Entendendo Turbinas: Fatos Essenciais, Aplicações e Funcionamento

Pensando em como um fluido de trabalho é convertido em energia mecânica útil e/ou energia elétrica, você deve pensar em uma turbina. É conhecida como uma turbomáquina que contém uma parte móvel chamada conjunto do rotor. O dispositivo tem vasta aplicação, incluindo automóveis, aeroespacial, gerador elétrico, motor de turbina a gás, etc.

Hoje você conhecerá a definição, aplicações, funções, componentes, classificações, tipos, funcionamento, e vantagens e desvantagens de uma turbina.

O que é uma turbina?

Uma turbina é um dispositivo mecânico rotativo que extrai energia de um fluxo de fluido e a converte em energia mecânica e elétrica útil. Isso significa que o trabalho produzido por uma turbina pode ser usado para gerar energia elétrica quando combinada com um gerador.

No sistema, há um conjunto de pás montadas em um rotor que extrai energia do fluido em movimento. Então, turbinas podem ser mais eficientes e eficazes umas que as outras, já que existem diferentes tipos. Bem, o design de uma pá de turbina tem muito a dizer sobre sua eficiência. É por isso que diferentes aplicações precisam de designs diferentes.

Além disso, uma turbina também pode ser vista como um dispositivo que aproveita a energia cinética de um fluido como ar, água, vapor e até gases de combustão. A energia criada é então transformada no movimento rotacional do próprio dispositivo, que é usado para geração de energia.

A palavra turbina foi introduzida em 1822 por um engenheiro de mineração francês, Claude Burdin. Em uma palavra grega, significa "vórtice" ou "redemoinho". O crédito pela invenção da turbina a vapor é dado ao engenheiro anglo-irlandês Sir Charles Parsons (1854 – 1931) por criar uma turbina de reação. De 1845 – 1913, o engenheiro sueco Gustaf de Laval inventou a turbina de impulso. Hoje em dia, uma turbina a vapor é projetada para usar tanto reação quanto impulso na mesma unidade, tipicamente variando o grau de reação e impulso da raiz da pá até sua periferia.

Aplicações de turbina

Aplicações de turbinas são amplamente usadas na geração de energia elétrica. De fato, uma grande proporção da energia elétrica mundial é gerada por turbo geradores.

Turbinas são usadas em motores de turbina a gás em terra, mar e ar.

Motores de pistão de combustão interna usam turbocompressores para aumentar eficiência e velocidade do motor.

Turboexpansores são usados para refrigeração em processos industriais.

Os motores principais do ônibus espacial usavam turbobombas (uma máquina que consiste em uma bomba acionada por motor de turbina) para alimentar os propelentes (oxigênio líquido e hidrogênio líquido) na câmara de combustão do motor.

Aplicações de turbinas também são comuns em motores térmicos devido à sua alta eficiência em alta potência. Turbinas a gás são frequentemente usadas em motores térmicos por causa de sua flexibilidade.

Uma das aplicações específicas de turbinas a gás é em motores a jato.

Turbinas eólicas que operam transformando energia cinética do vento em potência mecânica são usadas para gerar eletricidade girando um gerador. A turbina pode ser terrestre ou turbinas eólicas offshore.

Turbinas hidráulicas são usadas em usinas hidrelétricas. Usam água como fluido de trabalho. Finalmente,

Turbinas a vapor são usadas em usinas nucleares e termelétricas. A água é aquecida para formar vapor e então fluída através de turbinas para produzir eletricidade.

Nota: a função principal de uma turbina é geração de energia.

Componentes de turbina

Como existem diferentes tipos de turbinas, seus componentes variam. Por exemplo, uma turbina Kaplan usa um gerador que consiste de partida, rotor, eixo, comporta de entrada e pás. Uma turbina de fluxo cruzado, que é uma turbina de impulso modificada, tem seus componentes como rotor, pás, parte de fluxo de água e distribuidor. Finalmente, componentes de turbina Pelton incluem impulsor (rotor), bico, lança, haste da lança, entrada, placa defletora, cubas e descarga. Todas estas partes de turbina serão explicadas abaixo junto com seus diagramas. Continue comigo!

Diagrama de turbina hidrelétrica:

Classificações e tipos de turbinas

Os seguintes itens abaixo são as classificações da turbina usadas para determinar seus tipos.

Classificações baseadas na troca de energia entre a água e a máquina.

É como o fluxo de fluido reage nas pás da turbina, causando turbinas hidráulicas. Pode ser classificado em dois: impulso e reação.

Turbinas de impulso:

Turbina de impulso é conhecida por sua roda ser impulsionada pela energia cinética de um fluido que atinge as pás da turbina através de um bico ou de outra forma. Nestes tipos de turbinas, um conjunto de máquinas rotativas é operado por pressão atmosférica. Turbinas de impulso são adequadas para alta queda e baixas vazões.

