BR102013026182A2 - Medidor de escoamento de turbina de fluido - Google Patents

Abstract

MEDIDOR DE ESCOAMENTO DE TURBINA DE FLUIDO A presente invenção é relativa a um medidor de escoamento de turbina de fluido (1) que inclui um corpo longitudinal rotativo (12) de uma turbina (10) equipado com lâminas longitudinais (11) e braços suporte distribuídos de maneira regular (13) das lâminas (11) que conectam as lâminas (11) ao corpo rotativo (12) da turbina (10), em que cada lâmina (11) tem sobre o braço suporte (13) uma pluralidade de elementos de empuxo longitudinais separados (14, 15) cujas seções transversais são adaptadas para receber o empuxo do jato de fluido quando a lâmina (11) está ativa e para permitir a circulação de fluido entre os elementos de empuxo (14, 15) quando a lâmina (11) está inativa.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MEDIDOR DE ESCOAMENTO DE TURBINA DE FLUIDO". A presente invenção é relativa ao campo de medidores de escoamento de turbina de fluido, principalmente medidores de turbina para líquido, projetados para medir consumo de água. A invenção é mais particularmente adequada a um medidor de escoamento de turbina de um único jato ou multijato.

Um medidor de escoamento de turbina de fluido inclui uma carcaça que compreende uma câmara de medição para o interior da qual conduz um tubo de entrada e um tubo de saída e uma turbina que tem lâminas e acionada em rotação na câmara de medição pelo jato de fluido que penetra através do tubo de entrada, e que atua sobre uma ou mais lâminas. O medidor de escoamento de turbina de fluido também inclui uma carcaça que contém um contador para contar o número de giros da turbina à qual este último é acoplado por meio de uma transmissão magnética no caso de um contador seco, e por meio de uma transmissão mecânica no caso de um contador imerso, e uma cobertura transparente que cobre o contador.

Um problema atualmente encontrado no caso de medidores de velocidade de turbina reside no fato que em vazões baixas as lâminas inativas que não são acionadas pelo jato de fluido que penetra na câmara de medição, em outras palavras que não são submetidas ao empuxo de acionamento do fluido, reduzem a velocidade da turbina.

Em particular, quando o medidor de escoamento de turbina de fluido está operando em uma vazão baixa, devido à baixa velocidade do escoamento a turbina tem a velocidade reduzida e o desempenho do medidor em termos de medição de vazão é reduzido.

Existe uma solicitação para encontrar uma solução técnica que possa tornar possível reduzir erros de medição em baixas vazões limitando o efeito de frenagem hidráulica do movimento das lâminas inativas no fluido ao mesmo tempo em que preservando uma força de acionamento máxima quando o jato de fluido se choca sobre a lâmina ou lâminas ativas.

Neste contexto, a presente invenção tem o objetivo de propor um medidor de escoamento de turbina de fluido livre da limitação acima.

Para esta finalidade, um medidor de escoamento de turbina de fluido que inclui um corpo de turbina longitudinal rotativo equipado com lâminas longitudinais e braços suporte de lâmina distribuídos de maneira regular que conectam as lâminas ao corpo de turbina rotativo, é digno de nota pelo fato de cada lâmina ter uma pluralidade de elementos de empuxo longitudinal separados sobre o braço suporte, cujas seções transversais são adaptadas para receber o empuxo do jato de fluido quando a lâmina está ativa e permitir circulação de fluido entre os elementos de empuxo quando a lâmina está inativa.

Na modalidade preferida da invenção, cada lâmina tem sobre o braço suporte dois elementos de empuxo separados por um espaço de passagem de fluido, um primeiro elemento de empuxo, um segundo elemento de empuxo que é arranjado em relação ao primeiro elemento de empuxo para limitar entrada do jato de fluido para o interior do espaço de passagem quando a lâmina está ativa e para permitir circulação de fluido em uma direção de jusante para montante no espaço de passagem de fluido quando a lâmina está inativa. O primeiro elemento de empuxo e o corpo rotativo da turbina são separados, de maneira vantajosa, por um segundo espaço de passagem de fluido, de modo que fluido circula no segundo espaço de passagem de fluido ao longo de uma parede longitudinal exterior do corpo rotativo da turbina em uma direção de jusante para montante.

