BR102013004159A2 - Aparelho fluidocinético - Google Patents

Abstract

APARELHO FLUIDOCINÉTICO. Compreende a presente patente de invenção um aparelho (1) para extrair energia de fluidos em movimento, tais como ventos, correntes marinhas, marés ou rios, contendo uma base fixa ou torre (2) e um componente do tipo cubo rotativo (3) montado sobre a torre, dotado de pás (4) inclinadas, em forma de aerofólio ou hidrofólio, que se estendem para fora a partir do dito cubo rotativo ou de braços (5), horizontais ou inclinados, vinculados ao dito cubo rotativo; contendo cada pá pontos de articulação (6) para conexão ao cubo rotativo e aos seus braços (5), sendo capaz de pivotar em torno de uma linha de articulação de modo e variar seu ângulo de inclinação (A) com relação à linha central axial, variação que é regulada ou realizada, durante a rotação do aparelho (1) ou quando estiver parada, por atuadores mecânicos (7); podendo cada pá (4) ser conectada a e acionar bombas de pressionamento de fluido (8), o qual é utilizado para acionar equipamentos que gerem energia elétrica ou força motriz; podendo o eixo rotativo ser conectado também a equipamento que gere energia elétrica ou força eletromotriz ou, ainda, acionar também bombas de pressionamento de fluido (8), o qual é utilizado para acionar equipamentos que gerem energia elétrica ou força motriz.

Description

"APARELHO FLUIDOCINFTICO" Refere-se a presente patente de invenção, que se inclui no campo das turbinas ou aparelhos rotativos projetados para extrair energia de fluidos em movimento e produzir trabalho, a um aparelho ou equipamento que atua principalmente como uma turbina de fluxo cruzado, mas que pode funcionar também como uma turbina de fluxo axial e pode ser utilizado para extrair energia de ventos, de correntes de fluidos, de correntes marinhas, de marés ou de rios.

Desde a antigüidade, em diversos países, têm sido construídos e utilizados moinhos para obter energia a partir do vento. Tais moinhos já eram comuns na paisagem dos campos na época medieval em várias regiões e ainda hoje estão em uso ao redor do mundo. Uma das aplicações atuais dos moinhos e das turbinas eólicas, deles derivadas, é a geração de eletricidade.

Vários tipos de aparelhos para extração de energia de um fluxo de água, mais conhecidos como turbinas hidráulicas, também são conhecidos, desde o moinho de água grego, para trituração de cereais, até projetos mais modernos de turbinas hidráulicas para hidrelétricas e para a montagem subaquática, sendo estas utilizadas na extração de energia do fluxo de água.

A preocupação crescente com o aquecimento global provocado pelo uso em larga escala dos combustíveis fósseis e, por outro lado, com o esgotamento de suas jazidas, fez crescer o interesse na geração de eletricidade a partir de fontes renováveis, tais como o sol, o vento e os bio-combustíveis. De maneira particular, a atenção se voltou para a geração através de turbinas eólicas e de aparelhos capazes de extrair energia de ondas, correntes marinhas e correntezas. Os chamados "parques eólicos" têm sido construídos em muitos países. Eles consistem, geralmente, de uma série de torres, cada uma das quais suporta na sua extremidade superior uma "nacele" que pode girar em torno de um eixo vertical, permitindo o seu alinhamento com a direção do vento. Nesta "nacele" é montado um cubo rotativo de eixo horizontal e a ele é conectado certo número de pás em forma da hélice, sendo as pás movidas pelo vento para produzir propulsão. Há uma quantidade considerável de literatura publicada relacionada às turbinas de eixo horizontal. Atualmente já existem turbinas deste tipo capazes de gerar 5 MW, com diâmetro externo de pás superiores a 100 m, instaladas em torres de até 140 m de altura e projetos de turbinas maiores já estão em curso.

Embora já seja comum a geração comercial de energia usando estes aparelhos há, em certa parcela da sociedade, preocupação com possíveis impactos ambientais provocados por eles e com o incômodo visual e o desagrado que seu aspecto provoca quando localizados em áreas rurais. Turbinas eólicas montadas no mar, ao longo da costa ("off-shore"), em locais mais distantes da população, removem objeções quanto à dimensão e número de aparelhos. O aumento do tamanho das turbinas eólicas "offshore" reduz o custo da interligação elétrica à terra e reduz o número de turbinas eólicas necessárias para fornecer uma determinada quantidade de energia, daí o interesse em aumentar a capacidade unitária das turbinas eólicas.

Um dos limites para o tamanho das turbinas eólicas de eixo horizontal é imposto pelos danos causados pela fadiga provocada pela inversão repetida da flexão das pás sob efeito do seu peso durante o giro. Para um mesmo tipo de projeto, os danos por fadiga provocada pelo peso de uma pá aumentam proporcionalmente com o tamanho da pá. À medida que a pá aumenta de tamanho o projetista é forçado a utilizar materiais com maiores tensões de escoamento e de ruptura e, portanto, maior resistência à fadiga, mas que geralmente são mais caros e reduzem a relação benefício/custo da turbina.

As turbinas eólicas nas quais as pás giram em torno de um eixo vertical não experimentam reversão da flexão causada pelo peso, mas são submetidas a fadiga pela carga da pressão do vento. A força fluidodinâmica na superfície de uma pá aumenta proporcionalmente à sua área, ou seja, com o quadrado de suas dimensões, e o peso aumenta na proporção do seu volume, ou seja, com o cubo de suas dimensões. Como nas turbinas de eixo vertical não há reversão do sentido de aplicação do peso, a fadiga a que as pás estão submetidas é menor, pois é relacionada apenas com a pressão do fluido.

A maior parte das turbinas eólicas convencionais utilizadas na atualidade é de eixo horizontal e de fluxo axial, ou seja, para funcionar adequadamente necessita ter seu eixo de rotação alinhado com a direção do vento.

Turbinas eólicas de eixo vertical são turbinas de fluxo cruzado, tendo seu eixo de rotação aproximadamente a 90° da direção do vento e, ao contrário das turbinas de eixo horizontal, podem funcionar com o vento de qualquer direção, não necessitando de mecanismo para orientação azimutal ("yaw").

Várias sugestões foram feitas no passado para gerar eletricidade utilizando turbinas eólicas de eixo vertical. Há uma quantidade substancial de literatura sobre os projetos denominados wSavoniusw e wDarrieusw e diversas unidades destes tipos de turbinas eólicas para geração de energia, inclusive em escala comercial, já foram construídas. No entanto, sendo menos desenvolvidas, estas turbinas são de menores dimensões e se limitam à geração de pequenas potências. Um dos motivos que têm impedido a aplicação turbinas eólicas de eixo vertical em larga escala é a menor eficiência de funcionamento dos modelos existentes em comparação com a turbina de eixo horizontal.

A maioria dos projetos de turbinas tipo "Darrieus" utiliza pás dispostas na periferia de braços de sustentação, sendo elas verticais, com alguma inclinação (como na patente PCT/IB2010/050804 - WO 2010/133979 Al) ou mesmo com forma espiral. No passado, algumas poucas patentes, mencionadas a seguir, propuseram turbinas tipo wDarrieusw com pás inclinadas a partir de um cubo central inferior.

Particularmente, a patente GB 2 102 079A descreve uma turbina eólica de eixo vertical que compreende uma ou mais pás montadas de modo a ser suportadas por sua extremidade inferior por um cubo pivotado, com a ou cada pá sem suporte acima do nível do cubo. O cubo permite a rotação do conjunto em torno de um eixo vertical. No caso de uso de uma pá ela seria balanceada por um contrapeso. A inclinação da pá ou pás seria ajustada automaticamente, de modo passivo, durante o giro, por meio da ação de molas e pelo efeito da força centrífuga. Diversas configurações possíveis para esta turbina, todas baseadas nos mesmos princípios, são mostradas e descritas na patente. Esta invenção não toma em conta, porém, as forças normais à pá, as quais atuam e variam bastante durante cada giro. Uma turbina construída segundo este princípio teria sua pá oscilando livremente durante cada giro, o que poderia provocar vibrações altas e perda de rendimento, além de resultar em um momento que tenderia a tombar todo o conjunto. A patente GB 2 175 350A descreve uma turbina eólica de eixo vertical com uma ou mais pás inclinadas fixadas a um cubo pivotado, o qual é sustentado por uma torre. A inclinação da pá ou pás seria ajustada automaticamente durante o giro, de modo passivo, por meio da ação de meios resilientes e pelo efeito da força centrífuga. Como no caso anterior, uma turbina construída segundo este princípio teria sua pá oscilando livremente durante cada giro, provocando vibrações e perda de rendimento, além de ser submetida a significativo momento de tombamento.

