BR102018005831A2

BR102018005831A2 - VOTTEX ROTOR

Info

Publication number: BR102018005831A2
Application number: BR102018005831-2A
Authority: BR
Inventors: Belmiro Do Couto Fernando
Original assignee: Belmiro Do Couto Fernando
Priority date: 2018-03-23
Filing date: 2018-03-23
Publication date: 2018-05-22
Also published as: BR102018005831B1

Abstract

rotor de vórtex. o presente relatório descritivo apresenta um rotor para a captação de energia hidráulica que atende a uma ampla combinação de parâmetros de vazão e de alturas das quedas d?água. o rotor é constituído de superfícies cônicas concêntricas de geratrizes curvas, que servem para dividir o fluxo de água, criar vórtex pelo direcionamento desse fluxo, transformando o movimento radial das moléculas de água em movimento axial e acumulando a energia cinética e de pressão contida na massa líquida devido à combinação de forças de reação, impulsão e de adesão às superfícies. as superfícies cônicas internas possuem orifícios que servem para equalizar as pressões causadas pela força centrifuga e são unidas por superfícies hidrodinâmicas que atuam como pás do rotor e como elementos estruturais. a vazão de saída aumenta em proporção à resistência aplicada ao movimento pelo eixo do rotor enquanto o grupo gerador elétrico permanece acionado e diminui, conforme essa resistência cai, devido ao efeito de acumulação de energia cinética. o presente rotor deve ser utilizado com o eixo na posição vertical, e pode substituir rotores do tipo francis em usinas hidrelétricas com poucas adaptações. para os casos em que são empregadas turbinas do tipo pelton ou kaplan o que mudará é a relação entre a altura e o diâmetro do rotor, além do espaçamento entre as superfícies cônicas e a quantidade e espessura dessas superfícies internas. o presente rotor também pode ser utilizado como elemento de bomba de sucção. se for aplicada força motriz ao rotor surgirá um fluxo ascendente.vortex rotor. This descriptive report presents a rotor for capturing hydraulic energy that meets a wide combination of flow parameters and waterfall heights. The rotor is made up of concentric conical surfaces of curved generators, which serve to divide the water flow, vortex it by directing it, transforming the radial motion of the water molecules into axial motion and accumulating the kinetic and pressure energy contained in the mass. due to the combination of reaction forces, thrust and surface adhesion. The inner tapered surfaces have holes that serve to equalize the pressures caused by centrifugal force and are joined by hydrodynamic surfaces that act as rotor blades and as structural elements. The output flow increases in proportion to the resistance applied to movement by the rotor shaft while the electric generator set remains driven and decreases as this resistance drops due to the effect of kinetic energy accumulation. This rotor is intended for use with the shaft in an upright position and can replace francis type rotors in hydroelectric plants with few adaptations. For cases where pelton or kaplan turbines are used what will change is the ratio between the height and diameter of the rotor, as well as the spacing between the conical surfaces and the quantity and thickness of these internal surfaces. The present rotor may also be used as a suction pump element. if driving force is applied to the rotor an upward flow will appear.

