GER-3569F 1 MATERIAIS E REVESTIMENTOS AVANÇADOS DE TURBINAS A GÁS P.W. Schilke GE Power Systems Schenectady, NY INTRODUÇÃO Os materiais avançados GE formam a base para melhorias importantíssimas na área de turbinas a gás — melhorias que estão definindo novos marcos no oferecimento ao cliente dos mais eficientes sistemas movidos a combustível para geração de energia disponíveis no mercado. Potências de ciclo combinado de até 60% podem agora ser atingidas devido ao aumento na temperatura de combustão associado a projetos de sistemas com componentes mais eficientes. Os aperfeiçoamentos sucessivos feitos pela GE prometem que esta década testemunhará avanços contínuos na área de turbinas a gás com temperaturas de combustão, pressões e saídas mais elevadas. Este artigo descreve a evolução de soluções para questões que, no passado, eram vistas como demandas incompatíveis do mercado: altas temperaturas de combustão e vida prolongada, proteção contra corrosão provocada por ar e combustíveis contaminados e maior eficiência com relação à flexibilidade dos combustíveis. Ele se concentra nos avanços feitos na área de componentes para trajetos de gases quentes, já que estes geralmente constituem a parte mais importante da turbina a gás. As melhorias nas áreas de superligas e processamento permitem hoje que os componentes para trajetos de gases quentes operem na combustão de turbinas a gás avançadas em temperaturas aumentadas por muitos milhares de horas sob condições severas de esforços centrífugos, térmicos e vibratórios. Também são discutidas melhorias recentes em compressores e rotores. Os engenheiros da GE continuam líderes no estudo e no desenvolvimento da tecnologia de materiais para turbinas a gás porque podem canalizar conhecimentos dos laboratórios de uma das empresas mais diversificadas do mundo, com produtos que variam de motores de aviões a plásticos de alta tecnologia. Eles usaram esses recursos e dados coletados de mais de 5.000 turbinas a gás em operação sob diversos climas e com uma ampla variedade de combustíveis para garantir o desempenho dos materiais sob condições severas. FILOSOFIA DOS MATERIAIS A filosofia principal é construir uma máquina confiável, eficiente e econômica para o serviço pretendido. Sempre que possível, são usados materiais padrão com histórico de aplicação bem-sucedida. Em muitos casos, é usada tecnologia testada em aplicações de turbinas de aviões ou a vapor. No entanto, muitas vezes os requisitos exclusivos dos componentes de trajetos de gases para trabalho pesado demandam materiais e processos especiais. Através do trabalho conjunto com fornecedores de ligas e de componentes associado ao desenvolvimento interno de programas por parte da GE, foram desenvolvidas ligas e processos para suprir as necessidades da indústria de turbinas a gás. A primeira fase de um programa de desenvolvimento de materiais é dispendiosa e demorada. Primeiramente, filtra-se o que há de novo em idéias e avanços para selecionar aqueles com o maior potencial para atender aos objetivos do projeto. Segue-se uma fase de testes exaustivos visando assegurar o desempenho satisfatório dos materiais em turbinas a gás para trabalho pesado por dezenas de milhares de horas. São realizados testes prolongados de deformação nas temperaturas de operação esperadas para caracterizar o desempenho das ligas. Além disso, as avaliações laboratoriais normalmente incluem itens como testes de tensão, ruptura, fadiga nos ciclos baixo e alto, fadiga térmico-mecânica, rigidez, resistência à corrosão/oxidação, testes de produção/ processamento e determinações completas de propriedades físicas. Essa fase de testes pode durar vários anos para um material novo de um injetor ou de uma pá. Após os testes de laboratório, chega-se à fase da experiência real com a operação da máquina, o melhor e definitivo teste do novo material, com a cooperação de clientes da GE. São instalados testes de campo de arco-íris nas máquinas dos clientes para comparação detalhada com o material da linha básica atual.
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MATERIAIS E REVESTIMENTOS AVANÇADOS DE TURBINAS A GÁS
P.W. Schilke GE Power Systems Schenectady, NY
INTRODUÇÃO
Os materiais avançados GE formam a base para melhorias importantíssimas na área de turbinas a gás — melhorias que estão definindo novos marcos no oferecimento ao cliente dos mais eficientes sistemas movidos a combustível para geração de energia disponíveis no mercado. Potências de ciclo combinado de até 60% podem agora ser atingidas devido ao aumento na temperatura de combustão associado a projetos de sistemas com componentes mais eficientes. Os aperfeiçoamentos sucessivos feitos pela GE prometem que esta década testemunhará avanços contínuos na área de turbinas a gás com temperaturas de combustão, pressões e saídas mais elevadas.
Este artigo descreve a evolução de soluções para questões que, no passado, eram vistas como demandas incompatíveis do mercado: altas temperaturas de combustão e vida prolongada, proteção contra corrosão provocada por ar e combustíveis contaminados e maior eficiência com relação à flexibilidade dos combustíveis. Ele se concentra nos avanços feitos na área de componentes para trajetos de gases quentes, já que estes geralmente constituem a parte mais importante da turbina a gás. As melhorias nas áreas de superligas e processamento permitem hoje que os componentes para trajetos de gases quentes operem na combustão de turbinas a gás avançadas em temperaturas aumentadas por muitos milhares de horas sob condições severas de esforços centrífugos, térmicos e vibratórios. Também são discutidas melhorias recentes em compressores e rotores.
Os engenheiros da GE continuam líderes no estudo e no desenvolvimento da tecnologia de materiais para turbinas a gás porque podem canalizar conhecimentos dos laboratórios de uma das empresas mais diversificadas do mundo, com produtos que variam de motores de aviões a plásticos de alta tecnologia. Eles usaram esses recursos e dados coletados de mais de 5.000 turbinas a gás em operação sob diversos climas e com uma ampla variedade de combustíveis para garantir o desempenho dos materiais sob condições severas.
FILOSOFIA DOS MATERIAIS
A filosofia principal é construir uma máquina confiável, eficiente e econômica para o serviço pretendido. Sempre que possível, são usados materiais padrão com histórico de aplicação bem-sucedida. Em muitos casos, é usada tecnologia testada em aplicações de turbinas de aviões ou a vapor. No entanto, muitas vezes os requisitos exclusivos dos componentes de trajetos de gases para trabalho pesado demandam materiais e processos especiais. Através do trabalho conjunto com fornecedores de ligas e de componentes associado ao desenvolvimento interno de programas por parte da GE, foram desenvolvidas ligas e processos para suprir as necessidades da indústria de turbinas a gás.
A primeira fase de um programa de desenvolvimento de materiais é dispendiosa e demorada. Primeiramente, filtra-se o que há de novo em idéias e avanços para selecionar aqueles com o maior potencial para atender aos objetivos do projeto.
Segue-se uma fase de testes exaustivos visando assegurar o desempenho satisfatório dos materiais em turbinas a gás para trabalho pesado por dezenas de milhares de horas. São realizados testes prolongados de deformação nas temperaturas de operação esperadas para caracterizar o desempenho das ligas.
Além disso, as avaliações laboratoriais normalmente incluem itens como testes de tensão, ruptura, fadiga nos ciclos baixo e alto, fadiga térmico-mecânica, rigidez, resistência à corrosão/oxidação, testes de produção/ processamento e determinações completas de propriedades físicas. Essa fase de testes pode durar vários anos para um material novo de um injetor ou de uma pá.
Após os testes de laboratório, chega-se à fase da experiência real com a operação da máquina, o melhor e definitivo teste do novo material, com a cooperação de clientes da GE. São instalados testes de campo de arco-íris nas máquinas dos clientes para comparação detalhada com o material da linha básica atual.
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Mais de 50 arcos-íris foram instalados desde os anos 50, abrangendo materiais para lâminas de compressores, revestimentos de compressores, combustores, injetores, revestimentos de injetores, pás e revestimentos de pás. Praticamente todos os materiais aperfeiçoados que hoje são considerados padrão para trajetos de gases quentes, foram testados em rotores de arco-íris antes de entrarem em atividade. Normalmente, os materiais de arco-íris são removidos e avaliados periodicamente e substituídos por componentes padrão. Os testes de arco-íris atuais incluem revestimentos de pás e de injetores, componentes de combustão e materiais para pás e injetores.
Os testes com rotores de arco-íris, incluindo os testes prolongados de laboratório, constituem o fundamento da filosofia do desenvolvimento de materiais. Eles proporcionaram um fluxo contínuo de materiais e processos cuidadosamente desenvolvidos para turbinas a gás GE para trabalho pesado.
Depois de um material ter sido testado em um rotor de arco-íris, sua produtibilidade é verificada através de testes exaustivos de qualificação e da avaliação de grupos pilotos. Os componentes devem continuar a cumprir rigorosos requisitos de testes de produção não-destrutivos e destrutivos. É realizado um trabalho abrangente junto aos fornecedores visando qualificar os componentes que usam um novo material. Durante esse tempo, os componentes de teste são testados destrutivamente e analisados para determinar se as propriedades cumprem os requisitos definidos pelas especificações da GE. Centenas de peças fundidas de pás e de injetores e muitas rodas forjadas foram desmontadas para análise, a fim de verificar se o processamento (material de partida, parâmetros de fundição/forjamento, tratamento térmico, etc.) está correto.
