04 Artig... Antigos - 029 - relat?rio tecnico - projeto nest-tgm - 2007

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Titular: Rogerio Fernandes Brito Modalidade: Desenvolvimento Tecnológico Industrial Área do conhecimento: Estática e Dinâmica Aplicada Instituição de destino: Universidade Federal de Itajubá

Processo Situação Atuação Categoria NívelData de InícioData de TérminoInstituição de Origem

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8/10/2007http://plsql1.cnpq.br/sigef_imp/j_detaprocesso?v_cod_modal_proc=DTI&v_cod_area_...

DESENVOLVIMENTO DE FERRAMENTAS COMPUTACIONAIS E PROCEDIMENTOS DE CÁLCULO PARA TURBINAS A VAPOR – Fase 1 –

Cálculo Térmico de uma Turbina a Vapor de 2 MW utilizando o Programa TurboCalc

Equipe:

Prof. Dr. Marco Antônio Rosa Nascimento – Coordenador – UNIFEI Prof. Dr. Electo Eduardo Silva Lora – Coordenador – UNIFEI Eng. Marcos Nishi – Coordenador – TGM Eng. Jonas Pedro Caumo – Pesquisador – TGM Prof. Dr. Anton Stanislavovich Mazurenko – Pesquisador – UPN Eng. Dr. Rogério Fernandes Brito – Pesquisador – UNIFEI Eng. Dr. Harley Souza Alencar – Pesquisador – UNIFEI Thales Aquino Leite Mendonça – Bolsista – UNIFEI Icaro Augusto Accordi – Bolsista – UNIFEI Rodrigo de Carvalho Ferreira – Bolsista – UNIFEI

Itajubá – 2007 i RESUMO

Como parte dos trabalhos em desenvolvimento pelo grupo de pesquisa pertencente ao

Núcleo de Excelência em Sistemas Térmicos e Geração Distribuída (NEST) do Instituto de Engenharia Mecânica (IEM) da Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI), e com a intenção de contribuir para o parque tecnológico brasileiro, visando disponibilizar uma ferramenta útil para o projeto de turbinas a vapor, este relatório é resultado da primeira fase relativa ao cálculo térmico dos parâmetros de uma turbina a vapor de 2 MW.

Assim, este relatório fornece, uma revisão bibliográfica baseado no levantamento do estado da arte sobre o projeto térmico de turbinas a vapor, mostrando o desenvolvimento tecnológico que vem sendo realizado nesta área nos últimos 1 anos.

Uma descrição geral do programa desenvolvido pelo grupo de pesquisa

NEST/UNIFEI/TGM é apresentada. O equacionamento é baseado nos estudos do Prof. Dr. Anton Stanislavovich Mazurenko da National Polytecnical University, Ucrânia, denominado TurboCalc. O conteúdo do presente relatório, é principalmente, a modelagem matemática do problema, onde se encontra o uso de fórmulas teóricas, empíricas e semi-empíricas, além de critérios de projeto; aprendizado de macros, programação utilizada no Microsoft Excel; utilização de valores do ciclo termodinâmico obtidos no GATECYCLE;

Para validar o TurboCalc foi escolhida um protótipo (modelo) de turbina de 2 MW e 16 estágios, com parâmetros conhecidos do vapor e 6 extrações.

A metodologia utilizada neste trabalho contemplou: a definição do escopo e dos parâmetros característicos do projeto e funcionamento da turbina a vapor; elaboração de um programa de cálculo térmico equacionado com dados de projeto de rotores para turbinas a vapor envolvendo características termo aerodinâmicas; elaboração de relatório completo agregando todas as fases do projeto de pesquisa e desenvolvimento de produto realizado pelo grupo NEST/UNIFEI/TGM, apontando vetores sobre o impacto cientifico e tecnológico alcançados; e realização de cursos de treinamento de pessoal como mecanismo de divulgação de produto e formação de recursos humanos.

Além disso, este relatório aponta como resultados esperados os estudos do cálculo térmico executado pelo programa TurboCalc sobre a turbina modelo, cálculo das eficiências e potência final, entre outros, verificando que mediante cálculos iterativos é possível atingir uma coincidência satisfatória entre os resultados do TurboCalc e o modelo.