Description

(54) Título: ROTOR DE VÓRTEX (51) Int. Cl.: F04D 29/18 (73) Titular(es): FERNANDO BELMIRO DO COUTO (72) Inventor(es): FERNANDO BELMIRO DO COUTO (57) Resumo: ROTOR DE VORTEX. O presente relatório descritivo apresenta um rotor para a captação de energia hidráulica que atende a uma ampla combinação de parâmetros de vazão e de alturas das quedas d?água. O rotor é constituído de superfícies cônicas concêntricas de geratrizes curvas, que servem para dividir o fluxo de água, criar vórtex pelo direcionamento desse fluxo, transformando o movimento radial das moléculas de água em movimento axial e acumulando a energia cinética e de pressão contida na massa líquida devido à combinação de forças de reação, impulsão e de adesão às superfícies. As superfícies cônicas internas possuem orifícios que servem para equalizar as pressões causadas pela força centrifuga e são unidas por superfícies hidrodinâmicas que atuam como pás do rotor e como elementos estruturais. A vazão de saída aumenta em proporção à resistência aplicada ao movimento pelo eixo do rotor enquanto o grupo gerador elétrico permanece acionado e diminui, conforme essa resistência cai, devido ao efeito de acumulação de energia cinética. O presente rotor deve ser utilizado com o eixo na posição vertical, e pode substituir rotores do tipo Fr(...)(54) Title: ROTOR DE VÓRTEX (51) Int. Cl .: F04D 29/18 (73) Owner (s): FERNANDO BELMIRO DO COUTO (72) Inventor (s): FERNANDO BELMIRO DO COUTO (57) Abstract: ROTOR FROM VORTEX. The present specification presents a rotor for the capture of hydraulic energy that meets a wide combination of flow parameters and heights of waterfalls. The rotor consists of concentric conical surfaces of curved generators, which serve to divide the flow of water, create a vortex by directing this flow, transforming the radial movement of water molecules into axial movement and accumulating the kinetic and pressure energy contained in the mass liquid due to the combination of reaction, thrust and surface adhesion forces. The internal conical surfaces have holes that serve to equalize the pressures caused by the centrifugal force and are joined by hydrodynamic surfaces that act as rotor blades and as structural elements. The output flow increases in proportion to the resistance applied to the movement by the rotor shaft while the electric generator set remains activated and decreases, as this resistance falls, due to the effect of accumulation of kinetic energy. This rotor must be used with the shaft in the vertical position, and can replace rotors of the Fr (...) type

1/4 “ROTOR DE VÓRTEX”1/4 “Vortex Rotator”

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO [001 ] O presente relatório descritivo apresenta um rotor para a captação de energia hidráulica que atende a uma ampla combinação de parâmetros de vazão e de alturas das quedas d’água.BACKGROUND OF THE INVENTION [001] The present specification presents a rotor for capturing hydraulic energy that meets a wide combination of flow parameters and heights of waterfalls.

[002] As turbinas hidráulicas mais utilizadas no mundo são as do tipo Francis, Kaplan e Pelton, cada uma dessas sendo mais apropriada para utilização dentro de determinado range de parâmetros. As turbinas do tipo Pelton são mais adequadas para baixa vazão de água e quedas d’água elevadas, as turbinas do Tipo Kaplan e Francis trabalham com vazões altas/médias, sendo que as do tipo Kaplan são utilizadas em pequenas alturas e as do tipo Francis para alturas medianas/altas.[002] The most used hydraulic turbines in the world are those of the Francis, Kaplan and Pelton type, each of these being more suitable for use within a certain range of parameters. Pelton type turbines are more suitable for low water flow and high waterfalls, Kaplan and Francis type turbines work with high / medium flow rates, with Kaplan type turbines being used at small heights and Francis type for medium / high heights.

[003] As turbinas do tipo Pelton aproveitam o princípio da impulsão (pressão dinâmica), as turbinas do tipo Kaplan o príncipio da reação (pressão estática) e as turbinas do tipo Francis, apesar de serem classificadas como turbinas de reação, aproveitam também parte da pressão dinâmica para movimentar o rotor.[003] Pelton-type turbines take advantage of the thrust principle (dynamic pressure), Kaplan-type turbines the reaction principle (static pressure) and Francis-type turbines, although they are classified as reaction turbines, they also take part dynamic pressure to move the rotor.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO [004] Em um aspecto da presente revelação, o ROTOR DE VÓRTEX é o dispositivo que distribui o fluxo de água entre suas superfícies cônicas internas, gerando vórtices concorrentes que fluem de maneira ordenada partindo da parte superior e das bordas externas do dispositivo rumo a parte inferior e central do dispositivo.BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION [004] In one aspect of the present disclosure, the VORTEX ROTOR is the device that distributes the flow of water between its internal conical surfaces, generating competing vortices that flow in an orderly manner from the top and the outer edges of the device towards the bottom and center of the device.