Depois que o fornecedor se torna qualificado, os processos usados para fabricar esse componente são “congelados” para produção e não podem ser alterados sem aprovação da GE. Uma vez em produção, as amostras feitas com certas peças forjadas e fundidas selecionadas são testadas destrutivamente para garantir o cumprimento das especificações. Os componentes giratórios críticos são submetidos a técnicas de inspeção
não-destrutiva, tais como exames com ultra-som, líquido penetrante, partículas magnéticas e raio-X, dependendo do componente. Também são feitos testes de verificação nos componentes mais importantes.
Essa filosofia de desenvolvimento de materiais e qualificação de produção existe desde que a GE iniciou a construção de turbinas a gás nos anos 50 e continuará no futuro para atender às necessidades de materiais aperfeiçoados em máquinas novas e com altas taxas.
PÁS E INJETORES DE TURBINAS
Processamento
A GE tem utilizado injetores e pás de fundição revestida fabricados pela técnica de cera perdida desde meados dos anos 60. Esse processo de fundição permite o uso de ligas de difícil moldagem ou usinagem e possibilita grande flexibilidade no projeto para esquemas de resfriamento interno. Por exemplo, a criação de núcleos de cerâmica é muito usada nessas peças fundidas para formar passagens de resfriamento de ar e permitir a redução de peso.
A maioria das peças fundidas para injetores e pás usadas pela GE são feitas com o uso do processo convencional de revestimento de fundição equiaxial. Nesse processo, o metal fundido é derramado em um molde de cerâmica a uma pressão inferior a 10-2 torr (10-2 mm Hg). Na maioria das vezes é usado vácuo, exceto no caso de algumas ligas de cobalto, para impedir que os elementos altamente reativos existentes nas superligas reajam com o oxigênio e o nitrogênio do ar. Com o controle adequado das condições térmicas do metal e do molde, o metal fundido se solidifica da superfície para o centro do molde, criando uma estrutura equiaxial. Para impedir a porosidade causada pela retração, toma-se muito cuidado para permitir a alimentação correta do metal fundido para a fundição durante o processo de solidificação.
Diversas pás e injetores de fundição revestida foram produzidos nos últimos 30 anos. Os exemplos nas figuras 1 e 2 indicam a flexibilidade do processo de acomodação às variações de projeto e de tamanho.
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Figura 1. Pás de fundição revestida
Figura 2. Injetores de fundição revestida
A solidificação direcional (DS - Directional Solidification) também está sendo empregada para produzir injetores de tecnologia avançada. Usada inicialmente em motores de aviões há mais de 25 anos, ela foi adaptada para uso em grandes aerofólios através dos esforços da GEPG e de seus fornecedores, há vários anos. Através do controle rigoroso sobre os gradientes de temperatura, é desenvolvida uma frente de solidificação planar no injetor, e a peça é solidificada movendo essa frente planar longitudinalmente em toda a sua extensão. O resultado é um injetor com uma estrutura de grãos orientados paralelamente ao eixo principal da peça e que não apresenta limites transversos de grãos. A eliminação desses limites transversos de grãos confere força de deformação e de ruptura adicional à liga, e a orientação da estrutura de grãos possibilita um módulo favorável de elasticidade na direção longitudinal para aperfeiçoar a resistência à fadiga. Mais recentemente, a GEPG trabalhou com seus fornecedores para desenvolver grandes peças fundidas monocristalinas que oferecem benefícios adicionais de deformação e fadiga através da eliminação dos limites de grãos.
Figura 3. Pás solidificadas direcionalmente
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A pá MS5002C solidificada direcionalmente foi a primeira pá de uma grande turbina a gás DS com base em terra feita em uma base de produção e está em serviço comercial desde 1989. A Figura 3 mostra três exemplos recentes de pás direcionalmente solidificadas do estágio 1: uma MS9001FA, uma MS7001FA e uma MS6001FA. Todas estão delineadas para mostrar a estrutura direcional de grãos.
Operações secundárias incluem usinagem eletromecânica e de descarga elétrica, revestimento duro em alguns componentes e retífica convencional ou por avanço de deformação. Esses processos e revestimentos subseqüentes para proteção contra corrosão e oxidação são totalmente qualificados para cada projeto a fim de garantir que a qualidade metalúrgica seja mantida, que não sejam introduzidas tensões residuais adversas e que as propriedades gerais não sejam degradadas. Além disso, os componentes tipo rabos-de-andorinha recebem jatos com granalha para fornecer tensões residuais abrangentes para maior resistência à fadiga.
Materiais para pás
A pá do estágio 1 deve suportar a mais severa combinação de temperatura, tensão e ambiente; geralmente, é o componente
limitador na máquina.
Desde 1950, a capacidade de temperatura do material das pás da turbina aumentou cerca de 850°F (472°C), aproximadamente 20°F (10°C) por ano. A importância desse aumento pode ser apreciada observando-se que um aumento de 100°F (56°C) na temperatura de combustão da turbina pode proporcionar um aumento correspondente de 8% a 13% na saída e uma melhora de 2% a 4% na eficiência em ciclo único. Os avanços em ligas e processamento, embora dispendiosos e demorados, proporcionam incentivos significativos com o aumento na densidade da potência e na eficiência.
A Figura 4 mostra a tendência da temperatura de combustão e a capacidade de liga das pás. A composição das ligas novas e convencionais abordadas é mostrada na Tabela 1. Os aumentos na capacidade de temperatura das ligas das pás respondeu pela maior parte do aumento da temperatura de combustão até os anos 70, quando o resfriamento a ar foi introduzido, o que desatrelou a temperatura de combustão da temperatura do metal das pás. Além disso, com as temperaturas do metal aproximando-se da faixa de 1.600°F (870°C), a corrosão quente das pás tornou-se mais limitadora da vida útil do que a resistência até a introdução dos revestimentos protetores.
Figura 4. Tendência da temperatura de combustão e capacidade do material das pás
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Durante os anos 80, a ênfase voltou-se para duas áreas principais: processamento aprimorado para alcançar maior capacidade da liga das pás sem sacrificar a resistência à corrosão por parte da liga e tecnologia avançada de resfriamento a ar, altamente sofisticada, para alcançar a capacidade de temperatura de combustão necessária à nova geração F de turbinas a gás (Figura 5). O uso de resfriamento a vapor para aumentar ainda mais as eficiências de ciclo combinado será realizado nos anos 90.
Todas as ligas de pás de turbinas a gás GE são superligas fundidas a vácuo, à base de níquel, fortalecidas através de tratamentos térmicos de soluções e temperados por precipitação. A Figura 6 mostra a resistência à ruptura por esforço dessas ligas e das superligas usadas para aplicações de injetores: GTD-222, FSX-414 e N-155. Essa comparação é apresentada na forma do esforço necessário à ruptura como uma função de um parâmetro que relaciona tempo e temperatura (o Parâmetro de Larson-Miller).
Este é um dos vários parâmetros importantes do projeto que devem ser atendidos para garantir o desempenho adequado da liga em uma aplicação de injetor, especialmente para uma vida útil longa. A resistência à deformação, a fadiga nos ciclos alto e baixo, a fadiga térmica, a resistência à tensão e a ductilidade, a resistência ao impacto, a resistência à corrosão quente e à oxidação, a produtibilidade, a revestibilidade e as propriedades físicas também devem ser consideradas.
Figura 5. Tecnologia avançada de resfriamento a ar
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Figura 6. Comparação de ruptura por esforço – materiais para pás e injetores
Pás de GTD-111 solidificadas direcionalmente
O material da pá do estágio 1 atualmente em produção é o GTD-111 solidificado direcionalmente. É o mesmo GTD-111 equiaxial, exceto pelo controle mais severo sobre a composição química da liga. Esse material da pá é atualmente usado nas turbinas 6FA, 7FA e 9FA, nas turbinas 6B, 9EC, 7EA e nas turbinas 5/2C, D e 3/2J com altas taxas. O GTD-111 DS também está sendo aplicado nas pás dos estágios 2 e 3 das turbinas a gás 7FA e 9FA.
Figura 7. GTD-111 solidificado direcionalmente vs. equiaxial
Como discutido anteriormente, o uso de GTD-111 solidificado direcionalmente resulta em um aumento substancial na resistência à deformação ou na tensão tolerável
durante uma vida fixa. A Figura 7 mostra a vantagem do GTD-111 solidificado direcionalmente em comparação com o equiaxial. Essa vantagem deve-se à eliminação dos limites transversos de grãos da pá, o ponto fraco tradicional na microestrutura.
Além da melhoria na resistência à deformação, o GTD-111 DS apresenta mais de 10 vezes o controle de fadiga ou fadiga térmica em comparação ao GTD-111 equiaxial. A resistência ao impacto do GTD-111 DS também é superior à do equiaxial, mostrando vantagem de mais de 33%.
Pás equiaxiais — GTD-111
O GTD-111, a liga básica usada para as aplicações de DS e equiaxiais, foi desenvolvido e patenteado pela GE em meados dos anos 70. Ele apresenta aumento de aproximadamente 35°F (20°C) em resistência à ruptura na forma equiaxial, em comparação ao IN-738. O GTD-111 também é superior ao IN-738 em resistência à fadiga de ciclo baixo. Ao mesmo tempo, o GTD-111 possui resistência à corrosão comparável ao IN-738, o padrão de corrosão reconhecido pela indústria.
