AC-734 – NORMAS PARA ENSAIOS DE COMPONENTES DE TURBINA A GÁS -

1. AC-734 – NORMAS PARA ENSAIOS DE COMPONENTES DE TURBINA A GÁS - Prof.(a) Cristiane Martins Instituto Tecnológico de Aeronáutica Divisão de Eng. Aeronáutica / Dept. de Propulsão 11/2010

2. Voltando no tempo.... Na história de conversão de energia, a turbina a gás é relativamente nova. A primeira turbina utilizada para geração de eletricidade ocorreu em Neuchatel, Suíça, 1939, desenvolvida pela Brown Boveri Company. O primeiro vôo utilizando turbina a gás ocorreu na Alemanha também em 1939, com turbina desenvolvida por Hans P. von Ohain. Paralelamente, Frank Whitte na Inglaterra inventou e desenvolveu turbina para aeronave nos anos de 1930, mas seu primeiro vôo ocorreu somente em 1941.

3. turbina a gás?? turbojato??turboeixo?? Como a turbina a gás se desenvolveu ao mesmo tempo tanto no campo da aviação quanto para geração de energia existiu uma proliferação de diferentes nomes. Para geração de energia elétrica e aplicações náuticas, são geralmente conhecidas como turbina a gás, motorturboeixo e também motor turbina a gás. Em aplicações aeronáuticas usualmente são conhecidas como motor a jato, e vários outros nomes dependendo da configuração particular ou aplicação, tais como: motor turbina a jato, turbojato, turbofan, turboprop (se com hélice). Atenção: ‘’Turbina a gás’’, um pouco enganoso, não significa que o combustível utilizado seja gasoso. O conjunto compressor-combustor-turbina da turbina a gás (Fig. 1) é comumente denominado gerador de gás.

4. Revendo conceitos.... Turbina a gás (mostrada ao lado) tem um compressor para comprimir o gás succionado (usualmente ar); um combustor (ou queimador) para adicionar ‘energia’ ao ar pressurizado; e uma turbina para extrair energia proveniente do gás aquecido. A turbina a gás é uma máquina de combustão interna que utiliza processo de combustão contínua. Isto difere do motor a pistão onde a combustão é intermitente. Figura 1: Diagrama esquemático A) motor a jato aeronáutico; B) uma turbina a gás (para uso em terra e em turbohélice)

5. Figura 2a. Diagrama volume-pressão do ciclo Brayton para uma unidade de massa de fluido de trabalho (ar, por exemplo) mostrando entradas e saídas de trabalho (W) e calor (Q). Figura 2b. Esquema da turbina mostrando pontos relativos ao ciclo Brayton do diagrama da Figura 2a.

6. THERMODINAMICA: CICLO BRAYTON

9. Acesse para baixar os arquivos de aulasftp://161.24.15.247/Cristiane/

10. CÓDIGOS E PADRÕES

11. CÓDIGOS, POR QUÊ?: • • Fornecem orientações de projeto e definições: • Exemplo: Vibrações, Materiais, Conexões • • Facilitar a construção e aquisição • • Nenhum Código ‘projeta’ uma turbina a gás • • São de natureza geral, qualquer particularidade pode exigir modificações

12. Códigos relevantes

13. Códigos comuns para aplicação em Oil & Gas API 616 - Gas Turbines • 􀂾 API 617 – Compressors • 􀂾 API 614 – Lube Oil System • 􀂾 API 670 – Machinery Protection • 􀂾 API 613 – Load and Accessory Gear • 􀂾 API 677 – Accessory Drive Gear • 􀂾 API 671 – Flexible Couplings • 􀂾 NFPA 70 Electric Code • 􀂾 ASME PTC-22 Gas Turbine Testing • 􀂾 ASME PTC-10 Compressor Testing • 􀂾 ASME B133 - Gas Turbines

14. outros códigos internacionais • ISO Codes (ISO 3977 - Gas Turbines) • IEC/CENELEC (Electrical and Fire Systems) • Local Government Codes • EU Environmental and Health Compliance • User Specific Specifications: • – Upstream: Mostly API/firm • – Midstream: Some API/flexible • – Downstream: Mostly API/very firm

15. API? • American Petroleum Institute • US Petroleum Industry Primary Trade Association • – 400 Member Companies • – Covers all Aspects of Oil & Gas Industry • – Accredited by ANSI (American National Standards Organization) • – Started Developing Standards in 1924 • – Maintains about 500 Standards • – API Codes are Widely Referenced by EPA, OSHA, OPS, MMS, BLM, and Many Local Codes

16. API - Filosofia • – Melhora na segurança • – Melhora de desempenho ambiental • – Reduzir custos de engenharia • – Melhora de intercâmbio entre equipamentos • – Melhora na qualidade do produto • – Menor custo de equipamento • – Allows for Exceptions for Reason

