Fatos Essenciais Sobre Turbinas a Gás: Definição, Usos e Componentes

A turbina a gás tem sido usada desde 1939 para geração de eletricidade. Hoje, é uma das tecnologias de geração de energia mais amplamente utilizadas. Turbinas a gás são conhecidas como motores de combustão interna (IC) que permitem misturas ar-combustível produzir gases quentes que giram uma turbina para produzir potência. O processo é comum em motores a jato, motores de combustão interna de automóveis, navios, locomotivas, etc.

Hoje você conhecerá a definição, aplicações, função, componentes, diagrama, tipos e princípios de funcionamento de uma turbina a gás. Também conhecerá as vantagens e desvantagens desta turbina a gás.

O que é uma turbina a gás?

Uma turbina a gás é um dispositivo mecânico que transforma a energia química de um combustível, ou seja, gás natural ou combustível similar em energia mecânica. A energia mecânica gerada pelo eixo da turbina é então transferida através de uma caixa de engrenagens para o eixo do gerador. Assim, energia elétrica é gerada. Turbinas a gás não são nomeadas assim por causa do combustível, mas por causa da produção de gás quente durante a combustão do combustível. Diferentes combustíveis incluindo óleos combustíveis, gás natural e combustíveis sintéticos podem ser utilizados. Em seu processo, a combustão ocorre intermitentemente, ou seja, é um processo contínuo.

Uma turbina a gás também é chamada de turbina de combustão e é um tipo de motor de combustão interna contínuo. Seus principais elementos funcionais incluem um compressor de gás rotativo a montante, uma câmara de combustão, uma turbina a jusante no mesmo eixo do compressor. Um componente é frequentemente usado em turbinas a gás para aumentar sua eficiência e converter potência em forma mecânica ou elétrica. Também ajuda a alcançar maior razão empuxo-peso em um motor com pós-combustão.

Além disso, uma turbina a gás pode ser dita um motor de combustão interna que usa gás como seu fluido de trabalho para rotacionar uma turbina. A potência final pode ser usada para acionar um gerador, bomba, hélice, ou no caso de um motor a jato puro de aeronave.

Aplicações de uma turbina a gás

Uma turbina a gás pode ser usada para alimentar aeronaves, trens, navios, geradores elétricos, bombas, compressores de gás, tanques, etc. Agora vamos nos aprofundar nas diversas aplicações de uma turbina a gás.

• Geração de energia elétrica – Além da aviação, indústrias de energia elétrica amplamente fazem uso de turbinas a gás. Embora turbinas a vapor também possam ser usadas.
• Usos industriais
• Propulsão marítima
• Propulsão ferroviária
• Propulsão automotiva

Motores de turbina a gás são usados como usinas de "carga de pico" de médio porte para operar intermitentemente durante curtas durações de alta demanda de energia em um sistema elétrico.

Turbinas a gás são usadas para bombear gás natural através de dutos, onde uma pequena parte do gás bombeado é usada como combustível da turbina.

O processo de refino de petróleo também faz uso deste sistema. Pequenas turbinas a gás portáteis com compressores centrífugos são usadas para operar bombas.

Nota: a função primária de uma turbina a gás é produzir potência mecânica e elétrica.

Componentes de turbina a gás

Abaixo estão os componentes de uma turbina a gás:

Compressor:

O compressor usado como componente de turbina a gás é de diferentes tipos, os anteriores empregavam compressores centrífugos. Seu projeto é relativamente simples e barato. São limitados a baixas razões de pressão e não podem ser comparados com compressores axiais modernos quando se trata de eficiência. Compressores centrífugos ainda são empregados hoje em unidades industriais pequenas.

Câmara de combustão:

Neste sistema, há dois fluxos de ar vindos do compressor. O menor fluxo é alimentado centralmente em uma região onde combustível atomizado é injetado e queimado com uma chama mantida no lugar por uma obstrução geradora de turbulência. O outro fluxo, conhecido como fluxo mais frio, é então alimentado na câmara através de furos junto com um "revestimento de combustão" (uma espécie de casca). Isso ajuda a reduzir a temperatura geral a um nível adequado para a entrada da turbina.

Turbina:

Estes componentes de turbina a gás são normalmente baseados no princípio de reação com os gases quentes expandindo através de até oito estágios. Usa turbinas de um ou dois carretéis. Nesta turbina, carga externa é acionada, parte da expansão ocorre em uma turbina de alta pressão. Esta turbina de alta pressão aciona apenas o compressor enquanto a expansão restante ocorre em uma turbina livre separada conectada à carga.

Controle e partida:

Um motor de turbina a gás acionando um gerador elétrico, a velocidade é requerida para ser controlada e deve ser constante independentemente da carga elétrica. Reduzir o fluxo de combustível neste sistema baixará a temperatura de saída da câmara de combustão. Por causa disso, queda de entalpia disponível para a turbina mesmo que a eficiência da turbina seja ligeiramente reduzida. Controle em motores de turbina a gás de aeronave é mais difícil de controlar.

Outras considerações de projeto:

Com os projetos de motores de turbina a gás modernos, partes funcionais extras podem ser adicionadas para melhorar sua eficiência.