O projeto dessa liga foi único no sentido de utilizar estabilidade de fase e outras técnicas de prognóstico para equilibrar os níveis de elementos críticos (Cr, Mo, Co, Al, W e Ta), mantendo assim a resistência à corrosão quente do IN-738 em níveis mais altos de tensão sem comprometer a estabilidade da fase. Os mesmos princípios usados para aprimorar a fusibilidade do IN-738 foram também incorporados ao GTD-111.
Foi feito um esforço substancial para “sintonizar” o GTD-111 para que ele pudesse ser usado para fabricar pás de fundição revestida de alta qualidade. Durante essa fase do desenvolvimento da liga/processo, foi feito um grande número de testes, representando o alcance dos tamanhos de pás desejados. Primeiramente, esses testes ficaram restritos às partes do estágio 1; mais recentemente, expandiram-se e o GTD-111 está agora sendo usado nas pás maiores, do estágio posterior. Durante todos esses testes de produtibilidade, as pás foram feitas, testadas de forma não-destrutiva e muitas delas foram desmontadas para determinar as propriedades. Essas avaliações proporcionaram o retorno necessário à otimização do processamento dessas partes.
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Pás de IN-738
O IN-738 tem sido o material usado para pás do estágio 1 em todos os modelos construídos entre 1971 e 1984, quando o GTD-111 foi introduzido. Além disso, o IN-738 tem sido usado nos últimos anos como material para pás do estágio 2 nos modelos de três estágios MS6001, MS7001 e MS9001. O IN-738 é conhecido como pertencente a uma classe muito pequena de modernas superligas que apresentam uma notável combinação de resistência à tensão por temperatura e à corrosão quente. O equilíbrio dessas duas propriedades foi ótimo para aplicações de turbinas a gás para trabalho pesado. Ele foi criado especificamente para aplicação em turbinas terrestres, em oposição ao uso em aviação. O IN-738 foi o primeiro material para pás fundidas usado pela GE nas turbinas a gás para trabalho pesado sem uso anterior em aplicações de turbinas a gás para aviões.
O IN-738 foi desenvolvido inicialmente pela International Nickel Company, mas sua composição química foi posteriormente modificada pela GE para aprimorar sua fusibilidade. Isso, juntamente com o trabalho considerável na modificação das técnicas de fundição propriamente ditas, permitiu a adoção comercial de uma liga cuja fundição, de outro modo, teria sido classificada como praticamente impossível em escalas elevadas. Esse trabalho permitiu a aplicação bem-sucedida do IN-738 durante os últimos 20 anos nas turbinas a gás GE. Na verdade, essa liga é hoje usada em toda a indústria de turbinas a gás para trabalho pesado.
Pás de U-500
Muitas das pás de turbinas a gás do estágio 3 da GE são atualmente feitas de U-500, uma liga usada para pás do estágio 1 em meados dos anos 60. Como no caso do IN-738 e do GTD-111, esta é uma liga temperada por precipitação (revestimento protetor gama), à base de níquel. Atualmente ela é aplicada aos estágios posteriores de pás em modelos de turbinas selecionados.
Pás futuras
Com a introdução do GTD-111 DS, uma realidade comercial, os esforços de desenvolvimento estão agora direcionados ao processamento em monocristal e ao desenvolvimento de ligas DS avançadas. Os aerofólios monocristalinos oferecem o potencial para aumentar ainda mais a resistência dos materiais à alta temperatura e,
pelo controle da orientação do cristal, podem proporcionar um equilíbrio ótimo de propriedades.
Em material monocristalino, todos os limites de grãos são eliminados da estrutura do material e é produzido um monocristal com orientação controlada em forma de aerofólio. Eliminando todos os limites de grãos e os aditivos de resistência desses limites, pode ser alcançado um aumento substancial no ponto de fusão da liga, proporcionando assim um aumento correspondente na resistência à alta temperatura. A deformação transversa e a resistência à fadiga são aumentadas, em comparação às estruturas equiaxiais ou DS. A GE Aircraft Engines tem aplicado tecnologia de pás monocristalinas por mais de 10 anos em motores de aviões. A vantagem das ligas monocristalinas em comparação com as ligas equiaxiais e DS no aspecto da Fadiga de Ciclo Baixo (LCF - Low-Cycle Fatigue) é mostrada na Figura 8. A GE está atualmente avaliando e testando em rotor de arco-íris algumas dessas ligas monocristalinas para aplicação na próxima geração de turbinas a gás.
As melhorias em andamento e projetadas na área das capacidades dos materiais para pás são ilustradas na Figura 9. Juntamente com revestimentos aprimorados, esses novos materiais para pás proporcionarão capacidade de desenvolvimento contínuo para as turbinas a gás GE nos próximos anos.
Figura 8. Ligas para pás — resistência à LCF
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Figura 9. Melhorias contínuas na capacidade dos materiais para pás
Materiais para injetores
Os injetores do estágio 1 (terminologia GE para as pás estacionárias da turbina) são sujeitos às mais altas temperaturas de gás na turbina, mas a esforços mecânicos menores do que as pás. Sua função é orientar os gases quentes na direção das pás; desse modo, eles devem ser capazes de suportar altas temperaturas e proporcionar perdas mínimas na circulação de gases. É necessário que os injetores tenham excelente oxidação e resistência à corrosão em altas temperaturas, alta resistência à fadiga térmica, capacidade de soldagem relativamente boa para facilitar a fabricação e o reparo, além de boa fusibilidade. Os injetores de estágios posteriores também devem possuir força de deformação adequada para suportarem a si próprios e aos diafragmas anexados da carcaça externa.
Injetores de FSX-414
A liga atualmente usada para toda a produção de injetores do estágio 1 e de alguns injetores de estágios posteriores é FSX-414, uma liga à base de cobalto patenteada pela GE. As ligas à base de cobalto geralmente possuem resistência superior em temperaturas muito altas, em comparação com as ligas à base de níquel. Essa liga é derivada da X-40 e da X-45, ambas também desenvolvidas pela GE e usadas pela primeira vez nos anos 60.
A FSX-414 contém menos carbono que a X-40 para aumentar a possibilidade de soldagem, e mais cromo para aumentar a resistência à oxidação/corrosão. Testes de duração de vida em uma câmara de combustão de turbina a gás simulada demonstraram um aumento de duas a três vezes na resistência à oxidação em comparação com a X-40 e a X-
45. Esse aumento permitiu um acréscimo nas temperaturas de combustão de aproximadamente 100°F (56°C) para resistência à oxidação equivalente.
Injetores de GTD-222
A liga para injetores à base de níquel do estágio posterior, GTD-222, foi desenvolvida em resposta à necessidade de aumentar a força de deformação em alguns injetores dos estágios 2 e 3. Ela oferece um aumento de mais de 150°F (66°C) em força de deformação em comparação com a FSX-414, e pode ser reparada com o uso de solda.
Um benefício adicional importante derivado dessa liga é o aprimoramento na resistência à corrosão quente em baixa temperatura. Adaptando-se a liga para que proporcione uma combinação ótima de resistência à deformação e capacidade de soldagem, foi criada uma liga exclusiva à base de níquel, patenteada pela GE, para atender às demandas de turbinas a gás GE avançadas e com altas taxas. Essa liga é de fundição revestida a vácuo e apresentou boa produtibilidade. Os segmentos de injetor de arco-íris foram fabricados com base na GTD-222 e apresentaram excelente desempenho após mais de 40.000 horas de serviço. Essa liga para injetores está agora em uso nas máquinas 6FA, 7FA, 9FA 9E, 9EC e 6B.
Injetores de N-155
A N-155, também chamada de Multimet, é uma liga à base de ferro quimicamente semelhante à S-590 usada em aplicações anteriores de injetores. Ela está mais facilmente disponível, possui melhor capacidade de soldagem do que a S-590 e é
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usada nos injetores de estágios posteriores das turbinas das séries MS3000 e MS5000.
Materiais e revestimentos para futuros injetores
O material para injetores FSX-414 tem sido extremamente bem-sucedido desde os anos 60. No entanto, devido ao aumento contínuo das temperaturas de operação das turbinas, foram iniciados programas experimentais para levar as ligas para injetores à produção comercial. O primeiro desses programas resultou na produção da GTD-222 para injetores de estágios posteriores. Na aplicação de injetores do estágio 2, a GTD-222 recebe um revestimento de aluminida para conferir a esse componente resistência à oxidação. Outro programa é direcionado para a avaliação e modificação de ligas para motores de aviões usadas atualmente com resistência aumentada à alta temperatura e resistência à oxidação em alta temperatura.
REVESTIMENTOS DAS PÁS Os revestimentos das pás são
necessários para protegê-las contra corrosão, oxidação e degradação das propriedades mecânicas. À medida que as superligas tornaram-se mais complexas, tem aumentado a dificuldade para obter os níveis mais altos de tensão necessários e um nível satisfatório de resistência à corrosão e à oxidação sem o uso de revestimentos. Assim, a tendência às temperaturas de combustão mais elevadas aumenta a necessidade de revestimentos. A função de todos os revestimentos é proporcionar um reservatório superficial de elementos que formarão camadas de óxido altamente protetoras e aderentes, protegendo assim o material da base contra o ataque da oxidação e da corrosão e também contra a degradação.