ÍNDICEi
LISTA DE SÍMBOLOSi
1. Introdução1
2. Objetivos2
3. Conteúdo do Trabalho2
4. Revisão Bibliográfica do Cálculo Térmico3
5. Metodologia de Cálculo Térmico da turbina de 2 MW12
6. Conclusões12
7. Referência Bibliográfica13
ANEXO I. Estudo de caso – Turbina de 50MW3
para a turbina de 22MW252
Pressão da Turbina a Vapor de 2 MW257
Pressão da Turbina a Vapor de 2 MW260
Gerais do Esquema Térmico Completo da Turbina de 2 MW263
estágios da turbina de 22MW290
ANEXO VII. Planilha do TurboCalc para a turbina de 2 MW – Resultados(Arquivo

ÍNDICE ANEXO I. Principais telas do programa GATECYCLE com o circuito térmico utilizado, ANEXO I. Relatório Elaborado pelo GateCycle com as Características do Cilindro de Alta ANEXO IV. Relatório Elaborado pelo GateCycle com as Características do Cilindro de Baixa ANEXO V. Relatório Geral e Detalhado Elaborado pelo GateCycle com as Características ANEXO VI. Cálculos das características e parâmetros de teste dos seis perfis utilizados nos TurboCalc.xls)

Símbolo Unidade Significado t0 ºC Temperatura do vapor antes do cilindro Po bar Pressão do vapor antes do cilindro e antes dos bocais

P2 bar Pressão de vapor após o cilindro Z - Quantidade de estágios

G kg/s Vazão de vapor n rps Freqüência de rotação do eixo da turbina

P’0 bar Pressão antes do primeiro estágio h0 kJ/kg Entalpia do vapor antes do cilindro e antes dos bocais h2t kJ/kg Entalpia teórica do vapor depois do cilindro S0 kJ/kg.ºC Entropia do vapor antes do cilindro e antes dos bocais ηoi % Eficiência relativa interna do cilindro (preliminar) H0 kJ/kg Queda disponível de entalpia

Hi kJ/kg Queda de entalpia utilizada de maneira útil α - Coeficiente de retorno do calor

H’0 kJ/kg Queda total de entalpia no cilindro ∑+=Δ 16

ρ - Grau de reação di m Diâmetro preliminar da etapa α1 graus Ângulo de saída do fluxo dos bocais xai - Relação de velocidades periférica e fictícia de vapor Hoi kJ/kg Queda disponível de entalpia no estágio i Cai m/s Velocidade fictícia do vapor no estágio i Ui m/s Velocidade tangencial no estágio i dm m Diâmetro médio vo m3/kg Volume específico na entrada dos bocais P1 bar Pressão na saída dos bocais t1 ºC Temperatura na saída dos bocais h1t kJ/kg Entalpia teórica na saída dos bocais h1 kJ/kg Entalpia real na saída dos bocais S1 kJ/kg.ºC Entropia na saída dos bocais v1t m3/kg Volume específico teórico na saída dos bocais P2 bar Pressão na saída das palhetas móveis t2 ºC Temperatura na saída das palhetas móveis h2t kJ/kg Entalpia teórica na saída das palhetas móveis h2 kJ/kg Entalpia real na saída das palhetas móveis S2 kJ/kg.ºC Entropia real na saída das palhetas móveis v2 m3/kg Volume específico na saída das palhetas móveis X0 - Título na entrada dos bocais X1 - Título na saída dos bocais X2 - Título na saída das palhetas móveis С0 m/s Velocidade do vapor na entrada do bocal C1t m/s Velocidade absoluta teórica na saída dos bocais C1 m/s Velocidade do vapor na saída dos bocais W1 m/s Velocidade relativa do fluxo na entrada das palhetas móveis β1 graus Ângulo relativo do fluxo na entrada das palhetas móveis β2 graus Ângulo relativo do fluxo na saída das palhetas móveis W2t m/s Velocidade relativa teórica do fluxo na saída das palhetas móveis

W2 m/s Velocidade relativa do fluxo na saída das palhetas móveis

C2 m/s Velocidade absoluta na saída das palhetas móveis α2 graus Ângulo de saída efetivo do fluxo das palhetas móveis ε - Grau de parcialidade de fornecimento de vapor

Ek - Arco da circunferência relativa ao anel de contra ventilação μ - Coeficiente de vazão (fluxo)

