BR102022023259B1

BR102022023259B1 - HYDROTURBINE WITH SHORT FLANGE DIFFUSER AND STRUCTURAL FINS

Info

Publication number: BR102022023259B1
Application number: BR102022023259-8A
Authority: BR
Inventors: Davi Cavalcante De Oliveira
Original assignee: D Cavalcante Cristina Engenharia E Energia Ltda
Priority date: 2022-11-16
Filing date: 2022-11-16
Publication date: 2024-01-30
Also published as: BR102022023259A2

Abstract

hidroturbina com difusor de alto desempenho. esta patente se aplica ao setor de energias renováveis ou de turbomáquinas para geração de energia elétrica e tem por objetivo a invenção de uma microturbina hidrocinética, denominada de hidroturbina com difusor de alto desempenho, composto de um eixo misto com rotor de pás otimizadas, acoplados a um difusor cônico com flange curto. detalhadamente, a invenção diz respeito ao design inovador da hidroturbina de pequeno porte, atribuindo uma melhoria aerodinâmica na geometria das pás e ao formato estrutural do difusor cônico flangeado com efeito combinado de um concentrador e um difusor. a principal característica desse conjunto é um alto desempenho para o sistema hidrocinético, podendo alcançar uma eficiência entre 60% e 80%. a diferença do estado da técnica deste sistema, está na composição dos eixos vertical e horizontal, perpendicularmente, combinados por uma caixa de transmissão 90º; nas pás otimizadas com perfis e torções, mecanicamente, favoráveis para melhorar o torque de partida e diminuir o índice de cavitação; e no uso de um difusor cônico em duas faces com comprimento alongado, estrutura inovadora e flange curto capaz de desacelerar o escoamento na saída do sistema, criando uma região de baixa pressão neste ponto, desta forma, aumentando a velocidade do escoamento na entrada pelo efeito combinado de um concentrador, e consequentemente o coeficiente de potência da máquina, resultando em uma alta eficiência do sistema hidrocinético, mesmo operando em cursos d'águas com baixa velocidade de correntezas.hydroturbine with high performance diffuser. This patent applies to the renewable energy sector or turbomachinery for generating electrical energy and aims to invent a hydrokinetic microturbine, called hydroturbine with high performance diffuser, composed of a mixed shaft with optimized blade rotor, coupled to a conical diffuser with a short flange. In detail, the invention concerns the innovative design of the small hydroturbine, attributing an aerodynamic improvement to the geometry of the blades and the structural shape of the flanged conical diffuser with the combined effect of a concentrator and a diffuser. The main characteristic of this set is high performance for the hydrokinetic system, reaching an efficiency between 60% and 80%. The difference between the state of the art of this system is the composition of the vertical and horizontal axes, perpendicularly, combined by a 90º transmission box; in optimized blades with mechanically favorable profiles and twists to improve starting torque and reduce the cavitation rate; and the use of a conical diffuser on two sides with an elongated length, innovative structure and short flange capable of slowing down the flow at the system exit, creating a region of low pressure at this point, thus increasing the flow speed at the entrance due to the effect combination of a concentrator, and consequently the power coefficient of the machine, resulting in a high efficiency of the hydrokinetic system, even operating in watercourses with low current speeds.

Description

Field of invention

[001] A presente patente de invenção diz respeito a uma hidroturbina de pequeno porte com difusor de flange curto e aletas estruturais. Mais especificamente, essa patente descreve uma configuração combinada na geometria mista dos eixos, que são interligados, perpendicularmente, na horizontal e vertical por um multiplicador angular de 90° para evitar a submersão em água do gerador elétrico; na geometria do rotor com variação hidrodinâmica nos perfis e torções para melhorar o torque de partida e diminuir o índice de cavitação em suas pontas, e na geometria do difusor cônico com flange curto, carenagem compacta e estrutura envoltória com aletas-guias estruturais que dá direcionamento ao escoamento. Esse conjunto gera uma desaceleração do escoamento na saída da hidroturbina criando uma região de baixa pressão neste ponto, aumentando a velocidade do escoamento na entrada e consequentemente o coeficiente de potência da máquina aumenta, resultando em um alto desempenho no sistema como um todo (Eficiência entre 60% e 80%). Deste modo, a hidroturbina é capaz de gerar energia elétrica a partir de cursos d’água com correntezas de baixa velocidade. Este tipo de sistema é conhecido como turbina hidrocinética com difusor que se aplica ao setor de energias renováveis ou turbomáquinas, voltadas para a área de hidrodinâmica.[001] The present invention patent concerns a small hydroturbine with a short flange diffuser and structural fins. More specifically, this patent describes a combined configuration in the mixed geometry of the axes, which are interconnected, perpendicularly, horizontally and vertically by a 90° angular multiplier to avoid submersion of the electrical generator in water; in the geometry of the rotor with hydrodynamic variation in profiles and twists to improve starting torque and reduce the rate of cavitation at its tips, and in the geometry of the conical diffuser with short flange, compact fairing and envelope structure with structural guide fins that provide direction to the flow. This combination generates a deceleration of the flow at the exit of the hydroturbine, creating a region of low pressure at this point, increasing the flow speed at the entrance and consequently the power coefficient of the machine increases, resulting in high performance in the system as a whole (Efficiency between 60% and 80%). In this way, the hydroturbine is capable of generating electrical energy from watercourses with low-speed currents. This type of system is known as hydrokinetic turbine with diffuser which is applied to the renewable energy sector or turbomachines, aimed at the area of hydrodynamics.

Fundamentals of the invention

[002] As turbinas hidrocinéticas são máquinas hidráulicas capazes de converter a energia cinética das correntes fluviais, de marés e marinhas com movimento de eixo por meio de um rotor, sem interromper o curso natural das águas.[002] Hydrokinetic turbines are hydraulic machines capable of converting the kinetic energy of river, tidal and marine currents with axis movement through a rotor, without interrupting the natural course of water.

[003] O uso das turbinas hidrocinéticas como geração de energia elétrica não é tão recente no mundo. No entanto, essa tecnologia conquistou notória evolução a partir do século XX, devido ao crescente uso de fontes de energias renováveis com baixo impacto ambiental no mundo. Atualmente, essas turbinas estão se tornando mais sofisticadas em decorrência dos avanços de pesquisas científicas para melhorar o desempenho hidrodinâmico do sistema. Existem vários tipos de turbinas hidrocinéticas, os quais apresentam diferentes configurações tecnológicas quanto ao seu porte, sua estrutura e sua geometria. As mais utilizadas no mercado ou em estudos experimentais, são as de rotores de eixo horizontal ou eixo vertical, com duas ou três pás, com ou sem o uso do difusor.[003] The use of hydrokinetic turbines to generate electrical energy is not so new in the world. However, this technology has achieved notable evolution since the 20th century, due to the increasing use of renewable energy sources with low environmental impact in the world. Currently, these turbines are becoming more sophisticated as a result of advances in scientific research to improve the hydrodynamic performance of the system. There are several types of hydrokinetic turbines, which present different technological configurations in terms of their size, structure and geometry. The most used on the market or in experimental studies are horizontal or vertical axis rotors, with two or three blades, with or without the use of a diffuser.

[004] Um interesse crescente tem sido dedicado às turbinas com difusor, visto que, os difusores são tecnologias que têm como principal objetivo aumentar a vazão mássica através do rotor de uma turbina, promovendo uma maior extração da energia cinética contida no escoamento, sendo interessante às localidades que apresentam baixas velocidades de correnteza de água.[004] A growing interest has been devoted to turbines with a diffuser, since diffusers are technologies whose main objective is to increase the mass flow through the rotor of a turbine, promoting a greater extraction of the kinetic energy contained in the flow, being interesting to locations with low water current speeds.

[005] As turbinas com difusor induzem uma queda de pressão a jusante do rotor para acelerar o escoamento na direção axial. Esse efeito aumenta a carga axial aerodinâmica ou hidrodinâmica no eixo do rotor, consequentemente, aumentando o torque dissipativo (aumento das perdas) de um trem de potência, que resulta em um grande problema na partida da turbina. Mesmo assim, pode-se alcançar uma velocidade de rotação 20% maior do que a da turbina sem difusor, gerando cerca de 40% a mais de energia líquida (VAZ et al., 2019).[005] Diffuser turbines induce a pressure drop downstream of the rotor to accelerate the flow in the axial direction. This effect increases the aerodynamic or hydrodynamic axial load on the rotor shaft, consequently increasing the dissipative torque (increased losses) of a power train, which results in a major problem when starting the turbine. Even so, a rotation speed 20% higher than that of the turbine without a diffuser can be achieved, generating around 40% more net energy (VAZ et al., 2019).

[006] A resistência da partida de um trem de potência de uma turbina pode aumentar significativamente a velocidade mínima de escoamento necessária para iniciar o movimento do rotor. Desse modo, a tecnologia do difusor pode reduzir essa velocidade de partida, permitindo que a turbina extraia mais energia do escoamento, aumentando a eficiência do sistema, o que não ocorre com as turbinas sem difusor (VAZ et al., 2019).[006] The starting resistance of a turbine power train can significantly increase the minimum flow velocity required to initiate rotor movement. In this way, diffuser technology can reduce this starting speed, allowing the turbine to extract more energy from the flow, increasing the system's efficiency, which does not occur with turbines without a diffuser (VAZ et al., 2019).

[007] As turbinas com difusor são capazes de ultrapassar o limite de Betz (esse limite mostra que a máxima energia cinética que pode ser extraída do escoamento por uma turbina de fluxo livre é de 59,3%, no caso, corresponde a eficiência máxima de uma turbina), se o coeficiente de potência for baseado no diâmetro do rotor devido ao efeito Venturi, que acelera a velocidade através do rotor (VAZ & WOOD, 2016). No entanto, em turbinas hidrocinéticas, esse aumento de velocidade também pode promover o efeito de cavitação nas pás, pois a cavitação causa a diminuição da eficiência hidrodinâmica devido a alteração da relação entre os coeficientes de sustentação e arrasto, com consequente desbalanceamento do rotor, levando-o possivelmente à falha por fadiga (SAINE APUD KJOLLE, 2010; DO RIO VAZ et al., 2018).[007] Turbines with a diffuser are capable of exceeding the Betz limit (this limit shows that the maximum kinetic energy that can be extracted from the flow by a free-flow turbine is 59.3%, in this case, it corresponds to maximum efficiency of a turbine), if the power coefficient is based on the diameter of the rotor due to the Venturi effect, which accelerates the speed through the rotor (VAZ & WOOD, 2016). However, in hydrokinetic turbines, this increase in speed can also promote the cavitation effect on the blades, as cavitation causes a decrease in hydrodynamic efficiency due to changes in the relationship between the lift and drag coefficients, with consequent unbalance of the rotor, leading to -possibly due to fatigue failure (SAINE APUD KJOLLE, 2010; DO RIO VAZ et al., 2018).

[008] Estudos recentes mostram métodos de otimização para projetos de turbinas hidrocinéticas baseados na teoria da quantidade de movimento angular do elemento de pá (método BEMT) levando em consideração o efeito de cavitação (SILVA, 2014; SILVA et al., 2017 & DO RIO VAZ et al., 2018). Neste caso, turbinas hidrocinéticas com alterações hidrodinâmicas na geometria do rotor e na estrutura do difusor podem resultar na ausência desse efeito, e consequentemente, aumentar o desempenho desse tipo de turbina em até 30% atingindo eficiência entre 60 e 80%.[008] Recent studies show optimization methods for hydrokinetic turbine designs based on the theory of the angular momentum of the blade element (BEMT method) taking into account the cavitation effect (SILVA, 2014; SILVA et al., 2017 & DO RIO VAZ et al., 2018). In this case, hydrokinetic turbines with hydrodynamic changes in the rotor geometry and diffuser structure can result in the absence of this effect, and consequently, increase the performance of this type of turbine by up to 30%, reaching efficiency between 60 and 80%.