Diagrama de motor de turbina a gás:

Tipos de turbina a gás

Abaixo estão os diversos tipos de turbina a gás existentes:

Turbojato:

Estes tipos de turbinas a gás são menos complexos que todos os motores de turbina de aeronave. Em seu funcionamento, quatro seções são atingidas: compressor, câmara de combustão, seção de turbina e escape. Turbojatos estão disponíveis há décadas, desenvolvidos na Alemanha e Inglaterra antes da Segunda Guerra Mundial. Em tipos de turbina a gás turbojato, o ar é passado em alta taxa de velocidade para a câmara de combustão. Esta câmara permite combustível nela e contém um ignitor. A turbina é acionada por ar em expansão, que empuxo de gases de escape acelerados.

Turboélice:

Em tipos de motores de turbina a gás turboélice, hélices são acionadas através de uma redução de engrenagem, que proporciona desempenho ótimo da hélice em rpm mais lentas. Isso ajuda a alcançar maior eficiência de combustível e desempenho em velocidades aéreas mais lentas, tornando turboélices uma melhor escolha para motores de aeronaves incluindo, pequenas, aeronaves de passageiros, aviões de carga e uso agrícola. Nota, as hélices são menos eficientes à medida que a velocidade da aeronave aumenta, tornando-as adequadas para aviões que não viajam em velocidades mais altas.

Turbofan:

Turbofan é um motor de turbina de aeronave que desvia um fluxo secundário de ar ao redor da câmara de combustão, fazendo empuxo adicional ser criado. Tipos de motores de turbina a gás turbofan são versões modernas encontradas em aviões de transporte de alta velocidade e caças.

Turboeixo (turbojato com pós-combustão):

Estes tipos de motores de turbina a gás são usados predominantemente em jatos de caça. Inclui um pós-combustor em um turbojato central para que parte da energia do escape possa ser usada para girar a turbina. Combustível adicional é injetado no fluxo de escape sempre que o pós-combustor está ligado, produzindo empuxo extra. Isso não produz velocidade adicional para a aeronave e queima mais combustível que aeronaves turbojato tradicionais.

Princípio de funcionamento de turbina a gás

O funcionamento de uma turbina a gás é menos complexo e pode ser facilmente entendido. Opera com admissão, compressão, expansão e ciclo de escape. Normalmente, em qualquer turbina a gás, o ar é comprimido por um compressor e então acionado através de uma câmara de combustão. Combustível é queimado continuamente para processamento de gás de alta temperatura e alta pressão. O gás ar/combustível é queimado (ignorado) e expansão ocorre, portanto, gerando energia rotativa que é usada pelo compressor no estágio precedente. A energia restante é usada por um eixo de saída.

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

https://www.youtube.com/watch?v=t7N1kKz5faM

Em poucos passos, deixe-me explicar como turbinas a gás produzem eletricidade. Bem, passa pelo mesmo processo declarado acima mas ainda precisa esclarecer como a eletricidade é criada. Para que a eletricidade seja gerada, a turbina a gás aquece a mistura ar/combustível em temperaturas muito altas, causando as pás da turbina a girar. A turbina girando aciona um gerador que converte a energia em eletricidade. Turbinas a gás podem ser combinadas com turbinas a vapor, em uma usina de ciclo combinado para gerar energia extremamente eficiente. Fácil, certo! Aqui estão os passos:

• Mistura ar-combustível ignora
• Gás quente gira pás da turbina
• O eixo de acionamento gira junto com as pás
• Rotação da turbina alimenta o gerador
• Ímã do gerador faz elétrons se moverem e cria eletricidade

Vantagens e desvantagens de turbina a gás

Vantagens:

Abaixo estão os benefícios do motor de turbina a gás em suas diversas aplicações:

• A razão potência-peso é muito alta comparada a motores alternativos
• Menor que a maioria dos motores alternativos da mesma classificação de potência
• Menos peças móveis
• Rotação suave do eixo principal
• Menos vibração que motores alternativos
• Calor residual é dissipado quase inteiramente no escape
• Baixas pressões de combustão de pico que motores alternativos
• Baixo custo e consumo de óleo lubrificante
• Variedade de combustíveis pode ser usada para operação
• Aquecimento não é requerido após partida
• O custo inicial é menor
• Requer menos espaço

Desvantagens:

Apesar das boas vantagens de motores de turbina a gás, algumas limitações ainda ocorrem. Abaixo estão as desvantagens de uma turbina a gás em suas diversas aplicações.

• Custo do motor é alto devido a materiais exóticos
• Partida mais longa
• Menos responsivo a mudanças na demanda de potência
• Eficiência inerente é menor

Conclusão

Motores de turbina a gás são amplamente conhecidos para aplicações de aviação, na verdade, os diversos tipos de turbinas listados acima são usados em aviação. Turbina a gás oferece bons benefícios na maioria das situações e usa energia química para seu funcionamento. Este artigo explicou a definição, aplicações, função, componentes, diagrama, tipos e funcionamento de uma turbina a gás. Também discutimos suas vantagens e desvantagens.

Espero que você tenha gostado da leitura. Se gostou, compartilhe com outros estudantes. Obrigado pela leitura, até a próxima!