AC-723 – MÉTODOS EXPERIMENTAIS PARA TURBINA A GÁS - Prof.(a) Cristiane Martins Instituto Tecnológico de Aeronáutica Divisão de Eng. Aeronáutica / Dept. de Propulsão 07/2010

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Descrição do curso Conceitos básicos de instrumentação e aquisição de dados. Introdução ao ambiente do LabVIEW, características, programação gráfica de fluxo de dados e interfaceamento com instrumentos externos. Ao final do curso, os estudantes poderão criar aplicações para adquirir, processar, mostrar e estocar dados em sistemas reais. Serão capazes de gerar sinais analógicos e digitais para controlar instrumentos externos através de conversores analógicos/digitais utilizando placas específicas.

Voltando no tempo.... Na história de conversão de energia, a turbina a gás é relativamente nova. A primeira turbina utilizada para geração de eletricidade ocorreu em Neuchatel, Suíça, 1939, desenvolvida pela Brown Boveri Company. O primeiro vôo utilizando turbina a gás ocorreu na Alemanha também em 1939, com turbina desenvolvida por Hans P. von Ohain. Paralelamente, Frank Whitte na Inglaterra inventou e desenvolveu turbina para aeronave nos anos de 1930, mas seu primeiro vôo ocorreu somente em 1941.

turbina a gás?? turbojato??turboeixo?? Como a turbina a gás se desenvolveu ao mesmo tempo tanto no campo da aviação quanto para geração de energia existiu uma proliferação de diferentes nomes. Para geração de energia elétrica e aplicações náuticas, são geralmente conhecidas como turbina a gás, motor turboeixo e também motor turbina a gás. Em aplicações aeronáuticas usualmente são conhecidas como motor a jato, e vários outros nomes dependendo da configuração particular ou aplicação, tais como: motor turbina a jato, turbojato, turbofan, turboprop (se com hélice). Atenção: ‘’Turbina a gás’’, um pouco enganoso, não significa que o combustível utilizado seja gasoso. O conjunto compressor-combustor-turbina da turbina a gás (Fig. 1) é comumente denominado gerador de gás.

Revendo conceitos.... Turbina a gás (mostrada ao lado) tem um compressor para comprimir o gás succionado (usualmente ar); um combustor (ou queimador) para adicionar ‘energia’ ao ar pressurizado; e uma turbina para extrair energia proveniente do gás aquecido. A turbina a gás é uma máquina de combustão interna que utiliza processo de combustão contínua. Isto difere do motor a pistão onde a combustão é intermitente. Figura 1: Diagrama esquemático A) motor a jato aeronáutico; B) uma turbina a gás (para uso em terra e em turbohélice)

Figura 2a. Diagrama volume-pressão do ciclo Brayton para uma unidade de massa de fluido de trabalho (ar, por exemplo) mostrando entradas e saídas de trabalho (W) e calor (Q). Figura 2b. Esquema da turbina mostrando pontos relativos ao ciclo Brayton do diagrama da Figura 2a.

TURBINA TÍPICA

STG-700 (29 MW, Siemens) Equivalent Operating Hours (EOH), baseada no tipo de combustível, carga e ciclos. Inspeção com boroscópio é feita a cada 10.000 EOH (turbina estacionária)

Esquema de um motor turboeixo

Experimento A bancada de ensaio de turbina a gás instalada no Laboratório Prof. Feng do ITA possui: Turbina a gás Rover tipo 1S/60 Dinamômetro / Tacômetro (rpm) Balança; Medidores de pressão e temperatura;

Descrição do equipamento A unidade utilizada é típica de uma pequena turbina a gás, tipos que geram entre 25kW e 200KW. Esta foi projetada com um radial (centrífugo) compressor e uma turbina axial de simples estágio: ambas as unidades estão montadas em um eixo diretriz único. A saída da unidade de energia é absorvida em um dinamômetro hidráulico padrão “Heenan & Froude”. A velocidade de eixo da unidade é automaticamente controlada através da regulagem de fornecimento de combustível. O sistema é projetado para rodar em velocidade fixa de 46000 rpm no eixo da turbina. Engrenagens de redução conduzem a velocidades de 3000 ou menores, sendo o eixo de saída acoplado a um dinamômetro para que se consiga um leque de operações.

1 Objetivos do Teste Examinar e explicar as funções de vários componentes da turbina a gás operando em ciclo aberto Obter o desempenho sobre faixa de carga completa Avaliar a performance e característica de resposta de turbina a gás estacionária e comparar resultados experimentais com ciclo teórico de ar

TURBINA A GÁS ROVER – MOTOR TIPO 1S/60 História Construída no final dos anos 1950. Proposta como alternativa para motores a pistão Desenvolvida para uso Automotivo Comercial Educacional

Características Operacionais Especificação Rover 1S60 Saída...................................................……......60 Bhp RPM..................................................................46,000 Compressor.....…............…...................Impelidor Centrifugo Câmara de Combustão.......................Fluxo Reverso Simples Turbina...............................................…...Fluxo Axial Layout.....................Eixo único com engrenagem de redução Ignição............…........... …….Plug Ignitor de Alta Energia Partida...............…...………………………...Elétrica Lubrificação......................…………Reservatório Resfriado Sistema Combustível...................……..Bomba Pistão http://www.gasturbine.pwp.blueyonder.co.uk

Aplicações Rover 1S/60 Didático Gerador Rover Airborne Auxiliary Power Plant (Vulcan B2) Source: http://www.gasturbine.pwp.blueyonder.co.uk

Rover 1S/60

Rover 1S/60 0 – garganta do medidor de ar 1 entrada do compressor; 2 saída do compressor; 3 dentro da câmara de combustão; 4 bocal de entrada da turbina; 6 saída da turbina (imediatamente após as lâminas do rotor); 7 escapamento (saída do motor).