A patente GB 2 303 409A descreve uma turbina eólica de eixo vertical semelhante à citada acima, com uma única pá inclinada e vinculada a um cubo pivotado, equilibrada por contrapesos, girando ao redor de um eixo vertical, que pode balançar sob a ação da pressão do vento, mas contra a resistência de uma mola e das massas utilizadas para balancear a pá. Deste modo, a pá pode alterar seu ângulo de inclinação, durante a operação, por meio do sistema constituído de contrapesos e mola. Teoricamente o ângulo da pá seria ajustado automaticamente, de modo passivo durante o giro, pelo efeito combinado da ação da força centrífuga que atua sobre a pá, da força da mola e do peso das duas massas que atuam como contrapeso. Como nos dois casos anteriores, uma turbina construída segundo este princípio teria sua pá oscilando livremente durante cada giro, embora o momento de tombamento possa ser reduzido por meio deste projeto devido à constante oscilação das pás.

Contudo, não se conhece protótipos nem turbinas para exploração comercial que tenham sido construídos com base nas três patentes mencionadas. Nestas patentes as pás podem ser ligadas umas às outras e/ou ao cubo pivotado por meio de cabos ou hastes, não são movidas de forma ativa por atuadores mecânicos para alterar sua posição de maneira controlada durante a operação e não acionam bombas rotativas nem alternativas de deslocamento positivo para pressionar fluidos.

Mais recentemente, as patentes PCT/GB2005/004443 (WO 2006/054091 Al) e US 8,038,383 B2 descrevem uma turbina com pás inclinadas dispostas em braços inclinados que são vinculados a um cubo pivotado. Os braços inclinados que partem do cubo e que sustentam as pás não funcionam como elementos de propulsão desta turbina, ou seja, não são pás, mas apenas estruturas de suporte das pás, nem têm ângulo de inclinação ajustável durante operação e não acionam bombas alternativas nem rotativas. Segundo as patentes mencionadas o aparelho descrito pode ser projetado para gerar grandes potências, o que também ocorre com o que é objeto da presente invenção. Embora tenha sido divulgado o início do projeto para construção da turbina objeto destas patentes, até a presente data não se tem notícia de que o projeto tenha sido concluído nem que a turbina tenha sido construída.

A presente patente de invenção diz respeito a uma nova classe de modelos de turbinas que podem ser ampliados para um tamanho capaz de gerar potências apreciáveis, podendo se afirmar até mesmo que, pelo menos teoricamente, a potência gerada por esta classe de aparelhos pode exceder ao que é economicamente viável para turbinas de eixo horizontal. Estes aparelhos poderiam ser operados como turbinas eólicas, em terra ou ao largo da costa ou como turbinas subaquáticas para extrair energia a partir correntezas e poderiam ser usados para gerar energia elétrica, pressionar fluidos ou para produzir força motriz.

O aparelho reivindicado pela presente patente, no seu aspecto mais amplo, compreende um cubo rotativo com uma ou mais pás inclinadas, dotadas de articulações, uma base ou torre fixas para suporte do cubo rotativo; atuadores mecânicos, um ou mais para cada pá, conectados ao cubo rotativo e à pá ou pás, por meio de extremidades engastadas ou articuladas. O arranjo inclui assim meios para suporte de cada pá, a qual tem seção com forma aerodinâmica ou hidrodinâmica, de forma que o conjunto possa girar em torno de uma linha central axial sob a ação do fluido em movimento, com cada pá varrendo um volume geralmente tronco-cônico. Simultaneamente, cada pá pode pivotar ao redor de uma articulação de eixo perpendicular ou aproximadamente perpendicular à linha central axial do eixo rotativo.

No aparelho os atuadores mecânicos são, preferencialmente, do tipo motor linear, tais como cilindros hidráulicos ou pneumáticos, e são usados para posicionar e movimentar as pás em torno das articulações, variando o ângulo entre o eixo longitudinal da pá e a linha central axial do aparelho. A pá ou as pás podem ser ajustáveis, enquanto estacionárias, ou podem ser ajustáveis durante a rotação por meio dos atuadores mecânicos, tendo, de preferência, secção transversal em forma de aerofólio ou hidrofólio. Ela(s) pode(m) ser de passo (ângulo de ataque ou "pltch") fixo ou variável, e pode(m) ser providas(s) com ailerons, wWingIetsw e com porções exteriores de passo variável, de preferência na(s) ponta(s). Estes elementos podem atuar na movimentação das pás e para aumentar ou reduzir a potência gerada, sendo que neste último caso funcionam como freios aerodinâmicos. Cada pá pode ou não ser conectada a outra ou outras por meio de cabos, vigas ou hastes, bem como ao cubo rotativo, de maneira que uma pá pode transmitir esforços a outra(s) e/ou ao cubo rotativo, distribuindo-os de maneira mais uniforme e reduzindo as tensões atuantes em cada pá.

Os atuadores mecânicos, dependendo de sua forma construtiva, ou outros dispositivos adicionais a eles vinculados, podem ser utilizados para atuar como bombas alternativas de deslocamento positivo, acionadas pelas pás, pressionando fluido que pode ser utilizado para diversos fins, inclusive geração de energia elétrica. Os fluidos podem ser pressionados também por bomba rotativa, acionada por haste vinculada às pás ou ao seu eixo de pivotamento ou, ainda, por outro mecanismo ligado às pás.

Para proporcionar ao aparelho um cubo maior e um maior volume varrido para extração de energia, preferencialmente, as pás são articuladas e se estendem para cima e para fora a partir de braços, horizontais ou inclinados, situados na periferia do cubo rotativo. Uma grande variedade de configurações de pás e de formas construtivas pode ser adotada.

As turbinas de eixo vertical se baseiam, em geral, no princípio de sustentação (tipo "Darrieus"), com pás em forma de aerofólio, ou no princípio de arrasto (tipo wSavoniusO sendo que as primeiras proporcionam maior rendimento. A presente invenção se refere a um aparelho do primeiro tipo f Darrieus"), com pás de passo preferencialmente fixo, conquanto possam ter também passo variável. Embora um aparelho de pás duplas seja preferido, um aparelho de pás múltiplas ou ainda com uma única pá e com um contrapeso, podem, alternativamente, ser utilizados dentro do âmbito da presente invenção.

Várias formas diferentes de turbina de eixo vertical do tipo wDarrieus" são conhecidas. A grande parte das turbinas deste tipo, incluindo as de pás curvas em forma de "C" e as de pás verticais simétricas, tem pás dispostas em torno de um mastro central ou torre que se estende até a ou próximo da altura das extremidades superiores das pás para suportar o mancai superior, ao qual estão vinculadas estas extremidades. As pás são, em geral, vinculadas por braços de suporte ou diretamente, a um mancai inferior e a outro superior.

O aparelho de pá ou pás em forma de aerofólio, suportadas preferencialmente na sua região mais próxima ao eixo central de rotação, de acordo com o presente invento, vinculadas um cubo rotativo, trabalha, em geral, da mesma maneira que uma turbina vertical tipo wDarrieusw com pás verticais ou com pás em forma de wC". Entretanto, ao contrário dessas turbinas convencionais, não requer braços de apoio da pá ou pás na parte superior nem requer torre, mastro ou eixos de maior altura com mancais na sua parte superior. De certa forma, as pás inclinadas substituem a estrutura suporte tipo torre ou mastro ou, pelo menos, boa parte desta estrutura.

O aparelho da presente invenção compreende uma ou mais pás, cada pá com um ou mais suportes mas preferencialmente com dois suportes, sendo um suporte articulado (tipo dobradiça) e outro móvel, ambos vinculados ao cubo rotativo, com a ou cada pá estendendo-se livremente a partir dos suportes. O apoio móvel pode ser proporcionado, preferencialmente, por um ou mais motores lineares tais como cilindros hidráulicos, cilindros pneumáticos ou haste acionada por motor, embora outro tipo de atuador mecânico possa ser usado. Os atuadores mecânicos têm a função de variar ativamente, sob comando de um programa de computador ou manualmente, por um operador, o ângulo de inclinação das pás, tanto durante o funcionamento do aparelho quanto para montagem ou manutenção das pás. Esta variação pode ser feita em uma ampla gama de ângulos, desde a posição mais baixa, abaixo da horizontal, por exemplo, quando o aparelho for montado com eixo vertical, até a posição vertical ou próxima desta. A faixa de variação de ângulos poder ser selecionada quase que em todos os 360° ao redor de um eixo de articulação da pá.

Os atuadores mecânicos e seu sistema de controle podem ser projetados tanto para manter a inclinação em um determinado valor durante certo tempo quanto para permitir a variação desta inclinação ciclicamente, a cada giro do aparelho. Adicionalmente, os mesmos atuadores podem ser projetados para atuar como bombas alternativas de deslocamento positivo ou para serem conectados a outro dispositivo que atue como tais bombas, de maneira que o movimento de alteração da inclinação das pás durante cada giro resulte no acionamento das bombas, pressionando um fluido que pode ser utilizado para diversos fins, inclusive geração de energia elétrica. Alternativamente, os fluidos podem ser pressionados também por bombas rotativas, acionadas por hastes ou por outros mecanismos ligados à pá ou às pás ou ao seu eixo de pivotamento. Como exemplo, as bombas podem atuar como compressores de ar, sendo o ar comprimido utilizado para vários fins industriais e, até mesmo, para a movimentação de veículos e geração de energia elétrica. Como outro exemplo, as bombas podem pressionar água ou óleo, sendo estes fluidos utilizados para acionarem uma turbina hidráulica ou um motor hidráulico que, por sua vez, podem ser usados para acionar um gerador, produzindo assim energia elétrica. Este é um dos aspectos principais da presente invenção.