[005] De acordo com um segundo aspecto da presente revelação, com a dupla finalidade de atuar como pás de rotor e como elemento de união entre as superfícies, compõem o rotor algumas superfícies hidrodinâmicas que na parte superior do dispositivo estão dispostas de maneira a opor pouca resistência ao fluxo e que a medida que se aproximam do centro do dispositivo e da parte inferior começam a acentuar a inclinação e a resistência ao fluxo.[005] According to a second aspect of the present disclosure, with the dual purpose of acting as rotor blades and as a joining element between surfaces, the rotor makes up some hydrodynamic surfaces that at the top of the device are arranged in order to oppose little resistance to flow and that as they approach the center of the device and the bottom they start to accentuate the inclination and resistance to flow.

[006] De acordo com um terceiro aspecto da presente revelação, a quantidade, o espaçamento entre as superfícies e a espessura de cada superfície cônica de geratriz curva presente no ROTOR DE VÓRTEX estará diretamente vinculada as pressões dinâmica e estática do fluxo de água.[006] According to a third aspect of the present disclosure, the quantity, the spacing between the surfaces and the thickness of each conical surface of curved generatrix present in the VORTEX ROTOR will be directly linked to the dynamic and static pressures of the water flow.

[007] De acordo com um quarto aspecto da presente revelação, a rugosidade das superfícies será adaptada a cada caso para potencializar o efeito de adesão das moléculas de água e a consequente transferência de energia cinética, podendo determinar o uso de sulcos distribuídos por essas superfícies.[007] According to a fourth aspect of the present disclosure, the roughness of the surfaces will be adapted to each case to enhance the adhesion effect of the water molecules and the consequent transfer of kinetic energy, being able to determine the use of grooves distributed by these surfaces .

[008] De acordo com um quinto aspecto da presente revelação, entre as superfícies cônicas internas serão distribuídos orifícios ou janelas que tem por[008] According to a fifth aspect of the present disclosure, holes or windows will be distributed between the internal conical surfaces

Petição 870180023531, de 23/03/2018, pág. 14/17Petition 870180023531, of 03/23/2018, p. 14/17

2/4 objetivo equalizar eventuais diferenças de pressão ocasionadas pela atuação mais ou menos acentuada da força centrífuga em pontos diferentes.2/4 aim to equalize any pressure differences caused by the more or less marked action of the centrifugal force at different points.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [009] Essas e outras características e aspectos das realizações da presente invenção se tornarão mais bem compreendidas quando a seguinte descrição detalhada for lida com referência aos desenhos que a acompanham em que caracteres parecidos representam partes parecidas em todos os desenhos, em que:BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS [009] These and other features and aspects of the embodiments of the present invention will become better understood when the following detailed description is read with reference to the accompanying drawings in which similar characters represent similar parts in all drawings, in what:

[010] A Fig. 1 é uma ilustração em perspectiva do eixo rotor, da saída de água e de uma caixa espiral que distribui o fluxo de água de maneira radial em torno do rotor, de acordo com os aspectos do presente relatório descritivo;[010] Fig. 1 is a perspective illustration of the rotor shaft, the water outlet and a spiral box that distributes the water flow radially around the rotor, according to the aspects of this specification;

[011] A Fig. 2 é uma ilustração de um corte no sentido longitudinal no eixo do rotor, de acordo com os aspectos do presente relatório descritivo;[011] Fig. 2 is an illustration of a longitudinal section of the rotor axis, according to the aspects of this specification;

[012] A Fig. 3 é uma ilustração em perspectiva de uma secção de 3 planos que passam pelo eixo do rotor e na metade superior da caixa espiral, de acordo com os aspectos do presente relatório descritivo;[012] Fig. 3 is a perspective illustration of a section of 3 planes that pass through the rotor axis and in the upper half of the spiral box, according to the aspects of this specification;