A experiência tem demonstrado que a resistência das pás, revestidas ou não, depende muito do volume de contaminação do combustível e do ar, bem como da temperatura de operação da pá. Esse efeito é mostrado na Figura 10, que ilustra o efeito do sódio, um contaminante comum, sobre a vida das pás a 1.600°F (871°C).
A presença de níveis aumentados de contaminantes gera uma forma acelerada de ataque chamada de corrosão quente.
Além da corrosão quente, a resistência à oxidação por alta temperatura e à fadiga
térmica tornou-se um critério importante nas turbinas a gás com combustão mais elevada, como mostra a Figura 11. Nas avançadas máquinas atuais, a oxidação é uma preocupação não só em relação às superfícies das pás, mas também em passagens internas tais como orifícios de resfriamento.
Figura 10. Efeito do sódio sobre a resistência à corrosão nas pás
Corrosão quente
A corrosão quente é uma forma rápida de ataque geralmente associada a contaminantes de metais alcalinos, como o sódio e o potássio, reagindo com o enxofre existente no combustível para formar sulfatos fundidos. A presença de apenas algumas partes por milhão (ppm) de tais contaminantes no combustível, ou o equivalente no ar, é suficiente para causar essa corrosão. O sódio pode ser introduzido de diversas formas como, por exemplo, através de água salgada em combustível líquido, da entrada de ar da turbina em locais próximos à água salgada ou a outras áreas contaminadas, ou sob a forma de contaminantes em injeções de água/vapor. Além dos metais alcalinos como sódio ou potássio, outros elementos químicos podem influenciar ou provocar corrosão no sistema de pás. Notáveis nessa conexão são o vanádio, encontrado principalmente em óleos crus e residuais, e o chumbo que, muito freqüentemente, resulta de emissões da descarga de automóveis ou aparece como contaminante nos meios de transporte que usam gasolinas misturadas com chumbo.
Há atualmente duas formas distintas de corrosão quente reconhecidas pela indústria, embora o resultado seja o mesmo. Esses dois tipos são a corrosão quente por alta temperatura (Tipo 1) e por baixa temperatura (Tipo 2).
A corrosão quente por alta temperatura é conhecida desde os anos 50. Trata-se de uma
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forma extremamente rápida de oxidação que ocorre em temperaturas entre 1.500°F (816°C) e 1.700°F (927°C) na presença de sulfato de sódio (Na2SO4). O sulfato de sódio é gerado no processo de combustão como resultado da reação entre sódio, enxofre e oxigênio. O enxofre está presente como contaminante natural no combustível.
A corrosão quente por baixa temperatura foi reconhecida como um mecanismo separado de ataque da corrosão em meados dos anos 70. Esse ataque pode ser muito agressivo em condições propícias. Ele ocorre em temperaturas na faixa de 1.100°F (593°C) a 1.400°F (760°C) e requer uma pressão parcial significativa de SO2. É causado por compostos eutéticos de baixa fusão resultantes da combinação de sulfato de sódio e alguns constituintes da liga, como níquel e cobalto. Ele tem, na verdade, alguma analogia com o tipo de corrosão chamado de Corrosão Lateral pelo Gás em caldeiras com combustão a carvão.
Figura 11. Requisitos de revestimento das pás e evolução dos revestimentos
Figura 12. Corrosão quente (tipo alta temperatura)
Figura 13. Corrosão quente (tipo baixa temperatura)
Os dois tipos de corrosão quente causam diferentes tipos de ataque, como mostram as Figuras 12 e 13. Ali aparecem seções transversais metalográficas de material corroído. A corrosão por alta temperatura apresenta ataque intergranular, partículas de sulfeto e uma área erodida de metal da base. A corrosão por baixa temperatura, por característica, não exibe áreas erodidas nem ataque intergranular e apresenta um tipo de escamas de corrosão em camadas.
As linhas de defesa contra ambos os tipos de corrosão são semelhantes. Primeiramente, reduzir os contaminantes. Em segundo lugar, usar materiais tão resistentes à corrosão quanto possível. Em terceiro lugar, aplicar revestimentos para aumentar a resistência à corrosão da liga da pá.
Figura 14a. Fotomicrografia mostrando a microestrutura sólida de uma pá revestida que esteve em serviço
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Oxidação por alta temperatura
A oxidação do metal acontece quando átomos de oxigênio combinam-se com átomos de metal para formar escamas de óxido. Quanto mais alta a temperatura, mais rapidamente esse processo ocorre, criando o potencial para falha do componente se uma parte excessiva do substrato for consumida na formação desses óxidos. A Figura 14a mostra a microestrutura de uma pá revestida submetida a cerca de 30.000 horas de serviço. Sob as temperaturas observadas nessa região do aerofólio, não é visto ataque de oxidação significativo ao revestimento.
Ao contrário, a Figura 14b mostra a microestrutura do mesmo tipo de revestimento, severamente atacada após aproximadamente o mesmo período de serviço. Em temperaturas mais altas, que devem ter ocorrido no caso da Figura 14b, não havia alumínio suficiente no revestimento para manter uma superfície de óxido protetora e o oxigênio difundiu-se no interior da estrutura do revestimento, onde formou partículas discretas e descontínuas de óxido de alumínio. Esse fenômeno é conhecido como oxidação interna. Esse tipo de situação esgota rapidamente o alumínio disponível no revestimento, tornando-o não-protetor.
Figura 14b. Fotomicrografia de um revestimento em material de pá exibindo oxidação interna do revestimento (partículas escuras)
Nas temperaturas mais altas, >1.650°F (>899°C), pode ocorrer um rápido ataque de oxidação de alguns materiais, a menos que haja uma barreira contra a difusão do oxigênio
na superfície do metal. O óxido de alumínio (Al2O3) proporciona tal barreira. O óxido de alumínio se formará sobre a superfície de uma superliga em altas temperaturas, se o conteúdo de alumínio da superliga for suficientemente alto. Assim, a liga forma sua própria barreira protetora nos estágios iniciais da oxidação, pela criação de uma escama de óxido de alumínio densa e aderente. No entanto, muitas superligas de alta resistência em uso atualmente não conseguem formar escamas protetoras suficientes porque os requisitos de composição para atingir outras propriedades, como a alta resistência e a estabilidade metalúrgica, não permitem a otimização da resistência à oxidação/corrosão na própria superliga. Assim, a maior parte das superligas atuais deve receber sua proteção contra oxidação de revestimentos especialmente projetados.
Revestimentos para altas temperaturas
Os revestimentos para altas temperaturas são usados onde as temperaturas dos componentes excedem a resistência à oxidação inerente do material. Houve um desenvolvimento considerável durante os últimos 20 anos no campo de revestimentos para altas temperaturas. O resultado foi um aumento acentuado na capacidade desses revestimentos para resistir não só ao ataque da corrosão quente durante longos períodos, mas também à oxidação por alta temperatura. Os revestimentos para trabalho pesado GE hoje disponíveis têm vida 10 a 20 vezes mais longa do que aqueles de primeira geração, sob uma maior diversidade de condições de corrosão e de oxidação.
A GE tem usado duas classes básicas de revestimentos durante os últimos 25 anos. A primeira foi um revestimento no estilo de difusão, chamado aluminida de platina (PtAl). A segunda é um revestimento sobreposto, como o PLASMAGUARD™ GT-29 IN-PLUS™.
O desenvolvimento de cada um desses sistemas de revestimento ocorreu em resposta a necessidades observadas no campo. A aluminida de platina foi o revestimento original para grandes cargas de trabalho e atacou problemas de corrosão experimentados por um amplo segmento da esquadra nos anos 60. Ele dobrou a resistência à corrosão das pás de IN-738 sem revestimento usadas naquele tempo. O revestimento PLASMAGUARD™
GT-29 aumentou essa resistência à corrosão
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em 50%. Esse mesmo nível de resistência à corrosão quente foi mantido no PLASMAGUARD™ GT-29 PLUS mais recente, que também tem resistência à oxidação substancialmente maior, como é requerido pelas máquinas mais avançadas. O PLASMAGUARD™ GT-29 IN-PLUS™ é um revestimento com duas camadas, com a camada superior também aplicada à superfície interna da pá. Mais recentemente, o GT-33 IN-COAT™ e o IN-PLUS™ foram desenvolvidos e aplicados às pás do estágio 1 das máquinas com temperatura de combustão mais alta, como as máquinas 7FA e 9FA. Esse revestimento possui capacidade de oxidação por alta temperatura ainda maior do que o GT-29 IN-PLUS™.
Uma comparação entre os revestimentos de pás do estágio 1 é mostrada na Figura 15, e é feita uma descrição mais detalhada de cada um deles nas seções a seguir.
Revestimentos de aluminida de platina
Todas as pás do estágio 1 são revestidas desde o final dos anos 70. Até meados de 1983, o revestimento usado pela GE na maioria das pás do estágio 1 era um revestimento de difusão de platina e alumínio (PtAl). Esse revestimento foi selecionado em preferência ao de aluminida pura por ter mais resistência à corrosão tanto em aparelhos para testes com queimadores como em testes de campo. O revestimento de platina e alumínio é aplicado através da eletrogalvanização uniforme de uma fina camada de 0,00025 polegada (0,006 mm) de platina sobre a superfície do aerofólio da pá, seguida por uma etapa de enchimento por difusão para depositar alumínio. Isso resulta em um revestimento de aluminida de níquel com platina em solução sólida ou presente como uma fase PtAl2 perto da superfície.