Pertence ainda ao âmbito da presente invenção o projeto do mesmo tipo de aparelho de maneira que o movimento rotativo do eixo central, conectado ao cubo rotativo a que, diretamente ou por meio de braços, são ligadas a ou as pás, possa acionar, seja diretamente seja por meio de um conjunto de engrenagens, um gerador elétrico ou outra máquina que forneça força motriz ou ainda, preferencialmente, de maneira que o movimento rotativo do eixo central seja usado para acionar uma ou mais bombas rotativas ou bombas alternativas de deslocamento positivo. De acordo com esta versão do presente invento, tanto o movimento rotativo do eixo central do cubo pivotado quanto o movimento de variação da inclinação da pá ou das pás podem ser utilizados para pressionar os fluidos que, por sua vez, são usados para produção de trabalho útil ou energia. Os fluidos pressionados podem ser usados diretamente para acionar equipamentos ou podem ser destinados a acumuladores de pressão, antes de serem conduzidos aos ditos equipamentos. Os geradores acionados por motores movidos pelos fluidos podem ser de alta rotação, de dimensão e peso bem inferiores aos geradores convencionais utilizados em turbinas eólicas, por exemplo, e podem ser do tipo síncrono, o que reduz significativamente os custos dos equipamentos necessários para conectar a unidade geradora à rede. O uso de motores e/ou turbinas movidos por fluidos dispensa também os caros e pesados multiplicadores de velocidade de boa parte das turbinas convencionais.

Diversos estudos e medições realizadas mostram que, durante o giro de uma turbina tipo wDarrieusw, as pás são submetidas a forças cíclicas de grande intensidade normais ao seu plano meridional. Estas forças podem atingir valores máximos que superam em 5 ou mais vezes os valores das forças tangenciais ao giro, forças tangenciais estas que sao as que resultam no trabalho útil das turbinas convencionais. As forças normais provocam tensões altas nas pás, as submetem a esforços de fadiga e provocam vibrações, constituindo um elemento limitador ao uso de turbinas de eixo vertical. A inovação principal do presente invento consiste no uso não apenas das forças tangenciais, mas também destas forças normais - que no caso de um avião são as que sustentam todo o aparelho no ar - para geração de energia útil.

Nas turbinas convencionais as forças normais provocam flexão alternativa na estrutura da pá, deformando esta estrutura elasticamente ou, até mesmo, plasticamente. A deformação elástica cíclica provoca danos por fadiga na pá e, para reduzi-los, é necessária uma estrutura de pá mais pesada e cara. No caso da presente invenção, parte da energia relacionada às forças normais é transformada em trabalho útil, o que aumenta o rendimento do aparelho como um todo e reduz os danos por fadiga, permitindo economia de peso e de custo das pás. Ainda que o ganho de energia útil não fosse grande, a simples alteração do ângulo das pás durante o giro já reduz os esforços de fadiga.

Em uma turbina vertical tipo wDarrieus" enquanto a pá percorre a metade do seu giro situada a barlavento ela sofre esforços normais de fora para dentro do círculo que ela percorre. Na outra metade, a sotavento, os esforços normais atuam de dentro para fora do círculo. De acordo com a presente invenção os esforços normais atuantes no perfil fluidodinâmico de que é/são constituída(s) a(s) a(s) pá(s) quando inclinada(s) podem pressionar a(s) pá(s) para cima na metade de barlavento do seu giro e pressioná-la(s) para baixo na metade de sotavento. A cada giro, sob ação das forças fluidodinâmicas normais, a(s) pá(s) se desloca(m) alternativamente, mudando sua inclinação de maneira ativa, controlada e limitada pelos atuadores mecânicos e bombas. Como força multiplicada por deslocamento é igual a trabalho, o movimento alternativo resulta na produção de energia útil, que se soma à energia obtida pelo movimento rotativo do eixo vertical do aparelho.

Durante o giro, no caso da presente invenção, a pá que se move aproximando uma extremidade do eixo de rotação, reduz a inércia do conjunto girante e tende a provocar uma aceleração angular. Uma pá oposta e simétrica, ao mesmo tempo, pelos efeitos fluidodinâmicos e pela ação do peso próprio, se move afastando uma extremidade do eixo de rotação, aumentando a inércia e tendendo a provocar uma desaceleração angular. Por este motivo o uso de um número par de pás no aparelho da presente invenção resulta em um movimento mais constante e em menor vibração.

A possibilidade de alterar a inércia do aparelho objeto da presente invenção durante o giro, por meio da aproximação ou afastamento das extremidades das pás do eixo central de rotação confere ao aparelho uma característica importante e útil pois permite compensar, por esta forma, dentro de certos limites, a variação da potência gerada quando a velocidade do fluido (do vento, por exemplo), se altera, evitando que o aparelho entregue à rede uma potência muito variável. O aumento da velocidade do fluido pode resultar em energia acumulada no aparelho, pela ampliação controlada do diâmetro em que giram as pontas das pás, e a redução deste diâmetro, também de forma controlada, pode evitar queda da potência fornecida à rede quando a velocidade do fluido se reduz. Adicionalmente, é possível incorporar massa extra às pás para aumentar o efeito de inércia, ou acrescentar esta massa aos braços que sustentam as pás. Uma variante, incluída no âmbito da presente invenção, prevê que as massas adicionadas para aumento da inércia possam se deslocar ao longo das pás e/ou dos braços que as sustentam, deslocamento este realizado sob efeito da força centrífuga, de atuadores mecânicos específicos e/ou com uso de meios resilientes, tais como molas. Outra variante, também abrangida pela presente invenção, é constituída pela instalação de massa em estrutura que prolonga a pá, do lado oposto da pá com relação à articulação, de modo a compensar a alteração da força centrífuga devido à movimentação da pá. Desta forma, quando a pá se afasta do eixo de rotação, com conseqüente aumento da força centrífuga nela atuante, devido ao afastamento do seu centro de gravidade do eixo central de giro, o prolongamento da pá, do outro lado da articulação, movimenta a massa nele instalada no sentido de prover uma força centrífuga contrária, equilibrando o aparelho e reduzindo as vibrações. O projeto do aparelho pode ser feito sem o uso destas massas de equilíbrio prevendo-se, para tanto, uma estrutura e mancais adequados para suportar as alterações de força centrífuga.

O aparelho do presente invento, adicionalmente, proporciona uma configuração com solidez variável e geometria variável, o que facilita muito a partida do aparelho sem ajuda extra fself-starting"), quando a pá ou pás estão apenas a alguns graus fora da direção do eixo axial de rotação, e permite melhorar o controle do aparelho durante sua operação. No entanto, em alguns casos, pode ser necessária a motorização do aparelho para que ele inicie o seu giro. À medida que a velocidade do fluido aumenta e se aproxima do valor nominal ou valor de projeto, a pá pode ser progressivamente transferida para uma posição de operação mais inclinada por meio da ação de um ou mais atuadores mecânicos, o que aumenta a área varrida pelas pás e, conseqüentemente, a potência gerada. Para maximizar a energia do fluido contida no volume varrido pelas pás, preferencialmente o aparelho do presente invento deve trabalhar com o plano médio das pás fazendo um ângulo de cerca de 40° com a direção do eixo axial de rotação, considerando velocidades relativas entre a ponta das pás e a velocidade do fluido ótimas. Em fluidos com maior velocidade que a nominal, a pá ou pás podem ser novamente aproximadas do eixo axial de rotação para reduzir o volume varrido ou podem ser inclinadas mais ainda, até a posição perpendicular ao eixo axial de rotação ou além desta, o que também reduz o volume varrido e aumenta a inércia do sistema, procedimento este que reduz as tensões de flexão e de cisalhamento na estrutura. Em condições de fluidos de alta velocidade as pás podem ser mantidas na posição perpendicular ou paralela ao eixo rotação, ou em outra posição adequada, e o aparelho pode permanecer parado com uso de freios, o que reduz ou elimina os riscos de acidentes ou de danos ao equipamento.

A possibilidade de variação do ângulo das pás, de acordo com o presente invento, é muito útil durante a montagem e manutenção das turbinas, pois as pás podem ser içadas ou baixadas desde o cubo com uso de equipamentos de levantamento de capacidade e de altura bem menores, o que reduz substancialmente os custos de montagem e manutenção. Uma vez conectas às articulações e aos atuadores mecânicos, cada pá pode ser colocada em posição de trabalho por meio deles.

Uma das vantagens do presente invento é que o aparelho, quando montado com seu eixo aproximadamente perpendicular à direção da corrente de fluido, dispensa o uso dos mecanismos de orientação na direção desta corrente Cyaw"), ao contrário de turbinas de eixo horizontal, assim como os mecanismos de variação do ângulo ou passo da pá ("pitch") embora este último possa ser também adotado. Os mecanismos mencionados, normalmente utilizados nas turbinas eólicas de eixo horizontal, aumentam bastante o custo destes equipamentos.

