BR112014019498B1

BR112014019498B1 - Conjunto de turbina hidráulica e método para instalar uma turbina hidráulica substituta

Info

Publication number: BR112014019498B1
Application number: BR112014019498-0A
Authority: BR
Inventors: Yves Mercier
Original assignee: Andritz Hydro Canada Inc.
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2013-02-06
Publication date: 2021-11-30
Also published as: BR112014019498A2; US9803613B2; RU2631581C2; WO2013116927A1; CA2863828C; CN104321525B; CA2863828A1; BR112014019498A8; US20150017004A1; CN104321525A; RU2014136466A

Abstract

montagem no cubo de pás de uma turbina hidráulica. um conjunto de turbina hidráulica incluindo um cubo configurado para girar em torno de um eixo geométrico central, e configurado para ser montado em uma passagem de água. o cubo inclui uma extremidade a montante, uma extremidade a jusante, e uma superfície externa entre a extremidade a montante e a extremidade a jusante. o cubo inclui pelo menos três recessos de montagem, arranjados na superfície externa, em que cada um dos recessos de montagem inclui uma primeira superfície de montagem de cubo e uma segunda superfície de montagem de cubo, em que a segunda superfície de montagem de cubo é disposta a jusante e radialmente para dentro da primeira superfície de montagem de cubo. o conjunto inclui pelo menos três pás rotoras, cada uma delas incluindo uma base configurada para assentar no respectivo recesso de montagem, em que a base inclui uma primeira superfície de montagem de pá, arranjada para confinar a primeira superfície de montagem de cubo, e uma segunda superfície de montagem pá arranjada para confinar a segunda superfície de montagem de cubo.

Description

CAMPO TÉCNICO

[001] A presente invenção refere-se ao acoplamento de pás rotoras a um cubo em uma turbina hidráulica. Em particular, a presente invenção relaciona-se a superfícies de montagem na base de uma pá rotora, em superfícies de montagem opostas no cubo.

ANTECEDENTES

[002] A Figura 1 ilustra uma turbina hidráulica convencional 10 em uma câmara anular 12, que pode estar embutida no concreto de uma barragem 13. Um exemplo de turbina axial da pá do tipo mostrado na Figura 1, e, particularmente, a montagem das pás rotoras ao cubo, como mostrado na Publicação de Pedido de Patente US 2009/ 009296.

[003] Uma turbina hidráulica tipicamente é instalada em um poço sob a superfície de um lago, ou reservatório de água atrás de uma barragem. Uma câmara anular 12 define uma passagem de fluxo de água axial geralmente vertical como indicado pela seta "WATER". A água flui por através de passagens na barragem, por uma câmara anular e pás rotoras. As pás e cubo 16 giram em torno de um eixo vertical. Um eixo 24 se estende entre cubo e gerador. A força da água faz girar as pás do rotor, cubo, e eixo para mover o gerador elétrico e gerar eletricidade.

[004] O cubo 16 é inclinado na direção do fluxo de água e pode conectar um cone 18. As superfícies inclinadas do cubo e cone estendem o perfil hidráulico do cubo. A água flui suavemente através de cubo e cone, e desce a partir da turbina hidráulica.

[005] Quanto mais água flui através da turbina, maior será a quantidade de energia a ser suprida pela turbina ao gerador. A quantidade de água que flui através da turbina é limitada pela menor área de seção transversal da passagem de água na turbina. A menor área de seção transversal tipicamente a porção mais estreita da passagem anular de água entre a câmara 12 e o cubo 16, e.g., a garganta T (T de Throat). A garganta tipicamente fica na mesma elevação das pontas das pás do rotor, na turbina. O diâmetro da garganta (T) e diâmetro (H) do cubo na garganta determina a menor área anular da passagem de água. Quanto maior a razão garganta: cubo (T:H), maior será a passagem de água.