Figura 15. Resistência comparativa em tipos de revestimentos
A platina existente no revestimento aumenta a atividade do alumínio, permitindo uma escama de Al2O3 altamente protetora e aderente
Um exemplo em arco-íris de corrosão comparativa em pás IN-738 revestidas de PtAl e não-revestidas, executado lado a lado na mesma máquina sob condições de corrosão, é mostrado na Figura 16. As duas pás foram removidas para avaliação parcial após 25.000 horas de serviço. Essa unidade queimou gás sulfuroso natural contendo cerca de 3,5% de enxofre e estava localizada em uma região
onde o solo em torno da instalação continha até 3% de sódio.
A pá IN-738 não-revestida tem extensão de penetração de 0,010 a 0,015 polegadas (0,25 a 0,4 mm) no metal da base na maior parte da superfície da pá. A pá revestida geralmente não mostra evidência de ataque da corrosão quente no metal da base, embora algumas áreas tenham mostrado afinamento no revestimento. Somente em pontos muito pequenos da borda dianteira da pá revestida o revestimento foi rompido, e somente em uma profundidade de 0,001 a 0,002 polegadas (0,025 a 0,05 mm).
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Figura 16. Pás do estágio 1 da turbina: IN-738 revestida e não-revestida; 25.000 horas de serviço
Revestimentos PLASMAGUARD™
Os mais recentes revestimentos PLAS-MAGUARD™ desenvolvidos e patenteados pela GE são hoje o padrão da GE para pás do estágio 1 — GT-29 PLUS™ e GT-33 PLUS™
para pás sólidas; GT-29 IN-PLUS™ e GT-33 IN-PLUS™ para pás resfriadas ou de hélices ocas.
Os revestimentos PLASMAGUARD™
são exemplos de revestimentos sobrepostos e diferem dos revestimentos de difusão, como os de platina e alumínio, em um aspecto importante. Pelo menos um dos constituintes principais (geralmente níquel) em um revestimento de difusão é fornecido pelo metal da base. Um revestimento sobreposto, por outro lado, tem todos os constituintes fornecidos pelo próprio revestimento. A vantagem dos revestimentos sobrepostos é que podem ser aplicadas composições mais variadas resistentes à corrosão, já que elas não são limitadas pela composição do metal da base nem a espessura é limitada pelas considerações do processo.
Os revestimentos PLASMAGUARD™
são aplicados pelo processo Vacuum Plasma Spray (VPS) no equipamento especialmente criado para aplicá-lo às pás GE de modo uniforme e controlado. Nesse processo, partículas de pó da composição desejada são aceleradas através de um jato de plasma a velocidades superiores às alcançáveis com os métodos de pulverização de plasma (Figura 17). A solidificação do pó sobre o aerofólio resulta em um adesivo de revestimento muito mais forte do que aquele que pode ser alcançado pela pulverização de plasma com deposição atmosférica convencional, devido às velocidades mais altas das partículas e ao
substrato mais limpo e quente. Além disso, podem ser alcançadas densidades mais altas e maior firmeza nos revestimentos com o uso da técnica de VPS.
Figura 17. Cobertura revestida com GT-20 PLASMAGUARD™
A primeira fábrica para produção de VPS foi instalada em Schenectady no começo dos anos 80. Ela expandiu-se para uma instalação de VPS mais nova, com maior capacidade e mais automatizada na fábrica de turbinas de gás localizada em Greenville, South Carolina (Figura 18). Essa instalação tem capacidade para revestir as pás do estágio posterior com revestimentos PLASMAGUARD™ e para proporcionar capacidade de restauração de pás usadas.
Figura 18. Instalação para produção de VPS
Foram feitos exaustivos testes de laboratório de corrosão nas composições candidatas ao revestimento PLASMAGUARD™ no final dos anos 60 e início dos anos 70. Isso levou à seleção do GT-29 como o revestimento PLASMAGUARD™ original porque ele satisfez às necessidades do campo de resistência superior à corrosão quente, em comparação com o revestimento original de PtAl. Esses testes de laboratório foram confirmados pela experiência de campo com rotores de arco-íris instalados em meados dos
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anos 70. Foram acumuladas mais de 40.000 horas de operação satisfatória da turbina com esse revestimento, como mostra a Figura 19.
Figura 19. Revestimento VPS após mais de 40.000 horas de exposição na turbina – face exposta à pressão
Em meados dos anos 80, a GE descobriu que era necessária mais resistência à oxidação para as turbinas a gás com temperatura de combustão mais alta (Figura 11), geralmente acima de 1.950°F (1.065°C) em máquinas resfriadas a ar e acima de 1.750°F (954°C) em máquinas não-resfriadas. Isso levou à introdução do revestimento patenteado PLASMAGUARD™ GT-29 PLUS que combina a proteção contra corrosão quente do GT-29 com um aumento substancial da proteção contra oxidação. A proteção contra oxidação aperfeiçoada oferecida pelo GT-29 PLUS é obtida através de um conteúdo aumentado de alumínio na região externa da matriz do revestimento. Em serviço, o maior conteúdo de alumínio do GT-29 PLUS forma uma camada de óxido de alumínio mais protetora contra a oxidação, que aumenta muito a resistência à oxidação em alta temperatura. O PLASMAGUARDTM GT-29 IN-PLUS™ foi introduzido para pás resfriadas e de hélices ocas avançadas. Esse revestimento inclui uma camada difusa, rica em alumínio, sobre aquelas passagens internas, orifícios de resfriamento e superfícies para proteger contra a oxidação que de outra forma ocorreria.
Recentemente, foi desenvolvido um novo revestimento PLASMAGUARD™ e submetido a testes de arco-íris em várias turbinas a gás e mostrou excelente durabilidade após mais de 24.000 horas de serviço. Esse novo revestimento, GT-33, foi projetado para proporcionar mais resistência à oxidação e a rachaduras do que a composição do GT-29. Ele também pode ser usado com uma camada externa enriquecida com alumínio
para proporcionar máxima resistência a longo prazo. O PLASMAGUARD™ GT-33 está atualmente sendo introduzido nas máquinas de classe F.
Os revestimentos para restauração de pás também foram introduzidos recentemente. Esses revestimentos, conhecidos como EXTEND-COAT™, baseiam-se nas composições GT-29 e GT-33 PLASMAGUARD™ e foram desenvolvidos para aplicação em equipamentos que sofreram manutenção. Vários Centros de Manutenção GE foram qualificados para aplicar esses revestimentos no mercado de manutenção.
Revestimentos para baixas temperaturas
Os revestimentos para baixas temperaturas são mais necessários nas pás dos estágios posteriores e nas pás do estágio 1 de máquinas que executam uma parte substancial do ciclo de trabalho com carga parcial.
Por exemplo, as pás do estágio 3 das máquinas 7FA e 9FA recebem atualmente um revestimento de crometo difuso que, embora não seja adequado aos estágios de alta temperatura, criará proteção substancial contra corrosão e oxidação nas temperaturas mais baixas desta parte. Além disso, foi desenvolvida uma composição de revestimento PLASMAGUARD™ GT-4, após um exaustivo programa de testes de laboratório e de testes mecânicos e de corrosão, para uso em aplicações de corrosão em baixa temperatura. Esse revestimento patenteado pela GE, também aplicado pelo mesmo processo VPS, mostrou excelente desempenho em rotores de arco-íris, confirmando sua resistência à corrosão verificada em laboratório.
Revestimentos em forma de capa
Os novos modelos de turbinas a gás como o 6FA, o 7FA e o 9FA operam em temperaturas consideravelmente mais altas do que as turbinas a gás para trabalho pesado anteriores. Assim, para proporcionar um componente durável de cobertura fixa para a pá do estágio 1, o PLASMA-GUARD™ GT-20 está sendo usado para revestir a superfície desse componente de cobertura interna de alta temperatura (Figura 20). Esse revestimento foi desenvolvido e tem sido amplamente usado pela GE Aircraft Engines nas coberturas para motores de vôo. Ele proporciona uma superfície extremamente resistente à oxidação e um revestimento tolerante ao atrito no caso
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de atrito das extremidades das lâminas das pás contra a cobertura fixa.
Revestimentos futuros
O trabalho de desenvolvimento de revestimentos é contínuo na GE, visando maiores aperfeiçoamentos na resistência à oxidação e fadiga térmica de revestimentos para pás em alta temperatura. Além desses esforços para o desenvolvimento de revestimentos resistentes sob o ponto de vista ambiental, também há um trabalho em andamento para o desenvolvimento de revestimentos avançados de proteção térmica (TBCs) para aplicação em componentes de trajeto de gases fixos e giratórios. Através de um controle rigoroso, a estrutura desses TBCs pode tornar-se mais resistente à fadiga térmica, estendendo muito sua duração. Alguns desses revestimentos estão sendo atualmente submetidos a testes de rotor de arco-íris.
Figura 20. 7FA Cobertura revestida com
GT-20 PLASMAGUARD™
EQUIPAMENTO DE COMBUSTÃO
O sistema de combustão é um conjunto de várias câmaras composto por três partes básicas: o sistema de injeção de combustível, o combustion liner cilíndrico e a peça de transição. Motivados pelas temperaturas de combustão sempre mais altas das turbinas a gás e pela necessidade do controle aperfeiçoado de emissões, estão sendo feitos esforços significativos para o avanço do equipamento de combustão de turbinas a gás para trabalho pesado. Aquelas que, nas primeiras turbinas a gás, eram peças simples, são hoje componentes de equipamentos altamente complexos, com requisitos sofisticados de materiais e de processamento.