Além disso, o aparelho do presente invento não experimenta cargas giroscópicas, as quais são significativas nas turbinas de eixo horizontal quando giram para buscar nova direção da corrente do fluido Cyaw"), nem tem suas pás submetidas a esforços gravitacionais alternados devido às mudanças da posição da pá durante o giro, como ocorre com as turbinas de eixo horizontal. Isto resulta em estruturas e pás comparativamente mais leves, e conseqüentemente, em economia de custos.

Com o aparelho do presente invento, podem ser utilizadas pás muito simples, retas e não torcidas, reduzindo desse modo, mais uma vez, os custos de construção, conquanto possam ser usadas também pás torcidas, ou seja, pás com valores distintos de ângulo de ataque ao longo do seu comprimento. Tecnologia já existente no setor de aviação e para pás e cubos de turbinas eólicas de eixo horizontal também pode ser usada. Os perfis da(s) pá(s) em forma de aerofólio ou hidrofólio, isto é, a sua secção desde o bordo de ataque até o bordo de fuga, pode variar em sua razão de classificação e na relação entre espessura e comprimento da corda e curvatura ("camber"). Perfis de diversos tipos podem ser usados para as pás, embora perfis com maior comprimento de corda com relação ao raio externo da ponta das pás e maior espessura com relação à corda, por exemplo, entre 15% e 50% da corda, sejam preferíveis. Perfis maiores permitem a construção de estruturas internas de sustentação das pás com materiais mais baratos e/ou em forma de treliças, sem comprometer a vida útil das pás por efeito de tensões excessivas e/ou fadiga.

Outra importante vantagem do aparelho da presente invenção diz respeito ao projeto mecânico das pás. Nas turbinas convencionais de eixo horizontal as pás são fixadas ao cubo por sua extremidade, sendo os mancais de guia, responsáveis pela sustentação das pás, situados muito próximos um do outro, o que configura praticamente uma situação de engaste da pá no cubo. Desta forma, as tensões de flexão e de cisalhamento são muito altas na região da fixação e crescem desde a extremidade exterior da pá até sua extremidade interior. No caso do presente invento, pode-se distanciar adequadamente a articulação, ponto de pivotamento da pá, dos pontos de fixação do atuador mecânico e/ou bomba de pressurização, o que resulta em apoios mais distantes is um do outro. Desta forma, cada pá funciona como uma viga sob dois ou três apoios, o que pode reduzir substancialmente o momento fletor máximo e a máxima força cortante, reduzindo desta forma a quantidade de material e o peso da pá, mais uma vez tornando-a mais econômica.

Um dos grandes problemas de turbinas eólicas convencionais é a 20 necessidade de se construir uma torre muito alta no topo da qual se monta o sistema com as pás. Com o aparelho do presente invento, quando utilizada como turbina eólica, torres muito mais baixas do que as das turbinas eólicas convencionais podem ser usadas. Como o custo da torre pode atingir mais de 30% do custo total da instalação, e o custo de 25 transporte de torres é alto, uma economia de custos considerável pode ser feita utilizando-se torres ou bases de baixa altura como as da presente invenção. Nas turbinas eólicas atuais, principalmente as de maior potência, utilizadas nos parques eólicos, todo o conjunto gerador de energia é montado na nacele situada no alto da torre: as pás, o cubo, as caixas de engrenagens, o gerador, os freios e motores auxiliares assim como 5 diversos painéis elétricos se encontram na "nacele". A torre, portanto, deve suportar, desde o seu topo, todo o peso dos equipamentos, além dos esforços aerodinâmicos e giroscópicos provenientes das pás. O acesso para manutenção dos equipamentos é difícil e perigoso e o pessoal técnico tem que subir até o alto da torre para qualquer 10 intervenção.

Portanto, são altos os custos de montagem, de manutenção e de desmontagem, no final de sua vida útil, de uma turbina eólica convencional de maiores dimensões devido à necessidade de se usar equipamentos de levantamento capazes de atingir grandes alturas, com is grande capacidade de carga. No caso do presente invento as pás podem ser levantadas com uso de equipamentos externos, somente até a altura necessária para serem conectadas às articulações e aos atuadores mecânicos, sendo estes responsáveis por elevar a pá até sua posição de operação. Os demais equipamentos, tais como o cubo, o eixo rotativo, a 20 caixa de engrenagens, se usada, os motores auxiliares, as bombas, os atuadores, os acumuladores de pressão, os painéis elétricos, os transformadores e quaisquer outros equipamentos que façam parte do processo de captura ou uso da energia são instalados a baixa altura, no cubo rotativo, na base ou torre curta. Estes equipamentos podem ser 25 instalados até mesmo no nível do solo ou abaixo dele, em cabines ou salas, o que reduz muito os custos de montagem, manutenção e desmontagem. Como o uso de bombas de pressionamento de fluidos faz parte do presente invento, tanto acionadas pelo movimento rotativo das pás quanto por seu movimento alternativo, devido à variação cíclica de sua inclinação, geradores elétricos mais levés e de alta rotação podem ser usados, o que reduz não só o custo deste componente, quanto os custos de montagem e manutenção.

De acordo com a presente invenção, pelo menos dois arranjos são possíveis para transmissão da energia entre as partes móveis e a base ou torre de sustentação do cubo rotativo. Em um primeira versão do aparelho objeto desta invenção, dentro do cubo rotativo podem ser 10 montadas as unidades hidráulicas, pneumáticas ou equivalentes para acionamento dos atuadores mecânicos, assim como a(s) bomba(s), o(s) acumulador(es) de pressão, a(s) turbina(s) ou o(s) motor(es) acionado(s) pelo fluido pressionado, o(s) gerador(es) elétrico(s) e demais equipamentos mecânicos e elétricos, tubulações e válvulas is necessários. Neste caso a energia elétrica produzida por meio do movimento alternativo cíclico das pás é produzida no interior do cubo rotativo e, por meio de barras ou de cabos isolados, é conduzida até anéis rotativos instalados na periferia do eixo, já no interior da torre ou base de sustentação. Escovas ou dispositivos similares vinculados às 20 partes fixas da torre ou base coletam a energia dos anéis e a transmitem aos transformadores ou outros dispositivos.

Em uma segunda versão, a preferencial, do aparelho objeto desta invenção, dentro do cubo rotativo é/são instalada(s) pelo menos a(s) bomba(s) de compressão do(s) fluido(s), tubulações, conexões e 25 válvulas e alguns dispositivos mecânicos e elétricos que sejam necessários. 0(s) fluido(s) pressionado(s), assim como o(s) fluido(s) a baixa pressão, tanto relacionado(s) ao(s) atuador(es) mecânico(s) quanto à(s) bomba(s) é/são conduzido(s) por mangueiras ou tubulações no interior do cubo rotativo até mangueiras ou, preferencialmente, tubulações que passam pelo interior do eixo rotativo vinculado ao cubo. Neste caso, o eixo é oco para permitir a passagem das mangueiras ou 5 tubulações. Na extremidade inferior do eixo, dentro da torre ou base de sustentação do cubo, é instalado pelo menos um cabeçote rotativo para permitir a passagem do(s) fluido(s) entre as partes móveis e as fixas. Este cabeçote pode ser, por exemplo, de construção similar aos usados no topo dos eixos das turbinas hidrelétricas do tipo Kaplan.

Os sinais de comando e controle podem ser transmitidos entre as partes fixas e rotativas também por meio de coletores e escovas ou por equipamentos de comunicação sem fio ("wireless").

Diversos tipos de arranjos para a localização, dentro ou fora do cubo rotativo, dos equipamentos e para a transmissão de energia, força is motriz e/ou fluidos entre as partes fixas e móveis são possíveis e os exemplos acima descritos não esgotam as possibilidades dos arranjos que podem fazer parte do aparelho objeto da presente invenção.

Devido à versatilidade do aparelho do presente invento, ele pode ser fabricado com a(s) pá(s) sem ou com controle de passo ("pitch"). No 20 caso de aparelho com mais de uma pá, uma ou mais das pás podem ter controle de passo e outra(s) pás não. O mesmo se refere a perfis aerodinâmicos ou fluidodinâmicos: no caso de aparelho com mais de uma pá, uma ou mais das pás podem ter um tipo de perfil e outra(s) outro tipo, para que se possa atingir determinadas características de 25 operação desejáveis para certa aplicação.

Também faz parte do presente invento um aparelho que, dotado de mais de uma pá, tem uma ou mais delas fixadas ao cubo e uma ou mais dotadas de articulações, atuadores mecânicos e/ou bombas de fluidos, assim como um aparelho em que todas as pás são dotadas de articulações, podendo apenas algumas delas ou todas ter atuadores mecânicos e/ou bombas sendo que uma ou mais pás podem ter, durante 5 a operação, seu ângulo de inclinação variável em uma determinada faixa de valores e a(s) outra(s) têm seu ângulo de inclinação variável em outra faixa de valores. Adicionalmente, uma ou mais pás podem incorporar dispositivos auxiliares ou especiais, tais como partes móveis para trabalhar como freios aerodinâmicos e partes de projeto específico 10 para obtenção de características particulares de desempenho, tais como "ailerons" e "wing lets".

