Turbinas

Turbinas de impulso e reação

Turbinas funcionam de duas maneiras diferentes descritas como impulsos e reação-turbinas que são muitas vezes muito confusamente descritas (e às vezes completamente confusas) quando as pessoas tentam explicá-las.Então qual é a diferença?

Turbinas de impulso

Numa turbina de impulso, um fluido de movimento rápido é disparado através de um bico estreito nas pás da turbina para fazê-las girar. As pás de uma turbina de impulso são geralmente em forma de balde, de modo que elas capturam o fluido e o direcionam para fora em um ângulo ou às vezes até mesmo para trás no sentido em que ele veio (porque isso dá a transferência mais eficiente de energia do fluido para a turbina). Em uma turbina de impulso, o fluido é forçado a atingir a turbina em alta velocidade.

Imagine tentando fazer uma roda como esta girar chutando bolas de futebol em suas pás. Você precisaria das bolas para acertar com força e ricochetear bem a roda girando – e esses constantes impulsos de energia são a chave para como ela funciona. A lei da conservação de energia diz-nos que a energia que a roda ganha, cada vez que uma bola a atinge, é igual à energia que a bola perde – por isso as bolas vão viajar mais lentamente quando ressaltam. Também, a segunda lei de Newton nos diz que o momento ganho pela roda quando uma bola bate nela é igual ao momento perdido pela própria bola; quanto mais tempo uma bola toca na roda, e quanto mais forte (com mais força) ela bate, mais momento ela transferirá.

Turbinas de água são frequentemente baseadas em torno de uma turbina de impulso (embora algumas trabalhem usando turbinas de reação). São simples no design, fáceis de construir, e baratas na manutenção, até porque não precisam ser contidas dentro de um tubo ou caixa (ao contrário das turbinas de reacção).

Artwork: Uma roda de água Pelton é um exemplo de uma turbina de impulso. Ela gira como um ou mais jatos de água de alta pressão (azul), controlada por uma válvula (verde), atira para os baldes ao redor da borda da roda (vermelho). Lester Pelton recebeu uma patente para esta ideia em 1889, da qual este desenho é retirado: Roda da Água por Lester Pelton, cortesia do US Patent and Trademark Office.

Artwork: Uma turbina de impulso como esta funciona quando o fluido que entra bate nos baldes e ressalta novamente. A forma exata dos baldes e como o fluido bate neles faz uma grande diferença na quantidade de energia que a turbina pode capturar. As caçambas também têm que ser projetadas para que a ação do jato em uma caçamba não afete a próxima caçamba.

Turbinas de reação

Em uma turbina de reação, as pás ficam em um volume muito maior de fluido e giram ao redor enquanto o fluido passa por elas. A turbina de reação não muda a direção do fluxo do fluido tão drasticamente quanto uma turbina de impulso: ela simplesmente gira à medida que o fluido passa por suas pás. Turbinas eólicas são talvez os exemplos mais familiares de turbinas de reação.

Foto: Uma turbina de reacção típica de uma central geotérmica. Água ou vapor passa pelas pás angulares, empurrando-as e rodando o eixo central ao qual se ligam. O eixo gira um gerador que faz eletricidade. Foto de Henry Price cortesia do Departamento de Energia dos EUA/ Laboratório Nacional de Energia Renovável (DOE/NREL).

Artwork: Uma turbina de reacção como esta é muito mais parecida com uma hélice. A principal diferença é que há mais palhetas em uma turbina (acabei de desenhar quatro pás para simplificar) e muitas vezes vários conjuntos de palhetas (vários estágios), como você pode ver nas fotos das turbinas a vapor e a gás no topo desta página.

Se uma turbina de impulso é um pouco como chutar bolas de futebol, uma turbina de reação é mais como nadar ao contrário.Deixe-me explicar! Pense em como você faz estilo livre (crawl front crawl) arrastando seus braços através da água, começando com cada mão o mais à frente possível e terminando com um “follow through” que joga seu poço de braços atrás de você. O que você está tentando alcançar é manter sua mão e antebraço empurrando contra a água pelo máximo de tempo possível, assim você transfere o máximo de energia que puder em cada golpe. Uma turbina de reacção usando a mesma ideia ao contrário: imagine a água a fluir rapidamente a passar por si para que os seus braços e pernas se movam e forneça energia ao seu corpo! Com uma turbina de reacção, você quer que a água toque as lâminas suavemente, durante o máximo de tempo possível, para que desista de toda a energia possível. A água não bate nas lâminas e salta, como faz numa turbina de impulso: em vez disso, as lâminas movem-se mais suavemente, “indo com o fluxo”

Turbinas captam energia apenas no ponto em que um fluido as toca, por isso uma turbina de reacção (com várias lâminas todas a tocar no fluido ao mesmo tempo) extrai potencialmente mais energia do que uma turbina de impulso do mesmo tamanho (porque normalmente apenas uma ou duas das suas lâminas estão no caminho do fluido de cada vez).