[009] O uso de flanges anulares na saída do difusor tem sido estudado em todo mundo com objetivo de melhorar a eficiência das turbinas de eixo horizontal. Análises sobre o desempenho da turbina aumentada por difusor destacaram a importância de alcançar baixa pressão na saída do difusor (DE VRIES, 1979; HANSEN ET AL., 2000, VAZ & WOOD, 2016). Neste contexto, o flange gera uma região de escoamento separado com pressão reduzida nas proximidades da saída, concentrando mais escoamento de massa pelo sistema.[009] The use of annular flanges at the diffuser outlet has been studied worldwide with the aim of improving the efficiency of horizontal axis turbines. Analyzes on the performance of the diffuser-augmented turbine highlighted the importance of achieving low pressure at the diffuser outlet (DE VRIES, 1979; HANSEN ET AL., 2000, VAZ & WOOD, 2016). In this context, the flange generates a region of separate flow with reduced pressure near the outlet, concentrating more mass flow through the system.

[0010] Abe & Ohya (2004) combinaram uma investigação numérica e experimental de turbinas eólicas com difusor flangeado. Eles sugeriram que o coeficiente de carga para o melhor desempenho desse tipo de estrutura é consideravelmente menor do que para uma turbina eólica sem difusor. Além disso, era necessário evitar a separação da camada limite e manter uma alta recuperação de pressão.[0010] Abe & Ohya (2004) combined a numerical and experimental investigation of wind turbines with a flanged diffuser. They suggested that the load coefficient for best performance of this type of structure is considerably lower than for a wind turbine without a diffuser. Furthermore, it was necessary to avoid boundary layer separation and maintain high pressure recovery.

[0011] Wang et al. (2015) mediram, também, a influência de um difusor flangeado em uma turbina eólica. Seus resultados experimentais revelaram que a velocidade de rotação e a deformação dinâmica da pá são muito maiores do que aquelas sem um difusor flangeado. Entretanto, o estudo de Limacher et al. (2020) mostra que grandes flanges na saída levam a um desempenho abaixo do ideal quando se considera o coeficiente de potência definido pela área frontal máxima do sistema combinado difusor-rotor. Portanto, diminuir a altura do flange seria uma solução para maximizar o desempenho das turbinas, levando em consideração ao aumento da sustentação em aerofólios.[0011] Wang et al. (2015) also measured the influence of a flanged diffuser on a wind turbine. Their experimental results revealed that the rotation speed and dynamic deformation of the blade are much higher than those without a flanged diffuser. However, the study by Limacher et al. (2020) shows that large flanges at the outlet lead to suboptimal performance when considering the power coefficient defined by the maximum frontal area of the combined diffuser-rotor system. Therefore, reducing the flange height would be a solution to maximize turbine performance, taking into account the increase in lift on airfoils.

[0012] Limacher et al. (2020) realizou uma investigação sobre o desempenho de turbinas aumentadas por difusor flangeado, com foco na correlação entre as forças aerodinâmicas que atuam no difusor e a potência extraída do escoamento. Neste estudo, é confirmada que a maximização da sustentação seccional é um fator importante para o desempenho aerodinâmico ou hidrodinâmico do projeto de difusores flangeados, que é bem aceito para difusores que empregam uma seção transversal de aerofólio. Ademais, verificou-se que difusores com flanges pequenos, muito menores do que os tipicamente estudados nas literaturas, apresentam melhor desempenho do que sistemas com flanges grandes quando se considera o coeficiente de potência normalizado pela área frontal máxima do sistema.[0012] Limacher et al. (2020) carried out an investigation into the performance of turbines augmented by a flanged diffuser, focusing on the correlation between the aerodynamic forces acting on the diffuser and the power extracted from the flow. In this study, it is confirmed that maximizing sectional lift is an important factor for the aerodynamic or hydrodynamic performance of flanged diffuser design, which is well accepted for diffusers that employ an airfoil cross section. Furthermore, it was found that diffusers with small flanges, much smaller than those typically studied in the literature, present better performance than systems with large flanges when considering the power coefficient normalized by the maximum frontal area of the system.

[0013] A geometria do difusor e características de seu domínio são fatores essenciais para projetar uma turbina de alto desempenho com baixo índice de cavitação. Os projetos de turbinas com difusores existentes no mundo, geralmente, são constituídos com formatos cilíndricos em seções retas e construção simples que geralmente são compostos por materiais tubulares sem recursos sofisticados de fabricação. A presente patente traz uma inovação tecnológica no projeto de turbina hidrocinética que inclui um difusor com flange curto com uma entrada cônica convergente curta, uma seção cilíndrica na qual o rotor seria montado, uma seção cônica divergente e um flange curto todo envolvido simetricamente por uma estrutura ao longo de sua extremidade (aletas-guias estruturais) para dar direcionamento ao escoamento. A ideia é constituída por um rotor composto por uma quantidade de pás torcidas, configurado entre 3 e 6 pás e eixo combinado perpendicularmente na horizontal e vertical interligado a uma caixa multiplicadora angular de 90°, considerando o uso do difusor com flange curto e aletas estruturais. Desta forma, resultando em um conjunto hidrocinético capaz de evitar o efeito de cavitação e tornar o sistema mais eficiente em baixa velocidade de correnteza dos cursos d’água.[0013] The geometry of the diffuser and characteristics of its domain are essential factors for designing a high-performance turbine with a low cavitation rate. Turbine designs with diffusers existing in the world generally consist of cylindrical shapes in straight sections and simple construction that are generally composed of tubular materials without sophisticated manufacturing resources. The present patent brings a technological innovation in the design of a hydrokinetic turbine that includes a diffuser with a short flange with a short converging conical inlet, a cylindrical section on which the rotor would be mounted, a diverging conical section and a short flange all symmetrically surrounded by a structure along its end (structural guide fins) to direct the flow. The idea consists of a rotor composed of a number of twisted blades, configured between 3 and 6 blades and a combined axis perpendicularly horizontally and vertically connected to a 90° angular multiplier box, considering the use of a diffuser with a short flange and structural fins. . In this way, resulting in a hydrokinetic assembly capable of avoiding the cavitation effect and making the system more efficient at low current speeds in water courses.

[0014] O rotor de uma turbina, geralmente, é dimensionado a partir de métodos ou modelos antigos de projetos, escolhendo perfis ao longo do comprimento da pá, assim, não conseguem atingir um bom desempenho (acima de 50%). As turbinas mais vistas no mercado nacional e internacional são as de rotor de 2 ou 3 pás com geometrias comuns, que conseguem funcionar somente em cursos d’água com correntezas de alta velocidade (a partir de 2 m/s) ou em quedas d’água. A diferença do estado da técnica desta patente é a composição de um rotor com uma quantidade mínima de 4 pás torcidas ao longo de seus perfis, favoráveis a operar em baixas velocidades de correntezas de cursos d’água (velocidade de partida de 0,2m/s e velocidade nominal de 1 m/s). Essa geometria das pás foi dimensionada por meio de técnicas modernas de projeto de otimização de pás a partir do método BEMT, quando estas estão sob efeito do difusor (DO RIO VAZ et al., 2018 & LIMACHER et al. 2020), oferecendo maior torque, principalmente na partida da máquina, e alta eficiência de 80%, desta forma, conseguindo operar em baixa rotação e livre do efeito de cavitação.[0014] A turbine rotor is generally sized based on old design methods or models, choosing profiles along the length of the blade, thus failing to achieve good performance (above 50%). The most seen turbines on the national and international market are those with 2 or 3 blade rotors with common geometries, which can only operate in watercourses with high speed currents (from 2 m/s) or in waterfalls. water. The difference from the state of the art of this patent is the composition of a rotor with a minimum number of 4 blades twisted along its profiles, favorable for operating at low speeds of watercourse currents (starting speed of 0.2m/ s and nominal speed of 1 m/s). This blade geometry was sized using modern blade optimization design techniques based on the BEMT method, when they are under the effect of the diffuser (DO RIO VAZ et al., 2018 & LIMACHER et al. 2020), offering greater torque , mainly when starting the machine, and high efficiency of 80%, thus managing to operate at low speed and free from the cavitation effect.

[0015] As turbinas hidrocinéticas existentes possuem rotor de eixo horizontal (as mais comuns) ou de eixo vertical. Neste caso, o trem de potência desse tipo de configuração é integrado a um gerador elétrico que necessita de um núcleo hermeticamente fechado para evitar o contato desse gerador com água, devido ao sistema se encontrar imerso completamente no curso d’água. A patente de invenção foi configurada por eixos combinados perpendicularmente por uma caixa multiplicadora angular de 90°, assim, reduzindo o custo de fabricação e manutenção do sistema e tornando mais simples e fácil a sua operação.[0015] Existing hydrokinetic turbines have a horizontal axis rotor (the most common) or a vertical axis. In this case, the power train of this type of configuration is integrated with an electrical generator that requires a hermetically sealed core to prevent this generator from coming into contact with water, due to the system being completely immersed in the watercourse. The invention patent was configured by axes combined perpendicularly by a 90° angular multiplier box, thus reducing the cost of manufacturing and maintaining the system and making its operation simpler and easier.

[0016] O site da Hydroreview (2022) mostra uma turbina hidrocinética de maré da Verdant Power com potência nominal de 35kW constituída por um rotor de 3 pás de eixo horizontal com diâmetro de 5m e sem difusor que foi testada durante 39 dias em Nova York no local da Roosevelt Island Tidal Energy (RITE) e funcionaram com mais de 99% de disponibilidade e geraram 187kW a 2,5m/s de velocidade máxima de maré de inundação, de acordo com uma avaliação independente de desempenho de energia realizado pelo Centro Europeu de Energia Marinha. A eficiência geral atingiu mais de 46%. Isso revela que esse tipo de turbina quando opera em marés de baixas velocidades não conseguem ultrapassar do limite de Betz (eficiência de 59,3%).[0016] The Hydroreview website (2022) shows a hydrokinetic tidal turbine from Verdant Power with a nominal power of 35kW consisting of a 3-blade rotor with a horizontal axis with a diameter of 5m and without a diffuser that was tested for 39 days in New York at the Roosevelt Island Tidal Energy (RITE) site and operated at over 99% availability and generated 187kW at 2.5m/s maximum flood tide speed, according to an independent energy performance assessment carried out by the European Center of Marine Energy. The overall efficiency reached more than 46%. This reveals that this type of turbine, when operating at low-speed tides, cannot exceed the Betz limit (efficiency of 59.3%).

