a principal razão para incluir o condensador em uma usina termelétrica. O condensador fornece um vácuo que maximiza a energia extraída do vapor, resultando em um aumento significativo no trabalho líquido e na eficiência térmica. Mas também este parâmetro (pressão do condensador) tem seus limites de engenharia:

• Diminuir a pressão de exaustão da turbina diminui a qualidade do vapor (ou fração de secura). Em algum momento, a expansão deve ser encerrada para evitar danos que podem ser causados ​​às pás da turbina a vapor por vapor de baixa qualidade .
• Diminuir a pressão de exaustão da turbina aumenta significativamente o volume específico de vapor exaurido, o que requer grandes lâminas nas últimas fileiras do estágio de baixa pressão da turbina a vapor.

Em uma turbina a vapor de condensação típica , o vapor exaurido condensa no condensador e está a uma pressão bem abaixo da atmosférica (pressão absoluta de 0,008 MPa, que corresponde a 41,5 ° C). Este vapor está em um estado parcialmente condensado (ponto F), normalmente com uma qualidade próxima a 90%. Observe que a pressão dentro do condensador também depende das condições atmosféricas do ambiente:

• temperatura do ar, pressão e umidade em caso de resfriamento na atmosfera
• temperatura da água e vazão em caso de resfriamento em um rio ou mar

Um aumento na temperatura ambiente causa um aumento proporcional na pressão do vapor exaurido ( ΔT = 14 ° C é geralmente uma constante), portanto, a eficiência térmica do sistema de conversão de energia diminui. Em outras palavras, a produção elétrica de uma usina pode variar de acordo com as condições ambientais , enquanto a energia térmica permanece constante.

A pressão no interior do condensador é determinada pela temperatura do ar ambiente (ou seja, a temperatura da água no sistema de refrigeração) e por ejetores de vapor ou bombas de vácuo , que puxam os gases (não condensáveis) do condensador de superfície e os ejetam para a atmosfera.

A menor pressão viável do condensador é a pressão de saturação correspondente à temperatura ambiente (por exemplo, pressão absoluta de 0,008 MPa, que corresponde a 41,5 ° C ). Observe que sempre há uma diferença de temperatura entre (em torno de ΔT = 14 ° C ) a temperatura do condensador e a temperatura ambiente, que se origina do tamanho finito e da eficiência dos condensadores.

Classificação de turbinas – condições de suprimento e exaustão de vapor

As turbinas a vapor podem ser classificadas em diferentes categorias, dependendo da finalidade e das pressões de trabalho . O uso industrial de uma turbina influencia as condições iniciais e finais do vapor. Para qualquer turbina a vapor operar, deve existir uma diferença de pressão entre o suprimento de vapor e o escapamento.

Esta classificação inclui:

• Turbina a vapor de condensação ,
• Turbina a vapor de contrapressão ,
• Reaquecer a turbina a vapor ,
• Turbina com Extração a Vapor

Turbina a vapor de contrapressão

Turbinas a vapor de contrapressão ou turbinas sem condensação são mais amplamente usadas para aplicações de vapor de processo . O vapor é a principal fonte de energia para muitos processos industriais. A popularidade do vapor do processo como fonte de energia decorre de suas muitas vantagens, que incluem:

• alta capacidade de calor,
• transportabilidade
• baixa toxicidade

O vapor do processo pode ser produzido por turbinas a vapor de contrapressão , o que também gera trabalho mecânico (ou energia elétrica). As turbinas de contrapressão expandem o vapor ativo fornecido pela caldeira à pressão na qual o vapor é necessário para o processo. A pressão de escape é controlada por uma válvula reguladora para atender às necessidades da pressão de vapor do processo. As turbinas de contrapressão são comumente encontradas em refinarias , unidades de aquecimento urbano, fábricas de papel e celulose e instalações de dessalinização, onde são necessárias grandes quantidades de vapor do processo de baixa pressão. A energia elétrica gerada pela turbina de contrapressão é diretamente proporcional à quantidade de vapor do processo necessária.

Classificação de turbinas – condições de suprimento e exaustão de vapor

As turbinas a vapor podem ser classificadas em diferentes categorias, dependendo da finalidade e das pressões de trabalho . O uso industrial de uma turbina influencia as condições iniciais e finais do vapor. Para qualquer turbina a vapor operar, deve existir uma diferença de pressão entre o suprimento de vapor e o escapamento.

Esta classificação inclui:

• Turbina a vapor de condensação ,
• Turbina a vapor de contrapressão ,
• Reaquecer a turbina a vapor ,
• Turbina com Extração a Vapor

Turbina de Extração – Turbina com Extração a Vapor

As turbinas do tipo extração são comuns em todas as aplicações. Em algumas aplicações, quando necessário, o vapor pode ser extraído da turbina antes que o vapor flua através do último estágio, denominado turbina de extração . Como nas turbinas de contrapressão, o vapor extraído pode ser usado para muitos processos industriais ou para melhorar a eficiência do ciclo termodinâmico . O segundo caso é geralmente conhecido como regeneração de calor .