Devido ao fato de que, de acordo com a presente invenção, a torre que suporta o cubo em que a pá ou pás está/estão montada(s) não penetra, ou o faz muito pouco, no volume varrido pela(s) pá(s), a torre is não causa turbulência no lado de sotavento do caminho de rotação da(s) pás. Tal turbulência poderia conduzir a uma perda considerável de rendimento. No caso de turbinas eólicas de eixo horizontal a pá, ao passar pela posição mais baixa, sofre influência da torre, o que altera o desempenho da turbina. O aparelho do presente invento pode ter 20 eficiência mais elevada, em especial devido ao fato de que cada pá atravessa o volume varrido duas vezes em cada ciclo de rotação, mesmo considerando que a pá a barlavento pode gerar turbulência para a de sotavento, no caso de aparelho com mais de uma pá. Nas turbinas de eixo horizontal cada pá cruza uma só vez o volume varrido e tais 25 turbinas são muito sensíveis a ventos com turbulência, os quais reduzem seu desempenho, enquanto que as turbinas de eixo vertical sentem menos os efeitos da turbulência. De acordo outro aspecto da presente invenção o uso de bombas de pressionamento de fluidos em aparelhos fluidocinéticos, que faz parte do presente invento, permite um novo tipo de turbina para instalação em um novo tipo de parque gerador de energia. Este novo tipo é constituído 5 por aparelhos similares que não incorporam em si o gerador e o acumulador de pressão mas que enviam o fluido pressionado a um ponto único onde o equipamento gerador de energia e/ou acumulador de pressão é instalado. Neste caso, uma única turbina ou motor acionados pelo fluido pressionado, um só gerador elétrico, de maior 10 capacidade, assim como um só conjunto de painéis, um transformador, um único acumulador de pressão, se necessário, podem ser adotados, vinculados a uma ou mais aparelhos fluidocinéticos. Eventualmente, estes equipamentos podem ser instalados em uma dos aparelhos, recebendo o fluido pressionado de uma ou mais aparelhos próximos, is Entre as diversas utilidades do aparelho do presente invento, particularmente quando instalado em um parque gerador, podem ser citadas as: de geração de energia elétrica; de produção de ar comprimido para uso industrial ou para mover veículos não poluentes; de bombeamento e/ou dessanilização de água; de extração de água da 20 umidade do ar; de acionamento de máquinas de produção e de moinhos. Diversas outras utilidades podem ser encontradas, tendo em conta os diversos fluidos que podem ser bombeados e/ou pressionados e as várias faixas de pressão que podem ser obtidas com os aparelhos do presente invento.

O tamanho dos aparelhos de acordo com a presente invenção pode variar substancialmente, sendo os tamanhos maiores, naturalmente, mais exigentes em termos de engenharia, porém capazes de gerar uma maior potência. Uma engenharia cuidadosa pode resultar em economia substancial. O peso efetivo dos elementos rotativos do aparelho pode ser muito reduzido, por exemplo, fazendo com que os membros em forma de hidrofólio ou aerofólio sejam ocos.

Instalações de aparelhos subaquáticos de pás inclinadas podem ser feitas de modo semelhante ao aqui descrito para os aparelhos eólicos de pás inclinadas, embora tendo em conta as condições susceptíveis de serem encontradas. Para aplicações em água corrente, o aparelho pode ser projetado para manter apenas as pás submersas, estando o cubo

rotativo e as partes fixas próximas ou acima da superfície da água. As partes fixas podem ser sustentadas, por exemplo, em vigas dispostas horizontalmente acima do nível da água ou, ainda, podem se constituir de caixa flutuante presa por cabos laterais ou fixados ao leito da correnteza.

is Outro aspecto importante da presente invenção é o de que o aparelho não necessariamente necessita ter seu eixo de rotação vertical, perpendicular à direção do fluido, mas pode ter o eixo inclinado com relação à direção do fluido podendo ter, até mesmo, seu eixo de rotação paralelo à direção do fluido. Mas, se o eixo de rotação do aparelho não

for perpendicular à direção do fluido e se este for de direção variável, como no caso de turbinas eólicas, em que o vento muda de direção, pode ser necessário que o aparelho seja dotado de mecanismo que posicione as pás no rumo mais adequado para a geração de energia C'yaw").

O aparelho fluidocinético, objeto desta patente, pode ser mais bem compreendido reportando-se às figuras anexas e suas referências numéricas que, contudo, não restringem sua configuração quanto às suas aplicações práticas.

As Fig.s ΙΑ, 1B, IC e ID são, respectivamente, uma vista de frente, uma vista lateral, uma vista oblíqua e uma vista superior de uma primeira forma de realização do aparelho.

A Fig. 2 mostra uma segunda forma de realização do aparelho.

A Fig. 3 mostra uma terceira forma de realização do aparelho.

A Fig. 4 mostra uma quarta forma de realização do aparelho.

As Fig.s 5A, 5B, 5C e 5D mostram configurações alternativas de realização do aparelho.

A Fig.s 6A, 6B, 6C e 6D mostram outras formas alternativas de realização do aparelho.

As Fig.s 7A, 7B, 7C, 7D, 7E e 7F mostram configurações adicionais de realização do aparelho.

As Fig.s 8A, 8B, 8C, 8D, 8E e 8F mostram outras possíveis configurações do aparelho.

As Fig.s 9A, 9B, 9C e 9D mostram mais algumas construções alternativas do aparelho.

As Fig.s 10A, 10B, IOC e IOD mostram formatos alternativos de pás que podem ser utilizadas na realização do aparelho.

As Fig.s 11 A, 11B, IlC e IlD mostram vistas em planta de possíveis configurações de pás que podem ser utilizadas na realização do aparelho.

A Fig. 12 mostra algumas das possíveis posições das pás do aparelho.

As Fig.s 13, 14 e 15 mostram outras formas de realização do aparelho.

De acordo com estas figuras e suas referências numéricas a presente invenção refere-se a um aparelho fluidocinético (1), na forma preferível de realização, contendo uma base fixa ou torre (2) e um componente do tipo cubo rotativo (3) dotado de pás (4) em forma de aerofólio ou hidrofólio, que se estendem para fora a partir do dito cubo 5 rotativo (3), sendo o cubo rotativo (3) montado sobre a base fixa ou torre (2), livre para girar em torno de um eixo central e dotado ou não de braços (5), horizontais ou inclinados. Cada pá (4) contém pontos de articulação (6) nas proximidades de uma das extremidades, para conexão ao cubo rotativo (3) ou aos seus braços (5), sendo capaz de ío pivotar em torno de uma linha de articulação de modo e variar seu ângulo de inclinação (A) com relação à linha axial central. Esta variação de ângulo é regulada durante a rotação do aparelho (1), ou quando ele estiver parado, por atuadores mecânicos (7), um ou mais para cada pá, os quais podem funcionar também como bombas de pressionamento de is fluido (8), vinculados ao cubo rotativo (3) e às pás (4), acima ou abaixo das articulações (6), do lado interno ou externo delas, comandados automaticamente, por um sistema de controle ou manualmente, por um operador.

A inclinação das pás (4) pode ser mantida invariável durante certo 20 número de giros do aparelho ou pode variar ciclicamente ou a cada giro. Na forma de realização mostrada na Fig. 1 os atuadores mecânicos (7), que também funcionam, alternativamente, como bombas de pressionamento de fluido (8), ficam situados acima do ponto de articulação (6) das pás (4). Os braços (5) são fixados ao cubo rotativo 25 (3), que é suportado pela base fixa ou torre (2), a qual incorpora os mancais de guia e de escora que sujeitam o eixo do cubo rotativo (3). Este cubo rotativo (3) pode ser projetado para abrigar todos ou grande parte dos equipamentos e dispositivos para geração de energia elétrica e para acionamento dos atuadores mecânicos (7), sendo a energia transmitida desde o cubo rotativo (3) para a base fixa ou torre (2) da unidade geradora, por exemplo, por meio de anéis coletores vinculados 5 ao eixo rotativo e escovas. Os sinais de comando e controle podem ser transmitidos entre a base fixa (2) e as partes rotativas cubo rotativo (3), pás (4), braços (5), articulações (6) e atuadores mecânicos (7), também por meio de coletores e escovas ou por equipamentos de comunicação sem fio CxWireIessO- No caso da Fig. IA, um ponto intermediário em io cada pá é conectado ao atuador mecânico (7), transmitindo ao atuador um movimento alternativo para que ele funcione também como bomba de pressionamento de fluido (ver Fig.s ΙΑ, 1B, IC e 1C).