[0017] O documento FR2973842 que trata de uma turbina hidrocinética para conversão de energia de água do mar, por exemplo, energia mecânica que é convertida em energia elétrica por um alternador, possui unidade de controle para controlar a entrada de água na câmara de flutuação e a saída de ar da câmara. Esse documento descreve uma turbina que possui uma pá posicionada dentro de um canal de circulação para coletar energia da água do mar ou hidrovia. Uma base ancora uma parte angular no fundo do mar ou no fundo do leito da hidrovia. Uma unidade flutuante possui uma concha oca hidrodinâmica ou em forma de catamarã cujas paredes internas definem uma câmara de flutuação dentro da concha. O sistema possui uma entrada para permitir a injeção do curso d’água e uma saída de ar no interior da câmara, monitorada por unidade de controle. Uma reivindicação independente também está incluída para um método de instalação de uma turbina hidrocinética no fundo do mar. A empresa Guinard Energies Nouvelles possui alguns modelos dessas turbinas hidrocinéticas de maré para ambiente fluvial e marinho. O modelo P66 com rotor de eixo horizontal de 2 pás integrado a um gerador elétrico e a um suporte de fixação na vertical e fixado na entrada de um difusor com geometria cônica sem flange com redução concêntrica em sua entrada. Essa turbina apresenta uma potência de 3,5kW com velocidade de partida de 1,2m/s e opera a uma velocidade nominal de 3m/s do curso d’água de 1,5 a 3m de profundidade. O modelo P154 possui a mesma configuração, diferenciando em potência nominal de 20kW a uma velocidade de 3m/s, partindo a 1m/s e sua dimensão atinge 3 metros, não operando com boa eficiência em pequenos cursos d’água com velocidades de correntezas abaixo de sua velocidade nominal. Nesses dois modelos, a geometria das turbinas apresentadas é favorável ao efeito da cavitação, consequentemente, prejudicando seus rendimentos.[0017] Document FR2973842 which deals with a hydrokinetic turbine for converting seawater energy, for example, mechanical energy that is converted into electrical energy by an alternator, has a control unit to control the entry of water into the buoyancy chamber and the air outlet from the chamber. This document describes a turbine that has a blade positioned within a circulation channel to collect energy from seawater or waterway. A base anchors an angled part to the seabed or bottom of the waterway bed. A floating unit has a hydrodynamic or catamaran-shaped hollow shell whose inner walls define a buoyancy chamber within the shell. The system has an inlet to allow injection of the watercourse and an air outlet inside the chamber, monitored by a control unit. An independent claim is also included for a method of installing a hydrokinetic turbine on the seabed. The company Guinard Energies Nouvelles has some models of these tidal hydrokinetic turbines for river and marine environments. The P66 model with a 2-blade horizontal axis rotor integrated with an electric generator and a vertical fixing support and fixed at the inlet of a diffuser with conical geometry without flange with concentric reduction at its inlet. This turbine has a power of 3.5kW with a starting speed of 1.2m/s and operates at a nominal speed of 3m/s in the water course 1.5 to 3m deep. The P154 model has the same configuration, differing in nominal power of 20kW at a speed of 3m/s, starting at 1m/s and its size reaches 3 meters, not operating with good efficiency in small watercourses with current speeds below its rated speed. In these two models, the geometry of the turbines presented is favorable to the effect of cavitation, consequently damaging their performance.

[0018] A empresa canadense Idenergie projetou uma turbina hidrocinética de eixo vertical do tipo Darrieus de pás retas (Giromil) com aerofólios simétricos integrado a um gerador elétrico capaz de gerar 12kW de energia por dia. Esse tipo de turbinas se baseia nas forças aerodinâmicas de sustentação para geração de movimento, que possui um alto torque, baixa rotação e alta velocidade de partida e velocidade nominal, o que não permite operar em cursos d’água com baixa velocidade de correnteza. Além disso, o tamanho de suas pás é, geralmente, duas vezes mais longo que as pás de turbinas de eixo horizontal e a velocidade linear das pontas das pás é mais rápida que a velocidade do escoamento do curso d’água, podendo ocasionar o efeito de cavitação no sistema. Ainda, a fabricação das pás em alumínio apresenta problemas causados por fadiga para esse tipo de turbina.[0018] The Canadian company Idenergie designed a vertical axis hydrokinetic turbine of the Darrieus type with straight blades (Giromil) with symmetrical airfoils integrated with an electrical generator capable of generating 12kW of energy per day. This type of turbine is based on aerodynamic support forces to generate movement, which has a high torque, low rotation and high starting speed and nominal speed, which does not allow it to operate in watercourses with low current speed. Furthermore, the size of their blades is generally twice as long as the blades of horizontal axis turbines and the linear speed of the blade tips is faster than the flow velocity of the watercourse, which can cause the effect of cavitation in the system. Furthermore, the manufacture of aluminum blades presents problems caused by fatigue for this type of turbine.

[0019] A Rotech Tidal Turbine da Lunar Energy Ltd é uma turbina hidrocinética com rotor de eixo horizontal de 5 pás com 11,2m de diâmetro integrada ao longo de um difusor em forma de venturi simétrico com 15m de diâmetro e 19.2m de comprimento, e ela acelera a velocidade da água através do duto bidirecional. Essa turbina integra um trem de potência, uma bomba hidráulica no hub, dois motores hidráulicos e um gerador elétrico. A relação de transmissão variável fornecida pelo sistema hidráulico permite que a turbina funcione em velocidade variável enquanto o gerador funciona a 1500rpm constantes. Essa turbina foi projetada para ser montada no fundo do mar, operar em correntezas de alta velocidade e requer alta velocidade de partida e operação.[0019] Lunar Energy Ltd's Rotech Tidal Turbine is a hydrokinetic turbine with a 5-blade horizontal axis rotor measuring 11.2m in diameter integrated along a symmetrical venturi-shaped diffuser measuring 15m in diameter and 19.2m in length, and it accelerates the speed of the water through the bidirectional pipeline. This turbine integrates a power train, a hydraulic pump in the hub, two hydraulic motors and an electric generator. The variable gear ratio provided by the hydraulic system allows the turbine to run at variable speed while the generator runs at a constant 1500rpm. This turbine was designed to be mounted on the seabed, operate in high-speed currents and requires high starting and operating speeds.

[0020] A Turbina de Centro Aberto da Open Hydro concentra-se em poucas partes móveis (pás), exceto o seu próprio rotor que gira com baixa rotação, assim não conseguindo operar em cursos d’água com baixa velocidade de correntezas. Essa turbina de eixo horizontal é integrada por um duto curto e bordas cônicas na entrada e saída e foi projetada para abrigar as peças do gerador. A abertura central produz um jato e, portanto, uma região de baixa pressão, proporcionando um efeito de sucção para acelerar o escoamento através da turbina, aumentando a tomada de força. Os modelos já testados são de grande porte e possuem 10 e 16 metros de diâmetros e potência de 1MW e 2,2MW, respectivamente.[0020] Open Hydro's Open Center Turbine is concentrated in few moving parts (blades), except its own rotor, which rotates at low speed, thus not being able to operate in watercourses with low current speeds. This horizontal axis turbine is integrated by a short duct and conical edges at the inlet and outlet and was designed to house the generator parts. The central opening produces a jet and therefore a region of low pressure, providing a suction effect to accelerate flow through the turbine, increasing power take-off. The models already tested are large and have 10 and 16 meters in diameter and power of 1MW and 2.2MW, respectively.

[0021] A turbina de maré da Clean Current Power Systems Inc. tornou-se a primeira turbina de eixo horizontal de maré bidirecional canalizada por difusor, com geometria tubular e entrada e saída com formato cônico simétrico a ser implantada, medindo 5m de diâmetro e potência nominal de 65kW. O cubo é em forma de anel, proporcionando uma pequena abertura central e operava em alta velocidade e correnteza, entretanto, a Clean Current abandonou seu projeto de dutos bidirecionais em 2012.[0021] Clean Current Power Systems Inc.'s tidal turbine became the first diffuser-channeled bidirectional tidal horizontal axis turbine, with tubular geometry and symmetrical conical shaped inlet and outlet to be deployed, measuring 5m in diameter and nominal power of 65kW. The hub is ring-shaped, providing a small central opening and operated at high speed and current, however, Clean Current abandoned its bidirectional pipeline project in 2012.

[0022] O projeto da Turbina Solon da Atlantis Resources Corporation Pte Ltd integrada a um difusor é muito semelhante ao proposto pela Clean Current, porém, não possui abertura no centro. Em 2008, a Atlantis testou a versão de 500kW da turbina Solon, a AS-500, por meio de testes de reboque offshore em Cingapura. Avaliado a 2,4m/s, produziu até 500kW de potência para um diâmetro de rotor cerca de 5m e um diâmetro total do dispositivo aproximadamente de 7m. Depois de completar os testes de reboque, a turbina foi anunciada comercialmente em três potências diferentes, 100kW, 500kW e 1MW, que se classificam em médio e grande porte e opera em rios com alta velocidade e, assim, não conseguindo ser aplicada a pequenos cursos d’água.[0022] The design of the Atlantis Resources Corporation Pte Ltd Solon Turbine integrated with a diffuser is very similar to that proposed by Clean Current, however, it does not have an opening in the center. In 2008, Atlantis tested the 500kW version of the Solon turbine, the AS-500, through offshore towing trials in Singapore. Rated at 2.4m/s, it produced up to 500kW of power for a rotor diameter of around 5m and a total device diameter of approximately 7m. After completing the towing tests, the turbine was commercially announced in three different powers, 100kW, 500kW and 1MW, which are classified as medium and large and operates in rivers with high speed and, therefore, cannot be applied to small courses. of water.

[0023] As turbinas BluStream da Guinard Energies, G-TT da Green-Tide Turbines Ltd e Underwater Electric Kite da UEK Corporation são integradas a um rotor de eixo horizontal de 3 pás e a um difusor com geometria cônica sem flange com redução concêntrica em suas entradas. Todas são projetadas com mecanismos passivos de guinada para alinhar o rotor com o fluxo das marés, lembrando que para aplicações de correntes fluviais ou oceânicas os mesmos dispositivos podem ser instalados sem mecanismo de guinada. Essas turbinas operam em alta velocidade nominal e possuem alta partida acima de 2m/s.[0023] The BluStream turbines from Guinard Energies, G-TT from Green-Tide Turbines Ltd and Underwater Electric Kite from UEK Corporation are integrated with a 3-blade horizontal axis rotor and a flangeless conical geometry diffuser with concentric reduction in your entries. All are designed with passive yaw mechanisms to align the rotor with the tidal flow, remembering that for river or ocean current applications the same devices can be installed without a yaw mechanism. These turbines operate at high rated speed and have high starting speeds above 2m/s.

[0024] A Smart Hydro Power, de fabricação alemã é constituída por um rotor de eixo horizontal de 1m de diâmetro com 3 pás ligeiramente curvadas e integrada a um gerador subaquático de 5kW; um difusor com geometria cilíndrica combinado em 3 fases - um cilindro menor, um médio e um maior- com formato de cascata; proteção contra detritos e um flutuador de mergulho, sendo que essa geometria pode provocar o efeito da cavitação. Esta turbina tem baixa rotação entre 90 e 230rpm e velocidade de partida de 1m/s, funcionando continuamente e produzindo uma potência máxima de 2kW a uma velocidade de correnteza de 2,1 m/s, assim, essa turbina não consegue operar com um bom desempenho em cursos d’água abaixo dessa velocidade. Ainda, possui requisitos mínimos de 2m de profundidade e a largura de um rio.[0024] Smart Hydro Power, made in Germany, consists of a 1m diameter horizontal axis rotor with 3 slightly curved blades and integrated with a 5kW underwater generator; a diffuser with cylindrical geometry combined in 3 phases - a smaller cylinder, a medium one and a larger one - with a waterfall format; protection against debris and a diving float, as this geometry can cause the effect of cavitation. This turbine has a low rotation between 90 and 230 rpm and a starting speed of 1 m/s, operating continuously and producing a maximum power of 2 kW at a current speed of 2.1 m/s, thus, this turbine cannot operate with a good performance in watercourses below this speed. Furthermore, it has minimum requirements of 2m in depth and the width of a river.

[0025] A turbina hidrocinética japonesa Cappa Ibasei com um rotor de eixo horizontal de 0,7m de diâmetro de 3 pás com perfis curvos ao longo da pá e é integrada a um difusor cônico sem flange com redução concêntrica. Ela produz até 250W de potência elétrica em um fluxo d'água com velocidade média de 2m/s, não conseguindo operar com bom desempenho em cursos d’água abaixo dessa velocidade. Além disso, a geometria geral desta turbina causa o efeito de cavitação.[0025] The Japanese Cappa Ibasei hydrokinetic turbine with a 0.7m diameter 3-blade horizontal axis rotor with curved profiles along the blade and is integrated with a flangeless conical diffuser with concentric reduction. It produces up to 250W of electrical power in a water flow with an average speed of 2m/s, and cannot operate with good performance in watercourses below this speed. Furthermore, the overall geometry of this turbine causes the cavitation effect.

