BR102019020633A2 - cilindro de atuação, sistema hidráulico, sistema, máquina hidráulica do tipo turbina, bomba ou bomba-turbina e método para operar um cilindro de atuação - Google Patents

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Abstract

cilindro de atuação, sistema hidráulico, sistema, máquina hidráulica do tipo turbina, bomba ou bombaturbina e método para operar um cilindro de atuação a presente invenção descreve, em particular, um cilindro de atuação (10) para controlar o movimento de um anel de vedação (40) de uma máquina hidráulica, o referido cilindro de atuação (10) compreende um corpo (18) formando uma primeira câmara (22) provida de uma primeiro duto (26) e uma segunda câmara (24) provida de um segundo duto (28) que é projetado para receber um fluido de atuação através do referido primeiro duto (26) e do referido segundo duto (28), as referidas câmaras sendo separadas uma da outra por um pistão (20) conectado a uma haste de atuação (14) e capaz de se mover no referido corpo em uma primeira direção, na qual o volume da segunda câmara aumenta enquanto o volume da primeira câmara diminui, e em uma segunda direção, na qual o volume da segunda câmara diminui enquanto o volume da primeira câmara aumenta, sendo o referido pistão provido de uma haste (30) conectada na referida segunda câmara a uma área (20b) do pistão voltada para a referida segunda câmara, tendo a referida área (20b) uma superfície inferior a uma área (20a) do pistão voltada para a primeira câmara.

Description

“CILINDRO DE ATUAÇÃO, SISTEMA HIDRÁULICO, SISTEMA, MÁQUINA HIDRÁULICA DO TIPO TURBINA, BOMBA OU BOMBA-TURBINA E MÉTODO PARA OPERAR UM CILINDRO DE ATUAÇÃO”
Campo da invenção [001] A invenção refere-se ao campo da indústria hidrelétrica.
Antecedentes da Invenção [002] Um anel de vedação é um componente mecânico opcional de uma turbina, bomba ou bomba-turbina, usado para isolar a máquina da conduta da água a montante em condições de parada, em manutenção e no caso de falta de fechamento da vedação de postigo ou falha mecânica principal e capaz de cortar o fluxo de passagem.
[003] Um anel de vedação é principalmente um invólucro cilíndrico que se move ao longo de seu eixo longitudinal com um curso fixo de uma posição aberta para uma fechada e, inversamente.
[004] O curso linear do invólucro cilíndrico é apropriado para a turbina, bomba ou bomba-turbina na qual o anel de vedação está instalado.
[005] Uma solução bem conhecida para operar um anel de vedação é usar vários cilindros hidráulicos distribuídos em torno da circunferência de uma extremidade do anel de vedação, sendo o eixo dos cilindros hidráulicos paralelo ao eixo longitudinal do invólucro cilíndrico.
[006] Os corpos dos cilindros hidráulicos são apoiados por uma parte estacionária da turbina, bomba ou bomba-turbina e as extremidades das hastes de operação dos cilindros hidráulicos são fixadas à haste circular do invólucro cilíndrico.
[007] Um sistema digital e/ ou hidráulico controla o movimento linear simultâneo das hastes de operação dos cilindros hidráulicos para mover o invólucro cilíndrico, sem oscilação e distorção excessivas, a fim de evitar o encravamento do invólucro cilíndrico nas partes estacionárias próximas e
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2/11 danificar os cilindros hidráulicos, invólucro cilíndrico e peças estacionárias.
[008] Geralmente, o anel de vedação é autoclave ou autovedante e dois níveis de pressão diferentes são usados para operar os cilindros.
- um nível de alta pressão para abrir o anel de vedação, porque os cilindros devem operar contra o peso do anel de vedação e a pressão diferencial entre a pressão a montante e a jusante do anel de vedação quando ela estiver fechada;
- um nível de baixa pressão para evitar riscos de danificar as peças em movimento descendente quando o anel de vedação está fechando, porque o anel de vedação fecha naturalmente com seu próprio peso e a baixa pressão ajuda o fechamento em caso de ponto de atrito e evita danos mecânicos reduzindo o esforço em caso de bloqueio por elemento externo preso no anel de vedação.
