Uma turbina a gás , ou mais exatamente turbina de combustão (TAC) é uma máquina termodinâmica rotativa pertencente à família dos motores de combustão interna .
Essa turbina é usada para produzir trabalho , pelo acionamento rotativo de um eixo próprio acoplado a uma máquina industrial ou a uma hélice ( helicóptero ou propfan , por exemplo), ou uma propulsão , por expansão dos gases na saída da turbina em um bico , como em um motor a jato .
Como a maioria dos motores térmicos , sejam eles terrestres, marítimos ou aéreos, uma turbina a gás usa o oxigênio do ar ambiente como um oxidante . Submete a mistura de gases a transformações em três fases sucessivas:
A energia cinética da turbina é então convertida em trabalho, fazendo com que seu eixo gire rapidamente e produzindo energia mecânica utilizável (como em um turboeixo ou turboélice ).
O nome francês "turbina a gás " pode ser confuso. Com efeito, este tipo de aparelho pode utilizar qualquer combustível gasoso ( gás natural , butano , propano , coque de forno a gás , etc ), ou o combustível líquido, a partir da mais volátil ( nafta , álcool , passando através de querosene ou doméstico de óleo combustível ), a combustíveis mais viscosos ( óleos combustíveis pesados ou residuais e até petróleo bruto ). O nome turbina de combustão evita essa ambigüidade.
A denominação "turbina a gás" refere-se ao caráter gasoso ( gás em inglês) da mistura combustível-oxidante entrando na combustão, em oposição às turbinas a vapor , nas quais o fluido de acionamento ( vapor de água , vapor em inglês) se condensa em líquido .
O turbojato é composto de uma turbina de combustão particular que usa o princípio da reação para impulsionar certos tipos de aeronaves na faixa subsônica ou supersônica .
A turbina de combustão é uma máquina térmica que realiza as diferentes fases do seu ciclo termodinâmico em uma sucessão de órgãos atravessados por um fluido motor gasoso em fluxo contínuo. Esta é uma diferença fundamental em relação aos motores a pistão , que realizam uma sucessão temporal de fases no mesmo órgão (geralmente um cilindro).
Em sua forma mais simples, a turbina de combustão opera de acordo com o chamado ciclo de Joule , compreendendo sucessiva e esquematicamente:
A eficiência é a relação entre o trabalho útil (trabalho de expansão menos trabalho de compressão) e o calor fornecido pela fonte quente. A eficiência teórica aumenta com a taxa de compressão e a temperatura de combustão . É superior ao do ciclo Diesel porque sua expansão não é encurtada e, se o duto de exaustão for bem projetado, permite recuperar uma parte não desprezível da energia cinética dos gases quentes que saem das pás da turbina.
A turbina de combustão é mais frequentemente de ciclo aberto e combustão interna. Neste caso, a fase de resfriamento é externa à máquina e ocorre por mistura com a atmosfera. A turbina de combustão também pode ser de ciclo fechado e de combustão externa. O aquecimento e o resfriamento são fornecidos por trocadores de calor . Este arranjo mais complexo permite o uso de gases específicos ou trabalhar com uma baixa pressão diferente da ambiente.
O ciclo básico descrito acima pode ser melhorado por vários órgãos complementares:
As duas últimas disposições pretendem tender para transformações isotérmicas em vez de adiabáticas e justificam-se sobretudo em máquinas com elevada taxa de compressão . Os três dispositivos podem estar presentes independentemente ou simultaneamente. Neste caso, encontramos o ciclo de Ericsson que, como o ciclo de Stirling , possui uma eficiência teórica igual à eficiência máxima do ciclo de Carnot . Esta superioridade teórica sobre os ciclos Otto e Diesel é, no entanto, contrabalançada pela impossibilidade prática de realizar transformações isotérmicas. Em todos os casos, esses dispositivos são reservados para instalações estacionárias devido ao tamanho e peso dos trocadores gás / gás.
Consulte a imagem ao lado.
Para a partida, um motor de partida (" M ") é usado que atua como uma partida; em certas configurações, é o próprio alternador do gerador que funciona como motor durante a fase de arranque.
A potência pode ser ajustada atuando na vazão de ar na entrada e na injeção de combustível. Só é possível ajustar a velocidade de rotação se o componente acionado permitir. Na verdade, no caso de um alternador conectado a uma rede elétrica em uma frequência fixa (por exemplo, 50 ou 60 Hz ), essa frequência impõe uma velocidade que também é fixa: o fluxo de combustível é então ajustado pelo sistema de regulação para produzir l energia demandada pela rede elétrica.
