No caso da máquina a vapor, o fluido de trabalho é o vapor de água sob alta pressão e a alta temperatura. O funcionamento da turbina a vapor baseia-se no principio de expansão do vapor, gerando diminuição na temperatura e energia interna; essa energia interna perdida pela massa de gás reaparece na forma de energia mecânica, pela força exercida contra um êmbolo. Há diversas classificações possíveis para as turbinas a vapor, mas a mais comum é dividi-las entre:
- De condensação - É um sistema fechado de geração de energia. Neste, o vapor tanto atravessa a turbina fazendo-a girar como também, ao ser condensado, gera uma zona de baixa pressão no difusor de saída da turbina aumentando o giro e realimentando a caldeira com o agente para novo ciclo. É o tipo mais comum em centrais termoeléctricas e nucleares.
- De contra-pressão - Assim chamado é o método mais arcaico que se pode usar numa máquina térmica. É o mesmo projeto de Heron de Alexandria usado no segundo século antes de Cristo, o sistema Contra-Pressão é similar a uma máquina a vapor conhecida pelo nome de eolípila.
As primeiras máquinas a vapor foram construídas na Inglaterra durante o século XVIII. Retiravam a água acumulada nas minas de ferro e de carvão e fabricavam tecidos. Graças a essas máquinas, a produção de mercadorias aumentou muito. E os lucros dos burgueses donos de fábricas cresceram na mesma proporção. Por isso, os empresários ingleses começaram a investir na instalação de indústrias. As fábricas se espalharam rapidamente pela Inglaterra e provocaram mudanças tão profundas que os historiadores atuais chamam aquele período de Revolução Industrial. O modo de vida e a mentalidade de milhões de pessoas se transformaram, numa velocidade espantosa. O mundo novo do capitalismo, da cidade, da tecnologia e da mudança incessante triunfou. As máquinas a vapor bombeavam a água para fora das minas de carvão. Eram tão importantes quanto as máquinas que produziam tecidos. As carruagens viajavam a 12 km/h e os cavalos, quando se cansavam, tinham de ser trocados durante o percurso. Um trem da época alcançava 45 km/h e podia seguir centenas de quilômetros. Assim, a Revolução Industrial tornou o mundo mais veloz. Como essas máquinas substituiam a força dos cavalos, convencionou-se em medir a potência desses motores em HP (do inglês horse power ou cavalo-força).
Construtivamente as partes principais são:
Carcaça: Feita de aço fundido e usinado internamente, montada na horizontal. A espessura da carcaça pode ultrapassar 150mm na região de alta pressão. A função da carcaça é conter todo o conjunto rotativo, composto pelo eixo e pelas palhetas, e aconficionar os bocais (nozzles) fixos.
Embora a função seja simples, o projeto mecânico da carcaça é bastante complexo e crítico para o bom funcionamento da turbina a vapor. A principal razão disto, é a alta temperatura que a turbina funciona, e as pequenas folgas entre as partes fixas e as partes rotativas.
Quando o vapor entra na turbina, a alta temperatura, ocorre uma grande dilatação do material, que pode facilmente exceder 15 mm dependendo do tamanho da turbina. Quando ocorre esta dilatação, há o risco de as folgas entre as partes fixas e móveis serem reduzidas a ponto de haver roçamento, e consequentemente, desgaste ou mesmo ruptura das palhetas.
Também, devido a grande espessura da parede, há grandes gradientes térmicos. A parte interna, em contato com o vapor, se ditata mais, devido à alta temperatura. A parte externa da parede, em contato com o ambiente, se dilata menos. Essa diferença entre a dilatação do material na parte interna e externa da parede dá origem a fortes tensões que podem causar distorção ou fadiga térmica.
Na carcaça são montados um conjunto de 2 a 4 mancais, dependendo do tamanho da turbina. Os mancais podem ser ainda:
de guia: são os que suportam o peso do eixo e o carregamento radial. Permitem que ele tenha movimento giratório livre de atrito.
de escora: suportam a carga axial decorrente do "choque" do vapor com as palhetas. É montado no sentido horizontal.
Os mancais de turbinas a vapor não usam rolamentos. Eles são do tipo hidrodinâmico, em que o eixo flutua sobre um filme de óleo em alta pressão que é causada pelo próprio movimento do eixo, relativo à parede do mancal.