O cubo rotativo (3) pode ser projetado, ainda, para abrigar apenas a parte essencial dos equipamentos e dispositivos para pressionar o(s) is fluido(s) e para acionamento dos atuadores mecânicos (7). O(s) fluido(s) a baixa e a alta pressão podem fluir entre as partes fixas (2) e as rotativas (3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9) por meio de tubulações ou mangueiras, dispostas no interior de um eixo rotativo oco e por meio de um cabeçote rotativo. Os atuadores mecânicos (7), que no caso da Fig. IA também 20 atuam como bombas de pressionamento de fluido (8) de deslocamento positivo, são ligados a uma parte intermediária das pás (4), preferencialmente em um ponto não muito distante das articulações (6).

Cada pá (4) do aparelho (1) pode ou não ser conectada a outra ou outras pás por meio de cabos (9), vigas ou hastes, bem como ao cubo rotativo, de maneira que uma pá pode transmitir esforços a outra(s) e/ou ao cubo rotativo, distribuindo-os de maneira mais uniforme e reduzindo as tensões atuantes em cada pá. As linhas pontilhadas inclinadas, contidas na Fig. IA, mostram algumas das posições possíveis das pás (4) durante o seu movimento de oscilação ao redor da articulação (6). Estas posições podem ser ocupadas ciclicamente a cada giro do aparelho, quando este estiver em s operação, ou podem permanecer fixas durante a operação. Podem, ainda, ser posições das pás (4) quando o aparelho ou unidade geradora (1) estiver parado.

Na Fig. IA pode-se notar que as pás (4), são conectadas a cabos (9) acima do nível da conexão com os atuadores mecânicos (7) e se ío estendem para cima, de forma inclinada a partir das articulações (6). Esta mesma figura também ilustra como, nesta forma de realização, o volume varrido pelas pás (4) muda com a inclinação das pás (4). Em outras palavras, durante cada giro ou, alternativamente, durante cada período selecionável de acordo com o desejado para a operação do is aparelho, as pás (4) são movidas para baixo ou para cima, o que aumenta ou reduz o volume varrido, na figura indicado pelas linhas pontilhadas inclinadas e pelas tracejadas horizontais. Pode-se ver, a partir desta ilustração, que a torre (2) não invade o volume varrido pelas pás (4) e que uma torre (2), relativamente curta em comparação com o 20 comprimento das pás (4), pode ser usada. O cubo rotativo (3) invade uma área mínima na região inferior do volume varrido pelas pás (4), o que reduz bastante sua interferência na captação de energia do fluido pelas pás (4).

Os dois braços de suporte (5), que também podem se inclinados mas que são mostrados em posição horizontal na Fig. IA, se reúnem, em sua parte interna, no cubo (3), formando com ele um conjunto rotativo sobre a base ou torre (2). Quando o fluido em que estão imersas as pás se movimenta o conjunto formado pelos braços (5), as pás (4), os atuadores mecânicos (7), as bombas de pressionamento de fluido (8) e o cubo rotativo (3) gira em torno de um eixo vertical sobre a base fixa ou torre (2). Por meio de um eixo adequado pode-se fazer 5 girar, por exemplo, um gerador elétrico de tipo apropriado, quer por meio de conjunto de engrenagens (multiplicador de velocidade) ou, de preferência, diretamente. Simultaneamente, as pás (4) dotadas de bombas de pressionamento de fluido (8) abaixam e se levantam parcialmente, a cada giro, de maneira controlada, acionando as bombas ío de pressionamento de fluido (8) por meio de seu movimento alternativo. Tanto as forças que provocam a rotação do conjunto quanto as que provocam o movimento alternado das pás (4) são causadas pelo movimento do fluido, tal como vento ou água.

Em uma segunda forma de realização do aparelho (1), ver Fig. 2, is similar à ilustrada na Fig. IA, os atuadores mecânicos (7) também funcionam como bombas de pressionamento de fluido (8), sendo situados abaixo do ponto de articulação (6) das pás (4). Neste caso a extremidade inferior de cada pá aciona o atuador mecânico (7), que funciona também como bomba de pressionamento de fluido (8), 2o transmitindo a ele um movimento alternativo. Em geral, vale para esta forma de realização o que foi descrito para a da Fig. IA.

Em uma terceira forma de realização do aparelho (1) é mostrada na Fig. 3. Neste caso o aparelho é apresentado com quatro pás, duas delas (4A) atuam com maior inclinação durante a operação e as outras duas 25 (4B), de perfis aerodinâmicos iguais ou diferentes dos perfis das citadas anteriormente, atuam com menor inclinação. Também para esta forma de realização, os atuadores mecânicos (7) e/ou bombas de pressionamento de fluido (8) podem ser conectados às pás (4) em uma posição acima ou abaixo das articulações (6). Assim como nos demais casos similares, cada pá (4), ou algumas delas, pode ter ou não passo variável, cabos, partes especiais, tais como freios aerodinâmicos, 5 "winglets" e outras variantes já descritas como partes da invenção. Pode-se notar que na Fig. 3 o aparelho é mostrado sem cabos (9) e sem braços (5), o que pode ser adotado para outras variantes desta invenção.

Em uma quarta forma de realização do aparelho (1), ver Fig. 4, com ío quatro pás (4), similar à ilustrada na Fig. 3, duas pás (4A) são fixas ao cubo rotativo (3) ou aos braços (5) e as outras duas (4B) são dotadas de articulações (6) e são móveis, por meio de atuadores mecânicos (7) os quais podem atuar também como bombas de pressionamento de fluido (8).

is Com referência às construções alternativas, ilustradas nas Fig.s 5A a 5D, 6A a 6D, 7A a 7F, 8A a 8F e 9A a 9D, em cada um destes diagramas esquemáticos a pá (4), ou pás, é conectada ao cubo rotativo (3), pelo menos algumas delas dispondo de atuadores mecânicos (7) e/ou bombas de pressionamento de fluido (8), com uma construção e forma 20 operativa similar à descrita para a forma de construção da Fig. IA. Como já mencionado, a possibilidade de variar a inclinação das pás (4) permite a obtenção de uma configuração de solidez variável e geometria variável, o que permite melhorar o controle e o rendimento do aparelho (1), melhorar tanto o seu arranque quanto sua capacidade e flexibilidade 25 operativa e aumentar sua segurança em caso de fortes correntes de fluido (ventos fortes, por exemplo).

Os diagramas esquemáticos ilustrados nas Fig.s 5A a 5D mostram configurações alternativas, que podem ser adotadas para o aparelho (1), utilizando-se uma única pá (4) de inclinação variável, por meio de atuador mecânico (7), equilibrada por um contrapeso. Esta pá (4) é dotada de atuador mecânico (7) e/ou bomba de pressionamento de 5 fluido (8). Estas ilustrações mostram da esquerda para a direita: a primeira delas, o uso de uma pá (4) reta; a segunda, o uso de uma pá (4) flexível, o que permite que se alcance algum grau de geometria variável adicional; a terceira, uma pá (4) formada por dois segmentos retos e na última, o uso de uma pá (4) curva, ío Nos diagramas esquemáticos nas Fig.s 6A a 6D são ilustradas construções alternativas que podem ser adotadas para o aparelho (1), incorporando uma única pá (41) de articulação (6) intermediária e de inclinação variável, por meio de atuador mecânico (7), que pode atuar também como bomba de pressionamento de fluido (8). is Alternativamente, como nos demais casos, a(s) bomba(s) de compressão de fluido (8) pode(m) constituir equipamento(s) distinto(s) do atuador mecânico (7). Esta figura mostra disposições em que uma única (41) pá é montada no centro do cubo rotativo (3) na torre (2). A pá (41) neste caso é constituída de uma viga única, de perfil hidrodinâmico ou 20 aerodinâmico, articulada no seu centro. Neste arranjo, é necessário que a torre (2) seja consideravelmente mais alta do que a utilizada nas outras formas de realização. No primeiro diagrama o volume varrido é indicado sob a forma de um cone duplo por linhas tracejadas. Da esquerda para a direita são mostrados: no primeiro, o uso de uma pá (4) 25 rígida; no segundo, o uso de uma pá (4) flexível; no terceiro, o uso de uma pá (4) formada por segmentos retos; e no último, o uso de uma pá (4) curva, de modo geral em forma de "S". Os diagramas esquemáticos ilustrados nas Fig.s 7A a 7F mostram várias configurações adicionais que podem ser adotadas para o aparelho (1), cada uma compreendendo pás (4) de inclinação variável por meio de atuadores mecânicos (7), podendo ou não incorporar também bomba 5 de pressionamento de fluido (8); alternativamente, uma pá (4) pode ser fixa e a(s) outra(s) de inclinação variável, com ou sem bomba de pressionamento de fluido (8). Algumas configurações têm forma de "U" e outras de "V". Nesta figura, da esquerda para a direita, tem-se: o primeiro diagrama corresponde geralmente às configurações mostradas ío nas Fig. 1 e 2; o segundo mostra o uso de pás flexíveis (4); o terceiro, o uso de duas pás (4) formadas por dois segmentos retos cada uma; o quarto, a utilização duas pás (4) formadas por vários segmentos retos sucessivos com uma configuração geralmente em forma de "U"; o quinto, o uso de duas pás (4) curvas e o último, o uso de uma só pá is (41), constituída por uma estrutura única articulada em seu centro, com curva contínua de configuração geralmente em forma de "U".