Tipos de turbinas de reacção

Alguns desenhos comuns de turbinas de reacção são:

• Poços – que se parecem muito com uma hélice, com pás em forma de aerofólio girando em torno de um eixo horizontal.
• Francis – tipicamente, com grandes pás em forma de V, muitas vezes girando em um eixo vertical dentro de uma espécie de concha de caracol gigante e espiral. O Francis é de longe o tipo mais comum de turbina hidráulica; as turbinas McCormick, Kaplan e Deriaz são essencialmente melhorias do projeto original do Francis.
• Darrieus – com pás em forma de aerofólio girando em torno de um eixo vertical.

Todas têm suas vantagens e desvantagens. O Wells, por exemplo, pode girar muito rápido, mas também é barulhento e relativamente ineficiente. O Francis é mais silencioso e eficiente, e muito bom em lidar com as tensões mecânicas dentro das barragens hidroelétricas profundas (aquelas com “cabeças” altas de água), mas também é mais lento e mecanicamente mais complexo. Quando operam no ar, as turbinas Darrieus estão mais próximas do solo (para que possam eliminar uma torre incômoda), mas isso significa que são menos eficientes no aproveitamento do vento (que sopra mais rápido acima do solo); geralmente são menos eficientes e mais instáveis que outros projetos de turbinas (muitas vezes têm que ser estabilizadas com cordas de homem) e mal utilizadas comercialmente.

Pensando para trás

Foto: Turbinas e hélices funcionam de formas exactamente opostas. As hélices utilizam a energia para fazer mover um fluido (ar, no caso de um avião, ou água, num navio ou submarino); as turbinas aproveitam a energia quando um fluido em movimento flui através delas. Esquerda: Foto da hélice pela Tech. Sgt. Justin D. Pyle cortesia da Força Aérea Americana.

Photo: Pás de turbina são moldadas de forma similar às pás de hélice, mas normalmente são feitas de ligas de alto desempenho porque o fluido que passa por elas pode ser muito quente. Foto de uma pá de turbina exposta no Think Tank, o museu de ciências em Birmingham, Inglaterra.

Vocês devem ter notado que as turbinas eólicas se parecem com as turbinas gigantes – e essa é outra maneira de pensar em turbinas: aspropulsores trabalhando ao contrário. Em um avião, o motor gira a hélice em alta velocidade, a hélice cria uma corrente de ar de arrebentação, e é isso que empurra a hélice – a hélice – para a frente. Com uma hélice, as pás móveis estão a conduzir o ar; com uma turbina, o ar está a conduzir as pás.

As turbinas também são semelhantes a bombas e compressores. Em uma bomba, você tem uma roda de pás giratória que aspira a água através de um tubo e a lança de outro para que você possa mover a água (ou outro líquido) de um lugar para outro. Se você desmontar uma bomba de água, você pode ver a roda de pás interna (que é chamada de impulsor) é muito semelhante ao que você encontraria dentro de uma turbina de água. A diferença é que uma bomba usa energia para fazer mover um fluido, enquanto uma turbina capta a energia de um fluido em movimento.

Turbinas em ação

Broadly falando, nós dividimos as turbinas em quatro tipos de acordo com o tipo de fluido que as aciona: água, vento, vapor e gás.Embora todos os quatro tipos trabalhem essencialmente da mesma maneira – girando à medida que o fluido se move contra eles – eles são sutilmente diferentes e têm de ser projetados de maneiras muito diferentes. As turbinas a vapor, por exemplo, giram incrivelmente rápido porque o vapor é produzido sob alta pressão. Turbinas eólicas que fazem a eletricidade girar de forma relativel (principalmente por razões de segurança), por isso elas precisam ser enormes para captar quantidades de energia. As turbinas a gás precisam ser feitas de ligas especialmente resistentes porque trabalham com temperaturas tão altas. As turbinas de água são frequentemente muito grandes porque têm de extrair energia de um rio inteiro, represadas e desviadas para fluir através delas. Elas podem girar relativamente devagar, porque a água é pesada e carrega muita energia (por causa de sua alta massa) mesmo quando flui a baixas velocidades.

Turbinas de água

Foto: Uma turbina gigante de reação Francis (a roda laranja no topo) sendo rebaixada para a posição na barragem de Grand Coulee no estado de Washington, EUA. A água flui através das pás angulares, empurrando-as ao redor e girando o eixo ao qual elas são acopladas. O eixo gira um gerador de eletricidade que faz a energia. Foto por cortesia do Bureau of Reclamation dos EUA.

Rodas de água, que datam de há mais de 2000 anos atrás, no tempo dos gregos emancipados, eram as turbinas de água originais. Hoje, o mesmo princípio é usado para fazer eletricidade em usinas hidroelétricas. A idéia básica da energia hidrelétrica é que você represa um rio para fazer a sua energia. Em vez de o rio fluir livremente de uma colina ou montanha em direção ao mar, você o faz cair na altura (chamada de cabeça) para que ele pega a velocidade (em outras palavras, para que sua energia potencial seja convertida em energia cinética), depois canaliza através de um cano chamado de canalização, passando por uma aturbina e gerador. A hidroeletricidade é efetivamente uma conversão de energia em três etapas:

• A energia potencial original do rio (que tem porque parte de terreno alto) é convertida em energia cinética quando a água cai através de uma altura.
• A energia cinética na água em movimento é convertida em energia mecânica por uma turbina de água.
• A turbina de água em rotação aciona um gerador que transforma a energia mecânica em energia elétrica.

