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Sujidade em turbinas a gás

Neste artigo um pouco mais profundo, vamos comentar os problemas que as turbinas a gás têm devido à sujeira, já que um dos usos menos conhecidos das escovas é a limpeza deste tipo de máquina, utilizando moedores ou ferramentas similares.
As turbinas a gás – tanto as utilizadas na geração como as utilizadas para a propulsão de aviões a jato – são um tipo de máquina particularmente sensível ao pó e a outros tipos de sujidade.

Mencionaremos também as alternativas para a limpeza de turbinas e o papel que a escovação industrial desempenha neste tipo de máquinas.

Basicamente, o funcionamento duma turbina é a seguinte:

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Turbina Geral Eléctrica de 30 MW, utilizada no navio Queen MAry 2.

Fonte: DSIC Marine

O ar frio entra na turbina e aumenta a sua pressão no compressor.
-O combustível é queimado na câmara de combustão, elevando a temperatura do ar à medida que se mistura com o gás quente.
– O ar quente passa pelos estágios de geração de energia (turbina), movimentando o eixo enquanto diminui a sua pressão. Este movimento do eixo é utilizado para gerar energia e também para alimentar o compressor.

A sujidade nas turbinas pode rebaixar significativamente a sua eficiência e capacidade, criando uma série de problemas significativos.

O compressor tem uma série de pequenos furos que ajudam à refrigeração. Estes furos podem ficar obstruídos com o pó, aumentando as temperaturas de entrada e reduzindo a eficiência da montagem. Numa turbina para geração gerar-se-ia menos energia, enquanto uma para propulsão, como a de um avião, consumiria mais combustível para se mover em velocidade de cruzeiro. Além disso, as altas temperaturas podem acabar por danificar as palhetas do compressor.

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Pequenos furos utilizados para a refrigeração por filme.

As fugas de óleo podem misturar-se com o pó e criar uma pasta que produz bloqueios verdadeiramente problemáticos. Possivelmente o ponto de aderência mais comum são os rolamentos do compressor, tanto por causa das temperaturas relativamente baixas (insuficientes para evaporar o óleo) como pela proximidade dos orifícios de refrigeração mencionados acima. Nas aeronaves A-10 este problema foi causado pelo propulsor das metralhadoras, que quando usado foi ingerido pelas turbinas (localizadas atrás da arma) e quando misturado com o pó do deserto em vôos de baixa altitude causava entupimentos no compressor.

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Aeronave A-10 Thunderbolt II a disparar. O propulsor utilizado para disparar a metralhadora é vaporizado e ingerido pelas turbinas.

A sujidade nas turbinas a gás

Na parte anterior comentamos os bloqueios no compressor devido ao pó, mas também podem-se formar depósitos minerais. Isto é comum quando as turbinas são utilizadas em ambientes com pó e/ou areia, forçando o uso de sistemas de filtragem muito complexos e caros. Um dos casos mais conhecidos é o dos tanques M1 Abrams do exército americano, que usa uma turbina Honeywell AGT1500 como seu motor.

Embora as turbinas sejam teoricamente mais confiáveis que os motores a diesel porque têm menos partes móveis, o uso no deserto significa que qualquer problema com os filtros de ar de admissão leva rapidamente à falhas da turbina, o que levou a M1A1 a ser amplamente criticada por sua escolha de propulsão.

Os depósitos de pó e sujeira também podem causar desequilíbrios nas palhetas da turbina e do compressor, causando um aumento das vibrações ao girar.

Essas vibrações causam desgaste prematuro dos rolamentos e aumentam o custo de manutenção, sem mencionar que a falha dos rolamentos pode causar falhas catastróficas na turbina e levar a turbina a uma parada completa.