[006] Pás rotoras, frequentemente, são feitas de aço inoxidável, e proveem resistência à corrosão e cavitação, mas aço inoxidável é um material caro. Quando o cubo é fundido integrado às pás rotoras o cubo também resulta de aço inoxidável. Se as pás rotoras não forem formadas integradas com o cubo, o cubo pode ser feito de um material diferente mais barato, tal como aço baixo carbono, por ser menos exposto à cavitação que as pás. Cubos de aço carbono são pintados com vista à resistência à corrosão.

[007] Um tipo de pá rotora comum é uma pá tipo hélice, parafusada ao cubo. Este tipo de pá rotora tem uma base circular 20 parafusada a um conjunto circular recessado 22 no lado do cubo, como na Figura 1. O fundo da base tem uma superfície de montagem tipicamente plana e geralmente perpendicular ao eixo da pá rotora.

[008] A Figura 2 ilustra outra turbina hidráulica convencional 26 tendo pás rotoras 28 afixadas a um cubo cônico 30. Cada pá rotora é fundida em um segmento de cubo 30. Os segmentos de cubo com pás são arranjados em um arranjo anular e presos com anéis contraíveis 32.

[009] A água flui radialmente para dentro em direção à turbina hidráulica 26, e sendo descarregada axialmente no sentido descendente. A turbina 26 é uma turbina de pá de hélice diagonal, em razão de a água passar diagonalmente através das pás rotoras. A câmara 34 se estende cilindricamente em torno das pontas das pás rotoras. O cubo cônico 30 é montado em uma capa de cabeça 36. O eixo 38 é conectado ao cubo 30, se estendendo através da capa de cabeça, e conectado a um gerador elétrico.

[0010] A Figura 3 ilustra uma turbina hidráulica convencional exemplar 40. Pás rotoras tipo hélice 42 e cubo 44 são formados em uma fundição integrada. A turbina hidráulica 40 é uma turbina tipo axial, arranjada em uma câmara similar à câmara 12 da turbina hidráulica 26 mostrada na Figura 2.

[0011] As turbinas hidráulicas mostradas nas Figuras 1 a 3 ilustram conexões convencionais entre pás rotoras e cubos. Como mostrado nestas figuras, as pás rotoras podem ser fundidas integradas com o cubo, soldadas ao cubo, conectadas por anéis contraíveis ou parafusadas ao cubo. Fundição integrada, soldagem ou aplicações de anéis contraíveis são etapas de fabricação e montagem no local de fabricação da turbina hidráulica. A turbina hidráulica é transportada com as pás montadas no cubo para a barragem onde será instalada. No entanto, trata-se de uma condição difícil, se a turbina for muito grande para ser transportada do local de fabricação para a barragem, ou para onde a turbina hidráulica deve ser instalada.

[0012] Uma vantagem provida pelo para fixação com parafusos das pás rotoras no cubo reside no fato de uma ou mais pás poderem ser afixadas ao cubo na barragem ou em outro local de instalação. Transportar apenas o cubo da turbina, ou um cubo de turbina com apenas algumas pás, reduz os custos de transporte e dificuldades. Parafusar as pás rotoras no cubo no local da instalação reduz custos de transporte e reduz as dificuldades associadas ao transporte de uma grande turbina hidráulica. Similarmente à fixação com parafusos das pás ao cubo, as pás rotoras também podem ser soldadas ou fixadas por anéis contraíveis no próprio local da instalação. A aplicação de anéis contraíveis ou fixação por parafuso ou solda das pás rotoras aos cubos provê reduz custos e dificuldades de transporte de turbinas.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0013] Um sistema de montagem de pá rotora foi concebido para fixar pás rotoras, especificamente pás tipo hélice, a um cubo. As pás rotoras podem incluir uma longa base estreita, assentada sobre uma superfície de montagem recessada no lado de um cubo cônico. A base das pás rotoras tem superfícies de montagem escalonadas e conformadas para confinar as superfícies de montagem no cubo.