[009] É necessário reduzir as forças ou os esforços aplicados aos cilindros que controlam o anel de vedação.
[010] Os sistemas do estado da técnica constroem dois níveis de pressão a partir do sistema hidráulico. Soluções diferentes são possíveis e solicitam muitos componentes para criar os dois níveis de pressão, basicamente usando dois tanques de pressão (um por nível de pressão).
[011] Essas soluções são complicadas, caras e exigem alto nível de manutenção.
Descrição Resumida da Invenção [012] A invenção refere-se primeiro a um cilindro que compreende um corpo que forma uma primeira câmara provida de um primeiro duto e uma segunda câmara provida de um segundo duto que é projetado para receber um fluido de atuação através do referido primeiro duto e do referido segundo duto, estando as referidas câmaras separadas uma da outra por um
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3/11 pistão conectado a uma haste de atuação e capaz de se mover no referido corpo em uma primeira direção, na qual o volume da segunda câmara aumenta enquanto o volume da primeira câmara diminui e em uma segunda direção, na qual o volume da segunda câmara diminui enquanto o volume da primeira câmara aumenta, sendo o referido pistão provido de um elemento adicional, por exemplo, uma haste ou um cilindro, na referida segunda câmara.
[013] O referido elemento adicional está conectado na referida segunda câmara a uma área do pistão voltada para a referida segunda câmara, tendo a referida área uma superfície menor que uma área do pistão voltada para a primeira câmara.
[014] O referido membro adicional pode ser oco, sendo apenas delimitado por uma parede.
[015] Em um cilindro de atuação de acordo com a invenção, o referido elemento adicional, por exemplo a referida haste, se estende acima de um topo do referido corpo através de uma abertura estanque.
[016] A invenção também se refere a um sistema hidráulico, que pode ser implementado no controle do movimento de um anel de vedação de uma máquina hidráulica, o referido sistema hidráulico compreendendo pelo menos um cilindro de atuação de acordo com a invenção e um mesmo circuito hidráulico para alimentar a referida primeira câmara através do referido primeiro duto e a referida segunda câmara através do referido segundo duto com um fluido à mesma pressão.
[017] Um cilindro de acordo com a invenção permite assim o uso de um nível de alta pressão apenas para abertura e fechamento, o que diminui o número de componentes hidráulicos, aumentando a robustez e diminuindo o custo de todo o sistema.
[018] A invenção também se refere a um sistema para controlar o movimento de um anel de vedação, que compreende uma pluralidade de
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4/11 cilindros de atuação, cada um de acordo com a invenção.
[019] A invenção também diz respeito a um sistema para controlar o movimento de um anel de vedação, que compreende uma pluralidade de grupos de cilindros de atuação, cada grupo compreendendo pelo menos:
- um primeiro cilindro de atuação de acordo com a invenção;
- um segundo cilindro de atuação compreendendo um corpo que forma uma primeira câmara e uma segunda câmara que são projetadas para receber um fluido de atuação, sendo as referidas câmaras separadas uma da outra por um pistão conectado a uma haste de atuação e capaz de mover o referido corpo em uma primeira direção em que o volume da segunda câmara aumenta enquanto o volume da primeira câmara diminui e em uma segunda direção, na qual o volume da segunda câmara diminui enquanto o volume da primeira câmara aumenta;
- um membro de sincronização hidráulica que conecta a referida primeira câmara do referido primeiro cilindro de atuação e a referida segunda câmara, o referido segundo cilindro de atuação.
[020] A invenção também se refere a uma máquina hidráulica do tipo turbina, bomba ou bomba-turbina, que compreende um canal e um anel de vedação capazes de se mover entre uma posição de abertura e uma posição de fechamento de pelo menos um canal que fornece água ao referido canal e:
- uma pluralidade de cilindros de atuação de acordo com a invenção, cada haste de atuação sendo conectada ao referido anel de vedação para movê-lo entre a referida posição de abertura e a referida posição de fechamento;
- ou um sistema de acordo com a invenção para controlar o movimento do referido anel de vedação.