Diferentes tipos de turbinas hidráulicas são usadas dependendo da geografia da área, quanta água está disponível (o fluxo), e a distância sobre a qual ela pode ser feita para cair (a cabeça).Algumas usinas hidroelétricas usam turbinas de impulso em forma de balde (tipicamente rodas Pelton); outras usam turbinas de reação Francis, Kaplan, ou Deriaz. As turbinas de impulso de água (como a roda Pelton) podem ficar completamente abertas ao ar – assim, às vezes você pode realmente ver o jato de água atingindo a turbina. As turbinas de água de reação, por outro lado (como a Francis), devem estar completamente fechadas dentro do canal ou passagem por onde a água flui. Como mencionado acima, enquanto uma turbina de impulso está capturando energia apenas no ponto em que o jato de água está batendo nela, uma turbina de reação está capturando energia através de toda a roda de uma só vez – razão pela qual uma turbina de reação em uma usina hidrelétrica pode produzir mais energia do que uma turbina de impulso do mesmo tamanho: Uma turbina de água Pelton. Observe como cada balde é, de fato, dois baldes unidos. O jato de água atinge o “divisor” (o lugar onde os baldes se unem no meio), dividindo-o em dois jatos que saem limpos de ambos os lados. Foto de Benjamin F. Pearson cortesia de Historic American Buildings Survey/Historic American Engineering Record, US Library of Congress.

Turbinas eólicas

Estas são abordadas com muito mais detalhes no nosso artigo separado sobre turbinas eólicas.

Foto: Uma turbina eólica típica, em Staffordshire, Inglaterra. A torre está a ~50m (~150ft) do solo porque o vento se move mais rápido quando está livre de obstruções ao nível do solo. As pás do rotor têm ~15m (50ft) de diâmetro e, com uma enorme varredura, capturam até 225kW (kilowatts) de energia.

Turbinas a vapor

Turbinas a vapor evoluíram dos motores a vapor que mudaram o mundo nos séculos XVIII e XIX. Uma máquina a vapor queima carvão em fogo aberto para liberar o calor que ele contém. O calor é usado para ferver água e fazer vapor, que empurra um pistão num cilindro para alimentar uma amachine, como uma locomotiva ferroviária. Isto é bastante ineficiente (desperdiça energia) por uma grande variedade de razões. Um design muito melhor capta o vapor e o canaliza através das pás de uma turbina, que gira como uma hélice e aciona a máquina à medida que avança.

Turbinas a vapor foram pioneiras pelo engenheiro britânico Charles Parsons(1854-1931), que as usou para alimentar um famoso barco a motor Turbínia, em 1889. Desde então, elas têm sido usadas de maneiras diferentes. Praticamente todas as usinas geram turbinas a vapor que utilizam energia elétrica. Em uma usina a carvão, o carvão é queimado em um forno e usado para aquecer água para fazer vapor que gira turbinas de alta velocidade conectadas a geradores de eletricidade. Em uma usina nuclear, o calor que faz o vapor vem de reações atômicas.

Turbinas eólicas não semelhantes, que colocam uma única turbina rotativa no fluxo de líquido ou gás, as turbinas a vapor têm uma série de turbinas (cada uma delas conhecida como um estágio)organizadas em uma seqüência dentro do que é efetivamente um tubo fechado. O vapor entra na tubulação, ele é canalizado para além de cada estágio, por sua vez, de forma soprogressiva é extraído mais da sua energia. Se você já assistiu a uma chaleira fervendo, você saberá que o vapor se expande e se move muito rapidamente se for dirigido através de um bocal. Por essa razão, as turbinas a vapor giram a velocidades muito altas – muitas vezes mais rápidas do que as turbinas eólicas ou aquáticas.

Leia mais no artigo principal sobre turbinas a vapor.

Foto: Um protótipo de turbina a gás produzido para uma central eléctrica de alta eficiência. Cada uma das rodas metálicas é um estágio de turbina separado, projetado para extrair um pouco mais de energia de um gás de alta velocidade. Você pode ver o tamanho desta turbina olhando para o pequeno homem vestido de branco sentado no meio da máquina. Foto tirada no Laboratório Nacional de Tecnologia de Energia, Morgantown cortesia do Departamento de Energia dos EUA.

Turbinas a gás

Motores a jacto de avião são um pouco como turbinas a vapor na medida em que têm vários estágios. Em vez de vapor, eles são movidos por uma mistura do ar aspirado na frente do motor e os gases incrivelmente quentes feitos pela queima de enormes quantidades de querosene (combustível à base de petróleo). Motores com turbinas a gás um pouco menos potentes também são usados em locomotivas ferroviárias modernas e máquinas industriais. Veja nosso artigo sobre motores a jato para mais detalhes.