[0026] A turbina hidrocinética Geração 1 da Universidade de Brasília - UnB foi uma primeira unidade operacional construída com um rotor axial de eixo horizontal de 2 pás com uma grade cônica de proteção frontal contra eventuais destroços flutuantes, um estator com pás diretrizes direcionando o fluxo da água que entra na turbina para melhorar o ângulo de ataque na pá otimizada. Em testes realizados em campo, os melhores resultados para esta turbina foram obtidos com uma velocidade de escoamento de 2m/s e seis pás, 80cm de diâmetro e coeficiente de solidez de 30%. Nestas condições a máquina gera 1,5kW.[0026] The Generation 1 hydrokinetic turbine at the University of Brasília - UnB was a first operational unit built with a 2-blade horizontal axis axial rotor with a conical frontal protection grid against eventual floating debris, a stator with guide blades directing the flow of water entering the turbine to improve the angle of attack on the optimized blade. In field tests, the best results for this turbine were obtained with a flow speed of 2m/s and six blades, 80cm in diameter and a solidity coefficient of 30%. Under these conditions the machine generates 1.5kW.

[0027] A turbina hidrocinética Geração 2 da UnB possui um rotor de eixo horizontal de 2 pás integrado a um difusor cônico sem flange e grade cônica de proteção frontal. Devido ao uso deste difusor, a profundidade fluvial precisa ser de pelo menos 2m. Nesta turbina, a velocidade da correnteza precisa ter, no mínimo, 1,5m/s. Sua estrutura é composta por um braço girante e pivotante com um contrapeso na extremidade, permitindo assim levantar a turbina do rio e girar seu corpo para a margem. O braço é apoiado numa base de sustentação formado por um tripé metálico fixado por pedras e concreto na margem do rio. Um cabo de aço é fixado na extremidade da turbina para ancorar a turbina no leito do rio, alinhada com o fluxo da água. Entretanto, essa geometria pode provocar o efeito de cavitação.[0027] UnB's Generation 2 hydrokinetic turbine has a 2-blade horizontal axis rotor integrated with a flangeless conical diffuser and conical frontal protection grille. Due to the use of this diffuser, the river depth needs to be at least 2m. In this turbine, the current speed must be at least 1.5 m/s. Its structure is made up of a rotating and pivoting arm with a counterweight at the end, thus allowing the turbine to be lifted from the river and its body rotated towards the bank. The arm is supported on a support base formed by a metal tripod fixed by stones and concrete on the river bank. A steel cable is attached to the end of the turbine to anchor the turbine to the riverbed, in line with the water flow. However, this geometry can cause the cavitation effect.

[0028] A turbina hidrocinética Geração 3 da UnB com rotor de 4 pás alongadas e um estator de entrada. A superfície interna da carcaça perfilada age como um difusor e faz com que o escoamento externo da turbina passe pelo vão entre a carcaça e o difusor, levando a um controle da camada limite na superfície interna deste difusor. O gerador elétrico foi integrado ao núcleo, formando um conjunto com o rotor. Estas são algumas importantes inovações nesta nova geração sem flange e sem estrutura de fixação externa. Uma outra característica importante é a superfície interna da carcaça perfilada, agindo como um difusor, reduzindo a pressão na saída da mesma. Por fim, o uso de um difusor partido faz com que o escoamento externo da turbina passe pelo vão entre a carcaça e o difusor eleva a um controle da camada limite na superfície interna do difusor. Entretanto, a razão de velocidade correspondente ao pico de coeficiente de potência está entre o intervalo de 3,0 a 3,5m/s, sendo que alcança uma eficiência máxima a uma velocidade de 2,7m/s (SOUZA et al., 2006).[0028] The UnB Generation 3 hydrokinetic turbine with a rotor with 4 elongated blades and an input stator. The inner surface of the profiled casing acts as a diffuser and causes the turbine's external flow to pass through the gap between the casing and the diffuser, leading to control of the boundary layer on the inner surface of this diffuser. The electrical generator was integrated into the core, forming a set with the rotor. These are some important innovations in this new generation without flanges and without external fixing structure. Another important feature is the internal surface of the profiled casing, acting as a diffuser, reducing the pressure at the outlet. Finally, the use of a split diffuser causes the external flow of the turbine to pass through the gap between the casing and the diffuser and creates a boundary layer control on the internal surface of the diffuser. However, the speed ratio corresponding to the peak power coefficient is between the range of 3.0 to 3.5 m/s, reaching maximum efficiency at a speed of 2.7 m/s (SOUZA et al., 2006 ).

[0029] O documento CA3133502 (WO 2020181389) descreve uma carenagem de múltiplos estágios, que permite aumentar e maximizar o fluxo de massa de água e a queda de pressão na seção transversal do corredor de uma turbina hidrocinética de modo a maximizar a potência produzida, respeitando as restrições dimensionais fornecidas por um corpo de água raso, um rio por exemplo, em que a turbina hidrocinética pode ser submersa. Essa carenagem pode ser configurada de modo a permitir que a água flua através da turbina hidrocinética em um fluxo de massa de água substancialmente estável, eliminando a instabilidade, evitando vórtices, minimizando a cavitação e evitando a separação de fluido a níveis desprezíveis, e pode incluir uma entrada, uma saída e vários estágios que podem se estender entre a entrada e a saída, de modo que a água possa fluir através dela na direção do fluxo de água.[0029] Document CA3133502 (WO 2020181389) describes a multi-stage fairing, which allows to increase and maximize the mass flow of water and the pressure drop in the cross-section of the corridor of a hydrokinetic turbine in order to maximize the power produced, respecting the dimensional restrictions provided by a shallow body of water, a river for example, in which the hydrokinetic turbine can be submerged. Such a fairing may be configured to allow water to flow through the hydrokinetic turbine in a substantially stable mass flow of water, eliminating instability, preventing vortices, minimizing cavitation, and preventing fluid separation to negligible levels, and may include an inlet, an outlet, and multiple stages that can extend between the inlet and outlet so that water can flow through it in the direction of water flow.

[0030] O documento BR112017017356 (US 2022074380) relata a patente de turbina hidroelétrica ou hidrocinética e métodos para sua fabricação e uso, especificamente, refere-se a turbinas hidrocinéticas unidirecionais com um sistema de aceleração de fluxo melhorado que usa formas de aerobarco assimétrico em alguns ou todos os componentes principais da turbina. Os componentes que podem estar na forma de aerobarco incluem 4 pás do rotor, o cubo central, o protetor de pás, o protetor do acelerador, o(s) difusor(es) anular(es), o defletor de vida selvagem e de resíduos e o leme da cauda. O método de fabricação projeta vários componentes para cooperar na otimização da extração de energia, enquanto outros componentes reduzem ou eliminam a turbulência que pode afetar negativamente outros componentes.[0030] Document BR112017017356 (US 2022074380) reports the patent for a hydroelectric or hydrokinetic turbine and methods for its manufacture and use, specifically, it refers to unidirectional hydrokinetic turbines with an improved flow acceleration system that uses asymmetrical hydrofoil shapes in some or all of the main components of the turbine. Components that may be in hovercraft form include 4 rotor blades, center hub, blade guard, throttle guard, annular diffuser(s), wildlife and debris deflector and the tail rudder. The manufacturing method designs multiple components to cooperate in optimizing energy extraction, while other components reduce or eliminate turbulence that can negatively affect other components.

[0031] O documento WO2019032933 descreve um sistema de energia hidrocinética para a produção de eletricidade representada por uma turbina hidrocinética composta por um corpo tubular e uma turbina interna que reside dentro de um tubo central da turbina. O corpo tubular tem forma de hélice (design trapezoidal) e gira lentamente em um corpo de água em resposta às correntes de água. Esse corpo inclui dois ou mais tanques de fluido de trabalho interno que é isolado fluidamente do corpo de água. A rotação lenta da roda da turbina produz um fluxo gravitacional de fluido de trabalho interno através dos tanques dentro da turbina. O fluxo gravitacional de fluido gira a turbina interna em alta velocidade para gerar energia elétrica.[0031] Document WO2019032933 describes a hydrokinetic energy system for producing electricity represented by a hydrokinetic turbine composed of a tubular body and an internal turbine that resides within a central tube of the turbine. The tubular body is shaped like a propeller (trapezoidal design) and slowly rotates in a body of water in response to water currents. This body includes two or more tanks of internal working fluid that is fluidly isolated from the body of water. The slow rotation of the turbine wheel produces a gravitational flow of internal working fluid through the tanks within the turbine. The gravitational flow of fluid rotates the internal turbine at high speed to generate electrical energy.

[0032] O documento US10634114 descreve uma turbina hidrocinética de múltiplas aletas, que tem montagens de pás superior e inferior; um eixo principal acoplando os suportes de pás para formar um conjunto montado para rotação em torno de um eixo central; um conjunto de pás, cada uma pá montada entre esses suportes de pás superior e inferior para rotação alternada em torno de seu respectivo eixo longitudinal; um mecanismo de controle de ângulo de pás, configurado para controlar o ângulo das pás em relação à direção da corrente, de modo a fornecer um ângulo de ataque, em relação à direção da corrente, que é ajustado ciclicamente ao longo do curso de rotação do eixo. Uma determinada pá é orientada transversalmente à direção da corrente quando a orientação do conjunto faz com que a pá esteja em um modo de condução e paralela à direção da corrente quando a orientação do conjunto faz com que a palheta esteja em um modo acionado.[0032] Document US10634114 describes a multi-fin hydrokinetic turbine, which has upper and lower blade assemblies; a main shaft coupling the blade supports to form a mounted assembly for rotation about a central axis; a set of blades, each blade mounted between said upper and lower blade supports for reciprocating rotation about its respective longitudinal axis; a blade angle control mechanism configured to control the angle of the blades with respect to the direction of the current so as to provide an angle of attack, with respect to the direction of the current, that is adjusted cyclically along the rotational stroke of the axle. A given blade is oriented transverse to the current direction when the assembly orientation causes the blade to be in a driving mode and parallel to the current direction when the assembly orientation causes the vane to be in a driven mode.

[0033] A patente US2020088159 descreve um sistema de turbina hidrocinética que utiliza um corpo d’água em movimento para transformar a energia cinética do fluido em energia elétrica ou outra energia útil. A energia cinética disponível é proporcional ao quadrado da velocidade do fluido em um canal aberto com uma área de seção transversal fixa. O sistema de turbina dupla proposto acoplado a uma engrenagem magnética cicloidal explora a energia hidrocinética existente em canais abertos.[0033] Patent US2020088159 describes a hydrokinetic turbine system that uses a moving body of water to transform the kinetic energy of the fluid into electrical energy or other useful energy. The available kinetic energy is proportional to the square of the fluid velocity in an open channel with a fixed cross-sectional area. The proposed dual turbine system coupled with a cycloidal magnetic gear exploits the hydrokinetic energy existing in open channels.