[021] A invenção também se refere a um método de operação de
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5/11 um cilindro de atuação de acordo com a invenção, em que um fluido com uma pressão predeterminada (P) é alimentado à referida primeira câmara através do referido primeiro duto para mover o referido pistão na referida segunda direção e o mesmo fluido com a referida mesma pressão predeterminada (P) é alimentada à referida segunda câmara através do referido segundo duto para mover o referido pistão na referida primeira direção.
Breve Descrição das Figuras [022] A Figura 1A mostra um cilindro de acordo com a invenção.
[023] A Figura 1B é uma seção transversal de um elemento adicional implementado em um cilindro de acordo com a invenção.
[024] A Figura 1C mostra um cilindro de acordo com o estado da técnica.
[025] A Figura 2 mostra uma vista do anel de vedação e de seus cilindros.
[026] A Figura 3 mostra um grupo de 2 cilindros conectados como membros de sincronização.
[027] A Figura 4 mostra uma vista esquemática de um anel de vedação e de 3 grupos de cilindros, cada grupo compreendendo um cilindro de acordo com a invenção.
[028] A Figura 5 é uma seção transversal de uma máquina hidráulica à qual a invenção pode ser aplicada.
Descrição Detalhada da Invenção [029] Um cilindro (10) de acordo com a invenção é ilustrado na Figura 1A.
[030] Este compreende um corpo (18) que forma uma primeira câmara (22) e uma segunda câmara (24), que são projetadas para receber e evacuar um fluido de atuação, como óleo, através de um duto (26, 28). As referidas câmaras são separadas uma da outra por um pistão (20). O pistão
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6/11 está conectado a uma haste de atuação (14), a qual deve ser conectada a um anel de vedação para acioná-lo entre sua posição aberta e fechada. A primeira câmara (22) está situada no lado da haste em relação ao pistão (20), a segunda câmara (24) está situada no lado oposto à haste em relação ao pistão (20).
[031] Os dutos (26, 28) são para conectar cada câmara a um circuito hidráulico compreendendo meios de pressurização de fluido, por exemplo pelo menos uma bomba, e a uma fonte de fluido de atuação. Uma unidade de controle controla a atuação do circuito hidráulico, incluindo os meios de pressurização de fluido. A referida unidade de controle pode, por exemplo, compreender um processador ou um microprocessador, ou um circuito elétrico ou eletrônico capaz de implementar ou ser programado para atuar o circuito hidráulico.
[032] O referido pistão (20) é capaz de se mover no corpo em uma primeira direção (I) na qual o volume da segunda câmara (24) aumenta enquanto o volume da primeira câmara (22) diminui e depois em uma segunda direção (II) na qual o volume da primeira câmara (22) aumenta enquanto o volume da segunda câmara (24) diminui.
[033] O pistão (20) tem duas áreas (20a e 20b), cada uma perpendicular às direções (I) e (II) que são designadas área de pistão inferior e área de pistão superior e localizadas respectivamente no lado da haste de atuação (14) e no lado oposto. Um cilindro (10) pode ser usado em qualquer posição e as designações inferior e superior não devem ser interpretadas como características limitantes da invenção.
[034] A área superior do pistão (20b) é exposta à pressão P para mover o pistão (20) na referida primeira direção (I) (quando conectado a um anel de vedação, o referido movimento na referida primeira direção (I) é para fechar o anel de vedação).
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7/11 [035] A área inferior do pistão (20a) é exposta à pressão para mover o pistão (20) na referida segunda direção (II) (quando conectado a um anel de vedação, o referido movimento na referida segunda direção (II) é para abrir o anel de vedação).
[036] A segunda câmara (24) compreende um elemento adicional (30), por exemplo uma haste, conectada à referida área superior (20b). O referido elemento adicional (30) não está mecanicamente conectado a nenhum mecanismo de atuação. Ele se move junto com o pistão (20).