Outro possível problema é que a sujidade se pode incrustar na raiz das palhetas, deslocando-as ligeiramente e fazendo-as funcionar numa posição diferente daquela para a qual foram concebidas. Isto aumentaria as tensões nessa área, contribuindo para o desgaste das palhetas. Além disso, produzem-se problemas no fluxo  ao alterar a geometria das turbinas. Este problema é normalmente causado pelo pó de cimento, carvão e cinzas volantes.
Problemas de erosão também se podem prodizir problemas de erosão quando há sujeira nas turbinas: como as turbinas giram a velocidades muito altas, as partículas coladas podem ser removidas. Os choques produzidos por estas pequenas partículas podem acabar por sofrer erosão e desgaste das palhetas.

Isto modificaria seu perfil, estragando seu comportamento aerodinâmico, além de reduzir sua resistência na remoção de material. Também foram observadas mudanças na frequência natural das palhetas devido à erosão, o que é muito crítico porque esta frequência deve ser sempre conhecida: as vibrações na frequência natural podem destruir as máquinas em questão de segundos se entrarem em ressonância.

As turbinas são máquinas de precisão, onde apesar de terem sido concebidas para serem muito resistentes, a manutenção é fundamental. Além dos problemas de fiabilidade que podem resultar da sujidade, o impacto no desempenho é muito perceptível. Para se ter uma idéia da magnitude deste impacto, numa pequena turbina a gás, uma camada de sujeira de 0,1 milímetros nas palhetas pode reduzir o fluxo em 10% devido às turbulências que provoca, afetando também negativamente o desempenho do compressor em 5%.

Alternativas para a limpeza da turbina

E, que papel desempenha a escovação industrial neste tipo de maquinaria?

Como mencionamos nas entradas anteriores desta série, a sujeira nas turbinas a gás é culpada de muitos problemas, que podem ser evitados com uma manutenção adequada. Uma limpeza regular das turbinas é vital como parte dos trabalhos de manutenção. O maior desafio com esta limpeza é a enorme quantidade de lacunas, o que significa que qualquer instrumento de limpeza utilizado deve ser capaz de entrar nos pequenos furos que o pó pode entupir, limitando efictivamente os instrumentos que podem ser usados para aqueles baseados em água, ar ou escovas de cabelo fino.

A forma mais simples é a limpeza por pressão de ar. Assim como os compressores de ar são usados para limpar componentes eletrônicos onde o pó é o maior problema e onde há pequenos furos onde o pó pode assentar, os compressores de ar também são usados para limpar turbinas. O problema com este método é que, no caso de sujidade constituída por pó misturado com óleo ou algo fortemente incrustado, o ar a pressão poderia ser insuficiente. Neste caso, é utilizada água.

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Turbina Siemens Classe H. Você pode ver os muitos pequenos furos e lacunas.

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Equipamento para lavagem por pressão de turbinas a gás Eles são volumosos e não são muito manejáveis.

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Escova para moedora

A água pressurizada é outro método de limpeza de turbinas a gás muito semelhante ao ar. Ambos são baseados em um fluido pressurizado que carrega partículas de sujeira  da turbina. A água, no entanto, tem um poder de limpeza maior do que o ar, claro. Este método tem um grande problema: o vapor na turbina pode obstruir o fluxo e causar mau funcionamento, por isso (embora seja possível) normalmente não é feito com a máquina em funcionamento. Nas turbinas de geração, a máquina normalmente é parada por oito ou dez horas, com as desvantagens econômicas que isso implica.

As escovas são frequentemente utilizadas para a limpeza manual de pequenas áreas, dada a boa portabilidade dum moedor com uma escova instalada. Tem a vantagem de poder remover a sujidade incrustada pelo poder abrasivo destas escovas, que normalmente são feitas de aço de alta resistência formando fios muito finos. O problema com este método de limpeza é que ele não é recomendado para a limpeza de turbinas completas, mas somente para áreas localizadas. A razão para isto é que a abrasão da escova pode produzir efeitos negativos a longo prazo sobre o funcionamento da turbina, por isso só é recomendado para remover a sujidade mais difícil que não pode ser limpa com métodos menos agressivos, como o ar.

Fonte:Meher-Homji, CB., Chaker, M.A., Motiwala, K., 2001, “Gas Turbine Performance Deterioration”, Proceedings from the 30th Turbomachinery Symposium, Texas A&M, College Station, TX.

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