Em algumas máquinas, principalmente máquinas pesadas modernas , a carga é acionada pelo eixo do lado do compressor, o que permite colocar um difusor muito eficiente em linha na saída dos gases quentes antes de enviá-los para a chaminé ou para o caldeira recuperação. Isso também permite reduzir bastante os problemas de alinhamento relativo da turbina e da carga entre o estado frio e o estado quente do grupo.
Para funcionar, o conjunto compressor-turbina descrito acima precisa de componentes auxiliares, como os sistemas de partida e rotação , Bombas de óleo de lubrificação, bombas de óleo de alta pressão de regulação, bombas de elevação de mancal e bombas giratórias, caixa de engrenagens auxiliares, ar atomizado compressor, bombas de água de resfriamento, óleo de atomização e refrigerantes de ar, bombas de combustível líquido, válvulas de controle de combustível (líquido e / ou gasoso), resfriadores de ar, etc. Dependendo do tipo de máquina, alguns desses componentes são acionados mecanicamente pelo auxiliar caixa de velocidades , ou por motores elétricos.
A baixa eficiência da turbina de combustão (25 a 35% ) se deve ao fato de que, como em um motor a pistão, parte da energia fornecida pelo combustível é necessária para acionar o compressor e a outra é perdido como calor nos gases de exaustão. É possível melhorar um pouco a eficiência aumentando a temperatura na câmara de combustão (mais de 1200 ° C ), mas esbarra-se no problema da resistência dos materiais usados para a produção da parte da turbina. É recuperando o calor dos gases de exaustão que a eficiência geral da máquina pode ultrapassar 50%. O calor dos gases de exaustão (acima de 500 ° C ) é então usado para produzir vapor em uma caldeira ou para aquecimento .
Outra possibilidade de aumentar a eficiência da turbina é aquecer os gases que saem dos estágios de compressão (antes das câmaras de combustão), passando-os por um trocador localizado no escoamento dos gases de exaustão. Assim, chegamos perto da eficiência de um motor diesel semi-rápido . Este é, por exemplo, o princípio de operação da turbina WR21 (en) da Rolls-Royce .
O vapor produzido é então usado de duas maneiras:
Fabricamos turbinas a gás com potência unitária que varia de alguns quilowatts a várias centenas de megawatts.
Esforços significativos foram feitos por fabricantes a limitar a poluição do ar por turbinas a gás, em particular por reduzir as emissões de óxido de azoto (NO x ), produzido se a temperatura de combustão superior a 1300 ° C . Esta temperatura pode ser controlada pela injeção de água ou vapor de água no sistema de combustão.
O uso de gás natural (geralmente com pouco enxofre ) ou combustível líquido sem enxofre permite uma menor emissão de dióxido de enxofre (SO 2 ); Câmaras de combustão especiais com injetores específicos permitem uma baixa emissão de monóxido de carbono (CO) . Modelos de baixa emissão são instalados em sua maioria por países desenvolvidos, enquanto turbinas a gás de design menos sofisticado e menor custo (instalação e manutenção) são preferidas por países em desenvolvimento.
A turbina de combustão contribui em grande medida para os motores atuais. A sua vantagem de leveza impõe a sua utilização na aeronáutica , enquanto no domínio das altas potências (produção de electricidade) destacam-se pela sua adaptação a ciclos combinados ou cogeração muito eficiente.
Os motores a pistão há muito tempo têm sua potência limitada a cerca de 10 MW por razões de peso e tamanho. O motor Wärtsilä-Sulzer 14RT-flex96C atingiu 84,42 MW em 2008, mas com dimensões que só pode ser usado em navios estacionários ou muito grandes (petroleiro, navio porta-contêineres, etc. ). Por outro lado, devido à sua velocidade de rotação muito lenta, pode ser modulado com bastante facilidade.
A fase de compressão é realizada por um compressor de ar axial ou centrífugo. O trabalho de compressão pode ser reduzido borrifando água na entrada. O ar comprimido é dividido em três fluxos:
Ao contrário do motor a pistão, a combustão de uma turbina a gás é contínua e, portanto, é necessário limitar a temperatura a um valor aceitável para os materiais por um grande excesso de ar ( 1300 ° C nominal com 2000 ° C na ponta curta). Isso é muito penalizante para a eficiência que é máxima em torno de 4500 ° C , temperatura na qual a produção de NOx não é desprezível (o mesmo problema existe para os motores a pistão).
