Folgas em turbinas a gás: a diferença notável que 1 mm pode fazer
- Alvaro Filho
- 30 de set.
- 5 min de leitura
O papel do Modelo de Motor Inteiro (WEM)
Prever folgas em turbinas a gás é uma tarefa complexa e interdisciplinar, envolvendo modelagem termomecânica transitória de todos os componentes dentro de um conjunto em vários cenários operacionais. Este processo, conhecido como Modelo de Motor Inteiro (WEM – Whole Engine Model), é crucial nas indústrias aeronáutica e de turbinas a gás para geração de energia. Entender como as folgas em turbinas a gás mudam ao longo do tempo é crucial para os fabricantes. Esse conhecimento permite que eles otimizem o desempenho e a eficiência do motor, minimizando o risco de atrito e outros danos. O Modelo de Motor Inteiro (WEM) não serve apenas para avaliar a condição de estado estacionário de uma turbina a gás quando está totalmente aquecida. Ele também ajuda a analisar operações transitórias, onde gradientes térmicos, diferenças de temperatura e cargas rotacionais afetam significativamente a folga entre as partes rotativas e estacionárias.
Folgas em turbinas a gás: entendendo a expansão do metal
A maioria de vocês deve se lembrar das aulas de física e dos experimentos com metais utilizando a expansão de esferas e anéis e os exemplos de tiras bimetálicas (Figura 1). O metal se expande quando aquecido, e diferentes metais se expandem em taxas diferentes. Em uma turbina a gás, e em particular em turbinas a gás de alta resistência, há muito metal aquecido em taxas e quantidades diferentes, resultando em expansão axial e radial ao longo do ciclo operacional.
Figura 1. Expansão do metal sob cargas térmicas. Ambas as imagens são cortesia da Wikipédia
Impacto das autorizações no desempenho e na eficiência
Os OEMs de turbinas a gás estão sob tremenda pressão em um mercado competitivo para oferecer alto desempenho e eficiência, ambos intimamente ligados às folgas de operação ou lacuna entre as partes estacionárias e rotativas. Por exemplo, 1 mm de diferença de folga na lâmina da turbina pode ter um impacto de um megawatt (MW), que pode abastecer 650 casas nos Estados Unidos (EUA). Isso significa que uma turbina a gás de 500 MW pode abastecer 325.000 casas, e apenas uma perda de eficiência de 1% significaria abastecer 3.000 casas a menos. Alternativamente, um estudo do Laboratório Nacional de Oak Ridge descobriu que um ganho de eficiência de 1% em uma usina de energia de um gigawatt (GW) representa uma economia de 17.000 toneladas métricas de dióxido de carbono (CO₂) por ano, o que equivale a tirar mais de 3.500 veículos com motor de combustão interna (ICE) das ruas.
Portanto, as folgas em turbinas a gás precisam ser as menores possíveis para garantir a máxima potência e eficiência. No contexto de um rotor com diâmetro de 1 a 2 metros e comprimento entre 5 e 15 metros, o WEM 2D permite simular e ilustrar deslocamentos em nível milimétrico para otimizar o desempenho e garantir a integridade dos componentes.
Evolução das folgas em turbinas a gás
Além disso, os OEMs precisam garantir que nenhum dano estrutural ocorra, pois as folgas na turbina a gás evoluem durante a partida e o desligamento do motor.
Figura 2. Exemplo da evolução das folgas em turbinas a gás ao longo de um ciclo operacional típico. O gráfico é representativo e os movimentos são exagerados para fins ilustrativos
A Figura 2 é um exemplo ilustrativo do que acontece com uma lâmina à medida que um motor acelera e é energizado. A folga de construção a frio, ou folga presente quando o motor é montado e resfriado, é arbitrariamente definida aqui em 2,5 mm. A folga muda e vemos inicialmente que ela se fecha para um mínimo local na partida devido à deformação centrífuga e pouca ou nenhuma carga térmica no lado do estator. Uma folga máxima ocorre subsequentemente à medida que a turbina a gás aumenta sua carga e mais calor é adicionado ao motor. O estator, composto por peças relativamente mais finas, aquece mais rápido, mas à medida que a temperatura do rotor aumenta, vemos uma evolução para uma folga de funcionamento em estado estacionário. No desligamento, a carga é desligada e vemos um fechamento da folga ainda maior à medida que o estator começa a esfriar antes do rotor. A folga se abre quando a carga e a velocidade caem, e vemos um retorno gradual às folgas de construção a frio à medida que o motor esfria.
Desafios operacionais e pontos críticos em turbinas a gás
No entanto, as turbinas a gás têm uma ampla gama de cenários operacionais, não apenas a versão idealizada visualizada representativamente na figura 2. Considerando a utilização atual de usinas de energia como reserva para energia verde, os tipos de ciclos de operação que as turbinas a gás têm que suportar são fisicamente mais exigentes e caracterizados por partidas, paradas e reinicializações frequentes. Isso tem influência não apenas na vida útil das peças, mas também quando e onde ocorrem pontos de aperto locais (folga mais apertada ou menor abertura) em uma turbina a gás. A Figura 3 é um exemplo de tal ponto de aperto ocorrendo em um local de lâmina no motor. Uma hora após o desligamento, o motor é reiniciado e pode-se ver como um novo mínimo local ocorre, pois o rotor ainda está quente, o estator em comparação está frio e a carga centrífuga é reaplicada.
Figura 3. Exemplo de um ciclo de reinicialização de 1 hora. O gráfico é representativo e os movimentos são exagerados para fins ilustrativos
Aproveitando o Simcenter 3D para análise de liberação
Considerando uma turbina a gás industrial típica, com aproximadamente 15 estágios de compressor e 4 estágios de turbina, o engenheiro de folga deve realizar uma análise para cada estágio e para todas as condições operacionais, figura 4. É aqui que o processo WEM dentro do Simcenter 3D pode ajudar significativamente o processo de análise de folga. Pontos de referência podem ser atribuídos dentro do modelo, por exemplo, nas bordas de ataque e fuga das lâminas e palhetas e os respectivos locais opostos no estator e rotor. Os resultados transitórios para o movimento desses pontos podem ser lidos do Simcenter 3D para análise posterior em uma ferramenta como MS Excel ou Matlab. Isso permite que um engenheiro de folga ou mecânico construa uma imagem dos efeitos axissimétricos do motor. Acoplando esses resultados aos efeitos não axissimétricos de outros contribuidores (flexão do rotor, deformação da carcaça, etc.), incertezas e tolerâncias e o engenheiro confiável é capaz de construir uma imagem completa do comportamento da folga do motor de turbina a gás.
Figura 4. Análise de folga necessária para cada lâmina e palheta em uma turbina a gás. Informações para a análise de folga de vários colaboradores
Este tipo de análise pode ser utilizado pela equipe do projeto para definir e otimizar o desempenho do motor, minimizar os riscos de atrito e definir as margens de segurança a serem empregadas. Outras decisões, como abrasivos, pontas de desgaste e, por fim, o estado final de fabricação e montagem, podem ser tomadas com confiança utilizando este conhecimento prévio do comportamento da folga do motor de turbina a gás.
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