[0014] As superfícies de montagem escalonadas permitem que a base se conforme à conicidade do cubo. Cada degrau desloca uma ou mais das superfícies de montagem radialmente para dentro ao longo da direção a jusante. Similarmente, as superfícies de montagem no cubo formam um degrau radialmente para dentro na direção a jusante. Como os degraus deslocam as superfícies de montagem radialmente para dentro com a conicidade do cubo, as superfícies de montagem podem se estender ao longo do cubo além do que é provido através de superfícies de montagem convencionais, não escalonadas.

[0015] O sistema de montagem com superfícies de montagem escalonadas pode ser usado para vários tipos de turbinas hidráulicas de pás rotoras - tipo hélice axial e diagonal - e outras turbinas de pá fixa. O sistema de montagem é particularmente vantajoso para turbinas diagonais e quando se deseja reduzir a razão garganta: cubo (T/H).

[0016] Adicionar superfícies de montagem escalonadas a um cubo cônico aumenta a liberdade de projeto, porque arranjo de pás rotoras e o arranjo de parafusos que prende as pás rotoras ao cubo. Por exemplo, superfícies de montagem escalonadas permitem que a base da pá rotora seja estreita e longa, de modo a se estender axialmente ao longo da toda ou quase toda extensão do cubo. As superfícies de montagem escalonadas também permitem que a base se conforme melhor à raiz comprida da pá. A superfície de montagem escalonada também provê uma área relativamente grande de contato de superfície, entre a base e as superfícies de montagem recessadas no cubo. Uma grande área de superfície de contato permite otimizar o arranjo de parafusos para suportar forças de carregamento.

[0017] As superfícies de montagem escalonadas podem ser usadas para cubos de diâmetro menor de turbinas hidráulicas. O cubo pode ter um diâmetro menor, porque as superfícies de montagem escalonadas permitem que a base da pá rotora seja mais estreita, que reduz a largura das superfícies de montagem recessadas no cubo. O cubo pode ter um diâmetro menor, porque os recessos de montagem são relativamente estreitos, e se ajustam ao cubo de diâmetro menor.

[0018] A redução do diâmetro do cubo provê uma grande passagem de água pela garganta. Cubos convencionais tendem a ter um diâmetro maior para acomodar superfícies de flange largas, que suportam a base das pás rotoras.

[0019] O sistema de montagem escalonado pode ser usado em novos sistemas de turbina hidráulica e também quando da atualização de sistemas de turbina hidráulica existentes. Em adição a permitir cubos menores e arranjo de parafuso otimizado, o sistema de montagem escalonado facilita o transporte do cubo e pás de rotor para a barragem para instalação. Uma ou mais pás rotoras podem ser transportadas desmontadas do cubo para reduzir dificuldades do transporte, que, de outro modo, existiriam no transporte de uma turbina hidráulica completa, com todas as pás afixadas. As pás podem ser parafusadas no cubo na própria barragem, na instalação da turbina na barragem.

[0020] O arranjo mecânico de superfícies de montagem ao longo de direção axial provê uma liberdade maior para o projeto da pá rotora e arranjo de parafusos que fixa a base da pá ao cubo. Por exemplo, o arranjo de superfícies de montagem escalonadas provê bases mais extensas para pás rotoras e cubos mais estreitos. A redução do diâmetro do cubo reduz a razão entre o diâmetro de cubo e diâmetro de garganta, que aumenta a área de seção transversal para a passagem de fluxo de água, sem, contudo, mudar o diâmetro da garganta.

[0021] Um aumento na área de seção transversal da passagem de fluxo de água aumenta substancialmente as taxas do fluxo de água que passa através da passagem de fluxo de água. Um aumento na taxa do fluxo de água provê um correspondente aumento na energia gerada pela turbina hidráulica. Ademais, o diâmetro da garganta é tipicamente fixo para uma instalação de turbina hidráulica e proporcional ao custo da turbina em uma instalação. O aumento da área de seção transversal da passagem de fluxo de água sem aumentar o diâmetro da garganta provê um significativo aumento de energia gerada pela instalação da turbina hidráulica, sem incorrer nos custos associados à expansão do diâmetro da garganta.