[037] Este elemento adicional (30) reduz a superfície S da área (20b) do pistão exposta à pressão (P): em particular, a área (20b) superior do pistão tem uma superfície inferior à superfície da área (20a) do pistão inferior; a força correspondente (F) aplicada à referida área superior do pistão (20b) na direção (I) também é reduzida (devido à relação P = F/ S) em comparação com um cilindro - como na Figura 1B - na qual nenhum elemento adicional (30) é implementado. Por exemplo, se o referido elemento (30) for uma haste, o valor do esforço é ajustado pelo diâmetro da referida haste.
[038] Como resultado, uma mesma pressão (P) pode ser aplicada à câmara superior (24) quando o pistão (20) é movido no corpo na primeira direção (I) e a câmara inferior (22) quando o pistão (20) é movido no corpo na segunda direção (II): a mesma pressão resultam em diferentes forças ou esforços aplicados à área superior do pistão (20b) e à área inferior do pistão (20a).
[039] Um mesmo circuito hidráulico (50) (Figura 1A) pode, portanto, ser implementado para alimentar ambas as câmaras com o mesmo fluido na mesma pressão (P), obtendo economias consideráveis em bombas, tanques, válvulas ... etc. Através de uma válvula (51), o mesmo circuito hidráulico (50) é conectado ao duto (28) (alimentando assim a câmara superior (24) com um fluido na pressão (P)) ou ao duto (26) (alimentando assim a
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8/11 câmara inferior (22) com o mesmo fluido na mesma pressão (P)).
[040] Isso também reduz a quantidade de fluido de atuação usada para controlar um movimento do pistão (20), o que significa que o circuito hidráulico conectado ao duto (28) é simplificado.
[041] A altura h do elemento adicional (30) é ligeiramente superior à altura do anel de vedação ou ao curso da haste.
[042] O elemento (30) se estende além da porção de topo (21) do corpo (18); quando está na posição mais baixa do cilindro, também pode se estender além do topo (21) ou ser nivelado com ele. Uma abertura na referida porção superior é feita de modo que o elemento (30) possa se mover para cima e para baixo em conjunto com o pistão (20). A referida abertura é estanque (por exemplo, com uma junta (23)), de modo que o elemento (30) possa se mover para cima e para baixo sem perda de fluido.
[043] De preferência, o elemento adicional (30) tem uma seção transversal circular em um plano perpendicular a qualquer uma das direções (I) ou (II). Mas outras formas da referida seção transversal também podem ser implementadas. É, por exemplo, uma haste cilíndrica, de preferência oca, que resulta em menos peso. A Figura 1B mostra uma seção transversal, em um plano perpendicular a qualquer uma das direções (I) ou (II), de tal haste vazia, referência (31) designando sua parede que delimita um espaço interno oco (33).
[044] A largura (d) da referida seção transversal (que é um diâmetro no caso de uma seção circular) é calculada dependendo da força (F) que deve ser aplicada ao atuar o pistão (20) na direção (I).
[045] O fechamento de um anel de vedação conectado à haste de atuação (14) é facilitado pelo peso do próprio anel, mas uma força deve ser aplicada à área (20b) para controlar o movimento da haste (14), em particular para que não fique entortada. Como explicado acima, usando um cilindro (10)
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9/11 de acordo com a invenção, isso pode ser alcançado com a mesma pressão que ao abrir o anel de vedação.
[046] Um cilindro (10') de acordo com o estado da técnica é ilustrado na Figura 1C. Ele possui os mesmos números de referência que a Figura 1A, fornecida com um ' A área (20b') não possui elemento adicional (30) na segunda câmara (24') e a superfície da área (20b') é maior que a superfície da área (20a'). Assim, para uma mesma pressão (P) aplicada à área (20b') e à área (20b) (Figura 1A), a força que deve ser aplicada ao mover o pistão (20') na primeira direção (I) é mais importante que a força aplicada ao pistão (20) da Figura 1A quando está se movendo na mesma primeira direção. Isso mostra que diferentes pressões (P'1), (P'2), exigindo diferentes sistemas hidráulicos (50'i), (50'2) (ver Figura 1C) devem ser usadas em ambas as direções ao implementar um cilindro de acordo com o estado da técnica.