[013] A Fig. 4 é uma vista frontal do rotor, de acordo com os aspectos do presente relatório descritivo;[013] Fig. 4 is a front view of the rotor, according to the aspects of this specification;

[014] A Fig. 5 é uma vista de topo do rotor, de acordo com os aspectos do presente relatório descritivo;[014] Fig. 5 is a top view of the rotor, according to the aspects of this specification;

[015] A Fig. 6 é uma vista da parte inferior do rotor, de acordo com os aspectos do presente relatório descritivo;[015] Fig. 6 is a view of the bottom of the rotor, according to the aspects of this specification;

[016] A Fig. 7 é uma ilustração em perspectiva da parte inferior do rotor, de acordo com os aspectos do presente relatório descritivo;[016] Fig. 7 is a perspective illustration of the bottom of the rotor, according to the aspects of this specification;

[017] A Fig. 8 é uma ilustração em perspectiva da parte superior do rotor, de acordo com os aspectos do presente relatório descritivo;[017] Fig. 8 is a perspective illustration of the upper part of the rotor, according to the aspects of this specification;

[018] A Fig. 9 é uma vista frontal explodida das partes que compõem o rotor, de acordo com os aspectos do presente relatório descritivo;[018] Fig. 9 is an exploded front view of the parts that make up the rotor, according to the aspects of this specification;

[019] A Fig. 10 é uma ilustração em perspectiva das partes que compõem o rotor, de acordo com os aspectos do presente relatório descritivo;[019] Fig. 10 is a perspective illustration of the parts that make up the rotor, according to the aspects of this specification;

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [020] Todas as referências de direção (por exemplo, radial, axial, superior, inferior, para cima, para baixo, esquerda, direita, lateral, frontal, atrás, topo, fundo, acima, abaixo, vertical, horizontal, etc.) são usadas somente para identificação de propósitos para auxiliar o entendimento do leitor da presente revelação e não para criar limitações, particularmente, quanto à posição, orientação ou uso da presenteDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [020] All direction references (e.g., radial, axial, top, bottom, up, down, left, right, side, front, back, top, bottom, up, down, vertical, horizontal, etc.) are used only for identification purposes to assist the reader's understanding of the present disclosure and not to create limitations, particularly as to the position, orientation or use of the present

Petição 870180023531, de 23/03/2018, pág. 15/17Petition 870180023531, of 03/23/2018, p. 15/17

3/4 revelação. As referências de conexão (por exemplo, fixado, acoplado, conectado e unido) devem ser interpretadas de forma ampla e podem incluir membros intermediários entre uma coleção de elementos e de movimento relativo entre elementos a menos indicado de outro modo. Como tal, as referências de conexão não necessariamente inferem que dois elementos estão diretamente conectados e em relação fixa um com o outro. Os desenhos exemplificativos são para propósitos de ilustração apenas e as dimensões, posições, ordem e tamanhos relativos refletidos nos desenhos anexos podem variar.3/4 revelation. Connection references (for example, fixed, coupled, connected and joined) must be interpreted broadly and may include intermediate members between a collection of elements and relative movement between elements unless otherwise indicated. As such, connection references do not necessarily imply that two elements are directly connected and in a fixed relationship with each other. Exemplary drawings are for illustration purposes only and the relative dimensions, positions, order and sizes reflected in the attached drawings may vary.

[021] A Figura 1 representa esquematicamente uma turbina comum em hidroelétricas que utilizam turbinas do tipo Francis, composta de um eixo rotor 1, uma caixa espiral 2 com uma entrada 3 proveniente de um conduto forçado e uma saída de água 4.[021] Figure 1 schematically represents a common hydroelectric turbine that uses Francis type turbines, composed of a rotor shaft 1, a spiral box 2 with an inlet 3 from a penstock and a water outlet 4.