L1 m Altura dos bocais

L2 m Altura das palhetas móveis

L2m m Altura média das palhetas móveis dr m Diâmetro na raiz

M1 - Número de Mach na saída dos bocais (t – teórico) M2 - Número de Mach na saída das palhetas móveis (t – teórico) hb kJ/kg Perdas de entalpia nos bocais hp kJ/kg Perdas de entalpia nas palhetas de trabalho χvs - Coeficiente de aproveitamento da velocidade de saída hvs kJ/kg Perdas de entalpia por velocidade de saída ηоp % Eficiência relativa da palheta Pp MWt Potência relativa das palhetas Pfv kWt Perdas de potência por atrito e ventilação hfv kJ/kg Perdas de entalpia por atrito e ventilação δa m Folga da selagem axial μa - Coeficiente de fluxo da selagem axial δr m Folga da selagem radial sobre a cinta μr - Coeficiente de fluxo da selagem radial sobre a cinta z - Número de dentes (lâminas) do selo sobre as cintas δe m Folga equivalente Gb kg/s Fuga através das folgas entre o estator e as fitas das palhetas móveis de m Diâmetro do eixo na região do selo μℓ - Coeficiente de vazão do selo labiríntico δ m Folga do selo labiríntico zb - Número de dentes (lâminas) do selo labiríntico

Gd kg/s Fuga através da selagem labiríntica dos diafragmas Gvaz kg/s Fuga total no estágio (Gb + Gd ) hvaz kJ/kg Perdas por fuga de vapor nos estágios ηu % Eficiência relativa da etapa sem considerar as perdas por umidade ηoi % Eficiência relativa interna (considerando o título)

Pi MWt Potência interna Δh - Queda de entalpia no estágio curtis α0 graus Ângulo de entrada dos bocais α 1ef graus Ângulo de saída efetivo do fluxo dos bocais (≈ α 1) β2ef graus Ângulo de saída efetivo do fluxo nas palhetas de móveis α e , βe graus Ângulo de montagem (dos bocais e das palhetas móveis) Δβe= βe-βecalc graus Desvio do ângulo de montagem em relação ao calculado δ m Espessura da borda de saída do perfil (m – modelo) δ % Espessura relativa da borda de saída do perfil (δ/b) A m Projeção do perfil no eixo axial

B m Projeção do perfil no plano de rotação das palhetas - largura da grade (m – modelo) btt/= - Passo relativo da grade t m Passo da grade (pr – preliminar, r - recalculado) b m Corda do perfil (m – modelo) ζ∞ - Coeficiente de perdas de energia por perfil ζk, 1=l - Coeficiente de perdas terminais para altura relativa 1/==bll ζk - Coeficiente de perdas terminais l=L m Altura (comprimento) das palhetas (1- bocais, 2 - palhetas móveis) χ - Coeficiente de correção para as perdas terminais Re - Número de Reynolds (1- bocais, 2 - palhetas móveis, t - teórico)

Δα0 graus Desvio do ângulo α0 N - Número de palhetas na grade (pr – preliminar, r - recalculado)

∑ - Somatório φ - Coeficiente de velocidade absoluta Ψ - Coeficiente de velocidade relativa X, Y - Coordenadas do perfil

1. Introdução

Do ponto de vista estratégico, a indústria brasileira de fabricação de turbinas a vapor tem uma forte dependência tecnológica de empresas estrangeiras. Dessa forma, o desenvolvimento de uma tecnologia nacional permitiria a independência tecnológica, a geração de empregos com mão-de-obra altamente qualificada e o aumento na arrecadação de divisas.

Dentre os fabricantes de turbinas a vapor no Brasil, pode-se destacar a TGM Turbinas

Indústria e Comércio Ltda, que é uma empresa nacional que fabrica turbinas a vapor para vários setores da economia nacional e para exportação, visando a otimização de seus equipamentos no que tange a desempenho e redução de custos de turbinas a vapor, propõe desenvolver aspectos associados ao projeto aero-termo mecânico. A empresa começou produzindo peças e prestando serviços de assistência técnica em turbinas instaladas no setor sulcroalcooleiro, corrigindo defeitos e melhorando alguns projetos de turbinas existentes.

O NEST (Núcleo de Excelência em Geração Termelétrica e Distribuída) conjuntamente com a TGM tem em andamento o projeto Desenvolvimento de Ferramentas Computacionais e Procedimentos de Cálculo de Turbinas a Vapor, que inclui o cálculo térmico, aerodinâmico e de resistência.

A metodologia de cálculo térmico e o procedimento apresentados neste trabalho são parte desse projeto que visa desenvolver ferramentas computacionais elaboradas pelo grupo de pesquisa do NEST/UNIFEI para auxiliar na otimização do projeto das turbinas a vapor fabricadas pela TGM, quanto ao processo de conversão de energia na seção de fluxo da turbina a vapor, tendo como conseqüência: estabelecer procedimentos técnicos na execução do projeto; melhoria do produto, traduzida pelo ganho na relação técnico-econômica.