A base principal das mudanças de materiais ocorridas foi o aumento da resistência à ruptura por deformação em alta
temperatura. Essas alterações no material foram feitas mantendo-se uma resistência satisfatória à oxidação/corrosão. Uma indicação do aumento da resistência é mostrada na Figura 21, que compara a resistência à ruptura por deformação das três classes de materiais atualmente em uso. O Nimonic 263, a liga introduzida mais recentemente, é cerca de 250°F (140°C) mais forte do que o aço inoxidável AISI 30. O Hastelloy-X, usado dos anos 60 até o início dos anos 80, tem resistência intermediária entre os dois.
Figura 21. Comparação de ruptura, N-263 vs. Hallestoy-X vs. 309SS
Combustion liners
Ocorreram duas alterações principais desde os liners originais AISI 309 resfriados por venezianas inoxidáveis: a adoção do Hastelloy X/RA333 nos anos 60 e do liner resfriado por ranhuras no começo dos anos 70. Esse projeto resfriado por ranhuras oferece eficiência consideravelmente maior no resfriamento de liners e, sob o ponto de vista dos materiais, apresenta uma nova área de desafios para a questão do processamento. A fabricação ocorre principalmente pela combinação de solda forte e convencional. Os primeiros liners, por outro lado, eram feitos com o uso de uma construção soldada com venezianas.
Com o aumento das temperaturas de combustão nos modelos mais novos de turbinas, o HS-188 foi recentemente empregado na seção posterior de alguns combustion liners para aumento da resistência à ruptura por deformação.
Além das alterações no material da base, foi incorporado o uso de um revestimento de proteção térmica (TBC - Thermal Barrier Coating) em combustion liners de máquinas avançadas e com altas taxas. Os TBCs consistem em dois materiais
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diferentes aplicados ao lado quente do componente: um revestimento adesivo aplicado à superfície da peça e um óxido isolante aplicado sobre esse revestimento. A espessura total usada vai de 0,015 a 0,025 polegada (0,4 a 0,6 mm). As características e vantagens dos TBCs são mostradas na Figura 22 e a Figura 23 mostra a microestrutura e um liner revestido. O principal benefício dos TBCs é proporcionar uma camada isolante que reduz a temperatura do material da base e atenua os efeitos da criação de faixas quentes ou de distribuições desiguais das temperaturas do gás. Esses revestimentos são agora padrão em diversas turbinas a gás GE e demonstraram excelente desempenho em máquinas de produção.
Figura 22. Revestimentos de proteção térmica
Figura 23. Liner revestido com proteção térmica, Hallestoy-X vs. 309SS
Peças de transição
Embora menos complicadas do que os liners, as peças de transição foram provavelmente um desafio maior sob o ponto de vista dos materiais/processos. Assim, houve a tendência à introdução de novos materiais primeiramente na peça de transição.
Sob o ponto de vista do projeto, houve melhorias significativas em modelos avançados, com o uso de paredes mais pesadas, extremidades posteriores em peça única, estrias, conjuntos flutuantes de vedação,
resfriamento seletivo, etc. Essas alterações no projeto tiveram correspondência nos aperfeiçoamentos dos materiais. As peças de transição produzidas no começo dos anos 50 eram feitas de aço inoxidável AISI 309. No começo dos anos 60, foram usadas ligas à base de níquel Hastelloy-X e RA-333 nas partes mais limitadoras. Essas ligas tornaram-se o padrão para peças de transição em 1970.
No começo dos anos 80, um novo material, o Nimonic 263, foi introduzido no serviço para peças de transição nos modelos MS7001 e MS9001. Esse material é uma liga à base de níquel temperada por precipitação com maior capacidade de resistência do que o Hastelloy-X. Foi exaustivamente testado no Gas Turbine Combustion Development Laboratory (Laboratório de Desenvolvimento de Combustão de Turbinas a Gás) e foi testado com êxito em um equipamento de combustão de arco-íris. As peças de transição de Nimonic 263 acumularam mais de 25.000 horas de experiência bem-sucedida em máquinas MS7001. O material Nimonic 263 está sendo introduzido nos modelos de turbinas a gás com temperatura de combustão mais elevada e será usado em futuras máquinas com altas taxas.
Desde o começo dos anos 80, os TBCs vêm sendo aplicados às peças de transição dos modelos de turbinas a gás com temperatura de combustão mais elevada e a máquinas com altas taxas. A experiência de campo com milhares de horas de serviço demonstrou a boa durabilidade desse revestimento em peças de transição.
Houve também um aperfeiçoamento recente para aumentar a resistência ao desgaste de algumas peças de transição na extremidade posterior ou na área da moldura da imagem. Os revestimentos duros à base de cobalto aplicados por pulverização térmica foram testados em máquinas no campo e a melhor pulverização provou aumentar a resistência ao desgaste dos componentes de selagem em mais de quatro horas. O revestimento selecionado, chamado Extendor™, está disponível para muitos dos modelos atuais de turbinas a gás para aumentar a resistência ao desgaste desses componentes. Esse aperfeiçoamento no aspecto do desgaste na selagem de peças de transição também está agora sendo incorporado a muitas das máquinas de produção.
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RODAS DA TURBINA E DO COMPRESSOR
O projeto de rotor de todas as turbinas a gás GE com ligas para trabalho pesado é uma construção aparafusada feita de rodas forjadas de compressores e de turbinas, separadores (junção entre compressor e turbina), espaçadores (entre algumas das rodas da turbina) e pontas de eixos. Os componentes mais críticos do rotor são as rodas da turbina devido às condições combinadas de temperaturas elevadas e dos requisitos de resistência e de rigidez. Além disso, ao contrário do que ocorre nas turbinas para aviões, essas rodas têm diâmetro e espessura das sessões muito grandes. Por isso, tem havido o uso extensivo de rodas de aço feitas em projetos de turbinas a gás para trabalho pesado. Isso foi possibilitado pelas menores relações da pressão do compressor (isto é, menores temperaturas de descarga no compressor) e pelo uso de pás de hastes longas, permitindo a operação em temperatura mais baixa da região periférica do tipo rabo-de-andorinha das rodas. Com o aumento das temperaturas de combustão, a incorporação do resfriamento a ar das rodas também estendeu a aplicação de rodas de aço.
Com o advento dos tipos de máquinas avançadas 7FA, 9FA e 6FA com temperaturas de combustão e relações com o compressor muito mais altas, foi necessário usar um material de roda à base de níquel, a liga 706, para as rodas da turbina e os espaçadores dessa máquina. O uso desse material proporciona a capacidade adicional de temperatura necessária para atender aos requisitos de temperatura de combustão atuais e futuros da 7FA e da 9FA.
É necessária uma faixa completa de testes de avaliação durante o desenvolvimento do material de rodas, como no caso de materiais de pás e partição do injetor. Por exemplo, as propriedades de deformação/ruptura, a estabilidade metalúrgica, a inspecionalidade, as características de mecânica da fratura e a produtibilidade em escala comercial estão entre os aspectos que devem ser considerados e avaliados. É necessário um teste completo de avaliação de peças forjadas abrangendo o tamanho da seção envolvida para a qualificação do processo de cada material e de cada fornecedor.
Processos de rodas da turbina
Todas as rodas da turbina atualmente fabricadas para os projetos GE são produzidas em material refundido pelo processo de arco a vácuo (VAR) ou por refundição elétrica de escória (ESR), ou ainda em aço desgaseificado a vácuo, refinado em panela. No processo VAR, um eletrodo é fundido por arco a vácuo em um cadinho de cobre resfriado a água. O processo ESR é um pouco semelhante, com a refundição feita de escória especialmente formulada. Ambos resultam em um nível muito baixo de inclusões e segregação química e em uma estrutura bastante uniforme devido à poça superficial, fundida, presente em toda a formação do lingote.
O controle da microestrutura e das propriedades na região de sonda do aço com baixo teor de enxofre (menos de 0,005%), desgaseificado a vácuo, é alcançado no mesmo nível exigido para o aço VAR/ESR. Isso é feito controlando-se a quantidade e a morfologia das inclusões de sulfeto. No caso da liga à base de níquel, liga 706, o controle da microestrutura e das propriedades desse material começa com o uso de lingotes com fundição tripla VIM/VAR/ESR para atingir o lingote de altíssima qualidade que é homogêneo e livre de fases nocivas.
Após a fusão, as rodas são forjadas em molde aberto ou em molde fechado, dependendo da capacidade do fornecedor da forja. As rodas de liga de aço são resfriadas e temperadas para garantir as propriedades corretas, enquanto as rodas austeníticas à base de níquel e à base de ferro são reforçadas por um tratamento térmico de têmpera lenta de certo modo análogo ao tratamento térmico dado às pás.
Após o tratamento térmico, todas as rodas são totalmente inspecionadas com ultra-som segundo padrões rigorosos. Os testes mecânicos em anéis removidos das rodas da turbina, incluindo testes de temperatura ambiente e de tração a quente, testes de impacto, testes de fadiga e testes de ruptura, quando necessário, são realizados para verificar se todos os requisitos do projeto foram atendidos.
