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Uma pequena revisão

Existe diversos tipos de turbinas:

Você provavelmente já ouviu falar sobre turbinas à vapor . Muitas usinas usam carvão, gás natural, óleo ou um reator nuclear para gerar vapor. O vapor percorre através de uma enorme e bem projetada turbina de múltiplos estágios para girar seu rotor que acionará o gerador da usina.

Usinas hidrelétricas usam turbinas hidráulica da mesma maneira para gerar energia. As turbinas usadas nas usinas hidrelétricas são completamente diferentes das turbinas à vapor porque a água é muito mais densa(e move-se mais lemtamente) que o vapor,mas o princípio de funcionamento é o mesmo.

Turbinas eólicas, também conhecidas como usinas de vento, usa o vento como força motriz. Uma turbina eólica não se parece em nada com uma turbina à vapor ou uma turbina hidráulica porque o vento move-se lentamente e é muito leve, mas novamente o princípio de funcionamento é o mesmo.

Uma turbina à gás é uma extensão do mesmo conceito. Em uma turbina à gás é o gás pressurizado que gira a turbina. Em todas as turbinas à gás modernas, é a própria turbina que produz seu gás pressurizado, isto é feito através da queima de algo como propano, gás natural, querosene ou combustível de jato. O aquecimento proveniente da queima do combustível expande o ar, e a alta velocidade deste gás quente gira a turbina.

A figura abaixo mostra a turbina a gás de fabricação da Mitsubishi Heavy Industries modelo M501G/M701G.

Gas Turbine

Vantagens e desvantagens das turbinas à gás

Porque o Tanque de Guerra M-1 usa uma turbina à gás de 1.500 horsepower ao invés de um motor à diesel ? Há duas grandes vantagens:

Turbinas a gás possuem uma ótima relação peso - potência se comparado a acionamentos semelhantes. Isto quer dizer que a força fornecida pela máquina comparando-se ao peso da própria máquina é muito boa.
Turbinas a gás são menores se compararmos máquinas semelhantes e de potência igual.

A principal desvantagem das turbinas a gás é que, comparando-se com máquinas de mesmo tamanho, elas são muito caras. Elas giram a velocidades tão altas e também com altas temperaturas , que projetar e construir turbinas à gás é um grande problema tanto pelo lado da engenharia quanto pelo lado da resistência dos materiais. Turbinas a gás também tendem a usar mais combustível quando elas estão ociosas, então conclui-se que elas preferem uma carga constante à uma carga flutuante. isto faz uma turbina a gás uma ótima solução para jatos e usinas termelétricas, mas explica porque nós não temos uma embaixo do capô do nosso carro.

Como uma turbina a gás funciona

Uma turbina a gás é, teóricamente, extremamente simples. Elas possuem 3 partes:

Um compressor para comprimir o ar que entra a alta pressão.
Uma área de combustão para queimar o combustível e produzir gás com alta pressão e alta velocidade.
Uma turbina para extrair a energia da alta pressão e alta velocidade do gás que flui da câmara de combustão.

A figura seguinte mostra o layout comum de uma turbina à gás de fluxo axial - é o tipo de motor que você encontra acionando um helicoptero, por exemplo:

Nesta turbina a gás o ar é succionado diretamente pelo compressor. O compressor é basicamente um cone moldado com pequenas palhetas de ventilador soldadas em filas (8 filas de palhetas são representadas aqui). Assumindo que a área pintada de azul claro representa ar à pressão ambiente , então o ar é forçado através dos estágios de comressão e sua pressão sobe significantemente. Em algumas turbinas à gás a pressão do ar pode subir até um fator de 30. O ar à alta pressão vindo do compressor é mostrado em azul escuro.

Este ar à alta pressão então entra na área de combustão, onde um anél de injetores de combustível injeta o fluxo de combustível. O combustível geralmente é querosene, combustível de avião, propano, ou gás natural. Se você pensar sobre como é fácil apagar uma vela, então você pode ver como é difícil projetar a área de combustão - entra nesta área, ar à alta pressão, e movendo-se a centenas de kilômetros por hora. Você quer manter uma chama queimando continuamente neste ambiente. A peça que soluciona este problema é chamada de "flame holder", ou somente de "can" (lata). A "can" é uma peça de metal cilindrica, perfuradal (como mostrada a seguir em um corte transversal):

Os injetores estão à direita. O ar comprimido entra através das perfurações. A exaustão dos gases é feita pela esquerda. Você pode ver na figura anterior que um segundo conjunto de cilindros envolvem interna e externamente as perfurações da "can", empurrando o ar comprimido através das perfurações.