[0022] As superfícies de montagem escalonadas na base de uma pá rotora podem ter a dimensão do comprimento alinhada com o eixo do cubo, que permite que o comprimento da base seja substancialmente maior que a largura. As superfícies de montagem escalonadas também permitem que a base seja montada em uma superfície externa inclinada ou cônica do cubo. Ademais, as superfícies de montagem escalonadas proveem a liberdade de conectar parafusos na base das pás rotoras. O arranjo de parafusos pode ser provido, por exemplo, de modo a aumentar a quantidade de parafusos nas regiões submetidas a altas cargas.

[0023] O conjunto de turbina hidráulica foi concebido compreendendo: um cubo configurado para girar em torno de um eixo central e ser montado em uma passagem de água, onde o cubo inclui uma extremidade a montante, uma extremidade a jusante, e uma superfície externa entre a extremidade a montante e a extremidade a jusante, e ainda o cubo inclui pelo menos três recessos de montagem arranjados na superfície externa, e os recessos de montagem incluem uma primeira superfície de montagem de cubo e segunda superfície de montagem de cubo, onde a segunda superfície de montagem de cubo é disposta a jusante e radialmente para dentro da primeira superfície de montagem de cubo, e pelo menos três lâminas rotoras, cada uma delas configurada para assentar em um dos recessos de montagem, tendo uma base configurada para assentar em um dos recessos de montagem, onde a base inclui uma primeira superfície de montagem de pá adaptada para confinar a primeira superfície de montagem de cubo, e uma segunda superfície de montagem de pá adaptada para confinar a segunda superfície de montagem de cubo. Os pelo menos três recessos de montagem são arranjados simetricamente em torno do eixo central.

[0024] O recesso de montagem no cubo pode ter um eixo longitudinal paralelo ao eixo longitudinal. Cada uma das primeira e segunda superfícies de montagem de cubo pode formar um degrau em um arranjo de degrau de escada, onde um riser se estende entre cada par de superfícies de montagem. O riser pode ser perpendicular ao eixo central e às primeira e segunda superfícies de montagem de cubo. Ainda, as primeira e segunda superfícies de montagem de cubo podem ser planas, assim como as primeira e segunda superfícies de montagem de pá.

[0025] A base da pá rotora pode incluir uma chaveta central assentada em uma ranhura de chaveta de um recesso de montagem no cubo. A chaveta pode ser uma coluna que se estende radialmente para dentro do fundo da base da pá rotora. A chaveta é configurada para assentar em uma ranhura de chaveta do recesso de montagem na base. A ranhura de chaveta pode ser adjacente às primeira e segunda superfícies de montagem de cubo da pá rotora.

[0026] Um método foi concebido para instalar uma turbina hidráulica de substituição, o método compreendendo: remover a turbina existente da passagem de água, substituir um cubo estreito com diâmetro mais estreito que o cubo existente para a turbina hidráulica existente, onde o cubo estreito inclui extremidade a montante, extremidade a jusante, e uma superfície externa entre a extremidade a montante e a extremidade a jusante, e o cubo estreito incluindo pelo menos três recessos de montagem, arranjados na superfície externa, onde cada um deles inclui uma primeira superfície de montagem de cubo e uma segunda superfície de montagem de cubo, onde a segunda superfície de montagem de cubo é disposta a jusante e radialmente para dentro da primeira superfície de montagem de cubo; montar três pás rotoras, cada uma delas no correspondente recesso de montagem, onde cada das pás rotoras compreende uma base incluindo uma primeira superfície de montagem de pá, que topa a primeira superfície de montagem de cubo, e uma segunda superfície de montagem de pá, que topa a segunda superfície de montagem de cubo, e montar o cubo estreito com as pás rotoras montadas na passagem de água.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0027] As Figuras 1 a 3 são vistas laterais mostradas parcialmente em seção transversal de turbinas hidráulicas para geração de energia hidroelétrica;