17. API Standards com propósito de compra • Fornece meios para comprador normalizar as cotações obrigando os vendedores a cotar similares escopos. • Fornecem linguagem comum e ajusta regras entre vendedor e comprador para reduzir desentendimento, por exemplo, define eficiência, procedimentos de testes, data sheets • Claramente declara no início que Exceções são permitidas se conduzirem a melhora ou ofertas técnicas mais seguras

18. API • Turbinas a gás no setor oil & gas, API 616 é a fundamental para quase todos especificações de compra • • API 617 é utilizada para aplicações críticas de compressor centrífugo (alta pressão e alta energia) • • NFPA 70 código elétrico para locais perigosos é exigência fundamental na API

19. APIStandard Topics • Definitions: – ISO Rating, Normal Operating Point, Maximum Continuous Speed, Trip Speed, etc. • 􀂾Mechanical Integrity: – Blade Natural Frequencies, Vibration Levels, Balancing Requirements, Alarms and Shutdowns

20. APIStandard Topics • Design Requirements and Features: – Materials, Welding, Accessories, Controls, Instrumentation, Inlet/Exhaust Systems, Fuel Systems • Inspection, Testing, and Preparation for Shipment – Minimum Testing, Inspection and Certification • Documentation Requirements • Does not cover government codes & regulations

21. API API Data Sheets

22. API 616 Gas Turbine Note: API 616 does not apply to Aero-Derivative Gas Turbines – Only Industrial!

23. API 616 Intro & Definitions • 1.0 Alternative Designs • 1.1 Alternative designs allowed. Emphasized in API Foreword. • 2.0 References • 2.1 All reference standards are automatically included. All manufacturers take exception to this. • 3.0 Definitions • 3.17 ISO defined as T=15C, P=1.0133 bar, RH=60% • 3.19 Maximum allowable speed. Speed at which unit can safely operate continuously per manufacturer. • 3.22 Maximum continuous speed: 105% highest design speed

24. API 616 - Definitions • 3.26 Normal Operating Point: Usually the performance guarantee (heat rate, power) point for gas turbine. Defined by speed, fuel, and site conditions. • 3.38 Rated speed: Power turbine speed at which site rated power is achieved. • 3.42 Site rated conditions: Worst site condition at which still site rated power can be achieved. Provided by User. • 3.45 Site rated power: The maximum power achievable at site rated conditions. Provided by Manufacturer. Note: Unless specifically stated by purchaser this is not a guarantee point.

25. API 616 - Engine • 3.50 Turbine trip speed: Speed where controls shut unit down. • 3.51 Unit responsibility: Prime package contractor to user. • 4.0 Basic Design • 4.1.1 Equipment designed for 20 years and 3 years of uninterrupted service. Hot section inspection every 8000 hours. • 4.1.2 Gas turbine vendor has unit responsibility unless otherwise specified. • 4.1.5 Speed ranges: Two-shaft 50-105% rated speed, Single-shaft 80-105% rated speed.

26. API 616 - Engine • 4.1.14 On-skid electric shall meet NFPA 70. • 4.1.16 Most gas turbine internals shall be exchangeable at site. Disqualifies most aeroderivate gas turbines. • 4.1.17 Unit shall meet performance acceptance criteria both in the factory and at site. Most manufacturers take exception to site performance guarantee unless field test is performed. • 4.1.18 Vendor shall review customers installation drawings. • 4.1.21 Gas turbine must meet site rated power with no negative tolerances.

27. API 616 - Engine • 4.2.1 Casing hoop stresses must meet ASME Section VIII. • 4.2.7 Openings for borescope inspection must be provided for entire rotor without disassembly. • 4.2.9 Field balancing (if required) without removal of casing is OK. • 4.3.1 Combustors must have two igniters or igniter and cross-tubes. • 4.3.2 Requires temperature sensors in each combustor. Not feasible in most gas turbine designs. T5 (2-shaft) or T6 (1-shaft) normal. • 4.3.7 Fuel Wobbe index range must be indicated in proposal.

28. The combustor casing is welded form solid machined and formed sheet titanium(!) components. What’s shown here is one of the spark plugs with the pilot burner fuel fitting and the fuel drain port in the lower right of the picture

29. The fuel manifold supplies diesel or kerosine to the twelve vaporiser sticks. To provide equal fuel quantities to all sticks, the fuel has to pass calibrated resirictor plates in each of the injectors

30. Except for the swirl vanes around the fuel nozzle on the top this combustor consists completely of sheet metal.

31. Índice de Wobbe Wobbe desenvolveu seu índice em 1926 ao estudar o fenômeno da combustão de gases injetados através de um orifício. Este índice se relaciona ao fluxo de energia térmica supondo-se inalteradas as condições de pressão de suprimento do gás e o diâmetro do orifício através do qual o gás flui.