O mancal também tem um sistema de selagem de óleo e de vapor. Este sistema de selagem impede que vapores de óleo, ou de água, passem da turbina para o ambiente. Normalmente o sistema é constituído de uma série de labirintos que provocam uma perda de carga no fluxo de vapor, reduzindo o vazamento.
Rotor
O rotor é a parte girante da turbina e responsável pela transmissão do torque ao acoplamento. No rotor são fixadas as palhetas, responsáveis pela extração de potência mecânica do vapor. O rotor é suportado pelos mancais, normalmente pelas extremidades. É fabricado com aços ligados e forjados. Os materiais que são empregados atualmente são ligas com altos percentuais de níquel, cromo ou molibdênio. Nas máquinas mais modernas, são feitos a partir de um linguote fundido à vácuo, e depois forjado.
O eixo deve ser cuidadosamente balanceado e livre de imperfeições superficiais, que podem funcionar com concentradoras de tensões, o que reduz a resistência à fadiga do eixo.
Em uma das extremidades do eixo é feito o acoplamento, seja a um gerador elétrico, ou a uma máquina de fluxo, como um ventilador, um compressor ou uma bomba. Mas, devido a necessidade de se obter uma rotação diferente no acoplamento, muitas vezes o eixo é ligado a uma caixa redutora de velocidade, onde a rotação da turbina é aumentada ou reduzida, para ser transmitida ao acoplamento.
Palhetas
As palhetas são perfis aerodinâmicos, projetados para que se obtenha em uma das faces uma pressão positiva, e na outra face uma pressão negativa. Da diferença de pressão entre as duas faces é obtida uma força resultante, que é transmitida ao eixo gerando o torque do eixo.
Labirintos
Os labirintos são peças aplicadas em turbinas a vapor com a finalidade de vedar a carcaça sem atritar. São fabricados na grande maioria em alumínio e são bi-partidos radialmente para facilitar a manutenção da máquina. Internamente, eles são aplicados para garantir o rendimento da turbina. Nos casos em que há mais de um rotor, o vapor não pode se dissipar dentro da carcaça para não perder energia e baixar o rendimento da máquina. Os labirintos também são utilizados na vedação da carcaça em relação ao ambiente externo, evitando também a dissipação do vapor para a atmosfera.
Nas turbinas de grande porte, há a injeção de vapor nos labirintos, por meio de uma tomada vinda da própria máquina, para equalizar as pressões e garantir a vedação da carcaça.
Locomotiva a Vapor
A Locomotiva a vapor é uma locomotiva propulsionada por um motor a vapor que compõe-se de três partes principais: a caldeira, produzindo o vapor usando a energia do combustível, a máquina térmica, transformando a energia do vapor em trabalho mecânico e a carroçaria, carregando a construção. O vagão-reboque (também chamado "tender") de uma locomotiva a vapor transporta o combustível e a água necessários para a alimentação da máquina.
As primeiras locomotivas apareceram no século XIX sendo o mais popular tipo de locomotiva até ao fim da Segunda Guerra Mundial. No Brasil as locomotivas a vapor receberam o apelido de "Maria-Fumaça" em virtude da densa nuvem de vapor e fuligem expelida por sua chaminé, sendo que no final do século XIX e início do século XX, os matutos e caipiras, davam-lhe o nome de "Balduína", uma corruptela de Baldwin, a marca das locomotivas de origem norte-americana, usadas à altura.
A primeira locomotiva a vapor usando trilhos foi construída pelo engenheiro inglês Richard Trevithick e fez o seu primeiro percurso em 21 de Fevereiro de 1804. A locomotiva conseguiu puxar cinco vagões com dez toneladas de carga e setenta passageiros à velocidade vertiginosa de 8 km por hora usando para o efeito trilhos fabricados em ferro-fundido. Esta locomotiva, por ser demasiado pesada para a linha-férrea e avariar constantemente, não teve grande sucesso.
Funcionamento da locomotiva a vapor: Nesta animação, a cor rosa representa o "vapor vivo", procedente da caldeira, entrando no cilindro. A cor azul representa o vapor gastado que escapa do cilindro.
Outro inglês, John Blenkinsop, construiu uma locomotiva em 1812 que usava dois cilindros verticais que movimentavam dois eixos, unidos a uma roda dentada que faziam accionar uma cremalheira. Esta máquina usava também trilhos de ferro-fundido, que vieram substituir definitivamente os trilhos em madeira usados até aí. Estes trilhos ou linhas de madeira tinham sido desenvolvidos na Alemanha por volta do ano de 1550, serviam carruagens que eram puxadas por animais, principalmente por cavalos mas também, por vezes, à força de braços.