[0028] A Figura 4 é uma vista lateral mostrada parcialmente em seção transversal de uma turbina hidráulica tendo superfícies de montagem escalonadas nas pás, e correspondentes superfícies de montagem em recessos no cubo;

[0029] As Figuras 5 a 8 são vistas em perspectiva de uma turbina hidráulica exemplar tendo uma base com superfícies de montagem escalonadas;

[0030] A Figura 9 é uma vista em perspectiva de um cubo exemplar tendo recessos com superfícies de montagem escalonadas, para receber as superfícies de montagem da base da pá mostrada nas Figuras 5 a 8;

[0031] As Figuras 10 a 12 são vistas de uma pá rotora e conjunto de cubo, mostradas parcialmente em seção transversal;

[0032] A Figura 13 é uma vista em perspectiva de uma porção de pá rotora hidráulica tendo um desenho básico alternativo;

[0033] A Figura 14 é uma vista em perspectiva de uma porção de cubo com um recesso de montagem para receber a base alternativa da pá mostrada na Figura 13;

[0034] A Figura 15 é uma vista em perspectiva de uma porção de um cubo do interior oco de um conjunto de pá e cubo, parcialmente em seção transversal; e

[0035] A Figura 16 é uma vista em perspectiva de um conjunto cubo e pá sendo transportado sobre uma plataforma acoplada a um cavalo mecânico ou veículo motorizado.

DESCRIÇÃO DETALHADA DOS DESENHOS

[0036] A Figura 4 é uma vista lateral de uma turbina hidráulica 50, na qual uma porção de pás rotoras 52 e cubo 54 estão seccionadas para mostrar as superfícies de montagem escalonadas 56, 58 no cubo que recebem superfícies de montagem similares na superfície interna radialmente interna da base e pá rotora. O cubo é afixado a um eixo vertical 60, que pode mover o rotor de um gerador elétrico. A turbina hidráulica 50 é montada em uma câmara anular, tal como mostrado nas Figuras 1 a 3, que pode ser provida na parede de uma barragem.

[0037] O cubo não é integrado com as pás rotoras. Assim, o cubo pode ser feito de aço carbono ou outro material adequado. As porções podem ser feitas de aço inoxidável ou de outro material que apresente uma boa proteção a corrosão, e suporte a cavitação provocada pela água que flui através das pás rotoras.

[0038] Cada pá rotora 52 tem uma base 64 e região de pá 63, e.g., uma pá de hélice. A raiz 62 de cada região de pá 63 é integrada com a base 64 ou afixada à mesma. A base 64 suporta e fixa a pá rotora ao cubo 54. A base transfere as forças da região da pá 63 para o cubo. Estas forças incluem forças de torção exercidas pelo fluxo de água sobre as pás.

[0039] A base 64 inclui superfícies de montagem de pá voltadas radialmente para dentro 68, 70. Estas superfícies podem ser geralmente planas e paralelas ao eixo 71 do cubo 54. As superfícies de montagem 68, 70 são escalonadas, de modo que a superfície de montagem superior 68 seja disposta radialmente externa à superfície de montagem inferior 70. A posição radial de cada uma das superfícies de montagem é provida com respeito ao eixo 71 do cubo. A superfície de montagem superior é alinhada com uma porção do cubo 54, tendo um diâmetro maior que o diâmetro da porção do cubo alinhada com a superfície de montagem inferior. Um riser 73 da base se estende entre as superfícies de montagem 68, 70.

[0040] As superfícies de montagem 68, 70 permitem que a base 64 da pá rotora se ajuste à conicidade do cubo 44. Escalonar as superfícies de montagem radialmente para dentro na direção para baixo, a base pode ser estendida ainda ao longo do comprimento do cubo cônico. Sem os degraus nas superfícies de montagem, a base teria uma única superfície de montagem paralela ao eixo do eixo. Uma base tendo uma superfície inteiramente reta não se ajusta a um cubo inclinado, e não provê liberdade de projeto para estender a base ao longo do comprimento do cubo.