32. Índice de Wobbe O índice de Wobbe decorre da seguinte equação: Taxa de energia térmica (kcal/s) = poder calorífico do gás (kcal/Nm3) x vazão volumétrica do gás (Nm3/s) Q = taxa de energia térmica; DHgás = poder calorífico do gás; A = área da seção transversal do orifício de gás no queimador; k = coeficiente de descarga do orifício; Dp = pressão manométrica de suprimento do gás; r = massa específica do gás.

33. Índice de Wobbe A fórmula pode ser escrita como: rar = massa específica do ar; d = densidade do gás combustível em relação ao ar.

34. Índice de Wobbe Wobbe definiu seu índice como: de tal maneira que Vê-se claramente que dois gases diferentes produzirão no mesmo queimador, com a mesma pressão manométrica, a mesma taxa de energia térmica se os índices de Wobbe forem os mesmos.

35. Índice de Wobbe Um dos critérios adotados para que dois gases sejam intercambiáveis é que seus índices de Wobbe sejam aproximadamente os mesmos, dentro de um intervalo de  5%. Assim, para conseguir um índice de Wobbe adequado, utilizam-se misturas de gases na substituição. Como exemplo, citamos uma mistura de gás natural e ar para queimar em equipamento ajustado para gás de coqueria.

36. API 616 - Engine • 4.4 Casing Connections: Section outlines good design practices. Most manufacturers are OK. • 4.5.1.2 Shafts shall be single piece heat treated steel. Stacked rotors with a tie-bolt are not allowed. Difficult to meet for most manufacturers and not critical if rotor has been operationally proven. • 4.5.2.1 Rotor shall be designed for overspeed up to 110% of trip speed. • 4.5.2.2 All rotor components must withstand instantaneous loss of 100% shaft load (e.g. coupling failure). • 4.6 Seals: Renewable seals at all close clearance points

37. turbine rotor http://www.technologie-entwicklung.de/Gasturbines/Engine_Exposition/engine_exposition.html

38. rotor components http://www.technologie-entwicklung.de/Gasturbines/Engine_Exposition/engine_exposition.html

39. Figura 2.8 – Ilustração do diâmetro inducer e exducer nos rotores do compressor e turbina

41. The compressor diffuser consists of straight vanes and a set of flow straightening radial vanes at the circumference. It has about twice the diameter of the compressor wheel. Consequently the efficiency should be quite good http://www.technologie-entwicklung.de/Gasturbines/Engine_Exposition/engine_exposition.html

42. compressor cover/bearing housing assembly. This is one of the most complicated parts of the whole turbine engine because it contains the complete lubrication system for the single hydrodynamic and the two hybrid ball bearings. http://www.technologie-entwicklung.de/Gasturbines/Engine_Exposition/engine_exposition.html

43. Bearing-housing http://www.technologie-entwicklung.de/Gasturbines/Engine_Exposition/engine_exposition.html

44. Notice the cute airfoil shape of the vanes. This is the maximum exhaust flow - minimum charge pressure - position.

45. API 616 - Engine • 4.7 Rotordynamics: Follow good design practices for progressive balancing with residual unbalance check. High speed balancing is discouraged. • 4.8.1.1 Hydrodynamic radial and thrust bearings are preferred. Thrust- Tilt pad, Radial Tilt pad or sleeve. • 4.8.2.5 If rolling element bearings are used they must meet 50,000 hours of continuous operation. • 4.8.5.2 Bearings: Labyrinth type seal required. Lip seal not acceptable. • 4.8.5.3 Two radial proximity probes in radial bearings and two axial proximity probes in thrust bearings.

46. Mapa do compressor • O mapa do compressor descreve as características particulares de desempenho de um compressor, incluindo a eficiência, vazão, a capacidade de aumentar a pressão e a rotação

47. Mapa do compressor

48. A relação de pressão é definida como a divisão entre a pressão de saída do compressor pela pressão na sua entrada, ambas em condição absoluta.

49. Mapa do compressor - Linha de Surge • Bombeamento (ou Surge, na língua inglesa) é o limite esquerdo do mapa do compressor. Operar à esquerda desta linha representa uma região de instabilidade. • Esta região é caracterizada pela vibração suave e flutuação de pressão no compressor. • A contínua operação nesta região pode levar a quebras prematuras de turbo-compressores devido às altas cargas axiais. • O surge geralmente é esperado em condições onde o motor está em rotações baixas e a plena carga; assim pode ser um indício de que o tamanho do compressor é grande.

50. Mapa do compressor - Linha de Choke • A linha de estagnação (choke, na língua inglesa) é o limite à direita do mapa do compressor é o ponto de máxima vazão do rotor. • A linha de choke é normalmente definida pelo ponto onde a eficiência do compressor se torna muito baixa. • Além da rápida queda de rendimento do compressor para além deste ponto, a relação de compressão é muito baixa.