Quase todas as grandes turbinas a vapor usam a regeneração de calor (ou seja, são turbinas de extração), pois reduz a quantidade de combustível que deve ser adicionada à caldeira. A redução no calor adicionado pode ser feita transferindo o calor (vapor parcialmente expandido) de certas seções da turbina a vapor, que normalmente está bem acima da temperatura ambiente, para a água de alimentação. Observe que a maior parte da energia contida no vapor está na forma de calor latente de vaporização . Os fluxos de extração podem ser controlados com uma válvula ou deixados sem controle.

Por exemplo, a maioria das usinas nucleares opera um gerador de turbina de eixo único que consiste em uma turbina HP de vários estágios com 3 ou 4 linhas de extração autorreguláveis e três turbinas LP de vários estágios paralelos com 3 ou 4 extrações autorreguláveis linhas .

Os aquecedores de água de alimentação de alta pressão são geralmente aquecidos por vapor de extração da turbina de alta pressão, HP, enquanto os aquecedores de água de alimentação de baixa pressão são geralmente aquecidos por vapor de extração da turbina de baixa pressão, LP. Ambos são geralmente auto-reguláveis. Isso significa que quanto maior o fluxo de água de alimentação, maior a taxa de absorção de calor do vapor e maior o fluxo de vapor de extração.

Classificação de turbinas – condições de suprimento e exaustão de vapor

As turbinas a vapor podem ser classificadas em diferentes categorias, dependendo da finalidade e das pressões de trabalho . O uso industrial de uma turbina influencia as condições iniciais e finais do vapor. Para qualquer turbina a vapor operar, deve existir uma diferença de pressão entre o suprimento de vapor e o escapamento.

Esta classificação inclui:

• Turbina a vapor de condensação ,
• Turbina a vapor de contrapressão ,
• Reaquecer a turbina a vapor ,
• Turbina com Extração a Vapor

Reaquecer a turbina a vapor

As turbinas de reaquecimento também são usadas quase exclusivamente em usinas termelétricas. Todas as turbinas que possuem turbina de alta pressão e turbinas de baixa pressão usam um reaquecimento a vapor entre esses estágios. O reaquecimento permite fornecer mais calor a uma temperatura próxima ao pico do ciclo (ou seja, a eficiência térmica aumenta). Isso requer a adição de outro tipo de trocador de calor chamado reaquecedor . O uso do reaquecedor envolve a divisão da turbina, ou seja, o uso de uma turbina de vários estágios com um reaquecedor. Observou-se que mais de duas etapas de reaquecimento são desnecessárias, uma vez que a próxima etapa aumenta a eficiência do ciclo apenas pela metade da etapa anterior.

Os estágios de alta e baixa pressão da turbina geralmente estão no mesmo eixo para acionar um gerador comum, mas eles têm casos separados. Com um reaquecedor (MSR) , o fluxo é extraído após uma expansão parcial (ponto D), retorna ao trocador de calor para aquecê-lo até a temperatura de pico (ponto E) e depois passa para o turbina de baixa pressão. A expansão é então concluída na turbina de baixa pressão do ponto E ao ponto F.

O vapor deve ser reaquecido ou superaquecidopara evitar danos que podem ser causados ​​às pás da turbina a vapor por vapor de baixa qualidade. O alto teor de gotículas de água pode causar o rápido impacto e a erosão das pás, que ocorre quando a água condensada é jateada sobre as pás. Para evitar isso, drenos de condensação são instalados na tubulação de vapor que leva à turbina. O reaquecedor aquece o vapor (ponto D) e, em seguida, o vapor é direcionado para o estágio de baixa pressão da turbina a vapor, onde se expande (pontos E a F). O vapor esgotado está a uma pressão bem abaixo da atmosférica e, como pode ser visto na imagem, o vapor está em um estado parcialmente condensado (ponto F), tipicamente com uma qualidade próxima a 90%, mas é uma qualidade de vapor muito maior, do que seria sem reaquecimento. Consequentemente, o superaquecimento também tende a aliviar o problema da baixa qualidade do vapor no escapamento da turbina.

Classificação de turbinas – condições de suprimento e exaustão de vapor

As turbinas a vapor podem ser classificadas em diferentes categorias, dependendo da finalidade e das pressões de trabalho . O uso industrial de uma turbina influencia as condições iniciais e finais do vapor. Para qualquer turbina a vapor operar, deve existir uma diferença de pressão entre o suprimento de vapor e o escapamento.

Esta classificação inclui:

• Turbina a vapor de condensação ,
• Turbina a vapor de contrapressão ,
• Reaquecer a turbina a vapor ,
• Turbina com Extração a Vapor