[0034] A patente GB2592567 descreve um sistema de suporte de turbina leve para uso em rios, canais de água, canais ou águas de maré rasas próximas à costa. Ele compreende uma ou mais turbinas de eixo vertical subaquáticas R com pás torcidas montadas e apoiadas entre os mancais nas estruturas inferior e superior. As estruturas são conectadas umas às outras, e a estrutura inferior é suportada em espigões no leito do rio ou do mar. Um gerador elétrico é montado diretamente acionado pelo eixo 4 de cada turbina de eixo vertical R. O gerador é montado em um suporte conectado à estrutura superior. Pode haver três turbinas verticais R que podem compreender uma pluralidade de pás toroidais nas extremidades externas de um ou mais suportes e a linha de corda das pás pode ser inclinada.[0034] Patent GB2592567 describes a lightweight turbine support system for use in rivers, water channels, canals or shallow tidal waters close to the coast. It comprises one or more underwater vertical axis turbines R with twisted blades mounted and supported between bearings on the lower and upper structures. The structures are connected to each other, and the lower structure is supported on groynes in the river or sea bed. An electrical generator is mounted directly driven by axis 4 of each vertical axis turbine R. The generator is mounted on a support connected to the upper structure. There may be three vertical turbines R which may comprise a plurality of toroidal blades at the outer ends of one or more supports and the chord line of the blades may be inclined.

[0035] O documento US2019226171 descreve métodos e aparelhos para uma turbina hidrocinética modular. O aparelho inclui unidades modulares flutuantes verticalmente acopladas a um gerador que é instalado acima da água e pás orientadas verticalmente submersas na água para converter uma energia cinética latente de um curso d'água em movimento em eletricidade.[0035] Document US2019226171 describes methods and apparatus for a modular hydrokinetic turbine. The apparatus includes vertically floating modular units coupled to a generator that is installed above the water and vertically oriented blades submerged in the water to convert a latent kinetic energy of a moving waterway into electricity.

[0036] O documento CA2992126 descreve uma turbina hidrocinética com pás configuráveis para rotação bidirecional. O aparelho de turbina hidrocinética de eixo vertical compreende um conjunto de eixos de acionamento, pelo menos dois conjuntos de pás e pelo menos dois pares de interfaces de conexão de braço de suporte. O conjunto do eixo de acionamento compreende um eixo de acionamento rotativo, placas centrais superiores e inferiores montadas de forma fixa nas extremidades superior e inferior do eixo de acionamento. Cada conjunto de pás compreende uma pá principal com um corpo alongado longitudinalmente com um perfil de folha configurado para produzir elevação na presença de água corrente; e primeiro e segundo braços de suporte tendo, cada um, corpo longitudinalmente alongado que se estende para longe da pá principal e termina numa extremidade de ligação do veio de transmissão. Cada par de interfaces de conexão de braço de suporte serve para conectar, de forma removível, um dos conjuntos de pás ao conjunto de eixos de acionamento e compreende componentes de placa central superior e inferior nas placas centrais superior e inferior, respectivamente, e componentes de braço de suporte no primeiro e no segundo suporte de braços. Cada um dos componentes da placa central superior e inferior é configurado para se conectar de forma removível a qualquer um dos componentes do braço de suporte, permitindo assim que o conjunto de pás seja montado no conjunto de eixos de acionamento em uma configuração de rotação no sentido horário, em que uma borda de ataque da pá principal está voltada para o sentido horário. Também, no sentido de rotação do eixo de acionamento e em uma configuração de rotação no sentido anti-horário, em que o conjunto de pás é invertido em 180° em relação à configuração de rotação no sentido horário e em que a borda de ataque da pá principal está voltada para uma direção de rotação no sentido anti-horário do eixo de acionamento.[0036] Document CA2992126 describes a hydrokinetic turbine with configurable blades for bidirectional rotation. The vertical axis hydrokinetic turbine apparatus comprises a set of drive shafts, at least two sets of blades, and at least two pairs of support arm connection interfaces. The drive shaft assembly comprises a rotating drive shaft, upper and lower center plates fixedly mounted on the upper and lower ends of the drive shaft. Each blade assembly comprises a main blade having a longitudinally elongated body with a leaf profile configured to produce lift in the presence of running water; and first and second support arms each having a longitudinally elongated body extending away from the main blade and terminating at a connecting end of the drive shaft. Each pair of support arm connection interfaces serves to removably connect one of the blade assemblies to the drive shaft assembly and comprises upper and lower center plate components on the upper and lower center plates, respectively, and support arm on the first and second arm supports. Each of the upper and lower center plate components is configured to detachably connect to any of the support arm components, thereby allowing the blade assembly to be mounted to the drive shaft assembly in a clockwise rotation configuration. clockwise, in which one leading edge of the main blade faces clockwise. Also, in the direction of rotation of the drive shaft and in a counterclockwise rotation configuration, in which the blade assembly is inverted 180° relative to the clockwise rotation configuration and in which the leading edge of the main blade faces a counterclockwise rotation direction of the drive shaft.

[0037] A patente WO2017077250 refere-se a um rotor, particularmente para uma turbina hidrocinética de eixo vertical, incluindo módulos N, cada um compreendendo uma placa e uma pluralidade de pás, cada uma com um perfil de asa. Os módulos N são montados consecutivamente de 1 a N ao longo de um eixo tal que as pás de cada módulo K, com K e G [2; N], estão rigidamente ligados, nas suas extremidades, à placa do módulo K e à placa do módulo K-1.[0037] Patent WO2017077250 relates to a rotor, particularly for a vertical axis hydrokinetic turbine, including N modules, each comprising a plate and a plurality of blades, each with a wing profile. Modules N are assembled consecutively from 1 to N along an axis such that the blades of each module K, with K and G [2; N], are rigidly connected, at their ends, to the K module board and the K-1 module board.

[0038] O documento US2011254276 correspondente a descrição de turbina hidrocinética cônica para converter energia dos cursos d’água em energia elétrica, composto por um trado helicoidal de várias peças que pode ser rotacionado por um fluido em movimento para a geração de energia. Esse trado helicoidal multipeças pode incluir várias peças internas e duas extremidades cônicas montadas em um eixo central. As peças podem incluir um flange espiral externo perpendicular, em ambas as direções, a uma porção do trado helicoidal. Cada extremidade pode ser afunilada em relação tanto ao diâmetro externo de uma porção do trado helicoidal quanto à largura de um flange espiral externo. Cada extremidade cônica pode ter uma borda externa que se funde efetivamente com o eixo central do trado de várias peças em um arco radial entre 90 e 180 graus. O trado helicoidal de múltiplas peças pode incluir cones em forma de asa que são deslocados axialmente um em relação ao outro e alojam componentes hidráulicos.[0038] Document US2011254276 corresponds to the description of a conical hydrokinetic turbine to convert energy from water courses into electrical energy, composed of a helical auger made of several pieces that can be rotated by a moving fluid to generate energy. This multi-piece helical auger may include multiple internal parts and two tapered ends mounted on a central shaft. The parts may include an external spiral flange perpendicular, in both directions, to a portion of the helical auger. Each end may be tapered relative to either the outer diameter of a portion of the helical auger or the width of an outer spiral flange. Each tapered end may have an outer edge that effectively merges with the central axis of the multi-piece auger in a radial arc between 90 and 180 degrees. The multi-piece helical auger may include wing-shaped cones that are axially offset relative to each other and house hydraulic components.

[0039] O documento AU2014274637 também descreve uma turbina helicoidal e um dispositivo hidrocinético para uso com geradores elétricos para produção de eletricidade. A turbina helicoidal inclui uma pá de turbina, geralmente helicoidal, montada rotativamente em um eixo central, que pode ser afunilado em cada extremidade, e um flange que se estende perpendicularmente a uma borda da pá da turbina. Pelo menos uma conexão de suporte de pá da turbina é incluída para conectar o eixo central a uma estrutura de suporte. Um gerador elétrico pode ser alimentado pela turbina helicoidal, que pode ser usada em um fluxo de água de maré. A turbina helicoidal pode operar uma bomba de alta pressão conectada a um acumulador hidráulico para armazenamento de fluido hidráulico pressurizado da bomba de alta pressão.[0039] Document AU2014274637 also describes a helical turbine and a hydrokinetic device for use with electrical generators for producing electricity. The helical turbine includes a turbine blade, generally helical, rotatably mounted on a central shaft, which may be tapered at each end, and a flange extending perpendicular to an edge of the turbine blade. At least one turbine blade support connection is included to connect the central shaft to a support structure. An electrical generator can be powered by the helical turbine, which can be used in a tidal water flow. The helical turbine can operate a high pressure pump connected to a hydraulic accumulator for storing pressurized hydraulic fluid from the high pressure pump.

[0040] O documento CA2862673 descreve um gerador de turbina hidrocinética composto de um estator, um rotor, um primeiro suporte de rolamento com elemento(s) rotativo(s). Esta turbina marítima compreende um estator, um rotor, que pode ser acionado por meio da rotação em torno de um eixo (X) por uma corrente de um fluído e, pelo menos o primeiro mancal para suportar o rotor, ou o primeiro rolamento (compreendendo um elemento de estator magnético fixado ao estator e um elemento de rotor magnético fixado ao rotor). A turbina marítima compreende ainda pelo menos um segundo mancal para suportar o rotor, ou o segundo mancal compreendendo pelo menos um elemento rotativo.[0040] Document CA2862673 describes a hydrokinetic turbine generator composed of a stator, a rotor, a first bearing support with rotating element(s). This marine turbine comprises a stator, a rotor, which can be driven through rotation around an axis (X) by a fluid current, and at least the first bearing to support the rotor, or the first bearing (comprising a magnetic stator element fixed to the stator and a magnetic rotor element fixed to the rotor). The marine turbine further comprises at least one second bearing for supporting the rotor, or the second bearing comprising at least one rotating element.

[0041] O documento US2016010620 descreve uma turbina hidrocinética marítima que compreende um estator e um rotor que é ajustável através de um número infinito de posições por estar próximo um do outro, de modo que seus campos magnéticos se sobreponham principalmente a uma posição tal que o rotor esteja mais distante do estator e possua pouca sobreposição da força do campo magnético. O controle de escotilha e velocidade também pode ser fornecido por um conjunto de engrenagens helicoidais ou de dentes retos de conjuntos de engrenagens planetárias. O gerador de energia variável (ou fixo) em operação pode compreender um rotor e um estator fora de fase um do outro por um ângulo, por exemplo, um do rotor ou do estator adiantado ou atrasado em relação ao outro. Neste caso, um motor como um servomotor pode ser usado para compensar rotativamente o ângulo fora de fase movendo radialmente o rotor em relação ao estator ou vice-versa. O gerador de energia variável (ou fixo) também pode ser aplicado em um conversor de velocidade controlado e um gerador de energia elétrica de turbina eólica. O gerador de energia variável de um sistema de hidrocinético marinho pode ser usado como um gerador de baixo torque e um gerador de alta potência nestas aplicações, e pode gerar mais energia elétrica do que um gerador de energia fixo convencional (o rotor alinhado axialmente para sobrepor o estator de forma convencional).[0041] Document US2016010620 describes a marine hydrokinetic turbine comprising a stator and a rotor that are adjustable through an infinite number of positions by being close to each other, so that their magnetic fields overlap mainly at a position such that the rotor is further away from the stator and has little overlapping magnetic field strength. Hatch and speed control can also be provided by a helical or spur gear set of planetary gear sets. The variable (or fixed) power generator in operation may comprise a rotor and a stator out of phase with each other by an angle, for example, one of the rotor or stator leading or lagging the other. In this case, a motor such as a servomotor can be used to rotationally compensate for the out-of-phase angle by radially moving the rotor relative to the stator or vice versa. The variable (or fixed) power generator can also be applied to a controlled speed converter and a wind turbine electrical power generator. The variable power generator of a marine hydrokinetic system can be used as a low torque generator and a high power generator in these applications, and can generate more electrical power than a conventional fixed power generator (the rotor aligned axially to overlap the stator in a conventional way).

