11- TGMIP - TURBINAS

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COMPLEXOESCOLAR 
POLITÉCNICO GIRASSOL 
ESTABELECIMENTO PRIVADO DO ENSINO SECUNDÁRIO 
 TÉCNICO PROFISSIONAL 
EM PERFURAÇÃO E PRODUÇÃO; REFINAÇÃO E GÁS; MINAS; 
INFORMÁTICA; ELECTRÓNICA E TELECOMUNICAÇÕES; CONSTRUÇÃO 
CIVIL; MECÂNICA; ELECTROMECÂNICA; FINANÇAS; E 
 CONTABILIDADE E GESTÃO 
 
 
TECNOLOGIA GERAL DE MÁQUINAS E 
INSTALAÇÕES PETROLIFEIRAS 
 
 TURBINA INDUSTRIAL 
 
 
 
 
 
 Por: 
Nfumuansuka Vieira Manuel 
Licenciado em Engenharia Hidráulica 
 Março/2025 
TURBINAS 
As turbinas são máquinas rotativas que convertem a energia de um fluido (líquido ou gás) em energia 
mecânica. Essa energia mecânica pode ser usada diretamente para movimentar máquinas ou ser 
convertida em energia elétrica por meio de um gerador. As turbinas são amplamente utilizadas em 
diversos setores, como geração de energia, aviação, transporte naval e processos industriais. 
Os principais tipos encontrados são: 
• Turbina a gás; 
• Turbina a vapor; 
• Turbina hidráulicas; 
• Turbina Oélicas. 
A forma construtiva básica é a mesma para todos os tipos: 
A principal diferença entre os diversos tipos é o fluido de trabalho. Em decorrência disso, é claro, 
há outras, tais como a temperatura máxima, a vazão massiva de fluido, a pressão de trabalho, os 
detalhes construtivos e as dimensões. 
As maiores já construídas em termos de dimensões são as turbinas hidráulicas, as que trabalham a 
maiores temperaturas são as turbinas a gás, e as que são submetidas a maior pressão são as 
turbinas a vapor. 
As turbinas tem dois aspectos principais que as caracterizam: potência e eficiência. 
1. TURBINAS HIDRÁULICAS 
As turbinas hidráulicas transformam a energia da água em energia mecânica e são utilizadas 
principalmente em usinas hidrelétricas. Elas são classificadas de acordo com a altura da queda d'água, 
o tipo de fluxo e o método de conversão de energia. 
1.1 Classificação por altura da queda d’água: 
Baixa queda (300 m): As turbinas Pelton são projetadas para operar com quedas de água muito 
elevadas e menores vazões, utilizando o princípio de impulso. 
1.2 Componentes principais: 
1. Rotor (ou impulsor): Responsável por receber a energia da água e transformá-la em movimento 
rotativo. 
2. Estator: Canaliza e direciona a água para otimizar a transferência de energia. 
3. Bocal ou distribuidor: Controla o fluxo da água que entra na turbina. 
4. Gerador: Converte a energia mecânica do eixo da turbina em eletricidade. 
1.3 Funcionamento: 
A água é direcionada para a turbina com alta pressão ou grande vazão. Ao atingir as pás do rotor, a 
energia cinética ou potencial da água é convertida em energia rotacional, acionando um gerador 
elétrico para produção de eletricidade. 
 
2. TURBINAS A GÁS 
As turbinas a gás são máquinas térmicas que transformam a energia química dos combustíveis em 
energia mecânica e, posteriormente, em energia elétrica ou propulsão. Elas operam com base no Ciclo 
de Brayton, onde o ar é comprimido, aquecido pela queima de combustível e expandido para gerar 
movimento. 
2.1 Componentes principais: 
1. Compressor: Aumenta a pressão do ar para otimizar a combustão. 
2. Câmara de combustão: Mistura o ar comprimido com combustível e inicia a queima. 
3. Turbina: A expansão dos gases quentes gera energia mecânica. 
4. Exaustão: Libera os gases residuais ou aproveita o calor no ciclo combinado. 
Uma turbina a gás produz energia a partir do resultado das seguintes etapas contínuas do ciclo 
BRAYTON: 
• Admissão 
• Compressão 
• Combustão 
• Exaustão 
 
2.2 Classificação: 
Por aplicação: 
Aeronáutica: Motores a jato e turbinas de aeronaves. 
Industrial: Geração elétrica e acionamento de compressores e bombas. 
 Naval: Propulsão de navios militares e civis. 
2.3 Funcionamento: 
A turbina a gás opera em três etapas principais, seguindo o ciclo de Brayton: 
✓ Compressão: O ar atmosférico entra e é comprimido pelo compressor, aumentando sua 
pressão e temperatura. 
✓ Combustão: O combustível é injetado e queimado na câmara de combustão, gerando gases 
de alta energia. 
✓ Expansão e Geração de Energia: Os gases quentes passam pela turbina, fazendo-a girar e 
acionando um gerador elétrico ou eixo propulsor. 
Por ciclo térmico: 
Existem dois tipos de ciclos que as turbinas a gás podem operar: ciclo aberto e o ciclo fechado. 
Ciclo aberto: O fluido de trabalho é renovado ao fim do ciclo (ex. motor de automóvel).O ar retirado 
da atmosfera, é comprimido, levado à câmara de combustão onde, juntamente com o combustível, 
recebe uma faísca, provocando a combustão da mistura. Os gases desta combustão então se expandem 
na turbina, fornecendo potencia à mesma e ao compressor, e, finalmente, saem pelo bocal de exaustão. 
 