[022] A Figura 2 representa esquematicamente um corte no sentido longitudinal do eixo rotor 1 e detalha o posicionamento do ROTOR DE VÓRTEX e o acoplamento da superfície cônica interna 8 com o eixo rotor 1 que em seu prolongamento estará ligado ao grupo gerador de energia elétrica. Representa também o contato da superfície cônica externa 9 com a caixa espiral 2 pelo anel superior 11 e o duto de saída de água 4 pelo anel inferior 12. A Figura 3 representa uma vista interna em perspectiva do ROTOR DE VÓRTEX instalado na caixa espiral 2 e ilustra o posicionamento de aletas de controle de fluxo 5.[022] Figure 2 schematically represents a cut in the longitudinal direction of the rotor axis 1 and details the positioning of the VORTEX ROTOR and the coupling of the internal conical surface 8 with the rotor axis 1 which in its extension will be connected to the electric power generator group . It also represents the contact of the external conical surface 9 with the spiral box 2 by the upper ring 11 and the water outlet duct 4 by the lower ring 12. Figure 3 represents an internal perspective view of the VORTEX ROTOR installed in the spiral box 2 and illustrates the positioning of flow control fins 5.

[023] O ROTOR DE VÓRTEX está representado em vista frontal na Figura 4. O fluxo de água percorre uma trajetória radial em torno do rotor e é dividido pelas bordas exteriores das superfícies cônicas 10 e vai caminhando em direção ao centro e a parte inferior do rotor. Nessa parte superior encontraremos as primeiras superfícies hidrodinâmicas 6 que além de servirem como componentes estruturais, atuam como pás de rotor mas, com um alinhamento tal que provoca um mínimo de resistência a pressão dinâmica.[023] THE VÓRTEX ROTOR is shown in front view in Figure 4. The water flow travels a radial path around the rotor and is divided by the outer edges of the conical surfaces 10 and goes towards the center and the bottom of the rotor. In this upper part we will find the first hydrodynamic surfaces 6 which, in addition to serving as structural components, act as rotor blades, but with an alignment that causes a minimum of resistance to dynamic pressure.

[024] Entre as superfícies cônicas são gerados vórtices concorrentes que transferem a energia cinética devido a uma combinação de efeitos de adesão as superfícies, de reação e de impulsão. Como os esforços aplicados sobre as superfícies variam em razão das distâncias com relação ao eixo do rotor 1, foram dispostos orifícios ou janelas 7 que têm a função de equalizar as pressões conforme varia a velocidade de rotação.[024] Between the conical surfaces, competing vortices are generated that transfer the kinetic energy due to a combination of effects of adhesion to surfaces, of reaction and of impulse. As the efforts applied on the surfaces vary due to the distances from the rotor axis 1, holes or windows 7 have been arranged that have the function of equalizing the pressures according to the rotation speed.

[025] A medida que a velocidade de rotação aumenta uma pressão contrária ao fluxo proveniente do conduto forçado vai surgindo, devido a atuação da força centrífuga na parte superior do rotor. Esse efeito contribui para a conservação da energia cinética.[025] As the speed of rotation increases, a pressure contrary to the flow from the penstock is arising, due to the action of the centrifugal force at the top of the rotor. This effect contributes to the conservation of kinetic energy.

[026] O efeito de adesão das moléculas de água nas superfícies do rotor é determinante para uma transferência mais eficiente de energia cinética para o dispositivo. Tendo em vista esse aspecto, a rugosidade das superfícies será[026] The adhesion effect of water molecules on the surfaces of the rotor is decisive for a more efficient transfer of kinetic energy to the device. In view of this aspect, the roughness of the surfaces will be

Petição 870180023531, de 23/03/2018, pág. 16/17Petition 870180023531, of 03/23/2018, p. 16/17

4/4 adaptada a cada caso para potencializar o efeito de adesão, podendo inclusive determinar o uso de sulcos distribuídos por essas superfícies.4/4 adapted to each case to enhance the adhesion effect, and can even determine the use of grooves distributed over these surfaces.