Primeiramente, foi calculada uma turbina de vapor de 50 MW, mas por ser uma turbina grande, com muitos estágios e palhetas torcidas, por desconhecer as características dos perfis utilizados, entre outros detalhes, foi decidido realizar os cálculos para uma turbina escolhida como modelo (protótipo), de 2 MW, onde poderiam ser utilizados os perfis entregues pelo Prof. Anton. No entanto, a metodologia utilizada para a turbina de 22MW foi o programa TurboCalc, da mesma forma que na turbina anterior.

Um cálculo preliminar é executado utilizando o software GATECYCLE® da General

Electric - GE, que permite fazer uma simulação numérica da planta térmica com base num banco de dados de vários ciclos e definir dados que melhor caracterizem o sistema em estudo, apropriado para turbinas de pequena e média potência. Assim, é possível obter as pressões, vazão de entrada na turbina e vazões de extrações utilizando esse software.

A seguir, é feita a distribuição de pressões e entalpias de cada estágio utilizando o

Programa TurboCalc. Com esses valores, utiliza-se de novo o GATECYCLE para verificar os valores definitivos de vazões em cada parte da turbina. Finalmente, os estágios são calculados com essas pressões e vazões utilizando o TurboCalc. Para os cálculos dos parâmetros do vapor, como entalpia h, entropia s, volume específico υ e outros, utiliza-se o software Steam Tab Quad: Thermodynamic and Transport Properties of Water and Steam®,version 3.0.0 , sendo este um plug-in que está embutido dentro do Excel. Este software foi desenvolvido pela Chemicalogic Corporation, seguindo a norma Scientific IAPWS-95, cuja licença foi adquirida pelo UNIFEI.

Desta forma, este trabalho apresenta um guia sobre o programa desenvolvido no

EXCEL® da Microsoft para a execução do cálculo térmico utilizando-se a teoria baseada no livro do Prof. Anton S. Mazurenko (2006) em fase de publicação pela editora Interciência.

2. Objetivos

Os objetivos são: a) Fornecer uma revisão bibliográfica que permita o levantamento do estado da arte; b) Disponibilizar um programa, desenvolvido em ambiente Excel, chamado de

TurboCalc para o cálculo térmico para uma turbina a vapor; c) Apresentar o cálculo térmico desenvolvido, o procedimento, os resultados e o relatório gerado para a turbina de 2 MW (16 estágios) utilizando-se o software GateCycle 5.51. e o programa TurboCalc.

3. Conteúdo do Trabalho

Apresenta-se a revisão bibliográfica necessária para o levantamento de todas as informações sobre o estado da arte do problema físico envolvido.

Realiza-se a aplicação dos programas computacionais (GateCycle, TurboCalc.xls e

Steam Table) utilizados, com sua respectiva aplicação para o cálculo térmico, na turbina a vapor de 2 MW solicitada pela TGM.

No Anexo I consta o relatório realizado para a turbina de 50MW, incluindo as análises dos resultados do TurboCalc e Gatecycle. (Posteriormente foi analisada a conveniência de desenvolver o cálculo térmico de uma turbina de menor porte, utilizando os perfis entregues pelo Prof. Anton e comparar os resultados obtidos pelo TurboCalc com o protótipo).

Para auxiliar no uso do programa TurboCalc.xls, o grupo de trabalho no

NEST/UNIFEI elaborou um importante guia detalhado no Anexo I, que consiste de uma descrição sobre todas as variáveis de projeto utilizadas pela planilha desenvolvida no Excel. Vale ressaltar que para a turbina de 22MW, este guia tem algumas alterações, visto que para esta, os cálculos são baseados em perfis já existentes.

Para o cilindro de alta pressão da turbina de 50 MW, segue-se o seguinte formato: a) identificação da célula; b) valor calculado pela célula; c) unidade física empregada; d) fórmula de cálculo; e) equacionamento; e f) referência do equacionamento aplicado na célula. Apresenta-se a metodologia geral de cálculo térmico utilizado pelo TurboCalc. Nos Anexos I, II, IV e V apresentam-se quatro relatórios elaborados pelo GateCycle com as características térmicas da turbina a vapor de 2 MW (16 estágios) com cilindro de alta pressão, baixa pressão e para o esquema térmico completo, respectivamente.

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