Turbina

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Impulsor de uma turbina Pelton para usinas hidrelétricas

Uma turbina (do latim turbo , vórtice , do grego τύρβη , tyrbē , " turbulência "), [1] [2] é uma turbomaquinaria adequada para coletar a energia cinética e entalpia de um fluido e transformá-la em energia mecânica .

Teoria e características operacionais

O tipo mais simples de turbina fornece um complexo denominado estágio , formado por uma parte fixa, denominada distribuidor ou estator , e uma parte móvel, impulsor ou rotor . O fluido móvel atua sobre a lâmina da parte do rotor, colocando-a em rotação e, portanto, dando energia mecânica ao rotor .

Os primeiros exemplos de turbinas foram moinhos de vento e rodas d'água .

Uma turbomáquina que vice-versa dá trabalho ao fluxo é chamada de compressor se o fluido processado for um gás ou uma bomba se o fluido processado for um líquido.

Quase todos os tipos de turbinas também possuem uma carcaça , também chamada de estator ou voluta, ao redor da parte do rotor que tem a função de direcionar e controlar o fluxo. Esta parte pode variar muito dependendo das aplicações ou condições de fluxo.

A energia do fluido é disponibilizada graças à rotação do eixo da turbina. Esta energia cinética pode ser calculada com a fórmula matemática , onde m é a massa de líquido batendo na turbina ev a velocidade relativa. O componente normal da velocidade final é inserido na fórmula em um ponto próximo à turbina; o componente tangencial não produz trabalho mecânico nem energia.

No caso das turbinas hidráulicas, a água sofre um aumento de velocidade ao passar ao longo da tubulação, que para efeito do cálculo é um plano inclinado que separa a bacia da turbina. A velocidade inicial do líquido saindo da bacia superior pode ser calculada com a lei de Torricelli . A velocidade final do curso do fluido, com a qual atinge a turbina, é igual a

onde l é o comprimento da comporta e θ é o ângulo de incidência entre a comporta e a turbina. A velocidade é calculada com a fórmula usada para descrever o movimento de um objeto ao longo de um plano inclinado .

A energia cinética do corpo pode, portanto, ser expressa como:

O fluido possui uma energia potencial que durante a queda é convertida em energia cinética de rotação (pelo princípio de conservação de energia), a menos que haja perdas nas tubulações. [ pouco claro ] . A mesma quantidade também é o trabalho útil do fluido: o fluido se move ao longo da tubulação com uma força igual a mg sen θ , movendo-se l metros. O trabalho útil é máximo para θ = 90 °, ou seja, se o fluido puder cair verticalmente.

Para trazer o fluido de volta ao topo do plano inclinado e repetir a queda, é necessário superar a força do peso do fluido com uma força de mg para uma altura igual a H.

Se compararmos o trabalho de "subir" com o da queda do fluido, resulta que:

Na verdade, por definição de mama , é verdade que:

a partir do qual uma verdadeira desigualdade é obtida para cada valor da prevalência.

A potência máxima obtida com uma turbina pode ser calculada com:

, Cadê:

onde P é a potência ( W ), ρ a densidade do fluido (kg / m³), V a vazão volumétrica (m³ / s), g é a aceleração da gravidade (m / s²) e H a cabeça do motor , a diferença de altura entre a bacia superior e a turbina somada às perdas de carga (metros).

Observe que o produto ρV é igual à taxa de fluxo de massa e, portanto, a potência pode ser obtida, por definição de potência, derivando o trabalho útil em relação ao tempo.

O trabalho de uma turbina é uma complicação do trabalho euleriano de uma máquina rotativa.

O trabalho euleriano é o princípio de funcionamento de uma máquina rotativa, e deve ser calculado levando em consideração que quando o observador e o objeto medido se movem em velocidades diferentes, é necessário compor as forças envolvidas com o triângulo de forças.

O observador, como de costume, é estacionário em relação ao rotor e é um sistema de referência integral com a pá (exemplo típico: observador sentado na pá).

Além da velocidade absoluta v , que é a velocidade do fluido atingindo a lâmina, o observador também verá uma velocidade periférica ou de arrasto u = ω r , com uma direção perpendicular a re proporcional à velocidade angular ω (rpm) .