Os diagramas esquemáticos ilustrados nas Fig.s 8A a 8F mostram configurações adicionais que podem ser adotadas para o aparelho (1), cada uma compreendendo pás múltiplas de configuração geral em forma 20 de "X". Neste caso, cada pá (4) pode ser de inclinação variável, por meio de atuador mecânico (7), ou algumas pás podem ser fixas e outras de inclinação variável por meio de atuador mecânico (7), sendo que as de inclinação variável podem ou não ter bombas de pressionamento de fluido (8). Nesta figura, da esquerda para a direita: o primeiro diagrama 25 corresponde geralmente à configuração mostrada no primeiro diagrama da Fig. 7; o segundo, o uso de pás (4) flexíveis; o terceiro, a utilização de duas pás (4) formadas de segmentos retos e o último, a utilização de duas pás (4) curvas.

Os diagramas esquemáticos ilustrados nas Fig.s 9A a 9D mostram construções alternativas que podem ser adotadas para o aparelho (1) e correspondem de forma geral às construções mostradas na Fig. 6. 5 Porém, enquanto as construções da Fig. 6 se referem a uma única pá (4) com articulação (6) intermediária, as ilustradas na Fig. 9 incorporam pás (4) múltiplas, independentes, colocadas no lado superior e no inferior do cubo (3), sendo que algumas pás (4) podem ser fixas e outras de inclinação variável por meio de atuadores mecânicos (7), podendo ou ío não incorporar bomba de pressionamento de fluido (8).

Os diagramas esquemáticos ilustrados nas Fig.s IOA a IOD mostram vistas laterais de formatos alternativos de pás (4) que podem ser utilizadas no aparelho (1).

Os diagramas esquemáticos ilustrados nas Fig.s IlA a IlD mostram is vistas em planta de possíveis configurações de pás (4) que podem ser utilizadas no aparelho (1). Nestas figuras, da esquerda para a direita, as ilustrações mostram: na primeira, um aparelho (1) com quatro pás (4); na segunda, com cinco pás (4) e na terceira, com três pás (4), sendo estas três configurações com pás (4) geralmente retas quando vistas em 20 planta; a última ilustração mostra pás (4) em forma de hélice que tanto se inclinam para fora quanto se curvam na direção tangencial aos círculos percorridos por cada ponto das pás (4).

O diagrama esquemático da Fig. 12 mostra, por meio de linhas tracejadas, algumas das possíveis posições das pás (4) do aparelho (1), sendo algumas destas posições adequadas para a operação e geração de energia e outras adequadas para montagem, manutenção ou para o período em que o aparelho (1) estiver parado. As ilustrações das Fig.s 13 a 16 corresponde, de maneira geral, às ilustrações contidas nas Fig.s IA e 2 e mostra outra forma de realização do aparelho (1), na qual as bombas de pressionamento de fluido (8) constituem equipamentos diferentes dos atuadores mecânicos (7) e são movimentadas por meio da articulação (6). Os atuadores mecânicos (7) ficam estacionários durante certo período de operação ou se movem pouco, de modo a proporcionar uma articulação adicional (10) móvel na direção radial. Alternativamente, pode-se considerar que os atuadores mecânicos (7) ficam na parte inferior e as bombas de pressionamento de ío fluido (8) na parte superior do aparelho (I). No caso da forma de realização mostrada na Fig. 13, existe a possibilidade de os atuadores mecânicos (7) e bombas de pressionamento de fluido (8) se movimentarem simultaneamente, seja para ajustes durante o giro ou em movimentos cíclicos a cada giro, com fins de proporcionar características is operativas desejáveis.

A ilustração da Fig. 14 também corresponde, de maneira geral, às ilustrações contidas nas Fig.s IA e 2, e mostra outra forma de realização do aparelho (1), na qual as bombas de pressionamento de fluido (8) e os atuadores mecânicos (7) são montados em série e as pás (4) têm 20 inclinação variável por meio das articulações (6). Neste caso, os atuadores mecânicos (7) podem, também, estar situados na posição mais interior e as bombas de pressionamento de fluido (8) na posição mais exterior do aparelho (1). Alternativamente, os braços de sustentação (5) podem estar na parte superior e o conjunto de bombas 25 de pressionamento de fluido (8) e os atuadores mecânicos (7), dispostos em série na parte inferior, como mostrado na Fig. 2.

A ilustração da Fig. 15 mostra outra forma de realização do aparelho (1) na qual as bombas de pressionamento de fluido (8) são montadas no lado externo das pás, em uma extensão radial dos braços (5), e os atuadores mecânicos (7) são montados na parte interna das pás, sendo esta inclinação variável permitida pelas articulações (6).

Alternativamente, as bombas de pressionamento de fluido (8) podem ser localizadas na parte interna das pás (4) e os atuadores mecânicos (7) na parte externa.

Claims (24)

1. "APARELHO FLUIDOCINÉTICO", uma máquina para extrair energia de fluidos em movimento contendo uma base fixa ou torre (2) e um componente do tipo cubo rotativo (3) conectado a um eixo; cubo rotativo este dotado ou não de braços (5), horizontais ou inclinados, e de uma ou mais pás (4) em forma de aerofólio ou hidrofólio, que se estendem a partir do dito cubo rotativo (3) ou a partir dos braços (5); dito cubo rotativo (3) montado sobre a base fixa ou torre (2), livre para girar em torno de uma linha central axial; caracterizado por conter, na forma básica de realização, o eixo do cubo rotativo (3) apoiado em mancais de guia e de escora dispostos na base fixa ou torre (2); contendo cada pá (4 e 41) um eixo de articulação (6) nas proximidades de uma extremidade, para conexão ao cubo rotativo (3) ou aos seus braços (5), capaz de pivotar em torno de uma linha de articulação de modo a variar seu ângulo de inclinação (A) com relação à linha central axial; por conter, cada pá (4), um ou mais dispositivos atuadores mecânicos (7) para regulação ativa do ângulo do seu inclinação (A), durante a rotação do aparelho (1) ou quando estiver parado, e uma ou mais bombas de pressionamento de fluido (8) acionadas pelas pás quando seu ângulo de inclinação (A) se alterar de forma passiva por efeito dinâmico do fluido em que estão imersas; podendo conter apenas atuadores (7), ou apenas bombas (8), vinculados ao cubo rotativo (3) ou aos braços (5) e às pás (4 e 41) ou, ainda, os atuadores mecânicos (7) funcionarem também como bombas de pressionamento de fluidos (8), constituindo, neste caso, um só elemento; sendo os fluidos pressionados usados para geração de energia, força motriz ou para outra aplicação.

2. "APARELHO FLUIDOCINÉTICO", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as bombas e/ou atuadores, assim como os demais elementos do aparelho (1), ser comandados automaticamente, por um sistema de controle, ou manualmente por um operador; podendo cada pá ser ou não conectada a outra ou outras, bem como ao cubo rotativo, por meio de cabos (9), vigas ou hastes.

3. "APARELHO FLUIDOCINÉnCO", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o aparelho (1) ter ou não seu eixo de rotação perpendicular à direção do fluido; podendo o eixo de rotação ser inclinado com relação à direção do fluido ou, até mesmo, paralelo à direção do fluido.

4. "APARELHO FLUIDOCINÉnCO", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o aparelho (1) poder conter uma configuração alternativa em que o eixo conectado ao cubo rotativo (3) a que, diretamente ou por meio de braços (5), sendo ligadas a ou as pás (4), para acionar, diretamente ou meio de engrenagens, um gerador elétrico ou outro dispositivo que forneça força motriz ou ainda, preferencialmente, de maneira que o movimento rotativo do eixo seja usado para acionar uma ou mais bombas rotativas ou bombas alternativas de deslocamento positivo, de modo que tanto o movimento rotativo do eixo quanto o movimento de variação da inclinação da pá ou das pás podem ser utilizados para pressionar os fluidos que, por sua vez, podem ser usados para produção de trabalho útil ou energia.

5. "APARELHO FLUIDOCINÉTICO" de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o aparelho (1) conter em si todos ou apenas parte dos equipamentos para geração de energia elétrica ou de força motriz, podendo incorporar meios que permitam enviar fluido(s) comprimido(s) a um ponto fora do aparelho (1) onde o equipamento gerador de energia e/ou de força motriz é instalado.

6. "APARELHO FLUIDOCINÉnCO", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o cubo rotativo (3) poder ser projetado para abrigar todos ou parte dos equipamentos e dispositivos para geração de energia ou de força motriz, para acionamento dos atuadores mecânicos (7) e para controle dos componentes do aparelho (1); por ter partes dos ditos equipamentos e dispositivos instaladas no interior da base ou torre fixas (2) ou em outro local, quando apenas partes dos ditos equipamentos e dispositivos for instalada no interior do cubo rotativo (3); por os sinais de comando e controle do aparelho (1) ser transmitidos por meio de anéis coletores e de escovas, por equipamento sem fio ("wireless") ou por outro meio entre a base fixa (2) e as partes rotativas.