Rover 1S/60 e Dinamômetro Source: www.dictionary.com

A trombeta fantasiosa é a entrada de ar A trombeta fantasiosa é a entrada de ar. O compressor é centrífugo de simples estágio. O ar pressurizado é conduzido para câmara de combustão. Os gases de exaustão quentes passam para a turbina montada em um eixo simples. O eixo comanda o compressor e também uma carga externa via redução de engrenagens.

Rover 1S/60

Rover 1S/60 – Parte 1 – entrada de ar

Rover 1S/60– Parte 2 – Compressor A turbina Rover 1S/60 possui um compressor centrifugo de um estagio com uma razão de pressão nominal de 2,8:1 e um fluxo mássico de ar de cerca de 0,83Kg/s

Difusor A função do difusor é reduzir a velocidade do ar de entrada da câmara de combustão para um valor no qual a perda de pressão seja aceitável mas também para recuperar tanto quanto seja possível a pressão dinâmica, assim como tornar o fluxo no liner estável e homogêneo.

Rotor – parte fixa Impelidor Rover 1S60 Rotor Notar que as pás de um compressor centrífugo são inicialmente curvadas de forma que o escoamento entre suavemente no impelidor. A velocidade total na saída do impelidor á a soma vetorial da velocidade com que o escoamento entra no compressor com a velocidade tangencial da ponta do impelidor (u), descontadas as perdas devido o atrito. Impelidor Rover 1S60 Rotor

Rover 1S/60– Parte 3 – Combustor Outer Casing A chama (reação de combustão) está confinada ao interior de um revestimento metálico (metal liner) perfurado que se encontra montado dentro da armação exterior (outer casing). O escoamento do ar entre a armação exterior e o revestimento metálico, mantém o metal dentro de temperaturas consideradas aceitáveis Metal liner

Rover 1S/60– Parte 3 – Combustor (cont) Distribuições típicas do escoamento de ar, nas zonas primária e de diluição.

Rover 1S/60– Parte 3 – Combustor (cont)

Rover 1S/60– Parte 4 – Turbina

Rover 1S/60 – Parte 5 - Eixo

Rover 1S/60 – Parte 6 – Duto de Exaustão

O ar sobe após o compressor, reverte sua direção e ingressa na câmara de combustão, tanto na zona primária quanto na secundária. Após a combustão, o escoamento passa pela turbina, gerando potência, e segue diretamente para o duto de exaustão. Caminho superior do ar ate a entrada do exaustor No caminho inferior, o ar proveniente do compressor sofre uma sangria, para o caso da necessidade de se acionar de forma pneumática algum equipamento que não esteja acoplado ao eixo da turbina, e segue diretamente para o canal de exaustão. Caminho inferior do ar até a entrada do exaustor

LAB 1 – Montagem Lab montar a turbina.

Relatório deverá ser entregue por email: cmartins@ita.br 21/07/10

Relatório _ Parte 1 Parte 1. Detalhar parte da turbina (Rover Gas Turbine 1S/60) Sistema de Entrada de Ar Partida da Unidade Compressor Câmara de Combustão Turbina Exaustão

Aplicações da Turbina a Gás Figure 3. Turbina a gás utilizada para produção de energia elétrica e acionadores mecânicos. Esta é máquina é uma General Electric LM5000 com comprimento de 6.2 m e peso de 12500 kg. Produz máxima potência de eixo de 55.2 MW (74,000 hp) a 3,600 rpm com injeção de vapor. Figura 2. Um moderno motor a jato utilizado na aeronave Boeing 777. Este é um turbofan modelo PW4084 da Pratt & Whitney o qual pode produzir 374 kN de empuxo.Possui diâmetro frontal de 2.8 metros, comprimento de 4.87 m e peso de 6804 kg. Nesta figura a tubeira está desconectada.

Turbina – aplicação!!

turbina a gás x motor a pistão Turbinas automotivas??? turbina a gás x motor a pistão A máquina tem que ser leve, compacta, confiável, fácil manutenção e no aspecto custo, competitiva com as atuais. Turbina automotiva desafio: consumo de combustível, melhora de eficiência de compressor, regenerador, secção da turbina, componentes devem ser pequenos e altamente eficientes, ruído tem que ser tolerável, tempo de aceleração tem que ser razoável (lentidão na resposta). Carro turbina a gas, Chrysler, 1977

Curiosidade.... Starley e Sutton fabricavam bicicletas. Rover foi a denominação de um modelo de bicicleta (muito mais seguro) que desenvolveram em contrapartida a outro modelos de bicicletas fabricados naqueles dias. Construíram protótipos de chassis de Jipe culminando com a Land-Rover lançada em 1948. Modelo ‘’American safety’’ Modelo Rover Rover experimentou turbina a gás em carros de corrida em 1963 e 1965.