A turbina a vapor é o motor primário favorito em usinas geradoras de energia a vapor. A turbina a vapor pode ter capacidade de 5 megawatts a 2000 megawatts.
As vantagens da turbina a vapor sobre o motor a diesel são as seguintes.
O tamanho de uma turbina a vapor é muito menor do que o de um motor a diesel equivalente. O tamanho de uma turbina a vapor de 30 megawatts é o mesmo de um motor a diesel de 5 megawatts.
Construtivamente, a turbina a vapor é muito mais simples do que um motor a diesel. O eixo rotor, as pás e a válvula de controle de vapor são os três componentes essenciais de uma turbina a vapor.
Uma turbina a vapor sofre com menos vibração do que um motor a diesel, se as partes rotativas do sistema forem corretamente instaladas e alinhadas.
A velocidade de uma turbina a vapor pode ser muito maior do que a de um motor a diesel. A velocidade padrão de uma turbina a vapor utilizada em uma estação geradora de eletricidade é 3600 RPM nos EUA e 3000 RPM no Reino Unido, enquanto a maior velocidade padrão de um motor a diesel usado para o mesmo propósito é 200 RPM.
O controle de uma turbina a vapor é muito mais simples do que o de um motor a diesel. Uma válvula de controle é utilizada para esse fim. A válvula é instalada na linha de entrada do vapor. Esta válvula de controle regula o fluxo de vapor para a turbina. Existe uma válvula de parada instalada antes da válvula de controle. A função da válvula de parada é bloquear todo o fluxo de vapor para a turbina em caso de qualquer anormalidade. A válvula de parada é uma válvula de emergência.
O vapor entra na turbina em alta pressão e temperatura. Após realizar o trabalho desejado de girar o rotor, o vapor é exaustado em muito menor pressão e temperatura. O vapor pode entrar na turbina com uma pressão e temperatura de 1800 Pa e 1000oF, respectivamente, e a pressão e temperatura do vapor exaustado podem ser 1 Pa e 100oF, respectivamente.
Em um motor a vapor alternativo, o vapor pressurizado atua no pistão causando movimento mecânico do pistão. Idealmente, nenhuma ação dinâmica do vapor é utilizada em um sistema alternativo. Mas, no caso de uma turbina a vapor, a ação dinâmica do vapor repentinamente expandido é principalmente utilizada para realizar trabalho mecânico.
Na turbina a vapor, o vapor se expande nas bocas de injeção, ganhando energia cinética e perdendo sua pressão. O vapor adquire energia cinética durante sua expansão a partir de sua entalpia interna. As pás da turbina obstruem o momento do vapor, forçando-o a mudar sua direção de fluxo. Em outras palavras, o momento do vapor causa uma força nas pás da turbina. Podemos dizer que o momento do vapor em expansão é a força motriz de uma turbina a vapor.
A expansão do vapor e a mudança de direção do momento podem ocorrer uma vez em um único estágio ou várias vezes em vários estágios, dependendo do tipo de turbina.
Quando há apenas uma provisão de expansão do vapor em uma turbina e a pressão do vapor permanece uniforme durante todo o processo após ser expandido através das bocas de injeção, a turbina é chamada de turbina de impulso de um estágio. Na turbina de impulso, o vapor de alta pressão e alta temperatura que sai da cabeça da boca de injeção se expande e forma um jato de vapor que atinge diretamente as pás móveis, causando a rotação do rotor da turbina.
Existe outro tipo de turbina em que o vapor é expandido durante todo o processo. Aqui, a expansão do vapor ocorre quando ele passa pelas pás da turbina. Durante a expansão, a entalpia do vapor é convertida em energia cinética, fazendo com que o rotor da turbina gire com ação propulsora.
Este tipo de turbina é referido como turbina de reação. Neste tipo de turbinas, existem dois conjuntos de pás. Um conjunto é de pás fixas anexadas às partes estacionárias da turbina e o outro conjunto é de pás móveis anexadas ao rotor da turbina. A expansão do vapor ocorre no espaço formado pelas pás fixas e móveis.
Normalmente, uma turbina prática tem dois componentes importantes: bocas de injeção e pás. A boca de injeção é um dispositivo instalado na entrada de vapor da turbina. O vapor de alta temperatura e alta pressão, com energia cinética negligenciável, se expande, perde pressão e, portanto, adquire energia cinética suficiente para realizar trabalho mecânico com a ajuda das bocas de injeção.
As pás da turbina também são referidas como desviadores. Isso ocorre porque o vapor dinâmico é desviado quando atinge as pás. A energia mecânica do vapor em expansão é extraída nas pás da turbina.
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