7. "APARELHO FLUIDOCINÉnCO", de acordo com as reivindicações 1 e 6, caracterizado por o cubo rotativo (3) poder, quando projetado para abrigar apenas parte dos equipamentos e dispositivos para pressionar o(s) fluido(s) (8) e para acionar os atuadores mecânicos (7), incorporar meios que permitam a passagem dos fluidos entre as partes fixas e as móveis do aparelho (1), sendo que os fluidos, de baixa e de alta pressão podem fluir entre as partes fixas (2) e as rotativas (3, 4,5, 6, 7 e 8) por meio de tubulações ou mangueiras, dispostas no interior de um eixo rotativo oco e por meio de cabeçotes rotativos.

8. "APARELHO FLUIDOCINÉnCO", de acordo com as reivindicações 1 e 5, caracterizado por a energia elétrica, quando gerada no interior do cubo rotativo (3), ser transmitida, desde o cubo rotativo (3) até a base fixa (2) por meio de escovas e de anéis coletores vinculados ao eixo rotativo.

9. "APARELHO FLUIDOCINÉnCO", de acordo com a reivindicação .1, caracterizado por o ângulo (A) de inclinação das pás (4) poder ser mantido invariável durante certo número de giros do aparelho (1) ou poder variar durante o giro do aparelho (1).

10. "APARELHO FLUIDOCINÉnCO" de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por os atuadores mecânicos (7) e as bombas de pressionamento de fluidos (8) serem ligados a uma extremidade das pás (4) ou a uma ou mais partes intermediárias das pás (4), preferencialmente em um ponto não muito distante das articulações (6); ou ainda, alternativamente, por os atuadores mecânicos (7) serem vinculados às articulações (6) e poderem mover estas articulações na direção radial, permanecendo estacionários durante certo período de operação, ou movendo-se pouco, sendo as bombas de pressionamento de fluido (8) conectadas a outra parte das pás (4) e por elas acionadas.

11. "APARELHO FLUIDOCINÉnCO", de acordo com a reivindicação1, caracterizado por o aparelho (1) poder conter, alternativamente, quando os atuadores e bombas constituírem elementos distintos, os atuadores mecânicos (7) situados acima das articulações (6) e as bombas de pressionamento de fluido (8) serem situados abaixo das articulações (6) das pás (4) ou, de forma inversa, os atuadores mecânicos (7) serem situados abaixo das articulações (6) das pás (4) e as bombas de pressionamento de fluido (8) serem situados as acima das articulações (6); podendo ainda, os atuadores e bombas serem situados ambos acima ou ambos abaixo das articulações (6) das pás (4) ou ainda montados em série, ou seja, ao longo de uma mesma linha que vai do cubo rotativo (3) ou dos braços (5) até as pás (4), acima ou abaixo das articulações (6).

12. "APARELHO FLUIDOCINÉnCO", de acordo com as reivindicações I e 10 caracterizado por as bombas de pressionamento de fidiidos (8) serem vinculadas diretamente ao corpo das pás (4) ou por serem vinculadas às pás indiretamente, por meio de hastes ou de outro mecanismo, podendo ainda ser acionadas pelo eixo de articulação das pás (6) e podendo ser bombas de deslocamento linear, rotativas ou outras.

13."APARELHO FLUIDOCINÉnCO", de acordo com a reivindicação 1; caracterizado por o aparelho (1) poder conter, alternativamente, uma configuração na qual, com relação à linha centrai axial e às articulações (6), as bombas de pressionamento de fluido (8) são montadas no lado externo das pás (4), em uma extensão radial dos braços (5), e os atuadores mecânicos (7) são montados na parte interna das pás (4), ou na qual as bombas de pressionamento de fluido são montadas no lado interno das pás (4) e os atuadores mecânicos (7) na parte externa das pás (4), em uma extensão radial dos braços (5) ou ainda, por os atuadores e bombas serem situados ambos na parte externa ou ambos na parte interna das pás (4).

14. "APARELHO FLUIDOCINÉnCO", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o aparelho, quando visto lateralmente ou em corte, Ou seja, em direção perpendicular ao seu eixo de rotação, ter as pás (4) dispostas em forma básica semelhante a "U" ou "V", ou seja, pás (4) que se afastam do eixo rotativo de forma inclinada; podendo ter trecho(s) paralelo(s) ao eixo rotativo e ser utilizadas nas seguintes configurações: pás (4) flexíveis ou rígidas, pás (4) formadas por dois segmentos retos ou curvos cada uma, pás (4) formadas por vários segmentos retos ou curvos sucessivos ou pás (4) com formas de curvas contínuas.

15. "APARELHO FLUIDOCINÉnCO", de acordo com a reivindicação .1, caracterizado por o aparelho, quando visto em planta, ou seja, em direção paralela ao seu eixo vertical de rotação, ter pás retas (4) que se dispõem na direção radial ou ter pás (4) retas que se dispõem de modo a fazer um ângulo único com a direção radial ou, ainda, ter pás (4) com ângulo variável com relação à direção radial; podendo ser no formato de hélice, que tanto podem inclinar para cima ou para baixo e para fora quanto se curvar na direção tangencial aos círculos percorridos por cada ponto das pás (4).

16. "APARELHO FLUIDOCINÉnCO", de acordo com as reivindicações 1, 14 e 15, caracterizado por ter ou não todas as pás (4) partes especiais, tais como "ailerons", "winglets" e freios fluidodinâmicos, ou seja, partes móveis cujo ângulo possa ser variado de forma progressiva para proporcionar um efeito aerodinâmico ou hidrodinâmico de frenagem em determinadas condições operacionais, is bem com outros dispositivos especiais, ou por ter apenas algumas delas com as citadas partes ou dispositivos especiais.

17. "APARELHO FLUIDOCINÉnCO", de acordo com as reivindicações 1 e 16, caracterizado por ter todas as pás (4) sem passo (ângulo de ataque do perfil ou "pitch") variável, ou por ter todas as pás (4) ou apenas algumas delas com passo variável.

18. "APARELHO FLUIDOCINÉnCO", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o aparelho (1) conter massa extra incorporada à(s) pá(s) e/ou ao(s) seu(s) braço(s) de sustentação para aumentar o efeito de inércia; ou, ainda, por as massas extras poderem se deslocar ao longo da(s) pá(s) e/ou do(s) braço(s) de sustentação sob efeito da força centrífuga, de atuadores mecânicos específicos e/ou de meios resilientes, tais como molas; ou, de acordo com outra forma de construção, por ter as massas instaladas em estrutura que prolonga a pá (4), do lado oposto da pá (4) com relação à articulação (6), de modo a compensar a alteração da força centrífuga devido à movimentação da pá (4).

19. "APARELHO FLUIDOCINÉnCO", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o aparelho (1), quando for dotado de mais de uma pá (4), conter todas as pás (4) com perfis fluidodinâmicos iguais entre si ou uma ou mais pás com perfis diferentes das outras pás (4).

20. "APARELHO FLUIDOCINÉnCO", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o aparelho (1), quando for dotado de mais de uma pá, poder conter ou não uma ou algumas das pás (4A) atuando com ângulo de inclinação variando dentro de uma faixa de valores diferente da faixa de valores de ângulos de inclinação de outra(s) pá(s) (4B).

21. "APARELHO FLUIDOCINÉnCO", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o aparelho (1), quando for dotado de mais de uma is pá (4), poder conter uma ou mais pás cujo ângulo de inclinação não varia durante a operação, podendo esta(s) pá(s) ser(em) dotada(s) ou não de articulações (6) e de atuadores mecânicos, sendo a(s) outra(s) pás cujo ângulo de inclinação pode variar durante a operação dotada(s) de articulações (6), de atuadores mecânicos e/ou bombas de compressão de fluidos.

22. "APARELHO FLUIDOCINÉnCO", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o aparelho (1) poder conter várias construções alternativas com pás múltiplas e independentes, utilizando-se uma ou mais pás que se estendem para cima e/ou uma ou mais pás que se estendem para baixo.

23. "APARELHO FLUIDOCINÉnCO", de acordo com a reivindicação .1, caracterizado por o aparelho (1) poder conter várias construções alternativas utilizando-se uma ou mais pás (4) cuja articulação (6) esteja situada próxima ao centro da pá e não próxima à sua extremidade, de maneira que uma parte da pá se estenda para um lado ou para cima com relação à articulação e a outra parte se estenda para o outro lado ou para baixo; podendo ainda, as duas partes se estenderem ambas para cima ou ambas para baixo, de maneira que, quando o ângulo de inclinação varia, uma parte da pá se eleva e a outra se abaixa por estarem ligadas rigidamente uma a outra, formando como que uma viga única de perfil hidrodinâmico ou aerodinâmico, estando a articulação (6) situada entre as duas partes.

24. "APARELHO FLUIDOCINÉnCO" de acordo com a reivindicação1, caracterizado por o aparelho (1) poder conter uma configuração alternativa utilizando-se uma única pá (41) equilibrada por um contrapeso, dotada de atuador mecânico (7) e/ou bomba de pressionamento de fluido.