[047] A Figura 2 ilustra como vários cilindros (10a), (10b), ... de acordo com a invenção podem ser conectados (através de suas hastes de atuação não mostradas na Figura) a um anel de vedação (40), em uma pluralidade de locais em torno de seu perímetro. Um anel de vedação (40) tem um diâmetro que está, por exemplo, entre 2 m e 15 m. É, por exemplo, feito de aço. A Figura 5 mostra como cada cilindro (10) pode ser conectado a um anel de vedação (40), bem como a outras partes de uma máquina hidráulica.
[048] De acordo com US 2013/0098237, um sistema para controlar a atuação de um anel de vedação pode compreender vários grupos de cilindros, cada grupo compreendendo pelo menos 2 cilindros, os cilindros de um mesmo grupo sendo conectados por pelo menos um membro de sincronização.
[049] Um cilindro de acordo com a invenção pode ser utilizado nesse grupo de cilindros. A Figura 3 mostra um grupo de 2 cilindros (10), (10'), dos quais o cilindro (10) é um cilindro de acordo com a invenção, o cilindro (10')
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10/11 tendo uma estrutura de acordo com a Figura 1C. A primeira câmara (22) do cilindro (10) é conectada por um duto (32) à segunda câmara (24') do pistão (20') do cilindro (10'). De preferência, a área (20a) do pistão (20) do cilindro (10) é aproximadamente igual à área (20b') do pistão (20') do cilindro (10'). A referência (40) designa o anel ao qual as hastes de atuação (14), (14') estão conectadas.
[050] O elemento (30) reduz a força necessária para controlar o movimento dos dois cilindros (10), (10'), os pistões (20), (20') se movendo na mesma direção ao mesmo tempo.
[051] Como ilustrado nas Figuras 4, 3, esses grupos (10), (10'), (11) , (11'), (12), (12') de cilindros estão localizados no perímetro (C) de um anel de vedação (40), dois locais consecutivos correspondentes a cilindros pertencentes a grupos diferentes, dois cilindros do mesmo grupo sendo disposto diametralmente oposto no perímetro do anel. Os cilindros (10), (11), (12) são cilindros de acordo com a invenção (Figura 1A), cada um incluindo um elemento adicional (30) em sua segunda câmara, os cilindros (10'), (11'), (12') são cilindros de acordo com a Figura 1C, sem um elemento adicional.
[052] Exemplos de circuitos hidráulicos para controlar os diferentes grupos de cilindros são dados no US 2013/0098237.
[053] Em uma variante, conforme explicado no US 2013/0098237, os cilindros (10), (10') de um mesmo grupo têm aproximadamente as mesmas dimensões.
[054] Como mostrado na Figura 5, uma máquina hidráulica (100), que pode ser do tipo turbina, bomba ou bomba de roda de pás, implementando a invenção compreende uma roda de pás (52), o anel de vedação (40) e vários cilindros de atuação (10) (dos quais apenas um é visível na Figura 5) de acordo com a invenção. O anel de vedação (40) é móvel ao longo de uma direção Y, entre uma posição aberta e uma posição fechada (que é ilustrada na Figura 5)
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11/11 de um canal de abastecimento de água (58) da roda de pás. O anel de vedação (40) é instalado entre as palhetas guia fixas (42) e as portas móveis postigo (41) usadas para orientar o fluxo de água em direção à roda de pás.

