Turbinas a Gás Explicadas (Turbina de Combustão)

O que é uma turbina a gás?

Uma turbina a gás é um tipo de motor de combustão interna que converte a energia química do combustível em potência mecânica. Ela é composta por três componentes principais: o compressor, câmara de combustão e turbina. As aplicações das turbinas a gás são numerosas devido à sua eficiência, custo e confiabilidade. As turbinas a gás também são conhecidas como turbinas de combustão (são a mesma coisa). Uma turbina a gás montada em uma aeronave é chamada de motor a jato.

Turbina a Gás

Nota interessante: As turbinas a gás são chamadas assim porque operam usando gases quentes, não porque queimam gás natural! É possível que as turbinas a gás queimem mais de 30 tipos diferentes de combustível, mas o gás natural é o mais comum.

Princípio Básico de Funcionamento da Turbina a Gás

O processo básico de uma turbina a gás envolve a entrada de ar através de uma entrada de ar e sua passagem pelo compressor, onde é pressurizado (aumentando a pressão e a temperatura). O ar comprimido então passa pela câmara de combustão, onde o combustível é injetado e ignitado com a ajuda de um sistema de ignição. À medida que o calor é liberado durante a combustão, isso faz com que os gases se expandam rapidamente, resultando em gases de escape quentes de alta velocidade saindo da câmara de combustão. Os gases quentes passam por uma turbina, que a faz girar. Essa ação rotativa produz trabalho mecânico que pode ser conectado a vários conjuntos, como eixos de transmissão ou eixos de hélice, etc., para realizar tarefas desejadas. Além de fornecer saída de potência útil, algumas turbinas também são projetadas para outros fins, como alimentar motores de aeronaves.

Veja a próxima seção para uma versão mais detalhada sobre como funciona uma turbina de combustão.

Se você deseja aprender mais sobre tópicos de engenharia de energia, não deixe de conferir nosso Curso de Fundamentos de Engenharia de Energia em Vídeo. Você também pode ter acesso a artigos de engenharia para download (como este) e manuais ao se inscrever em nosso boletim informativo.

Como Funcionam as Turbinas a Gás

Uma turbina a gás é um motor de combustão interna que utiliza um fluxo contínuo de gases para produzir potência mecânica (as turbinas a gás também são conhecidas como motores de combustão de fluxo contínuo devido ao fluxo constante de gases que requerem e produzem). Ela funciona comprimindo o ar, queimando combustível dentro de um espaço de combustão (câmara de combustão) e, em seguida, usando os gases de escape quentes do processo de combustão para girar uma turbina que produz potência mecânica (energia cinética).

As principais partes de uma turbina a gás são o compressor, a câmara de combustão e a turbina. É possível dividir uma turbina a gás aproximadamente em uma seção fria (entrada de ar e compressor) e seção quente (câmara de combustão e turbina). Assim como outros motores de combustão interna, as turbinas a gás utilizam o processo de compressão, ignição, potência, escape; esse processo também é conhecido como aspirar, comprimir, explodir, expulsar!

Partes da Turbina a Gás

Nota interessante: Motores de combustão interna também são chamados de motores IC.

Compressão

O ar é aspirado para dentro da turbina usando um ventilador axial de múltiplos estágios; esse tipo de ventilador usa várias pás de ventilador instaladas em fileiras e dispostas em série. Cada fileira de pás de ventilador é chamada de estágio de pressão porque a pressão do ar aumenta à medida que passa por cada fileira. A seção da carcaça da turbina a gás que abriga o ventilador de múltiplos estágios é chamada de compressor, porque a pressão do ar aumenta à medida que passa por cada estágio de pressão. Turbinas a gás aeroderivativas podem ter taxas de pressão de até 30:1, enquanto turbinas a gás de estrutura pesada têm taxas de pressão de até 18:1. É possível controlar quanto combustível será queimado durante a combustão regulando a pressão do ar fornecida e, consequentemente, quanto oxigênio está disponível para a combustão.

Devido à grande quantidade de potência necessária para acionar o compressor, as turbinas a gás têm uma eficiência típica entre 30-35% (máximo aprox. 40%), embora isso possa ser aumentado para até 60% se o calor residual for recuperado (usinas de energia de ciclo combinado são um bom exemplo disso).

Eficiência da Turbina a Gás com Base na Operação Paralela ou em Série

Ignição

Ar comprimido do compressor entra na câmara de combustão (câmaras de combustão) onde o combustível é injetado e misturado a ele.  O combustível é ignitado por um ignitor, que é semelhante em design a uma vela de ignição. Uma vez ignitado, a mistura ar/combustível entra em combustão e há um grande aumento de temperatura. As temperaturas de descarga da área de combustão variam dependendo do design, mas temperaturas de até 1.600°C (2.900°F) foram alcançadas.

Nota interessante: Uma câmara de combustão também é chamada de queimador, câmara de combustão ou suporte de chama.

Potência (Expansão)

Os gases quentes da combustão são descarregados através de uma pá guia de bico estacionária (NGV) e depois através de fileiras de pás de turbina instaladas em série. Assim como com as pás do compressor, cada fileira de pás da turbina é chamada de 'estágio'. Estágios de pressão individuais são às vezes agrupados em um estágio de baixa pressão e estágio de alta pressão, dependendo de quantos estágios individuais estão presentes.

Uma força é aplicada a cada pá da turbina à medida que os gases quentes passam pela turbina, essas forças combinadas produzem torque que atua sobre um eixo central fazendo-o girar. As velocidades de rotação do eixo variam, mas algumas turbinas podem atingir velocidades de rotação superiores a 20.000 rpm.

Nota interessante: À medida que os gases quentes passam pela turbina, sua pressão e temperatura diminuem; essa parte da turbina é chamada de seção de expansão devido a essa diminuição de pressão.

Escape

Gases de escape quentes são descarregados diretamente na atmosfera ou para outro processo para que o calor possa ser recuperado. Por exemplo, um gerador de vapor de recuperação de calor (HRSG) pode ser instalado diretamente após uma turbina de combustão para recuperar calor dos gases de escape, esse calor pode então ser usado para gerar vapor. A quantidade de calor disponível é significativa, pois as temperaturas dos gases de escape descarregados de uma turbina a gás típica podem chegar a 550°C (1.002°F).

Gerador de Vapor de Recuperação de Calor (HRSG)

Designs de Turbinas a Gás

As turbinas a gás podem ser projetadas para um propósito específico, como gerar empuxo (motores de aeronaves), ou potência mecânica para acionar máquinas como bombas ou geradores (geração de energia elétrica). Turbinas a gás aeroderivativas são utilizadas por aeronaves devido à sua alta potência de empuxo, enquanto turbinas a gás de estrutura pesada são usadas na indústria de geração de energia elétrica.

Turbina a Gás Usada para Geração de Energia

É importante ao construir e operar turbinas a gás que todos os componentes sejam projetados para resistência; por exemplo, as câmaras de combustão devem ser capazes de suportar temperaturas extremas sem que ocorram danos e as pás devem ser feitas de material resistente ao calor, como titânio, para que não superaqueçam durante a operação.

Recursos Adicionais

https://en.wikipedia.org/wiki/Gas_turbine

https://www.ge.com/gas-power/resources/education/what-is-a-gas-turbine

https://www.siemens-energy.com/global/en/offerings/power-generation/gas-turbines.html