Cada roda da turbina é submetida a testes de rotação antes da ser colocada no rotor em uma instalação como a que aparece na Figura 24. As rodas de liga de aço, devido ao fenômeno da temperatura de transição da condição quebradiça para maleável, são
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primeiramente giradas a frio para verificar a ausência de defeitos de dimensão crítica. Todas as rodas, inclusive aquelas de aço giradas a frio, são giradas a quente sob tensões de perfuração ligeiramente acima da sua força de resistência para induzir tensões residuais de compressão na região do orifício. Essas operações de rotação, juntamente com testes não-destrutivos rigorosos executados antes e depois dos testes de rotação, proporcionam garantia máxima contra fraturas com pouca ou nenhuma deformação plástica ocorridas em serviço.
Figura 24. Instalação para testes de rotação (fábrica de Greenville)
LIGAS PARA RODAS DE TURBINAS
Liga 706 à base de níquel
Essa liga à base de níquel, temperada por precipitação, é a mais recente a ser utilizada em aplicações de rodas de turbinas. Trata-se da liga de rodas e de espaçadores das turbinas 7FA, 9FA, 6FA e 9EC, e oferece um aumento muito significativo na força de resistência à ruptura por esforço e à fadiga por tensão em comparação com as outras ligas para rodas (Figuras 25 e 26). É semelhante a liga 718, uma liga que tem sido usada em rodas de turbinas de aviões por mais de 20 anos. A liga 706 contém concentrações um pouco menores de elementos de liga do que a liga 718 e, assim, é possível sua produção nos tamanhos muito grandes de lingotes necessários para as peças forjadas de rodas e espaçadores da 7FA e da 9FA (Figura 27).
Liga Cr-Mo-V
As rodas e espaçadores da maioria das turbinas a gás de eixo único da GE para trabalho pesado são feitas de aço com 1% Cr - 1,25% Mo - 0,25% V. Essa liga é usada na condição quebradiça e temperada para
melhorar a rigidez da sonda. A resistência à ruptura por esforço da região do tipo rabo-de-andorinha (periferia) é controlada colocando-se material extra na região da periferia para produzir uma velocidade menor de resfriamento durante a operação de têmpera.
Figura 25. Comparação de ruptura por esforço (ligas para rodas de turbinas)
Figura 26. Comparação da força de
deformação por tensão (ligas para rodas de turbinas)
Figura 27. Elementos forjados de liga-706
para turbinas 7FA
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As propriedades de ruptura por esforço dessa liga são mostradas na Figura 25.
Ligas 12 Cr
Esta família de ligas tem uma combinação de propriedades que a torna especialmente valiosa para rodas da turbina. Essas propriedades incluem boa ductilidade em altos níveis de resistência, propriedades uniformes em todas as seções espessas e resistência favorável a temperaturas de até cerca de 900°F (482°C).
A liga M-152 é um componente da família de ligas 12 Cr que contém 2% a 3% de níquel. Inicialmente, ela foi e ainda é usada na máquina MS5002 como peça de reposição para a A286. Apresenta maior rigidez contra fraturas, além das propriedades comuns às outras ligas 12 Cr. A liga M-152 é intermediária, em resistência à ruptura, entre as ligas Cr-Mo-V e A286 (Figura 25) e apresenta resistência à tensão mais alta do que qualquer outra. Essas características, juntamente com seu coeficiente favorável de expansão e boa rigidez contra fraturas, tornam a liga interessante para o uso em aplicações de turbinas a gás.
Liga A286
A A286 é uma liga austenítica à base de ferro que foi usada durante anos em aplicações de motores de aviões. Seu uso em turbinas a gás comerciais começou aproximadamente em 1965, quando avanços tecnológicos tornaram a produção de lingotes sólidos suficiente para possibilitar a produção dessas rodas. Desde então, cerca de 1.400 rodas de produção MS3002 foram postas em serviço.
Com o aumento do conhecimento sobre as capacidades do M-152, a produção de rodas MS5002 foi deslocada de A286 para M-152. O A286 está atualmente sendo introduzido nas novas turbinas 9EC como parte de um eixo posterior composto.
Outros componentes do rotor
Todas as outras partes do rotor são forjadas individualmente. Isso inclui as rodas dos compressores, espaçadores, separadores e pontas de eixos. Todos são feitos de aços de liga baixa resfriado e temperado (Cr-Mo-V ou Ni-Cr-Mo-V) com material e tratamento térmico otimizados para a peça específica. O objetivo é alcançar o melhor equilíbrio entre resistência, rigidez/ductilidade, capacidade de
processamento e de avaliação não-destrutiva, particularmente quando se reconhece que algumas dessas peças podem ser expostas a temperaturas de operação de até -60°F (-51°C).
Todas as peças são submetidas a testes sônicos e de partículas magnéticas. Muitas rodas do compressor do último estágio são giradas de forma análoga às rodas da turbina como forma de testar a verificação e de criar tensões residuais no orifício. Esse aço do compressor do último estágio provavelmente é o próximo componente crítico do rotor após as rodas da turbina.
Desenvolvimentos do rotor
O esforço mais recente e importante no desenvolvimento de rotores verificado na GE é o desenvolvimento para a próxima geração de máquinas para turbinas a gás. Esse esforço exigiu estreita cooperação entre a GE e seus fornecedores de fundidores de superligas e de peças forjadas de tamanho grande para os estudos de fluxo de solidificação e de forjamento, para as experiências necessárias de forjamento de rodas em sub-escala e para as determinações de propriedades extensivas mecânicas e físicas necessárias à colocação em produção de um novo material de roda.
Esse esforço de desenvolvimento resultou na produção dos maiores lingotes já fabricados, forjados e transformados em peças de alta qualificação para rodas de turbinas e espaçadores. Simultaneamente ao esforço de desenvolvimento do processo houve um esforço para desenvolver novas técnicas não-destrutivas para inspecionar essas peças forjadas de turbinas visando a obter níveis mais altos de sensibilidade do que jamais havia sido possível antes. Essas técnicas de verificação com ultra-som estão sendo aplicadas a todas as peças forjadas de liga 706 e de liga 718 para turbinas, para garantir um nível de confiança ainda maior nessas peças forjadas de alta resistência.
Esforços adicionais de desenvolvimento continuam a aperfeiçoar o atual processamento de outras peças forjadas através de um trabalho conjunto com nossos fornecedores visando a otimização das propriedades e da qualidade do processo de forjamento. A avaliação contínua, não-destrutiva, de todos os componentes do rotor continua a ser enfatizada como um aspecto crítico para a produção de peças forjadas de alta qualidade.
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LÂMINAS DO COMPRESSOR
O empalhetamento do compressor é feito de forma variada por forjamento, extrusão ou usinagem. Todas as lâminas de produção, até recentemente, foram feitas com aços inoxidáveis do Tipo 403 ou 403 Cb (ambos Cr 12). Durante os anos 80, um novo material de lâmina de compressor, GTD-450, um aço inoxidável temperado por precipitação, martensítico, foi posto em produção para máquinas avançadas e com altas taxas, como mostra a Tabela 1. Esse material proporciona aumento na resistência à tensão sem sacrificar a resistência à corrosão por desgaste. Aumentos substanciais na fadiga de ciclo alto e na resistência à fadiga por corrosão também são alcançados com esse material, em comparação com Tipo 403. Também é alcançada uma maior resistência à corrosão devido à sua concentração mais alta de cromo e molibdênio. A corrosão do compressor resulta da umidade contendo sais e ácidos que se acumula no empalhetamento. Durante a operação, pode haver umidade em virtude de chuva, uso de resfriadores evaporativos ou de condensação resultante da umidade do ar acelerado na entrada do compressor. Pode haver umidade no compressor durante a operação até os estágios 5 a 8, onde ela normalmente se aquece o suficiente para impedir a condensação. Quando a turbina não está em operação, o compressor pode ficar úmido se as temperaturas do metal ficarem abaixo do ponto de condensação do local. (Isso pode ocorrer em unidades armazenadas em ambientes úmidos.) A composição química desse depósito de umidade no empalhetamento determina a gravidade do fenômeno da corrosão.
No começo dos anos 60, a GE começou a experimentar corrosão por pite no 403 nu em aplicações de plataformas de extração de petróleo quando várias máquinas desenvolveram pites e apresentaram lâminas de compressor defeituosas. Geralmente, o tempo de serviço nessas máquinas variou entre 20.000 e 60.000 horas. Como resultado dessa experiência, a GE adotou o revestimento de NiCd para uso em aplicações selecionadas e, mais tarde, em todas as lâminas de compressor nos estágios “úmidos” (normalmente até o estágio 8). No entanto, devido a requisitos recentes, mais rigorosos, da EPA, esse revestimento foi agora substituído por outro, desenvolvido e patenteado pela GE, chamado
GECC-1. Esse novo revestimento de pasta de alumínio tem uma camada superior protetora de cerâmica que proporciona maior resistência à erosão (Figura 28). Esse revestimento acumulou mais de 100.000 horas de teste de campo e mostrou ser igual ou melhor do que os revestimentos de pasta de alumínio convencionais na proteção contra corrosão e substancialmente melhor na resistência à erosão. Foi aplicado pela GE Service Shops como revestimento de restauração durante muitos anos e está hoje em uso em todas as unidades.