Os dois elementos de empuxo da lâmina sobre o braço suporte quando tomado juntos têm, em seção transversal em relação ao eixo longitudinal da turbina, substancialmente uma forma em L, cujo ramo mais longo da forma em L é descontínuo, esta descontinuidade sendo o primeiro espaço de passagem de fluido. O primeiro elemento de empuxo inclui uma área de apoio e empuxo que tem uma superfície encurvada transversal ao eixo longitudinal da turbina. A área de apoio do primeiro elemento de empuxo e uma área de apoio do segundo elemento de empuxo formam juntas, em seção transversal em relação ao eixo longitudinal da turbina, uma superfície encurvada, oval ou substancialmente conformada em arco circular. O primeiro elemento de empuxo inclui uma superfície transversal que tem uma curvatura côncava em sua área de apoio e empuxo e uma curvatura convexa na extremidade desta área de apoio para guiar o jato de fluido no sentido do primeiro espaço de passagem de fluido de uma lâmina de montante inativa e o segundo espaço de passagem de fluido da lâmina de montante inativa depois que ele tenha se chocado sobre a área de apoio e empuxo. O primeiro elemento de empuxo inclui um corpo longitudinal que tem em seção transversal em relação ao eixo longitudinal da turbina uma forma substancialmente de triedro, que compreende uma parede traseira, uma parede frontal de empuxo e uma parede longitudinal que faceia uma parede longitudinal exterior do corpo rotativo para formar o segundo espaço de passagem de fluido na direção de jusante para montante. O segundo elemento de empuxo inclui um elemento longitudinal que tem em seção transversal em relação ao eixo longitudinal da turbina uma forma substancialmente triangular que inclui uma parede traseira, uma parede frontal extrema e da qual uma parte parede frontal faceia a parede traseira do primeiro elemento de empuxo para formar o primeiro espaço de passagem de fluido. O braço suporte inclui uma casca traseira (ou parede) para suportar o segundo elemento de empuxo, duas cascas traseiras para suportar o primeiro elemento de empuxo, e uma casca frontal para suportar o primeiro elemento de empuxo.

Por exemplo, a turbina inclui 3 até 12 lâminas, o primeiro espaço de passagem e o segundo espaço de passagem têm uma dimensão de alguns mm, o diâmetro da turbina é 5 cm e o comprimento da turbina é 15 mm.

Outros aspectos e vantagens da invenção irão emergir de maneira clara de sua descrição fornecida daqui em diante à guisa de ilustração não limitativa e com referência aos desenhos anexos, nos quais: a figura 1 representa uma vista em perspectiva do interior de um medidor de escoamento de turbina de fluido da técnica precedente, no qual uma turbina de acordo com a invenção pode ser acomodada; a figura 2 representa uma vista em perspectiva de uma turbina de acordo com a invenção; a figura 3 representa uma vista em planta da turbina de acordo com a invenção; a figura 4 representa uma vista em perspectiva a partir da frente de uma lâmina da turbina de acordo com a invenção; a figura 5 representa uma vista em perspectiva a partir da traseira da lâmina da turbina de acordo com a invenção. a palavra “fluido” se refere a água ou qualquer líquido ou gás com o qual o medidor de escoamento de turbina de fluido descrito daqui em diante pode ser utilizado.

Fazendo referência à figura 1, nela está mostrado um medidor de escoamento de turbina de fluido de jato único da técnica precedente 1, que inclui uma parte hidráulica 2 na qual o líquido escoa e um contador 3 no qual dados de medição são apresentados.

Para ser mais preciso, este medidor inclui uma carcaça de medidor de fluido 1a feita de bronze ou latão, por exemplo, de forma genericamente cilíndrica e seção circular que tem um tubo de entrada de fluido 4 e um tubo de saída de fluido 5 em lados opostos respectivos de uma câmara de medição 6, para medir o volume de fluido que escoa no tubo de entrada 4 e no tubo de saída 5. A câmara de medição 6 tem uma forma cilíndrica coaxial com a carcaça 1 a. A carcaça 1 a contém o contador 3 na parte superior cilíndrica que é coaxial com a câmara de medição 6, porém de diâmetro maior.