Algumas máquinas utilizam injeção de vapor nos produtos de combustão na entrada da turbina, com o objetivo de aumentar a vazão e, portanto, a potência dos mesmos. O vapor é produzido por uma caldeira de recuperação aquecida pela exaustão. Na verdade, é um ciclo combinado simplificado. A injeção de vapor também permite limitar o teor de óxidos de nitrogênio (NOx) no escapamento.
A turbina geralmente do tipo axial compreende um ou mais estágios de expansão. Ao contrário das turbinas a vapor, essas são sempre turbinas de reação. Dois tipos principais de turbinas a gás podem ser distinguidos:
O segundo arranjo, mais complexo, permite um melhor funcionamento em carga parcial e variável, como é o caso dos motores destinados a propulsionar ou acionar bombas ou compressores ( oleodutos ou gasodutos ). As turbinas de eixo único são adequadas para a produção de eletricidade que ocorre em velocidade constante e carga mais elevada.
A realização da turbina e em particular da primeira fase, localizada atrás do sistema de combustão, coloca problemas metalúrgicos ligados à alta temperatura e aos esforços devidos à expansão e à força centrífuga exercida nas pás móveis. Requer o uso de aços de alta liga (Cr-Ni-Va) e resfriamento energético por ar extraído do compressor. O uso de materiais cerâmicos e monocristais tem permitido o aumento da temperatura desde a década de 2010.
Embora teoricamente superior ao motor a diesel , a turbina de combustão apresenta limitações severas devido às restrições técnicas de sua produção. Essas principais limitações são as seguintes:
As vantagens inerentes a este tipo de máquina são as seguintes:
As aplicações das turbinas a gás derivam diretamente de suas vantagens específicas. Assim, a alta potência específica se presta bem à propulsão aeronáutica, em particular em aviões ( turbojatos e motores turboélice ) e helicópteros . A propulsão naval também utiliza turbinas a gás, em particular para navios de alta velocidade (balsas rápidas, fragatas, porta-aviões). Por fim, há exemplos de aplicações em propulsão ferroviária como "turbotrains" SNCF ( Turbina a gás Element e turbina a gás Rame , usada entre 1972 e 2004 na França) e veículos militares como assalto a tanques ( T-80 ou M1 Abrams ).
Por outro lado, a turbina de combustão é pouco adequada para veículos rodoviários. Na verdade, as variações de carga e velocidade são muito grandes e rápidas para serem alcançadas com uma saída correta. Além disso, a eficiência dificilmente chega a 30% para motores compactos e de baixa potência, enquanto o diesel atual ultrapassa os 40%. Por outro lado, eles poderiam encontrar um interesse renovado em correntes de propulsão híbridas, em particular em veículos pesados de mercadorias, onde a instalação de trocadores (em particular recuperador de escapamento) é menos problemática .
O outro campo importante de uso das turbinas a gás é a produção de eletricidade . Na verdade, essas são aplicações em velocidade de rotação constante e ou em uma carga relativamente constante para a qual a eficiência dessas máquinas é a melhor para máquinas usadas no chamado regime "básico", ou, pelo contrário, em carga muito variável. Para máquinas usadas no backup de rede e para o qual a segurança da rede é mais importante do que o desempenho. A potência varia de algumas centenas de kW a mais de 300 MW . As máquinas mais potentes são geralmente associadas a turbinas a vapor em ciclo combinado , de forma que o desempenho geral da usina atualmente ultrapassa (em 2016) 62%, com capacidade de levar em consideração as rápidas mudanças na potência das máquinas eólicas instantâneas (por exemplo, em caso ocorra uma variação repentina do vento) ou parques fotovoltaicos (por exemplo, no caso de nuvens passageiras). Em um único ciclo, a eficiência é da ordem de 30 a 35% ou até mais para máquinas de grande porte. Em baixas potências, a eficiência é ainda inferior a 30%, mas a adequação das turbinas de combustão é então usada para recuperação de calor em cogeração (produção simultânea de eletricidade e calor) ou aplicações de ciclo combinado. (Produção de vapor que aciona uma turbina a vapor que também gira um alternador).