No entanto, o passo maior para o desenvolvimento da locomotiva e por consequência do comboio, seria dado por George Stephenson. Este inglês, mecânico nas minas de Killingworth, construiu a sua primeira locomotiva a quem chamou Blucher, corria o ano de 1814. A Blucher, que se destinava ao transporte dos materiais da mina, conseguiu puxar uma carga de trinta toneladas à velocidade de 6 quilômetros por hora. Stephenson viria a construir a primeira linha férrea Stockton and Darlington Railway, entre Stockton-on-Tees e a região mineira de Darlington, que foi inaugurada em 27 de Setembro de 1825 e tinha 61 km de comprimento; quatro anos mais tarde, foi chamado a construir a linha férrea entre Liverpool e Manchester. Nesta linha foi usada uma nova locomotiva, baptizada Rocket, que tinha uma nova caldeira tubular inventada pelo engenheiro francês Marc Seguin e já atingia velocidades da ordem dos 30 km/h.
A máquina de Richard Trevithick
No início do século XIX, as rodas motrizes passaram a ser colocadas atrás da caldeira, permitindo desta forma aumentar o diâmetro das rodas e, consequentemente, o aumento da velocidade de ponta. O escocês James Watt, com a introdução de várias alterações na concepção dos motores a vapor, designadamente na separação do condensador dos cilindros, muito contribuiu também para o desenvolvimento dos caminhos de ferro.
Num ápice, as locomotivas passaram do vapor à eletricidade. No dia 31 de Maio de 1879, Werner von Siemens apresentou na Exposição Mundial de Berlim a primeira locomotiva eléctrica. No entanto, o seu desenvolvimento só foi significativo a partir de 1890, mantendo-se a sua utilização até aos dias atuais.
Antes do meio do século XX, as locomotivas eléctricas e a diesel começaram a substituir as máquinas a vapor. No fim da década de 1960, a maioria dos países já tinha substituído a totalidade das locomotivas a vapor em serviço. Outros projetos foram desenvolvidos e experimentados, como as locomotivas com turbinas a gás, mas muito pouco utilizados.
Já no fim do século XX na América do Norte e na Europa o uso regular das locomotivas a vapor estava restrito aos trens com fins turísticos ou para entusiastas do comboio. No México, o vapor manteve-se com uso comercial até fins da década de 1970. Da mesma forma ocorreu localizadamente no Brasil, onde no sul do país a Estrada de Ferro Tereza Cristina ainda operou essas máquinas até 1994. Locomotivas a vapor, continuam a ser usadas regularmente na China onde o carvão é muito mais abundante do que o petróleo. A Índia trocou o vapor pelo diesel e pela eletricidade na década de 1990. Em algumas zonas montanhosas o vapor continua a ser preferido ao diesel, por ser menos afetado pela reduzida pressão atmosférica.
O recorde absoluto de velocidade de uma locomotiva a vapor foi obtido na Inglaterra em 1938. A locomotiva atingiu a velocidade de 201,2 km/h num percurso ligeiramente inclinado. Velocidades semelhantes foram também atingidas na Alemanha e nos EUA.
Em Portugal o recorde de velocidade com locomotiva a vapor foi de 140/145 km/h, durante ensaios realizados em 1939 na linha do norte com a locomotiva Pacific nº 501.
No Brasil o recorde de velocidade em uma máquina a vapor é da locomotiva de nº 353 que pertenceu a Central do Brasil com registro de velocidade de 147 km/h.
O Vídeo baixo mostra um dos mais poderosos trens construídos, foi feito com a especificação de levar mantimentos e armas na primeira guerra mundial, o audio é em inglês, mas já dá para ter uma noção da força desse trem, um de meus favoritos.
O vídeo a seguir tem qualidade baixa, mas fala muito sobre o funcionamento dos trens a vapor:
Classificação de locomotivas: Como pode-se observar, estão classificadas conforme o nº de rodas pequenas na frente, de rodas grandes no meio e de pequenas atrás
Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_a_vapor
http://pt.wikipedia.org/wiki/Trem_a_vapor
Nenhum comentário:
Postar um comentário