Claims (9)

Reivindicações
1. CILINDRO DE ATUAÇÃO (10) para controlar o movimento de um anel de vedação (40) de uma máquina hidráulica, o referido cilindro de atuação (10) caracterizado por compreender um corpo (18) formando uma primeira câmara (22) provida de um primeiro duto (26) e uma segunda câmara (24) provida de um segundo duto (28) que é projetado para receber um fluido de atuação através do referido primeiro duto (26) e do referido segundo duto (28), as referidas câmaras sendo separadas uma da outra por um pistão (20) conectado a uma haste de atuação (14) e capaz de se mover no referido corpo em uma primeira direção, na qual o volume da segunda câmara aumenta enquanto o volume da primeira câmara diminui e em uma segunda direção, na qual o volume da segunda câmara diminui enquanto o volume da primeira câmara aumenta, sendo o referido pistão provido de uma haste (30) conectada na referida segunda câmara a uma área (20b) do pistão voltada para a referida segunda câmara, tendo a referida área (20b) uma superfície inferior a uma área (20a) do pistão voltada para a primeira câmara.
2/3 referida primeira câmara (22) através do referido primeiro duto (26) e referida segunda câmara (24) através do referido segundo duto (28) com um fluido à mesma pressão (P).
2. CILINDRO DE ATUAÇÃO (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo referido elemento adicional (30) compreender um cilindro.
3/3
- uma pluralidade de cilindros de atuação, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 4, cada haste de atuação (14) sendo conectada ao referido anel de vedação para movê-lo entre a referida posição de abertura e a referida posição de fechamento;
- ou um sistema, conforme definido na reivindicação 7, para controlar o movimento do referido anel de vedação (40).
3. CILINDRO DE ATUAÇÃO (10), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo referido cilindro ser oco.
4. CILINDRO DE ATUAÇÃO (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pela referida haste (30) estenderse acima do topo (21) do referido corpo (18) através de uma abertura estanque.
5. SISTEMA HIDRÁULICO para controlar o movimento de um anel de vedação (40) de uma máquina hidráulica, caracterizado por compreender um cilindro de atuação (10), conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 4, e um mesmo circuito hidráulico (50) para alimentar a
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6. SISTEMA para controlar o movimento de um anel de vedação (40), caracterizado por compreender uma pluralidade de cilindros de atuação (10a, 10b), cada um conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 4.
7. SISTEMA para controlar o movimento de um anel de vedação (40), caracterizado por compreender uma pluralidade de grupos de cilindros de atuação, cada grupo compreendendo pelo menos:
- um primeiro cilindro de atuação (10), conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 4;
- um segundo cilindro de atuação (10') compreendendo um corpo que forma uma primeira câmara (22') e uma segunda câmara (24') que são projetados para receber um fluido de atuação, sendo as referidas câmaras separadas uma da outra por um pistão (20') conectado a uma haste de atuação (14') e capaz de mover o referido corpo em uma primeira direção, na qual o volume da segunda câmara aumenta enquanto o volume da primeira câmara diminui e em uma segunda direção, na qual o volume da segunda câmara diminui enquanto o volume da primeira câmara aumenta;
- um membro de sincronização hidráulica que conecta a referida primeira câmara (22) do referido primeiro cilindro de atuação (10) e a referida segunda câmara (24') do referido segundo cilindro de atuação (10').
8. MÁQUINA HIDRÁULICA DO TIPO TURBINA, BOMBA OU BOMBA-TURBINA, caracterizada por compreender um corredor (52) e um anel de vedação (40) capaz de se mover entre uma posição de abertura e uma posição de fechamento de pelo menos um canal (58) que fornece referido corredor com água e:
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9. MÉTODO PARA OPERAR UM CILINDRO DE ATUAÇÃO (10), conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por um fluido com uma pressão predeterminada (P) ser alimentado à referida primeira câmara (22) através do referido primeiro duto (26) para mover o referido pistão na referida segunda direção (II) e o mesmo fluido com a mesma pressão predeterminada (P) é alimentado à referida segunda câmara (26) através do referido segundo duto (28) para mover o referido pistão na referida primeira direção (I).
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B06W Patent application suspended after preliminary examination (for patents with searches from other patent authorities) chapter 6.23 patent gazette]