Os três tipos de turbinas de impulso são Pelton, Turgo e Fluxo Cruzado. Embora turbinas Pelton e Turgo sejam semelhantes em construção. No entanto, a turbina de fluxo cruzado é um tipo modificado de turbina de impulso, mas é apenas classificada como impulso. Isso se deve à rotação do rotor à pressão atmosférica.

Turbinas de reação:

Tipos de turbinas de reação operam devido à soma de energia potencial e energia cinética da água. Isso é devido à pressão e velocidade, respectivamente, causam as pás da turbina a girar. A turbina inteira é imersa em água nestes tipos de turbinas. Mudança na pressão da água junto com a energia cinética da água causando troca de potência. Aplicações destas turbinas são geralmente em quedas menores e vazões maiores que turbinas de impulso. Os tipos comuns de turbinas de reação são Francis, Kaplan e Deriaz.

Baseado no fluido diretamente através da máquina

Classificações de tipos de turbinas baseadas no fluido diretamente através da máquina são a passagem de água através da turbina. É dividida em quatro categorias:

Turbina de fluxo radial:

Em tipos de turbinas de fluxo radial, o fluxo no rotor move-se radialmente. Esta turbina é dividida em dois tipos: fluxo radial interno e fluxo radial externo. Turbinas Francis são bons exemplos de turbinas de fluxo radial.

Turbina de fluxo radial interno – a água entra na carenagem da turbina através de uma tubulação de alimentação, e viaja através das aletas guia fixas para o rotor, e sai dali. Portanto, os diâmetros interno e externo são a saída e a entrada, respectivamente.

Turbina de fluxo tangencial ou periférico:

Nestes tipos de turbinas, a água flui em direção tangencial ao rotor. Turbinas Pelton se enquadram nesta categoria.

Turbina de fluxo axial:

O fluido flui paralelo ao eixo da turbina (eixo da turbina) nestes tipos de turbinas. Kaplan é um tipo.

Turbinas de fluxo misto:

Nesta turbina, o fluxo entra radialmente e sai axialmente. Turbinas Francis modernas são conhecidas por esta característica.

Diferentes tipos de turbinas baseados na faixa de operação hidráulica.

Estes tipos de turbinas hidráulicas são de três categorias:

Turbina de baixa queda:

Quando uma turbina hidráulica operando na faixa de queda inferior a 45 metros é classificada como baixa queda. Turbina Kaplan é um destes tipos. Se a queda for menor que 3 metros, é considerada ultra-baixa queda.

Turbina de queda média:

Neste tipo, a faixa de trabalho para quedas de 45 a 250 metros é considerada como quedas médias. Turbinas Francis operam em tais condições.

Turbinas de alta queda:

Estas turbinas têm quedas superiores a 250 metros. A turbina Pelton é um bom exemplo.

Classificações e tipos de turbinas baseados na velocidade específica

A velocidade específica de uma turbina é denotada por N_s. é definida como a velocidade de uma turbina com similaridade geométrica que gera uma unidade de potência sob uma unidade de queda. Baseado neste parâmetro, turbinas hidráulicas são classificadas em três classes:

Turbina de baixa velocidade específica:

Uma turbina de baixa velocidade específica tem valor entre 1 e 10. Tipos de turbinas de impulso operam nesta faixa. Por exemplo, a turbina Pelton geralmente opera em velocidade específica de 4.

Turbina de velocidade específica média:

Estes tipos de turbinas operam em faixa de velocidade específica de 10 a 100. O tipo Francis trabalha nesta proporção.

Turbina de alta velocidade específica:

As altas velocidades específicas são acima de 100, que é como a turbina Kaplan funciona.

Funcionamento de uma turbina

O funcionamento de uma turbina é bastante simples e fácil de entender. Embora seu funcionamento possa ser diferente dependendo dos tipos de turbina. Neste artigo, explicarei turbinas a gás.

Em uma turbina a gás, ar comprimido é aquecido e misturado com algum combustível. A mistura inflama e passa por expansão rápida. Este ar em expansão entra na turbina fazendo-a girar. Devido ao ar comprimido, altas altitudes não afetam a eficiência das turbinas. É por isso que são perfeitas para aviões. Veja diagrama abaixo:

Assista ao vídeo abaixo para saber mais sobre o funcionamento de turbinas a gás:

Conclusão

Turbinas foram explicadas como dispositivo mecânico rotativo que extrai energia de um fluido de trabalho que é convertido em energia útil. Isso é tudo para um post onde demos a definição, aplicações, função, componentes, diagrama, tipos e funcionamento de uma turbina.

Espero que tenha obtido muito deste post; se sim, compartilhe com outros estudantes. Obrigado por ler. Até a próxima!