As turbinas a gás marítimas são usadas em muitas embarcações navais. Eles são considerados devido à sua alta relação potência-peso e seu efeito na aceleração dos navios e na capacidade de partida rápida. Turbinas a gás para propulsão têm sido usadas em muitos navios de guerra desenvolvidos desde a década de 1960, como alguns navios de passageiros. As turbinas a gás são geralmente empregadas em combinação com outros tipos de motores.
A primeira turbina a gás marítima usada para alimentar uma embarcação naval foi o Motor Gun Boat MGB 2009 da Royal Navy (anteriormente MGB 509) em 1947. Em 1952, o Steam Gun Boat Grey Goose foi transformado na turbina a gás Rolls-Royce e operado desde 1953. Em 1953 foram criados os primeiros navios especificamente para propulsão por turbina a gás.
A ideia de aplicar uma turbina a gás para impulsionar um navio remonta a 1937, quando um motor a gás de pistão livre de uma forma do motor a diesel foi usado experimentalmente com uma turbina a gás. No final da década de 1950, os motores marítimos de turbina a gás eram amplamente utilizados pela marinha europeia em combinação com equipamentos de propulsão convencionais. Turbinas a gás foram empregadas para operação de alta velocidade, e plantas convencionais foram utilizadas para cruzeiro.
Na indústria naval, os benefícios da turbina a gás têm sido constantemente ofuscados por suas fraquezas. Basicamente, o alto combustível e o custo inicial fazem com que não seja uma opção atraente para os armadores. Os consumidores mais importantes de turbinas a gás marítimas têm sido tradicionalmente a marinha e os militares do mundo. Sinais recentes de progresso na tecnologia de turbinas a gás, junto com preços de petróleo mais baixos e lucratividade em certos mercados, levaram os armadores a reconsiderar os valores da turbina a gás marítima.
Os requisitos para serviços marítimos incluem confiabilidade, longa vida útil, baixo custo de manutenção, economia, espaço ocupado e peso.
Principais componentes das turbinas a gás marítimas
Componentes de turbinas a gás marítimas
As turbinas a gás marítimas têm quatro partes principais, incluindo um compressor de taxa de pressão de vários estágios com estatores variáveis e palhetas guia de entrada, uma câmara de combustão totalmente anular com bicos de combustível montados, uma turbina de alta pressão refrigerada a ar de vários estágios para acionar o compressor e os acessórios da caixa de câmbio, e uma turbina de potência de baixa pressão aerodinamicamente acoplada de vários estágios, acionada por um fluxo de gás de exaustão de alta energia através do gerador de gás.
Princípios de funcionamento das turbinas a gás marítimas
Devido à baixa eficiência térmica em baixa potência (cruzeiro), os navios que os utilizam geralmente possuem motores a diesel para cruzeiros e turbinas a gás para velocidades mais altas. No entanto, no caso de navios de passageiros, a principal razão para a instalação de turbinas a gás é a redução de emissões em áreas ou portos ambientalmente sensíveis.
Alguns navios de guerra e alguns navios de cruzeiro modernos também usaram turbinas a vapor para aumentar a eficiência de suas turbinas a gás em um ciclo combinado, onde o calor residual da exaustão de uma turbina a gás é usado para ferver a água e produzir vapor para acionar uma turbina a vapor.
Nesses ciclos combinados, a eficiência térmica pode ser a mesma ou um pouco maior que a dos motores a diesel; no entanto, a quantidade de combustível necessária para essas turbinas a gás é muito mais cara do que a necessária para os motores a diesel. Portanto, os custos de operação ainda são maiores.
Na figura a seguir, uma estrutura de turbina a gás marítima é mostrada.
As turbinas a gás marítimas consistem no gerador de gás, na turbina de potência, nas bombas de combustível e óleo lubrificante, nos sistemas de controle de velocidade e combustível, nas peças de entrada e exaustão, nas seções de lubrificante e de recuperação, bem como nos dispositivos para partida e monitoramento da operação do motor.
O compressor aumenta a pressão do ar, que é retirado da atmosfera. O dispositivo é de rotação de fluxo centrífugo ou axial. Esse acionamento vem direto da turbina, geralmente instalada no mesmo eixo.
Na câmara de combustão, o ar comprimido quente queima o combustível injetado, que normalmente é um óleo de petróleo de baixa viscosidade. A ignição ocorre para produzir gás de alta pressão. A temperatura do gás varia de 850 a 1100 graus Celsius. Em seguida, é expandido através de um bocal para transformar uma parte de sua energia térmica e de pressão em energia cinética. O fluxo de ar de alta velocidade atinge as pás da turbina.
Outra complexidade frequentemente encontrada em turbinas a gás marítimas é o arranjo de duas turbinas em série. Conforme descrito nas linhas acima, o compressor precisa de energia que é obtida da própria turbina. Em uma configuração em série, a primeira turbina a gás, conhecida como acionamento do compressor, alta pressão ou gerador de gás, fornece o acionamento do compressor. A segunda turbina, conhecida como turbina de baixa pressão, livre ou de potência, é mais adequada para acionar a hélice ou o gerador.
Com a ajuda dessa separação de tarefas na forma de compressor e carga externa, pode-se obter uma melhor característica de torque, como a característica necessária para a hélice do navio. A figura a seguir retrata isso.
Desafios do emprego de uma turbina a gás marítima
O ambiente de trabalho das turbinas a gás marítimas cria desafios únicos. O ar salgado para combustão nunca foi realmente uma dificuldade significativa para motores a diesel ou usinas a vapor. Mas a grande quantidade de ar exigida pela turbina a gás fornece uma grande quantidade de umidade para entrar no motor. Portanto, o motor deve ser ajustado para evitar a corrosão e o bloqueio por sedimentos salinos das passagens das turbinas a gás marítimas.
Outro desafio a ser considerado com a turbina a gás é a exposição da turbina a um choque; vibrações da hélice, rolamento de arfagem e outros. Cuidados precisos devem ser tomados para projetar, manter as estruturas de suporte e amortecimento.