No fundo da carcaça 1a e no centro da câmara de medição 6 é montado um mancai batente 7 ao redor do qual gira a parte móvel 8 do medidor. A parte móvel 8 do medidor inclui um corpo de turbina que cons- titui o elemento de acionamento do medidor de fluido 1 e é fixado a um eixo vertical 9. A turbina inclui lâminas acionadas em rotação na câmara de medição 6 por meio do efeito do jato de fluido direcionado sobre uma lâmina a partir do tubo de entrada 4. A turbina e o contador 3 são acoplados por uma transmissão, aqui uma transmissão magnética.

Mecanismos de engrenagem conhecidos na técnica e conectados à transmissão, possibilitam que o número de giros efetuados pela turbina seja contado no contador 3. O número de giros efetuados pela turbina é apresentado por um indicador que pode ser mecânico ou eletrônico.

Um anel de vedação possibilita ao contador 3 ser fixado à carcaça 1 a da câmara de medição 6. A turbina 10 de acordo com a invenção pode ser aplicada a este tipo de medidor de escoamento (velocidade) de turbina de jato único.

Ela pode ser aplicada igualmente a outras modalidades de medidor de escoamento (velocidade) de turbina de jato único, não mostradas, que empregam outros dispositivos para fixar a turbina na câmara de medição.

Em particular, o corpo cilíndrico da turbina pode, principalmente, ter uma parede interior que delimita uma carcaça para o interior da qual é inserida e fixada uma luva cilíndrica, não mostrada nas figuras, que inclui um eixo de rotação da turbina, este eixo de rotação se apoiando em um mancai de empuxo axial da câmara de medição.

Neste caso, um apoio que é arranjado em relação a luva e não é mostrado, suporta o eixo de rotação da turbina 10 na câmara de medição.

Por outro lado, a turbina 10 de acordo com a invenção, pode também ser utilizada para medidores de escoamento de turbina de fluido multijato, em particular para as lâminas inativas na parte superior da câmara de medição através da qual a água é evacuada a partir da câmara de medição.

Para simplicidade, o restante da descrição se refere ao eixo lon- gitudinal A da turbina 10 que se estende na direção da altura ou comprimento da turbina 10 e coincide com o eixo de rotação da turbina 10. O termo “montante” indica a parte frontal de uma lâmina 11, que está diretamente em contato com o jato de fluido, o termo “jusante” indica a parte traseira da lâmina 11 que não recebe o jato de fluido diretamente, e o termo “transversal” indica qualquer direção em um plano perpendicular ao eixo longitudinal A.

Fazendo referência às figuras 2 e 3, a turbina 10 de acordo com a invenção inclui um corpo rotativo central cilíndrico 12 equipado com braços suporte periféricos distribuídos de maneira regular 13 e lâminas 11, cada uma colocada em um braço suporte 13.

Cada lâmina 11 inclui dois elementos de empuxo 14 e 15 nos braços suporte 13, que compreendem um primeiro ou elemento de empuxo principal 14, e um segundo ou elemento de empuxo extremo 15.

Estes elementos de empuxo 14, 15 têm seções transversais em relação ao eixo longitudinal A adaptadas para receber um jato de fluido sobre as áreas de apoio e empuxo P1 e P2 quando a lâmina 11 está ativa, o empuxo sendo exercido essencialmente sobre o primeiro elemento de empuxo principal 14, a área de empuxo P1 sendo maior e mais exposta ao jato de fluido do que a área de empuxo P2.

As seções transversais destes elementos de empuxo 14, 15 são também arranjadas e posicionadas no braço suporte 13 e em relação ao corpo cilíndrico 12 da turbina 10, de modo a permitir circulação de fluido na direção de jusante para montante entre eles e entre o primeiro elemento de empuxo 14 e o corpo cilíndrico 12 quando a lâmina 11 está inativa.

Para ser mais preciso, na modalidade da invenção mostrada nas figuras 2 até 5, os dois elementos de empuxo 14, 15 são separados por um primeiro espaço de passagem de fluido 16 que tem em seção transversal substancialmente a forma de um canal.