 Figura: Esquemático do ciclo aberto 
Processo 1-2: compressor - equipamento que faz a sucção do ar e o comprime até a pressão de 
combustão; 
Processo 2-3: câmara de combustão - equipamento onde é injectado o combustível que, em contacto 
com o ar comprimido entra em processo de combustão, resultando em gases a altas temperatura; 
Processo 3-4: turbina - equipamento que converte parte da energia contida no combustível em 
energia mecânica na rotação axial do eixo, que sua vez, acciona o gerador eléctrico. Este processo 
ocorre através da expansão dos gases de exaustão, accionando as palhetas da turbina. Os gases da 
turbina são descarregados na atmosfera. 
Ciclo fechado: O fluido de trabalho volta ao estado inicial ao fim o ciclo e recircula. 
 No ciclo fechado, os processos de compressão e expansão permanecem iguais ao ciclo aberto, 
porém, o processo de combustão é substituído por um processo de fornecimento de calor, por um 
trocador de calor, à pressão constante, a partir de uma fonte externa, e o processo de exaustão é 
substituído por um processo de rejeição de calor a uma pressão constante, permitindo a recirculação 
do ar no ciclo, como mostra a figura. 
 
 
 Figura 9: Esquemático de um ciclo fechado 
Já no dito ciclo fechado, o fluido de trabalho permanece no sistema. 
O ciclo fechado possui algumas vantagens sobre o ciclo aberto, dentro elas: 
A possibilidade de se utilizar combustíveis sólidos; a possibilidade de altas pressões em todo o ciclo, 
reduzindo o tamanho da turbomáquina em relação a uma potencia requerida; evita-se a erosão das 
palhetas da turbina; elimina-se o uso de filtros; aumento da transferência de calor devido a alta 
densidade do fluido de trabalho (alta pressão); uso de gases com propriedades térmicas desejáveis. 
Mas este ciclo tem como desvantagem a necessidade de investimento em um sistema externo de 
aquecimento do fluido de trabalho, envolvendo um ciclo auxiliar com uma diferença de temperatura 
entre os gases. 
3. TURBINAS A VAPOR 
A turbina a vapor é uma máquina térmica rotativa que converte a energia do vapor d’água em energia 
mecânica. Esse movimento rotacional pode ser usado para gerar eletricidade (em usinas termelétricas 
e nucleares) ou acionar equipamentos industriais. 
O princípio de funcionamento das turbinas a vapor segue o ciclo de Rankine, no qual a água é 
aquecida, transformada em vapor de alta pressão, expandidana turbina e depois condensada para 
reiniciar o ciclo. São amplamente usadas em usinas termoelétricas, nucleares e processos industriais. 
3.2 Componentes principais: 
1. Caldeira: Produz vapor d’água a partir da queima de combustíveis ou calor residual. 
2. Rotor e estator: Convertem a energia térmica do vapor em energia mecânica. 
3. Condensador: Resfria o vapor usado, transformando-o novamente em líquido. 
4. Gerador: Converte a energia mecânica da turbina em eletricidade. 
3.3 Funcionamento: 
O vapor é gerado na caldeira e direcionado para a turbina, onde se expande e movimenta as pás do 
rotor. Esse movimento é transmitido a um gerador para produção de eletricidade. Após a expansão, o 
vapor é resfriado no condensador e retorna à caldeira para um novo ciclo. 
 
Aplicações das Turbinas a Vapor 
Usinas Termelétricas: Produzem eletricidade a partir da queima de carvão, gás ou biomassa. 
Usinas Nucleares: Utilizam calor da fissão nuclear para gerar vapor. 
Processos Industriais: Acionam compressores, bombas e outros equipamentos. 
Navios e Submarinos: Algumas embarcações utilizam turbinas a vapor como propulsão. 
CICLO COMBINADO 
O ciclo combinado combina turbinas a gás e a vapor para aumentar a eficiência na geração de energia. 
Na indústria petrolífera, é utilizado para gerar eletricidade e calor, otimizando o consumo de 
combustível e reduzindo emissões. 
 
2. Princípio de Funcionamento 
Ciclo de Brayton (turbina a gás): O combustível (gás natural ou óleo combustível) é queimado, 
aquecendo o ar comprimido e acionando uma turbina a gás, que gera eletricidade. 
Ciclo de Rankine (turbina a vapor): Os gases quentes da turbina a gás aquecem água, gerando vapor 
para acionar uma turbina a vapor, produzindo energia adicional. 
Essa combinação pode atingir até 60% de eficiência, superando os sistemas convencionais. 
3. Aplicação na Indústria Petrolífera 
Geração de Energia: Suprimento energético para plataformas offshore e refinarias, reduzindo custos 
e aproveitando gás natural extraído. 
Cogeração: Fornecimento simultâneo de eletricidade e vapor para processos industriais, como 
destilação e craqueamento. 
Sustentabilidade: Redução de emissões de CO₂, atendendo normas ambientais. 
4. Vantagens e Desafios 
✅ Alta eficiência e menor consumo de combustível. 
✅ Redução de emissões e maior estabilidade energética. 
4. TURBINAS EÓLICAS 
As turbinas eólicas convertem a energia cinética do vento em eletricidade por meio da rotação das 
pás acopladas a um gerador. Elas são fundamentais na geração de energia renovável. 
4.2 Componentes principais: 
1. Rotor: Capta a energia do vento e a transmite ao eixo principal. 
2. Nacele: Estrutura que abriga o gerador e o sistema de controle. 
3. Gerador: Converte o movimento mecânico das pás em eletricidade. 
4. Torre: Eleva a turbina para regiões de ventos mais fortes e constantes. 
4.3 Funcionamento: 
O vento movimenta as pás do rotor, transformando energia cinética em energia mecânica. Essa 
energia é transmitida para um gerador que a converte em eletricidade.