[0042] O documento US2014161642 descreve um sistema de turbina hidrocinética com bomba d’água que inclui uma estrutura de armação, um eixo de rotor disposto horizontalmente suportado pela estrutura de armação e um rotor fixado ao eixo de rotor. O rotor tem uma pluralidade de pás espaçadas, de modo que o fluxo de água gire o rotor. O fluxo de água gira o eixo do rotor, que aciona uma bomba d’água, que bombeia o fluído para um local desejado, como, por exemplo, bombear água de uma correnteza para um sistema de irrigação.[0042] Document US2014161642 describes a water pump hydrokinetic turbine system that includes a frame structure, a horizontally arranged rotor shaft supported by the frame structure and a rotor fixed to the rotor shaft. The rotor has a plurality of blades spaced so that the flow of water rotates the rotor. The water flow rotates the rotor shaft, which drives a water pump, which pumps the fluid to a desired location, such as pumping water from a stream to an irrigation system.

[0043] O documento BG110990 descreve a patente de uma turbina hidrocinética com multirotor de eixos verticais posicionados ao longo da corrente. Este dispositivo pode ser usado para produção de energia elétrica a partir de corrente sem pressão de água. Para aumentar a eficiência na frente de cada rotor é instalado um bocal que acelera localmente a corrente e dá a direção exata contra as pás do rotor.[0043] Document BG110990 describes the patent for a hydrokinetic turbine with a multirotor with vertical axes positioned along the current. This device can be used to produce electrical energy from current without water pressure. To increase efficiency, a nozzle is installed in front of each rotor that locally accelerates the current and gives the exact direction against the rotor blades.

[0044] O documento BG110987 descreve uma turbina hidrocinética de múltiplas pás ou multipás e é utilizada para transformar a energia cinética de correntes de água sem pressão e de baixa pressão em energia útil. É usado nas correntes fluviais, marítimas e de canais, bem como nas marés decrescentes nas zonas costeiras dos mares e oceanos. A turbina hidrocinética de multipás é composta por grande número de pás perfiladas montadas radialmente em torno do eixo comum com comprimento da pá perfilada de 0,003m a 0,497m partes do diâmetro externo da turbina, caracterizada por pás perfiladas montadas em torno eixo comum com inclinação acentuada entre o eixo longitudinal de cada lâmina perfilada e o eixo longitudinal do eixo comum, que é paralelo à corrente. Cada lâmina perfilada é oca, a parede frontal é sólida e a parede posterior é constituída por aberturas em uma das bordas longitudinais de cada pá perfilada. A inclinação acentuada entre o eixo longitudinal de cada pá perfilada e o eixo longitudinal do eixo é variável.[0044] Document BG110987 describes a multi-bladed or multi-bladed hydrokinetic turbine and is used to transform the kinetic energy of unpressured and low-pressure water currents into useful energy. It is used in river, sea and channel currents, as well as in falling tides in coastal areas of seas and oceans. The multi-bladed hydrokinetic turbine is composed of a large number of profiled blades mounted radially around the common axis with a profiled blade length of 0.003m to 0.497m parts of the external diameter of the turbine, characterized by profiled blades mounted around a common axis with a steep inclination between the longitudinal axis of each profiled blade and the longitudinal axis of the common axis, which is parallel to the chain. Each profiled blade is hollow, the front wall is solid and the back wall consists of openings on one of the longitudinal edges of each profiled blade. The steep slope between the longitudinal axis of each profiled blade and the longitudinal axis of the shaft is variable.

[0045] O documento US2013115045 descreve um motor de acionamento (turbina de água) de usina hidrocinética flutuante com grau de eficiência aprimorado e módulo de usina hidrocinética flutuante. As melhorias na eficiência da usina hidrocinética flutuante são obtidas pela otimização de folgas z e z' entre as pás do motor de acionamento hidrocinético e paredes laterais internas e piso do canal de trabalho do motor de acionamento; a razão entre a parte submersa da altura da pá no líquido e a parte da altura da pá acima da superfície do corpo d’água; os ângulos dos planos laterais de entrada e planos inferiores e os planos laterais de saída do difusor; e distância t entre as pás e o número n pás simultaneamente submersas no canal de trabalho do motor de acionamento.[0045] Document US2013115045 describes a floating hydrokinetic plant drive motor (water turbine) with improved efficiency and floating hydrokinetic plant module. Improvements in the efficiency of the floating hydrokinetic plant are achieved by optimizing clearances z and z' between the hydrokinetic drive motor blades and internal sidewalls and floor of the drive motor working channel; the ratio between the submerged part of the blade height in the liquid and the part of the blade height above the surface of the water body; the angles of the lateral entry planes and lower planes and the lateral exit planes of the diffuser; and distance t between the blades and the number n blades simultaneously submerged in the working channel of the drive motor.

[0046] O documento BR 112012027846-0 descreve uma turbina hidráulica unidirecional com duto melhorado, pás e gerador. Neste, é descrito uma turbina para gerar energia elétrica a partir do escoamento de fluido que compreende um duto com uma elevação e uma saída alongada, exaustores, ventilação no difusor posterior e uma face oblíqua para otimizar o fluxo e, portanto, as características de força. Um gerador de turbina unidirecional é também descrito que compreende pás com um ou mais seções inclinadas e/ou seções cônicas e, opcionalmente, também com várias características de superfície frisada para melhorar a eficiência e o desempenho do gerador de turbina. Um gerador de turbina hidráulica com um gerador magnético de apenas um lado e de fluxo axial é descrito compreendendo um conjunto híbrido magnético/antifricção. Um arranjo múltiplo de geradores de turbina é também descrito compreendendo múltiplos geradores de turbinas unidirecionais conectados a um sistema de distribuição elétrica em terra.[0046] Document BR 112012027846-0 describes a unidirectional hydraulic turbine with improved duct, blades and generator. In this, a turbine is described to generate electrical energy from fluid flow comprising a duct with an elevation and an elongated outlet, exhaust fans, ventilation in the rear diffuser and an oblique face to optimize the flow and therefore the force characteristics. . A unidirectional turbine generator is also described which comprises blades with one or more inclined sections and/or tapered sections and, optionally, also with various crimped surface features to improve the efficiency and performance of the turbine generator. A hydraulic turbine generator with a single-sided, axial-flow magnetic generator is described comprising a hybrid magnetic/antifriction assembly. A multiple turbine generator arrangement is also described comprising multiple unidirectional turbine generators connected to a shore electrical distribution system.

[0047] O documento da patente US2012013128 descreve uma turbina hidrocinética para correntes de baixa velocidade, que é adaptada para retardar a conversão de energia da água para evitar o impacto ambiental adverso na descarga das marés. Ele combina um grande hub bulboso a montante com um conjunto periférico de defletores de corrente a jusante do hub. Os defletores são análogos às asas do plano delta em alto ângulo de ataque, mas aqui são orientados para causar aceleração angular tangencial e radialmente para dentro do fluxo ambiente. O torque se desenvolve em reação a essas acelerações angulares, em contraste com a elevação do efeito Bernoulli em seções de folha de alta proporção que exigem altas velocidades de fluxo de superfície. As acelerações do fluido se combinam para formar um vórtice na esteira turbulenta da turbina, que atrai água adicional através do conjunto defletor. Em uma modalidade, os defletores giram em torno de suas extremidades internas no modo de uma pipa rotativa que pode projetar economicamente uma estrutura resiliente sobre uma área muito grande. Em outra modalidade, toda a turbina pode submergir para permitir a passagem de tráfego marítimo comercial de calado profundo.[0047] Patent document US2012013128 describes a hydrokinetic turbine for low-speed currents, which is adapted to delay water energy conversion to avoid adverse environmental impact in tidal discharge. It combines a large bulbous hub upstream with a peripheral set of current baffles downstream of the hub. Deflectors are analogous to delta plane wings at high angle of attack, but here they are oriented to cause angular acceleration tangentially and radially into the ambient flow. Torque develops in reaction to these angular accelerations, in contrast to the Bernoulli effect buildup in high aspect ratio sheet sections that require high surface flow velocities. The fluid accelerations combine to form a vortex in the turbine's turbulent wake, which draws additional water through the baffle assembly. In one embodiment, the baffles rotate about their inner ends in the manner of a rotating kite that can economically project a resilient structure over a very large area. In another embodiment, the entire turbine may be submerged to allow the passage of deep-draft commercial maritime traffic.

[0048] A patente FR2976325 refere-se a uma turbina hidrocinética ecológica portátil para produção de eletricidade utilizando força hidráulica de água do rio. Ela possui uma placa filtrante perfurada com orifícios paralelos à base, onde todos os elementos da turbina são feitos de polipropileno de alta densidade.[0048] Patent FR2976325 refers to a portable ecological hydrokinetic turbine for producing electricity using hydraulic power from river water. It has a perforated filter plate with holes parallel to the base, where all turbine elements are made of high-density polypropylene.

[0049] O documento BG110412 descreve uma turbina aero-hidrocinética, cuja finalidade é acionar geradores para produção de energia elétrica. O mesmo inclui um balão cilíndrico situado horizontalmente onde o ar é arrastado para fora, em ambas as extremidades no qual existem eixos de apoio reforçados horizontalmente. No balão cilíndrico estão incorporadas também as câmaras pneumáticas, que são parte inseparável das pás perfiladas radialmente orientadas. O torque da turbina aero-hidrocinética é determinado pela energia cinética de queda da água P, e a força de elevação de ar P1 surgida nas câmaras pneumáticas.[0049] Document BG110412 describes an aero-hydrokinetic turbine, the purpose of which is to drive generators to produce electrical energy. It includes a cylindrical balloon located horizontally where the air is drawn out, at both ends of which there are horizontally reinforced support shafts. Pneumatic chambers are also incorporated into the cylindrical balloon, which are an inseparable part of the radially oriented profiled blades. The torque of the aero-hydrokinetic turbine is determined by the kinetic energy of falling water P, and the air lifting force P1 arising in the pneumatic chambers.

[0050] A patente US2011058929 refere-se a uma estrutura e um sistema de turbina hidrocinética, incluindo uma pluralidade de turbinas hidrocinéticas, que podem ser instaladas em um leito de um corpo de água. Cada turbina tem uma cobertura com uma porção de entrada dianteira e uma porção de saída traseira. A cobertura inclui uma pá disposta em uma porção intermediária da mesma. Uma superfície interna da cobertura inclui uma pluralidade de pás raiadas para induzir a entrada de água na porção de entrada dianteira para girar de forma semelhante a um vórtice. Uma pluralidade de pás de proteção e pré-giro são dispostas adjacentes à porção de entrada dianteira também induzem a rotação da água e servem para fornecer uma barreira que impede a passagem de objetos para a porção de entrada dianteira. Uma pluralidade de estabilizadores que se estendem de uma superfície externa da cobertura e posicionam a porção de entrada dianteira na direção do fluxo de corrente.[0050] Patent US2011058929 relates to a hydrokinetic turbine structure and system, including a plurality of hydrokinetic turbines, which can be installed on a bed of a body of water. Each turbine has a cover with a front inlet portion and a rear outlet portion. The cover includes a blade disposed in an intermediate portion thereof. An inner surface of the cover includes a plurality of ribbed vanes for inducing water entry into the front inlet portion to rotate in a vortex-like fashion. A plurality of protective and pre-spinning vanes disposed adjacent to the front inlet portion also induce rotation of the water and serve to provide a barrier that prevents the passage of objects into the front inlet portion. A plurality of stabilizers extending from an outer surface of the cover and positioning the front inlet portion in the direction of current flow.