Um segundo espaço de passagem de fluido 17 é fornecido entre o primeiro elemento de empuxo 14 suportado de maneira longitudinal pelo braço suporte 13 e uma parede longitudinal exterior 18 do corpo cilíndrico 12 da turbina 10. O braço suporte 13 tem um comprimento menor do que aquele da parede longitudinal exterior 18 do corpo cilíndrico 12. À guisa de exemplo ilustrativo apenas, os braços suporte 13 têm um comprimento igual a um oitavo do comprimento da parede longitudinal exterior 18, o que permite que uma grande quantidade de fluido circule no segundo espaço de passagem de fluido 17.

Além disto, como pode ser visto nas figuras 2 até 5, os braços suporte 13 estão substancialmente no meio do comprimento da parede longitudinal exterior 18.

Para aumentar o empuxo do jato sobre as lâminas 11 elas são inclinadas em relação a uma linha reta que tangencia sua articulação com o corpo cilíndrico 12 da turbina 10 em um ângulo, à guisa de exemplo não li-mitativo entre 20 °e 60°. O primeiro elemento de empuxo 14 e o segundo elemento de empuxo 15 têm corpos longitudinais que se estendem sobre substancialmente o mesmo comprimento que a parede longitudinal exterior 18 do corpo cilíndrico 12 da turbina 10.

Os dois elementos de empuxo 14, 15 têm, tomados juntos sobre o braço suporte 13, uma seção transversal substancialmente conformada em L e o ramo mais longo da forma em L é descontínuo. O primeiro elemento de empuxo principal 14 constitui o ramo menor da forma em L e uma parte inferior do ramo maior da forma em L. O segundo elemento de empuxo 15 constitui a parte superior do ramo maior da forma em L. O primeiro espaço de passagem de fluido 16 constitui a descon-tinuidade no ramo maior da forma em L entre o primeiro elemento de empuxo 14 e o segundo elemento de empuxo 15.

Como mostrado na figura 4, o primeiro elemento de empuxo 14 inclui um corpo longitudinal oco que tem em seção transversal uma superfície substancialmente em triedro formada por uma parede traseira 19, uma parede de empuxo frontal 20 que inclui a área de empuxo P1 e uma parede longitu- dinal 21.

Esta parede longitudinal 21 faceia a parede longitudinal exterior 18 do corpo cilíndrico 12 para formar o segundo espaço de passagem de fluido 17.

Sobre o braço suporte 13 o primeiro elemento de empuxo 14 é retido por uma casca frontal ou parede 22 que suporta a parede frontal 20 por uma primeira casca traseira ou parede 23 e uma segunda casca traseira ou parede 24 que suportam, respectivamente, a parede traseira 19 e a parede longitudinal 21, substancialmente no meio de seu comprimento. O primeiro elemento de empuxo 14 inclui na parede de empuxo frontal 20 a área de apoio e empuxo P1 do jato de fluido que em seção transversal em relação ao eixo longitudinal A tem uma superfície de curvatura côncava (superfície recuada). O primeiro elemento de empuxo 14 inclui na parede frontal 20 em uma extremidade de sua área de apoio e empuxo P1 uma superfície transversal de curvatura convexa (superfície em domo), esta curvatura sendo invertida em relação à curvatura côncava da área de apoio e empuxo P1 para guiar o jato de fluido no sentido do primeiro espaço de passagem de fluido 16 e do segundo espaço de passagem de fluido 17 de uma lâmina de montante inativa 11 depois que o jato de fluido tenha se chocado sobre a área de apoio e empuxo P1.

Consequentemente, o jato de fluido se choca sobre a área de apoio e empuxo P2 do segundo elemento de empuxo 15 sobre a lâmina ativa 11 e então sobre a área de apoio e empuxo P1 do primeiro elemento de empuxo 14, daí em diante para ser redirecionado e recirculado no sentido do primeiro espaço de passagem de fluido 16 e do segundo espaço de passagem de fluido 17 da lâmina inativa precedente 11, como indicado pela setas F1, F2, F3 e F4 na figura 3.