O termo turbocompressor (comumente chamado de "turbo" no campo automotivo) tem dois significados:
O turbo, portanto, designa o conjunto de uma TURBINA acionada pelos gases de escape de um motor a pistão e cujo trabalho é utilizado para movimentar em seu eixo um COMPRESSOR "centrífugo" que comprime o ar de admissão do motor. Este dispositivo representa uma melhoria significativa do motor convencional, em particular nos seguintes pontos:
O motor turboalimentado, portanto, combina um motor de pistão e uma miniturbina a gás (aqui os gases de escape inertes substituem o vapor pressurizado para acionar a turbina), que por sua vez aciona um minicompressor centrífugo de ar em seu eixo para acionar o motor. Portanto, isso induz um fornecimento adicional de gás de admissão (ar) sem usar qualquer energia para o próprio motor. A energia útil para operar este turbocompressor ou par turbocompressor é retirada da saída dos gases de escape (perdida em um motor sem turbocompressor). Daí a redução do ruído na saída do escapamento porque a energia, a pressão desses gases (perdida) foi absorvida e aproveitada pelo turbocompressor.
A adoção de uma turbina de combustão como compressor de ar de admissão ainda fornece energia adicional, mas consome muito combustível e reduz a eficiência do todo.
No tanque francês Leclerc , uma turbina de helicóptero funciona em paralelo com o motor para enviar ar comprimido de admissão em grandes quantidades para os pistões. É autônomo e não mais impulsionado pela força (perdida) dos gases de escapamento, embora estes sejam reinjetados na turbina para melhorar o processo e, portanto, a eficiência geral. A turbina obtém sua potência operacional do mesmo combustível que o motor de pistão do tanque, combustível diesel (na aeronáutica, querosene usado como combustível em turbojatos e turbinas a gás - motores turboélice de hélice e helicópteros - parece diesel, se não for uma diferença no refino o que lhe confere, entre outras coisas, uma melhor resistência às temperaturas extremamente baixas encontradas nas grandes altitudes, o combustível não tendo que congelar nos tanques durante o voo). O combustível comum, portanto, alimenta a turbina de combustão (por injeção de névoa de diesel pré-aquecida) e o motor a pistão, que, portanto, dobra sua potência efetiva.
O grande problema do turboalimentador é o mesmo das demais turbinas a gás, ou seja, o gerenciamento da operação em baixa carga ou em regime transiente. É amplamente resolvido graças aos chamados turboalimentadores de “geometria variável” equipados com pás fixas nas rodas, mas com geometria variável nos corredores de fluxo. Isso fornece a possibilidade de variar o fluxo de saída em função do fluxo variável gerado pela velocidade variável de rotação da roda do compressor (que é baixa na baixa rotação do motor). Em outras palavras, é como apertar a ponta de uma mangueira de água: o jato de água seria mais forte e nítido enquanto o fluxo de água pela mangueira permaneceria o mesmo (fraco).
É graças à sua alta potência específica e densidade de potência que pequenas turbinas são usadas para mover helicópteros e carros. Alguns trens ( Turbotrain ) RTG e ETG, mas também tanques , navios são movidos por ... em turbinas a gás de média potência. Os motores turbojato e turboélice são turbinas a gás usadas na aviação para fornecer energia a aeronaves modernas e rápidas.
As indústrias de petróleo e gás usam turbinas a gás para acionar bombas para oleodutos e compressores para oleodutos.
A turbina de combustão de alta potência (> 1 MW) é usada principalmente para acionar um alternador e gerar eletricidade. A infraestrutura e a engenharia civil necessárias para uma usina equipada com turbinas a gás são reduzidas, o que torna possível a instalação de uma usina em poucos meses próximo ao local de uso da eletricidade (cidade, fábrica) ou da fonte. De combustível ( porto, perfuração, refinaria, etc.). Turbina e gerador são enviados sob a forma de módulos compactos e completos que simplesmente montar e ligar a redes em climas onde a temperatura externa pode variar de -40 a 50 ° C . Uma das vantagens das usinas de turbinas a combustão é o tempo reduzido de partida e produção de energia; o operador de uma rede de distribuição elétrica pode assim modular facilmente a capacidade de produção para se adaptar às variações do consumo, ou para se adaptar às variações na produção de instalações solares (nuvens) ou turbinas eólicas (drop the wind).
A instalação de um grupo gerador de turbina a combustão pode ser acompanhada por uma instalação de cogeração , de forma a recuperar as grandes quantidades de energia (cerca de 50 a 65 % da energia consumida) contida no gás de escape. A principal aplicação deste tipo consiste na injeção desses gases, possivelmente após passagem por um túnel de pós-combustão, em uma caldeira de recuperação, com produção de água quente ou vapor.