[0051] A patente de invenção CN110873020 descreve um grupo gerador de hidroturbina com suporte de pressão. O conjunto hidrogerador do tipo de suporte de pressão compreende uma hidroturbina, um gerador e um equipamento de co- frequência de rede elétrica, em que a extremidade frontal e a extremidade traseira de um corpo de hidroturbina são correspondentemente providas de tubos de água sob pressão, ou seja, um tubo de entrada de água de pressão e um tubo de saída de água de pressão correspondentemente, uma roda giratória de turbofan rotativa que é instalada na hidroturbina. A extremidade da saída da hidroturbina é conectada sequencialmente com um gerador de corrente contínua a um equipamento de conversão e à rede elétrica, utilizando um transformador. O tubo de saída de água sob pressão é conectado a um conjunto gerador de hidroturbina do tipo alívio de pressão, e o conjunto hidrogerador do tipo alívio de pressão aciona a roda giratória para gerar eletricidade adotando um modo de impacto ou fluxo misto. O conjunto hidrogerador de alta pressão é adequado para ser instalado adicionalmente em todas as usinas hidrelétricas de alta queda d'água. O grupo gerador de hidroturbina do tipo com suporte de pressão pode produzir energia elétrica desde que a rotação possa ser alcançada e, em seguida, pode ser conectado à rede perfeitamente, desde que seja atingida na saída de energia elétrica.[0051] Patent CN110873020 describes a hydroturbine generator set with pressure support. The pressure support type hydrogenerator set comprises a hydroturbine, a generator and a mains co-frequency equipment, wherein the front end and the rear end of a hydroturbine body are correspondingly provided with pressurized water pipes, that is, a pressure water inlet pipe and a pressure water outlet pipe correspondingly, a rotating turbofan swivel wheel which is installed on the hydroturbine. The output end of the hydroturbine is connected sequentially with a direct current generator to conversion equipment and to the electrical grid using a transformer. The pressure water outlet pipe is connected to a pressure relief type hydroturbine generator set, and the pressure relief type hydrogenerator set drives the rotating wheel to generate electricity by adopting an impact or mixed flow mode. The high-pressure hydrogenerator set is suitable for additional installation in all high-head hydroelectric plants. The pressure-supported type hydroturbine generator set can produce electrical power as long as the rotation can be achieved, and then it can be connected to the grid perfectly as long as the electrical power output is achieved.

[0052] A patente UA12523 descreve uma hidroturbina que consiste em um cubo onde são colocadas vigas com pás fixadas nela. Cada pá da hidroturbina é feita na forma de duas asas conectadas com possibilidade de movimento oscilante com dobradiças instaladas nas vigas. A invenção refere-se à engenharia hidrelétrica e pode ser utilizada para transformação da energia do movimento da água em rios sem barragens em energia elétrica ou mecânica.[0052] Patent UA12523 describes a hydroturbine consisting of a cube where beams with blades fixed to it are placed. Each hydroturbine blade is made in the form of two connected wings with the possibility of oscillating movement with hinges installed on the beams. The invention refers to hydroelectric engineering and can be used to transform the energy of water movement in rivers without dams into electrical or mechanical energy.

[0053] A patente GR1009116 refere-se a uma hidroturbina geradora de energia, constituída de tubo de queda d'água, o recipiente em forma de cone truncado equipado com a abertura de descarga de água e a hidroturbina que tem a forma de um parafuso sem fim e é dotada de pás com a mesma inclinação que as paredes do recipiente acima em que a referida hidroturbina é colocada. Essa turbina tem como finalidade a geração de energia superior produzida por hidroturbinas que exploram o abastecimento de água e a mesma diferença hipsométrica de queda d'água. Tendo como vantagem o aproveitamento da energia dinâmica e cinética da cachoeira do tubo (na entrada das pás) bem como da energia cinética da turbina hidráulica na saída das pás.[0053] Patent GR1009116 refers to an energy-generating hydroturbine, consisting of a water drop tube, a truncated cone-shaped container equipped with a water discharge opening and the hydroturbine in the shape of a screw endless and is equipped with blades with the same inclination as the walls of the container above in which said hydroturbine is placed. This turbine aims to generate superior energy produced by hydroturbines that exploit the water supply and the same hypsometric difference in water fall. The advantage is the use of the dynamic and kinetic energy of the tube waterfall (at the entrance to the blades) as well as the kinetic energy of the hydraulic turbine at the exit of the blades.

[0054] O documento CN106050533 descreve um hidrogerador de turbina tubular que compreende um corpo de turbina, um eixo rotativo, uma pluralidade de bielas, um tambor rotativo, uma pluralidade de pás, uma placa de vedação de água, um defletor de água inferior, um defletor de água superior, uma entrada de água, uma base, uma saída de água, um mecanismo de transmissão, um corpo de motor e uma luva de vedação, em que o eixo rotativo está disposto no corpo da turbina; a superfície externa do eixo rotativo é conectada com bielas; o tambor rotativo é conectado ao eixo rotativo através das bielas; a superfície externa do tambor rotativo está conectada às pás; a placa de vedação de água está disposta nas periferias das pás; a entrada de água é formada acima do corpo da turbina; o defletor de água superior está disposto acima da entrada de água; o defletor de água inferior é disposto abaixo da entrada de água; a base está disposta abaixo do corpo da turbina; a saída de água é formada na base; o corpo do motor é conectado ao eixo rotativo através do mecanismo de transmissão; este mecanismo compreende um eixo de transmissão e uma luva de eixo; e a vedação está disposta no exterior do corpo do motor. Com a adoção do hidrogerador de turbina tubular, a geração de energia da turbina não requer alto fluxo de água ou alta diferença de nível de água, e a conservação de energia e a proteção ambiental são melhor facilitadas.[0054] Document CN106050533 describes a tubular turbine hydrogenerator comprising a turbine body, a rotating shaft, a plurality of connecting rods, a rotating drum, a plurality of blades, a water sealing plate, a lower water baffle, an upper water deflector, a water inlet, a base, a water outlet, a transmission mechanism, a motor body and a sealing sleeve, wherein the rotating shaft is disposed in the turbine body; the outer surface of the rotating shaft is connected with connecting rods; the rotating drum is connected to the rotating shaft through connecting rods; the outer surface of the rotating drum is connected to the blades; the water seal plate is arranged on the peripheries of the blades; the water inlet is formed above the turbine body; the upper water deflector is arranged above the water inlet; the lower water deflector is arranged below the water inlet; the base is arranged below the turbine body; the water outlet is formed at the base; the motor body is connected to the rotating shaft through the transmission mechanism; this mechanism comprises a transmission shaft and a shaft sleeve; and the seal is arranged on the outside of the motor body. With the adoption of tubular turbine hydrogenerator, turbine power generation does not require high water flow or high water level difference, and energy conservation and environmental protection are better facilitated.

[0055] A patente ZA201208942 descreve uma turbina hídrica unidirecional com duto, pás e gerador aumentados. O primeiro elemento possui coberturas e aberturas de entrada, recortes difusores traseiros e uma face oblíqua para otimizar o fluxo. O Segundo aparelho gerador de turbina unidirecional também é descrito, compreendendo pás de turbina com uma ou mais seções inclinadas e/ou cônicas e, opcionalmente, também com características de superfície recortada para melhorar a eficiência e o desempenho do gerador de turbina. O terceiro elemento é um gerador de turbina hidráulica, contendo um gerador magnético de fluxo axial de lado único composto por um conjunto de mancal axial magnético/antifricção híbrido. Além desses, o documento descreve uma disposição de múltiplos geradores de turbina, também, compreendendo múltiplos geradores unidirecionais conectados a um sistema de distribuição elétrica.[0055] Patent ZA201208942 describes a unidirectional water turbine with enlarged duct, blades and generator. The first element has covers and inlet openings, rear diffuser cutouts and an oblique face to optimize flow. Second unidirectional turbine generator apparatus is also described, comprising turbine blades having one or more inclined and/or tapered sections and, optionally, also having scalloped surface features to improve the efficiency and performance of the turbine generator. The third element is a hydraulic turbine generator, containing a single-sided axial flux magnetic generator composed of a hybrid magnetic/antifriction thrust bearing assembly. In addition to these, the document describes an arrangement of multiple turbine generators, also comprising multiple unidirectional generators connected to an electrical distribution system.

[0056] O documento US9322385 descreve um gerador de turbina habilitado para vórtice hidro. A Vortex Hydro Turbine leva água através de duas entradas superiores e uma entrada inferior da corrente em que está submersa. As entradas superiores direcionam o fluxo de água para câmaras cilíndricas com fundo espiral para criar um vórtice. O topo das câmaras é especificamente deixado aberto para permitir que a água saia e se reintegra ao fluxo nativo existente. Este movimento da água cria uma área de baixa pressão dentro do centro de cada uma das câmaras que é transferida para a parte traseira de um sistema de pás de turbina através de tubos dependentes. A água flui através da pá da turbina pela entrada inferior e sai pelo tubo de escape. A baixa pressão dos tubos dependentes, atrás das pás, aumenta a velocidade da água através das pás para aumentar a potência. O sistema pode ser dimensionado como uma unidade autônoma ou como uma matriz.[0056] Document US9322385 describes a hydro vortex enabled turbine generator. The Vortex Hydro Turbine takes water through two upper inlets and a lower inlet from the stream in which it is submerged. Top inlets direct water flow into cylindrical chambers with spiral bottoms to create a vortex. The top of the chambers is specifically left open to allow water to exit and reintegrate into the existing native flow. This movement of water creates an area of low pressure within the center of each of the chambers which is transferred to the rear of a turbine blade system via dependent tubes. Water flows through the turbine blade through the lower inlet and exits through the exhaust pipe. The low pressure of the dependent tubes, behind the blades, increases the speed of the water through the blades to increase power. The system can be scaled as a stand-alone unit or as an array.

[0057] O documento RU2014128768 descreve o método de operação do sistema de turbina hidroelétrica. Esse método compreende as seguintes etapas: colocar uma turbina no fundo do mar em uma zona de um reservatório propenso à ação das marés; colocar um cabo elétrico para transferir energia elétrica da turbina para um local remoto; proporcionar a possibilidade de rotação da turbina e a geração de energia elétrica devido à energia do fluxo de água das marés que passa pela turbina; e, antes da conexão elétrica do cabo à turbina, absorver energia elétrica pela unidade de carga. Essa unidade é conectada eletricamente à turbina. A unidade de carga é instalada no sistema de turbina hidroelétrica.[0057] Document RU2014128768 describes the method of operation of the hydroelectric turbine system. This method comprises the following steps: placing a turbine on the seabed in an area of a reservoir prone to tidal action; laying an electrical cable to transfer electrical energy from the turbine to a remote location; provide the possibility of rotation of the turbine and the generation of electrical energy due to the energy of the tidal water flow passing through the turbine; and, before electrical connection of the cable to the turbine, absorb electrical energy by the load unit. This unit is electrically connected to the turbine. The charging unit is installed in the hydroelectric turbine system.

[0058] A patente KR20150121417 refere-se a uma turbina e, mais especificamente, a uma turbina com uma engrenagem montada na parte externa de seu corpo giratório para converter a energia de fluxo dispersa em líquido ou ar em fluxo em energia rotacional e combinar facilmente a energia rotacional convertida para amplificar uma força e utilização da turbina. A presente invenção fornece um dispositivo de coleta de energia, além de um gerador de energia hidrelétrica, uma bomba não energizada e uma engrenagem instalada na extremidade de uma lâmina de turbina em forma de cilindro, tendo uma engrenagem em uma superfície circunferencial externa do cilindro em turbinas individuais por engrenagens para combinar a energia rotacional das turbinas para coletar a energia do fluxo de fluido.[0058] Patent KR20150121417 relates to a turbine, and more specifically, to a turbine with a gear mounted on the outside of its rotating body to convert flow energy dispersed in flowing liquid or air into rotational energy and easily combine the rotational energy converted to amplify a force and use of the turbine. The present invention provides an energy harvesting device, in addition to a hydroelectric power generator, a non-energized pump and a gear installed at the end of a cylinder-shaped turbine blade, having a gear on an outer circumferential surface of the cylinder in individual turbines by gears to combine the rotational energy of the turbines to collect energy from the fluid flow.