Como mostrado na figura 4, o segundo elemento de empuxo 15 inclui um elemento longitudinal retilíneo que assume a forma de uma haste com uma seção transversal substancialmente triangular formada por uma parede traseira 25, uma primeira parede frontal extrema 26 e uma segunda parede frontal 27.

As duas paredes frontais 26 e 27 incluem a área de apoio e empuxo P2. A parede frontal 27 inclui uma parte traseira 27a que faceia a parede traseira 19 do primeiro elemento de empuxo 14 para formar o primeiro espaço de passagem 16 e uma parte frontal 27b na frente da e que se projeta no sentido de montante ou parte frontal da lâmina 11 em relação ao jato de fluido F1 é que fornece o empuxo. A segunda parede frontal 27 e a área de apoio e empuxo P1 são arranjadas sobre o braço suporte 13 de modo a ter em seção transversal, tomadas em conjunto, uma superfície em contato com o jato de fluido de forma encurvada, por exemplo, de forma oval ou substancialmente em arco circular, como mostrado na figura 3.

Qualquer forma da superfície em contato com o jato de fluido pode ser utilizada para as áreas de apoio e empuxo P1 e P2. Por exemplo, sem se afastar do escopo da invenção, uma superfície plana perpendicular ao jato de fluido pode ser utilizada. O arranjo do segundo elemento de empuxo 15 na frente do ou se projetando em relação ao primeiro elemento de empuxo 14 sobre o lado de montante, a área da área de empuxo P2 sendo menor do que aquela da área de empuxo P1, e a velocidade do jato de fluido F1, permite muito pouco do jato de fluido para o interior do primeiro espaço de passagem 16 da lâmina ativa quando o jato de fluido F1 atua sobre as áreas de empuxo P1 e P2. A parede frontal 27 do segundo elemento de empuxo 15 é substancialmente paralela à parede traseira 19 do primeiro elemento de empuxo 14.

Alternativamente, ela pode ser inclinada na direção de montante em relação à parede traseira 19 do primeiro elemento de empuxo 14, por exemplo, em um ângulo de 10 °, de modo a ter uma seção do primeiro espaço de passagem 16 maior à jusante da lâmina 11 que à montante dela para reforçar a prevenção de o jato de fluido penetrar no primeiro espaço de passagem 16 quando a lâmina 11 está ativa, e para permitir circulação de fluido na direção de jusante para montante quando a lâmina 11 está inativa. O meio da parede traseira 27 se apóia sobre uma casca traseira extrema inclinada 28 do braço suporte 13. A turbina 10 pode ser produzida em uma peça, por exemplo, por meio de moldagem por injeção de termoplástico. A turbina 10 tem cinco lâminas, porém este número não é limita-tivo da invenção. Por exemplo, pode haver três até doze lâminas.

Esta turbina pode ser feita com quaisquer dimensões para qualquer tipo de medidor de escoamento de turbina de fluido. À guisa de exemplo não limitativo, para uma turbina que tem um diâmetro de 5 cm e um comprimento de 15 mm ao longo do eixo longitudinal A, o primeiro espaço de passagem 16 e o segundo espaço de passagem 17 têm dimensões de alguns mm.

Claims (12)

1. Medidor de escoamento de turbina de fluido (1) que inclui um corpo longitudinal rotativo (12) de uma turbina (10) equipado com lâminas longitudinais (11) e braços suporte distribuídos de maneira regular (13) das lâminas (11) que conectam as lâminas (11) ao corpo rotativo (12) da turbina (10) , em que cada lâmina (11) tem diversos elementos de empuxo longitudinal separados (14, 15) sobre o braço suporte (13) cujas seções transversais são adaptadas para receber o empuxo do jato de fluido quando a lâmina (11) está ativa e para permitir a circulação de fluido entre os elementos de empuxo (14, 15) quando a lâmina (11) está inativa.