Em outras palavras, o observador não vê a velocidade absoluta v , mas a composição w = u + v e no movimento relativo o trabalho é zero. Ao fixar a origem do sistema de referência (o observador) na lâmina, os dois órgãos se movem juntos de forma integral (na mesma velocidade) e entre os dois não há deslocamento, portanto o trabalho é zero.

A turbina é um sistema aberto que troca massa e energia com o exterior.

Escrevendo a conservação de energia para sistemas abertos em movimento relativo (em relação ao observador), o trabalho é zero e a velocidade absoluta não é visível :

Escrevendo a equação de conservação de energia para sistemas abertos em uma referência absoluta, temos:

Subtraindo membro por membro, obtemos a expressão do trabalho euleriano de uma máquina rotativa:

.

Tipologia e classificação

As turbinas podem ser de diferentes tipos. Em particular, eles podem ser classificados de acordo com:

  • A geometria do fluxo que passa por eles:
  1. Turbina radial , quando o fluxo flui de dentro para fora (ou vice-versa) em relação ao eixo de rotação da turbina.
  2. Turbina axial , quando o fluxo flui ao longo do eixo de rotação da turbina.
  3. Turbina mista , quando o fluxo flui de forma intermediária em relação ao eixo e da direção radial ao eixo da turbina.
  • A natureza do fluido que flui através deles:
  1. Turbinas de fluido incompressíveis , ou seja, turbinas hidráulicas.
  2. Turbinas de fluidos compressíveis , divididas por sua vez em turbinas a vapor e turbinas a gás.
  • A forma de conversão de energia:
  1. Turbinas de fluxo livre ou de ação .
  2. Turbinas de reação ou corrente forçada.
  • A evolução da expansão no diagrama de estado do fluido que passa por eles:
  1. Turbina de condensação , em que o estado final do fluido na saída da turbina está na região de duas fases do diagrama de estado.
  2. Turbina de contrapressão , na qual o estado final do fluido que sai da turbina é monofásico.
  • Seu poder:
  1. Turbina de grande potência .
  2. Turbina de média potência .
  3. Turbina de pequeno porte .
  • Os critérios de construção e, em particular:
  1. O número de estágios: é feita uma distinção entre turbinas de estágio único e de estágio múltiplo.
  2. O número de corpos: distingue-se entre turbinas monocilíndricas ou multicilindros (estas últimas têm corpos de alta, média e baixa pressão).
  3. O número de fluxos de baixa pressão.
  4. O número de linhas de eixo (ou eixos): uma distinção é feita entre turbinas com uma linha de eixo único ( composto em tandem ) e / ou linha de eixo duplo ( composto em cruz ).

Grau de reação

Diagrama explicativo da diferença de operação entre os estágios de ação e reação

O grau de reação pode ser definido como um número que quantifica a energia que resta para ser transformada em relação à energia útil total.

salto útil, expresso em .

velocidade de entrada no impulsor, expressa em .

aceleração da gravidade perto da superfície da terra, igual a 9,81 .

Turbina de ação

A turbina de ação é um tipo de turbina na qual toda a energia potencial proveniente da cabeça útil da planta é transformada em energia cinética no distribuidor. Consequentemente, toda a energia cinética que a água possui na entrada do rotor é transformada em energia mecânica. Um exemplo notável é Pelton .

Turbina de reação

A turbina de reação é um tipo de turbina em que a energia potencial proveniente da queda útil da planta é transformada em energia cinética apenas em uma porcentagem pelo distribuidor, enquanto o restante é deixado para o rotor.

Os mais conhecidos são Francis e Kaplan .

Turbina mista

Este tipo de turbina envolve, na chegada à alta pressão, algum rotor que funciona por ação, seguido, na parte de baixa pressão, por um tambor com palhetas móveis, que constitui uma etapa de reação.

Tipos adicionais de turbinas

Formulários

A turbina pode ser aplicada:

Observação

  1. ^ turbinas , em etymonline.com . turbid , em etymonline.com , Online Etymology Dictionary .
  2. ^ (EN) Henry Liddell e Robert Scott , A Greek-Inglese Lexicon , 1940.

Itens relacionados

Outros projetos

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