[0059] Em relação ao estudo da técnica e a todas as tecnologias apresentadas, identificaram diferenças relacionadas à geometria do rotor e/ou do difusor, dificultando a operação em cursos d’água de baixas velocidades, no caso abaixo de 1,0m/s, também, apresentam baixa rotação e altas velocidades de partida. Outro aspecto importante, é que algumas estruturas ou geometrias são favoráveis à formação de efeito de cavitação e/ou de fadiga. Isso tudo afeta diretamente o desempenho das turbinas mostradas, que não conseguem exceder o limite de Betz de 59,3%. Além disso, a maioria das turbinas apresenta gerador elétrico integrado ao rotor das turbinas o que resulta em um alto custo de fabricação e em dificuldades de montagem e manutenção do sistema.[0059] In relation to the study of the technique and all the technologies presented, differences related to the geometry of the rotor and/or diffuser were identified, making operation in water courses with low speeds, in this case below 1.0 m/s, difficult. They also have low rotation and high starting speeds. Another important aspect is that some structures or geometries are favorable to the formation of cavitation and/or fatigue effects. This all directly affects the performance of the turbines shown, which cannot exceed the Betz limit of 59.3%. Furthermore, most turbines have an electrical generator integrated into the turbine rotor, which results in high manufacturing costs and difficulties in assembling and maintaining the system.

[0060] A presente patente mostra uma hidroturbina com difusor com flange curto e aletas estruturais, de eixos horizontal e vertical, perpendicularmente combinados por uma caixa de transmissão angular de 90°, facilitando o acoplamento do sistema hidrocinético a um gerador de ímã permanente situado fora do curso d’água. Ela é composta por um rotor com seu projeto hidrodinâmico envolvendo pás torcidas em toda a sua extensão que é, mecanicamente, favorável para amplificar o torque de partida e diminuir o índice de cavitação nas pontas das pás. Essas pás são fixadas a um hub cilíndrico com spinner. O uso do difusor cônico com formato cônico em duas faces, que utiliza os efeitos combinados de um flange curto e bocais excêntrico e concêntrico com aletas estruturais externas simétricas que o envolvem. Essa combinação permite que o sistema hidrocinético, como um todo, inicie em velocidade de partida mínima entre 0,2m/s e 0,3m/s e opere em velocidade nominal a partir de 1m/s e eficiência entre 60 e 80%, excedendo o limite de Betz. Portanto, essa tecnologia pode ser aplicada em curso d’água com baixa velocidade de correnteza em qualquer região do mundo.[0060] The present patent shows a hydroturbine with a diffuser with a short flange and structural fins, with horizontal and vertical axes, perpendicularly combined by a 90° angular transmission box, facilitating the coupling of the hydrokinetic system to a permanent magnet generator located outside of the watercourse. It is composed of a rotor with a hydrodynamic design involving twisted blades throughout its entire length, which is mechanically favorable for amplifying the starting torque and reducing the rate of cavitation at the tips of the blades. These blades are attached to a cylindrical hub with a spinner. The use of a two-sided conical shaped diffuser, which uses the combined effects of a short flange and eccentric and concentric nozzles with symmetrical external structural fins that surround it. This combination allows the hydrokinetic system, as a whole, to start at a minimum starting speed between 0.2m/s and 0.3m/s and operate at a nominal speed from 1m/s and efficiency between 60 and 80%, exceeding the limit of Betz. Therefore, this technology can be applied to watercourses with low current speeds in any region of the world.

Brief description of the drawings

[0061] São apresentadas as seguintes figuras:[0061] The following figures are displayed:

[0062] A Figura 1 apresenta a vista 3D da hidroturbina com difusor de flange curto e aletas estruturais.[0062] Figure 1 shows the 3D view of the hydroturbine with short flange diffuser and structural fins.

[0063] A Figura 2 mostra o rotor, destacando o hub, spinner e as pás.[0063] Figure 2 shows the rotor, highlighting the hub, spinner and blades.

[0064] A Figura 3 apresenta a geometria do difusor com flange curta e aletas estruturais e o perfil da carcaça vertical.[0064] Figure 3 shows the geometry of the diffuser with short flange and structural fins and the profile of the vertical housing.

Description of the invention

[0065] A presente patente de invenção diz respeito a uma hidroturbina com difusor de flange curto e aletas guias estruturais envoltórias que dá direcionamento ao escoamento (1) de eixos horizontal (3) e vertical (2), perpendicularmente, combinados por uma caixa de transmissão angular de 90° e. por um rotor (7) com projeto aerodinâmico de N pás torcidas (10) ao longo de seus perfis. Elas são fixadas em um hub cilíndrico (8) integrado a um spinner (9). Essa geometria do sistema hidrocinético é, mecanicamente, favorável para amplificar o torque de partida e diminuir o índice de cavitação.[0065] The present invention patent concerns a hydroturbine with a short flange diffuser and structural guide fins that direct the flow (1) of horizontal (3) and vertical (2) axes, perpendicularly, combined by a flow box. 90° angular transmission e. by a rotor (7) with an aerodynamic design of N twisted blades (10) along its profiles. They are fixed to a cylindrical hub (8) integrated with a spinner (9). This geometry of the hydrokinetic system is mechanically favorable for amplifying the starting torque and reducing the cavitation rate.

[0066] A parte interna dessa hidroturbina é composta por um eixo na vertical fixados a dois mancais com rolamentos cônicos e dois acoplamentos flexíveis nas extremidades do eixo vertical, no qual um dos acoplamentos será conectado a um gerador de ímã permanente. A outra extremidade é interligada a uma caixa de transmissão com ângulo de 90° tipo planetária (4), conectada a um eixo horizontal (3). Também fixados a mancais com rolamentos cônicos que recebe o rotor (7) com pás torcidas (10). Em sua extremidade final, o último mancal do eixo horizontal (3), é conectado um spinner (9) para facilitar o escoamento sem provocar o efeito de cavitação.[0066] The internal part of this hydroturbine is composed of a vertical shaft fixed to two bearings with conical bearings and two flexible couplings at the ends of the vertical shaft, one of which will be connected to a permanent magnet generator. The other end is connected to a planetary-type 90° angle transmission box (4), connected to a horizontal shaft (3). Also fixed to bearings with conical bearings that receive the rotor (7) with twisted blades (10). At its final end, the last bearing of the horizontal axis (3), a spinner (9) is connected to facilitate flow without causing the effect of cavitation.

[0067] Todo esse sistema é revestido por 3 carcaças: uma para isolar os componentes do eixo vertical com perfil afunilado em formato de gota d’água (13) combinado a um perfil cilíndrico em toda sua extensão (2), uma segunda para revestir a caixa de transmissão de 90° (4) e uma última com perfil cilíndrico para revestir o eixo horizontal (3). Essa carcaça do rotor é fixada internamente à parte central (17) do difusor (6) com flange curto (11) e aletas estruturais (12) por meio de 4 estruturas simétricas entre si (5).[0067] This entire system is covered by 3 casings: one to isolate the components of the vertical axis with a tapered profile in the shape of a water drop (13) combined with a cylindrical profile along its entire length (2), a second to cover the 90° transmission box (4) and a last one with a cylindrical profile to cover the horizontal axis (3). This rotor housing is internally fixed to the central part (17) of the diffuser (6) with a short flange (11) and structural fins (12) by means of 4 symmetrical structures (5).

[0068] A maioria dos difusores utilizados em turbinas hidrocinéticas tem formato ou geometria totalmente cilíndrica ou cônica é lisa em toda superfície externa. A presente invenção possui um difusor cônico com flange curto e aletas estruturais envoltórias e simétricas (6), o que resulta em um dispositivo de eficiência entre 80% e 95%. Esse difusor (6) tem uma geometria com formato cônico em duas faces - face 1: maior face com inclinação Φ (16) e face 2: menor face com inclinação α (18) de comprimento alongado que utiliza os efeitos combinados de um flange curto (11) e bocais excêntrico e concêntrico - diâmetro menor de entrada (14) e diâmetro maior de saída (15) com aletas-guias estruturais envoltórias e simétricas que dão direcionamento ao escoamento (12).[0068] Most diffusers used in hydrokinetic turbines have a completely cylindrical or conical shape or geometry and are smooth on the entire external surface. The present invention has a conical diffuser with a short flange and enveloping and symmetrical structural fins (6), which results in a device with an efficiency between 80% and 95%. This diffuser (6) has a geometry with a conical shape on two faces - face 1: largest face with inclination Φ (16) and face 2: smallest face with inclination α (18) of elongated length that uses the combined effects of a short flange (11) and eccentric and concentric nozzles - smaller inlet diameter (14) and larger outlet diameter (15) with enveloping and symmetrical structural guide vanes that direct the flow (12).

[0069] Essa combinação permite que o sistema hidrocinético, como um todo, opere em baixas velocidades a partir de 0,2m/s e eficiência entre 60% e 80%, dependendo do diâmetro combinado do rotor e difusor, possuindo grande vantagem comparado com outras turbinas que operam com velocidades nominais acima de 2,5m/s e possuem eficiência de até 50%. Este tipo de sistema é conhecido como microturbina hidrocinética com difusor que se aplica no setor de energia ou de turbomáquinas para geração de energia elétrica a partir de cursos d’água com baixas correntezas sem a necessidade de barragem. O uso deste difusor (6) gera uma desaceleração do escoamento na saída da turbina criando uma região de baixa pressão neste ponto, aumentando a velocidade do escoamento na entrada pelo efeito combinado de um concentrador e consequentemente o coeficiente de potência da máquina, resultando em um alto desempenho do sistema hidrocinético.[0069] This combination allows the hydrokinetic system, as a whole, to operate at low speeds from 0.2m/s and efficiency between 60% and 80%, depending on the combined diameter of the rotor and diffuser, having a great advantage compared to other turbines that operate at nominal speeds above 2.5m/s and have efficiency of up to 50%. This type of system is known as a hydrokinetic microturbine with diffuser, which is used in the energy or turbomachinery sector to generate electrical energy from watercourses with low currents without the need for a dam. The use of this diffuser (6) generates a slowdown in the flow at the turbine outlet, creating a region of low pressure at this point, increasing the velocity of the flow at the inlet through the combined effect of a concentrator and consequently the power coefficient of the machine, resulting in a high performance of the hydrokinetic system.

Claims

1. HYDROTURBINE WITH SHORT FLANGE DIFFUSER AND STRUCTURAL FINS has a geometry combined by vertical (2) and horizontal (3) axes, perpendicularly coupled by a 90° angular transmission box, with the horizontal axis being covered by a protective casing cylindrical, which is connected to a rotor (7) composed of a cylindrical hub (8) integrated with a spinner (9) and in this rotor, a number of 3, 4 or 6 twisted blades can be installed across its profile (10) , in this way, the geometry of each twisted blade has a larger profile at its base and decreases proportionally towards the tip of the blade, furthermore, this rotor is coupled to a diffuser (6) with a conical shape on two faces, the larger face 1 with an inclination Φ (16) and the smaller face 2 with inclination α (18) of elongated length and eccentric and concentric nozzles, smaller inlet diameter (14) and larger outlet diameter (15), combined by the effect of a concentrator (17), which describes the state of the art, characterized by the fact that it is coupled to a diffuser that uses the combined effects of a short flange (11) and external envelope and symmetrical structures, structural guide fins (12).

2. HYDROTURBINE WITH SHORT FLANGE DIFFUSER AND STRUCTURAL FINS, according to claim 1, characterized by the fact that the vertical shaft is covered by a protective housing with a hydrodynamic profile in the shape of a drop of water (2) and (13) .