2. Medidor de escoamento de turbina de fluido (1), de acordo com a reivindicação 1, em que cada lâmina (11) tem sobre o braço suporte (13) dois elementos de empuxo longitudinal (14, 15) separados por um espaço de passagem de fluido (16), um segundo elemento de empuxo (15) que é disposto em relação ao primeiro elemento de empuxo (14) para limitar a entrada do jato de fluido para o interior do espaço de passagem de fluido (16) quando a lâmina (11) está ativa para permitir a circulação de fluido em uma direção de jusante para montante no espaço de passagem de fluido (16) quando a lâmina (11) está inativa.

3. Medidor de escoamento de turbina de fluido (1), de acordo com a reivindicação 2, em que o primeiro elemento de empuxo (14) e o corpo rotativo (12) da turbina (10) são separados por um segundo espaço de passagem de fluido (17) de modo que o fluido circula no segundo espaço de passagem de fluido (17) ao longo de uma parede longitudinal exterior (18) do corpo rotativo da turbina (10) em uma direção de jusante para montante.

4. Medidor de escoamento de turbina de fluido (1), de acordo com a reivindicação 3, em que os dois elementos de empuxo (14,15) da lâmina (11) sobre o braço suporte (13) têm juntos em seção transversal em relação ao eixo longitudinal da turbina (10) substancialmente uma forma em L, cujo ramo mais longo da forma em L sendo descontínuo, esta descontinuidade constituindo o primeiro espaço de passagem de fluido (16).

5. Medidor de escoamento de turbina de fluido (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 4, em que o primeiro elemento de em-puxo (14) inclui uma área de apoio e empuxo (P1) que tem uma superfície encurvada transversal ao eixo longitudinal da turbina (10).

6. Medidor de escoamento de turbina de fluido (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 5, em que a área de apoio (P1) do primeiro elemento de empuxo (14) e uma área de apoio (P2) do segundo elemento de empuxo (15) formam juntas, em seção transversal, em relação ao eixo longitudinal da turbina (10) uma superfície que é de formato curvado, oval ou substancialmente um arco circular.

7. Medidor de escoamento de turbina de fluido (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 ou 6, em que o primeiro elemento de empuxo (14) inclui uma superfície transversal que tem uma curvatura côncava para sua área de apoio e empuxo (P1) e uma curvatura convexa na extremidade desta área de apoio e de empuxo (P1), para guiar o jato de fluido no sentido do primeiro espaço de passagem de fluido (16) de uma lâmina à montante inativa (11) e o segundo espaço de passagem de fluido (17) da lâmina à montante inativa (11) depois que o jato de fluido tenha se chocado sobre a área de apoio e empuxo (P1).

8. Medidor de escoamento de turbina de fluido (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 7, em que o primeiro elemento de empuxo (14) inclui um corpo longitudinal que tem em seção transversal, em relação ao eixo longitudinal da turbina (10) uma forma substancialmente de triedro que compreendeu uma parede traseira (19), uma parede frontal de empuxo (20) e uma parede longitudinal (21) que faceia a parede longitudinal exterior (18) do corpo rotativo (12) para formar o segundo espaço de passagem de fluido (17) na direção de jusante para montante.

9. Medidor de escoamento de turbina de fluido (1), de acordo com a reivindicação 8, em que o segundo elemento de empuxo (15) inclui um elemento longitudinal que tem em seção transversal, em relação ao eixo longitudinal da turbina (10) uma forma substancialmente triangular que inclui uma parede traseira (25) uma parede frontal extrema (26) e uma parede frontal (27) parte da qual faceia a parede traseira (19) do primeiro elemento de empuxo (14) para formar o primeiro espaço de passagem de fluido (16).

10. Medidor de escoamento de turbina de fluido (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 9, em que o braço suporte (13) inclui uma casca traseira (28) para suportar o segundo elemento de empuxo (15), duas cascas traseiras (23, 24) para suportar o primeiro elemento de empuxo (14), e uma casca frontal (22) para suportar o primeiro elemento de empuxo (14).

11. Medidor de escoamento de turbina de fluido (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, em que a turbina (10) inclui de três a doze lâminas (11).

12. Medidor de escoamento de turbina de fluido (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 11, em que o primeiro espaço de passagem (16) e o segundo espaço de passagem (17) têm uma dimensão de alguns mm, o diâmetro da turbina (10) é 5 cm e o comprimento da turbina (10) é 15 mm.