À esquerda está a seção da turbina. Nesta figura há dois conjuntos de turbinas. O primeiro conjunto aciona o compressor. As turbinas, o guia e o compressor estão montados no mesmo eixo, como uma só unidade:

No final do eixo, à esquerda, está montado o último estágio da turbina, mostrado aqui como um jogo único de palhetas. Isto aciona o guia de saída. O último estágio da turbina e o guia de saída são completamente independentes, apesar de estar montadas no mesmo eixo. Eles giram livremente sem nenhuma conexão com o resto da máquina. O que é surpreendente em uma turbina à gás é que é a energia contida nos gases quentes que passam pelas palhetas que produzem toda a potência.

No caso da turbina usada em um tanque de guerra ou em uma usina termelétrica, não há nada o que se fazer com os gases exauridos além de direcioná-los para um tubo de escape, como mostrado. Às vezes os gaes da exaustão são direcionados para algum tipo de trocalor de calor para utilizar o calor para algum propósito ou para preaquecer o ar antes de entrar na câmara de combustão.

O objetivo aqui foi simplificar ao máximo. Por exemplo, nós não comentamos sobre rolamentos , sistemas de lubrificação, estruturas internas e outras mais. Todas estas áreas tornam maior o problema de engenharia porque as temperaturas, pressões e velocidades de rotação são tremendamente altas.

Resumo da teoria de turbina a gás

Uma turbina a gás simples é composta de tres seções principais: um compressor, um combustor, e uma turbina de força. A turbina a gàs funciona pelo principio do ciclo de Brayton, onde o ar comprimido é misturado com o combustível e queimado sobre condições de pressão constante. O gás quente resultante expande-se por uma turbina para executar trabalho. Em uma turbina a gás com 33% de eficiência, aproximadamente dois / terços deste trabalho é gasto na compressão do ar, o resto é disponibilizado para outro tipo de trabalho (acionamento mecânico, geração de eletricidade).

Existem variações deste tipo simples:

Uma das variações deste ciclo básico é a adição de um regenerador (trocador de calor). Uma turbina a gás com um regenerador recapturando parte da energia que é perdida na exaustão dos gases da combustão, pré-aquecendo o ar que está entrando no combustor. Este ciclo é tipicamente usado em turbinas de baixa pressão.

Turbina que usa este ciclo é a: Solar Centaur / 3500 hp class
up to the General Electric Frame 5

Turbinas a gás de alta pressão podem usar intercooler para resfriar o ar entre os estágios de compressão, permitindo-a queimar mais combustível e gerar mais força. Lembre-se, o fator de limitação de entrada de combustível é a temperatura do gás quente produzido, por causa da estrutura metalúrgica do primeiro estágio de palhetas e do rotor da turbina. Com o avanço da tecnologia de materiais este limite físico está sempre diminuindo.

Turbina que usa este ciclo: General Electric LM1600 / Marine version

Turbina à gás empregando reaquecedor:

Uma Turbina Intercoolada & Recuperação

The WR-21 Project

Outras variações

Muitos jatos usam o que conhecemos como turbinas turbofan, que não é nada mais que uma turbina a gás combinada com um grande ventilador na frente da máquina. Aqui está o (altamente simplicado) layout de uma turbina turbofan:

Você pode ver que o interior de uma turbina Turbofan é igual a de uma turbina a gás normal como descrito na seção anterior . A diferença é que após o último estágio da turbina de força existe conjuntos de eixos que acionam o ventilador na frente da máquina (mostrado em vermelho na figura). Estes múltiplos eixos concêntricos são soldados e são extremamente comuns em turbinas a gás. Na maioria das turbofans, de fato, existe a possibilidade de existir dois estágios de compressão completamente separados das turbinas, junto com o ventilador da turbina como mostrado na figura acima. Todos os eixos são acionados um dentro do outro concentricamente.

O propósito do ventilador é aumentar dramaticamente a quantidade de ar que move-se pela máquina, e então aumentar o arraste da máquina. Quando você olhar para uma turbina de avião em um aeroporto, o que ver é o ventilador na parte frontal da turbina a gás. São enormes (da ordem de 10 pés de diâmetro em grandes jatos), assim pode mover muito mais ar. O ar movimentado pelos ventiladores é chamado de "bypass air" (mostrado em púrpura na figura acima) porque ele desvia de uma parte da turbina da máquina e move-se diretamente para a parte traseira a altas velocidades fornece o arraste.

Um turbopropulsor é similar a uma turbofan, mas ao invés de um ventilador há um propulsor convencional à frente da máquina. O eixo de saída conecta-se a uma caixa de engrenagem para reduzir a velocidade, e a saída da caixa de engrenagem gira o propulsor.