[027] Para situações ambientais extremas como pressão muito elevada e pouco fluxo ou fluxo muito elevado e com pouca elevação, o dispositivo permanece o mesmo, variando a quantidade de superfícies cônicas internas, a espessura e o espaçamento entre essas superfícies e as relações entre a altura e os diâmetros das superfícies cônicas.[027] For extreme environmental situations such as very high pressure and little flow or very high flow and low elevation, the device remains the same, varying the amount of internal conical surfaces, the thickness and spacing between these surfaces and the relationships between the height and diameters of conical surfaces.

[028] O ROTOR DE VÓRTEX foi desenvolvido com o objetivo primordial de captar energia hidráulica e transformá-la em energia elétrica primando pela eficiência energética, entretanto se uma força motriz for aplicada ao eixo, independentemente do sentido da rotação, o dispositivo passará a atuar como bomba de sucção. Nesse caso surge uma força de sucção na parte inferior do rotor direcionando o fluxo para a parte superior, essa característica pode ser empregada em bombas hidráulicas.[028] The VÓRTEX ROTOR was developed with the primary objective of capturing hydraulic energy and transforming it into electrical energy, striving for energy efficiency, however if a driving force is applied to the axis, regardless of the direction of rotation, the device will start to act suction pump. In this case, a suction force appears at the bottom of the rotor, directing the flow to the top, this feature can be used in hydraulic pumps.

Petição 870180023531, de 23/03/2018, pág. 17/17Petition 870180023531, of 03/23/2018, p. 17/17

1/21/2

Claims

1 . “VÓRTEX ROTOR” characterized by the fact that it comprises:

a conical surface of central curved generatrix [8] coupled to the rotor axis [1];

a conical surface of an external curved generatrix [9], with contact rings on the upper [11] and lower [12] parts;

some conical surfaces of internal curved generatrices [10] that have holes or windows [7];

some hydrodynamic surfaces [6] that couple the conical surfaces [8] [9] [10].

2 . “VÓRTEX ROTOR” according to claim 1, characterized by the fact that the conical surfaces of curved generatrix [8] [9] [10], receive a radial flow of water at the upper edges and that distribute and redirect the said flow in competing vortices that move towards the center and down the device.

3. “VORTEX ROTOR” according to claim 1, characterized by the fact that the internal curved generatrix conical surfaces [10] have holes or windows [7] to equalize the pressures inside the device.

4. “VÓRTEX ROTOR” according to claim 1, characterized by the fact that the hydrodynamic surfaces [6] are structural elements that couple the conical curved generatrix surfaces [8] [9] [10] and which act dynamically as rotor.

5. “VÓRTEX ROTOR” according to claim 1, characterized by the fact that the conical surfaces of curved generatrix [8] [9] [10] have variable roughness to increase the adhesion of water molecules to contact.

6. “VÓRTEX ROTOR” according to claim 4, characterized by the fact that the hydrodynamic surfaces [6] are aligned at the top of the device in order to have reduced hydrodynamic drag.

7. "VORTEX ROTOR" according to claim 4, characterized by the fact that the hydrodynamic surfaces [6] are aligned at the bottom of the device in order to create greater hydrodynamic drag.

Petition 870180023531, of 03/23/2018, p. 12/17

2/2

8. "VORTEX ROTOR" according to claim 4, characterized by the fact that the hydrodynamic surfaces [6] are aligned in central parts of the device in order to create intermediate drag to that mentioned in claims 6 and 7.

9. “VÓRTEX ROTOR” according to claim 1, characterized by the fact that once the driving force is applied to the rotor shaft [1], a suction force appears at the bottom of the device that starts to pump the flow to the part higher.

Petition 870180023531, of 03/23/2018, p. 13/17

1/6

Petition 870180023531, of 03/23/2018, p. 5/17

2/6