Alta velocidade, Energia, Mecânica, Temperatura, Termodinâmica

Como funcionam as turbinas a vapor?

Nenhuma usina termelétrica funciona sem as turbinas a vapor, projetadas especificamente para a geração de energia. São o assunto deste post.

Lâminas

As lâminas da turbina têm forma de aerofólio. Para quando o vapor chegar na lâmina, um lado desta terá maior pressão e a lâmina se move.

Uma turbina a vapor tem vários estágios alternados de lâminas fixas e móveis.

Estes estágios são necessários para extrair o máximo de energia do vapor. As lâminas estáticas (estator) aumentam a velocidade do vapor, pois estas lâminas agem como bocais. A temperatura e pressão sempre caem mesmo com o aumento da velocidade devido à conservação de energia.

As lâminas móveis (rotor) podem ser de dois tipos: impulso ou reação. As lâminas de impulso ficam nos primeiros estágios onde a pressão é maior, enquanto as de reação ficam nos últimos estágios.

Estas são diferentes tipos de lâminas usadas nas turbinas a vapor. São feitas de forma que fiquem no melhor ângulo para receber o vapor.

Por que as lâminas dos últimos estágios são maiores? Pois quando a pressão do vapor cai, o volume se expande proporcionalmente. Se todos os estágios fossem do mesmo tamanho, o fluxo de vapor ia ser muito rápido e as turbinas podem se despedaçar.

Turbinas de diferentes pressões

Muitas turbinas a vapor têm dois lados simétricos e o vapor chega no meio do eixo e se distribui igualmente para os dois lados. Qual é a finalidade de ter dois lados simétricos? O fluxo de vapor cria um movimento axial e esta força precisa ser equilibrada por outra força de direção oposta para que o rotor fique na posição certa.

É comum uma termelétrica ter uma turbina de baixa potência (LP), uma de potência intermediária (IP) e outra de alta potência (HP), todas em um mesmo eixo.

Por que é necessário? De acordo com o Teorema de Carnot, uma máquina térmica tem maior eficiência quanto maior for a diferença de temperatura entre a entrada e a saída da máquina.

\eta =1-\frac{Tf}{Tq}

Onde \eta é o rendimento, Tf é a temperatura mais baixa na saída e Tq é a temperatura mais alta na entrada. No entanto, as lâminas têm um limite máximo de temperatura de operação. Depois do primeiro estágio, o vapor vai para uma caldeira para ser reaquecido e depois voltar para as turbinas.

Controle da turbina

Para manter a velocidade do vapor constante são usadas válvulas de controle nos dutos. Um governador eletrônico é usado para controlar as válvulas e consequentemente a velocidade da turbina.

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