Todas as IGVs e os três primeiros estágios de aerofólios giratórios e fixos no compressor serão feitos de GTD-450; os próximos cinco estágios serão feitos de GTD-450 para as máquinas da classe F e GECC-1 AISI 403 revestido ou 403 Cb para as outras máquinas. O restante do empalhetamento será de AISI 403 ou 403 Cb não-revestido. Essa alteração proporcionará às máquinas da GE melhor proteção contra a corrosão e a erosão e eliminará o cádmio do ambiente.
O GTD-450 é um aço inoxidável temperado por precipitação, martensítico com excelente resistência à corrosão aquosa. Os testes de laboratório mostraram que o GTD-450, em ambientes salinos muito ácidos (pH~4), possui excelente resistência à corrosão por pite. Esses resultados de testes, mostrados na Figura 29, indicam que o GTD-450 não-revestido é equivalente ou melhor do que os revestimentos de Al ou NiCd para a resistência à corrosão por ácidos. A experiência de campo de mais de 48.000 horas confirmou a excelente resistência à corrosão do GTD-450 não-revestido. Esses testes mostraram também que os revestimentos de pasta de alumínio convencionais podem sofrer dano por erosão e deixar desprotegidas áreas importantes do empalhetamento. Assim, em máquinas onde pode haver erosão, é recomendável o GECC-1 em lâminas de cromo 12, ou GTD-450 não-revestido. O material GTD-450 não deve ser usado revestido, já que o revestimento diminuirá a resistência à fadiga.
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Figura 28. Revestimento da lâmina do compressor GEEC-1
Figura 29. Testes de laboratório com ácidos
CARCAÇAS
Para todos os modelos exceto as máquinas com tecnologia F, todo o “tubo” em torno do rotor da turbina a gás é composto por uma série de peças de ferro fundido aparafusadas de ponta a ponta. As peças fundidas (entrada e compressor) da extremidade dianteira das máquinas são feitas de ferro cinzento, e as da extremidade posterior (descarga e carcaça da turbina) são geralmente feitas de ferro dúctil ou, em alguns casos, são peças fundidas ou fabricadas em aço. A excelente fusibilidade e usinabilidade oferecida pelo ferro fundido o torna a escolha óbvia para essas partes algo complexas, com requisitos rigorosos de tolerância. O ferro fundido é menos propenso a problemas de rasgamento por alta temperatura e de retração do que o aço fundido. A experiência também tem demostrado isso ao proporcionar um nível mais alto de estabilidade dimensional durante o processo de fabricação.
Embora o esforço seja importante para determinar qual dos dois tipos de ferro fundido (cinzento ou dúctil) é usado nas peças fundidas, a temperatura de operação tem importância primordial. O ferro cinzento geralmente é limitado a aplicações cujas temperaturas não excedem 450°F (239°C), e o ferro dúctil a aplicações não superiores a 650°F (343°C). No caso do ferro cinzento, a GE usa um tipo que tem resistência mínima à tensão de 30 ksi (2,1 kg/cm2 x 10-3), similar ao ASTM-A48, Classe 30. O ferro dúctil, por outro lado, é um tipo ferrítico (60 ksi (4,2 kg/cm2 x 10-3) TS, 40 ksi (2,8 kg/cm2 x 10-3) YS, 18% EL), similar ao ASTM-A395. As máquinas 7FA e 9F usam ferro dúctil para a entrada e a carcaça do compressor e um invólucro de combustão e uma carcaça da turbina fabricados em aço de CrMo. Mais recentemente, o aço fundido 2 1/4Cr-1Mo está sendo introduzido nas máquinas com tecnologia F para o invólucro de combustão e as carcaças da turbina.
Materiais futuros
Houve avanços na área de ferro dúctil nos ensaios de laboratório feitos com peças fundidas que permitirão que esse material seja estendido a aplicações de temperatura mais alta. Esses ensaios de aquecimento mostraram capacidade para estender a temperatura útil desse material em 100°F (56°C). Esse programa de desenvolvimento está agora na fase de testes de arco-íris de campo e, muito provavelmente, encontrará aplicação em turbinas a gás GE avançadas e com altas taxas.
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Peças adicionais fundidas em areia
Além das carcaças, vários outros componentes de tamanho grande, como os alojamentos dos mancais, cilindros internos, anéis de sustentação e diafragmas na seção do estator da turbina, são produzidos com peças fundidas em areia. O ferro fundido ainda é usado quando possível; no entanto, onde ocorre temperatura mais alta ou se planeja usar solda, é empregado o aço. Por exemplo, Cr-Mo-V foi usado para anéis de sustentação onde as temperaturas alcançam 1.000°F (538°C), e o aço carbono foi usado para os alojamentos dos mancais que exigem fabricação com solda.
A qualidade é um fator chave na operação bem-sucedida de qualquer peça, e as peças fundidas em areia não são exceção. Com base no estágio de concepção, a qualidade é incorporada a esses componentes. A equipe de fundição é chamada logo no início do estágio de projeto para fornecer a melhor fusibilidade possível consistente com os requisitos de funcionalidade. Para que qualquer peça fundida seja aprovada para produção, deve ser encontrado um processo que produza três peças fundidas consecutivas que atendam aos rígidos requisitos de inspeção por raio X. Uma vez encontrado tal processo, ele é documentado com precisão e deve ser seguido por toda a produção subseqüente. Recentemente, foi desenvolvido um procedimento de filtragem sônica para complementar a inspeção por raio X. Ele foi criado para reduzir o tempo e aumentar o alcance da inspeção, embora sejam mantidos padrões rigorosos de integridade das peça fundidas.
Além da monitoração por raio X/sônico dos exames visuais das peças fundidas, também é empregada a inspeção por partículas magnéticas e, no caso dos alojamentos dos mancais, testes de vazamento. Todos eles se combinam para proporcionar uma verificação de qualidade muito abrangente para os componentes fundidos em areia.
SISTEMAS DE ENTRADA E DE EXAUSTÃO
Sistemas de entrada
O ambiente do sistema de entrada é ar ambiente com fluxo de ar em baixa velocidade nas superfícies interiores. Os materiais de construção geralmente são aço de baixo
carbono, inclusive os defletores internos usados em material acústico para reduzir o nível de ruído. Em ambientes marítimos selecionados, pode ser usado um aço resistente à corrosão para esses defletores internos. A prática de proteção padrão para o sistema de entrada é uma pintura com tinta de zinco inorgânico e/ou galvanização. Os revestimentos de acabamento externo são aplicados pelo cliente.
Sistemas de exaustão
A construção da chaminé consiste em componentes estruturais e lâminas de aço de baixo carbono ou de liga baixa, protegidos dos gases de exaustão em elevada temperatura por aço inoxidável 409. No alto da chaminé, são usados silenciadores que consistem em material acústico encapsulado em aço inoxidável 409 perfurado para reduzir os níveis de ruído a valores baixos.
Nas chaminés, a proteção padrão é uma tinta de zinco inorgânico, que possui uma excelente combinação de resistência à corrosão e capacidade de temperatura. Para melhor resistência a intemperismos e desempenho em alta temperatura, essa tinta está sendo recoberta com uma tinta de silicone de alumínio em porcas, tampas, câmaras e superfícies de junção de expansões de câmaras na fábrica. Todas as outras superfícies de sistemas de exaustão são pintadas com uma tinta de zinco inorgânico e recobertas no campo com a mesma tinta de silicone de alumínio para alta temperatura visando a máxima proteção contra corrosão.
A introdução da tinta de zinco inorgânico mencionada acima para a proteção de sistemas de entrada e de exaustão foi o resultado de um programa de testes de alta temperatura. Vários tipos de sistemas de pintura foram testados em temperaturas entre 400°F (204°C) e 1.000°F (538°C) por períodos de dois meses. Esses testes diferiram dos testes de pintura em alta temperatura, já que foram inseridas exposições à umidade entre as exposições a ciclos térmicos. As exposições à umidade foram introduzidas para possibilitar a melhor avaliação dos efeitos dos intemperismos e da umidade combinados com o aquecimento cíclico.
Os testes produziram informações úteis. Os melhores resultados gerais foram obtidos com um sistema que consistiu em tinta e zinco inorgânico revestida com a tinta de silicone de alumínio padrão. Esse sistema
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resistiu satisfatoriamente a todas as exposições, inclusive aos testes com 1.000°F (538°C). Todos os sistemas que empregaram tinta de zinco inorgânico foram protetores de sacrifício em exposições a borrifos de sal.
Embora as excelentes características das tintas de zinco inorgânico em relação a intemperismos estejam bem estabelecidas, esses testes confirmaram adicionalmente sua capacidade para funcionamento cíclico em alta temperatura.
RESUMO
O propósito deste artigo foi descrever alguns dos materiais atualmente em uso em turbinas a gás GE e verificar nosso comprometimento com a liderança continuada da GE no desenvolvimento de materiais e processos. As atividades descritas neste artigo não estão de modo algum concluídas. O trabalho de desenvolvimento de materiais importantes está em andamento na GE para proporcionar um fluxo contínuo de materiais novos e aperfeiçoados para aplicação em turbinas a gás a fim de atender à necessidade das mais eficientes turbinas a gás por parte dos nossos clientes. A intenção da GE é oferecer os materiais necessários ao avanço das temperaturas de combustão das turbinas, mantendo, contudo, os altos níveis de confiabilidade, disponibilidade e de capacidade de manutenção.
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