[0041] A base 64 com superfícies de montagem escalonadas 68, 70 pode se estender ao longo de mais da metade do comprimento do cubo, como mostrado na Figura 4. Comprimento, largura, e forma da base 64 são parâmetros para a pá rotora e cubo. O escalonamento das superfícies de montagem 68, 70, estende a faixa de comprimentos disponíveis para a base. O aumento nos comprimentos de base disponíveis também provê mais liberdade de projeto para outros parâmetros, tal como largura e forma da base e arranjo dos furos para os parafusos que conectam a base ao cubo. Por exemplo, o aumento do comprimento da base da pá rotora provê uma base mais estreita, porque a área de contato necessária pode ter um comprimento muito maior que sua largura.

[0042] As superfícies de montagem 68, 70, nesta configuração, são paralelas ao eixo do cubo 71 devido às forças centrífugas que atuam radialmente sobre o cubo e pás. Os parafusos 72 que fixam a base ao cubo se estendem radialmente, de modo que as forças centrífugas primariamente tencionem os parafusos. Momentos de curvamento, forças de cisalhamento e torsionais são outras forças aplicadas aos parafusos e base. Os parafusos e área superficial das superfícies de montagem devem ter dimensão suficiente para suportar forças de curvamento, torção, e cisalhamento, aplicadas aos parafusos e interface entre base e cubo.

[0043] As superfícies de montagem de pá 68, 70 na base assentam sobre as superfícies escalonadas de montagem de cubo 56, 58 recessadas no cubo. As superfícies de montagem de cubo 56, 58 podem estar em um recesso 66 no cubo, como mostrado na Figura 4. O cubo pode ter um recesso 66, que corresponde à base de cada pá rotora. Cada recesso 66 pode ter um perímetro que se ajusta ao perímetro da base 64 da pá rotora.

[0044] As superfícies de montagem de cubo 56, 58 podem ter aberturas para receber o eixo dos parafusos ou hastes roscadas 72 que se estendem radialmente a partir das superfícies de montagem de cubo, e para dentro da base da pá rotora. Uma cabeça de parafuso ou porca pode ser afixada a uma extremidade radialmente interna da haste 72, e fixar o eixo à parte interna do cubo oco.

[0045] O cubo oco 44 pode incluir uma câmara central 75, alinhada com o eixo do cubo 71. A câmara central 75 é o interior oco do cubo, e provê acesso para inserir os parafusos 72, que fixam a base das pás rotoras ao cubo. A figura 4 mostra as cabeças ou porcas dos parafusos 72 arranjadas em uma parede lateral interna da câmara 75. A parede lateral interna da câmara pode ser escalonada para se conformar aos degraus 56, 58 nos recessos 66 da superfície externa do cubo. Os correspondentes degraus na parede lateral interna da câmara 75 e recesso 66 podem ser providos de modo que a espessura do cubo entre as superfícies de montagem escalonadas 56, 58 e a parede lateral interna da câmara se mantenha substancialmente constante.

[0046] Uma chaveta 77 na base de cada pá rotora pode se projetar radialmente para dentro da base para uma ranhura de chaveta ou furo 79 no correspondente recesso de cubo 66. A chaveta pode ter uma forma de seção transversal retangular trapezoidal de autódromo, oval, ou qualquer outra forma. A ranhura ou furo de chaveta tem uma forma de seção transversal correspondente à seção transversal da chaveta. A chaveta assenta na ranhura ou furo de chaveta, quando a base da pá rotora é inserida no recesso 66 do cubo. O assentamento da chaveta 77 na ranhura ou furo de chaveta 79 provê suporte à pá rotora, especialmente suporte da carga de torção da pá rotora provocada pelo fluxo de água que passa através da pá.

[0047] Pinos de cisalhamento (não mostrados) podem ser substituídos pela chaveta 77, ou provendo um suporte suplementar ao suporte provido pela chaveta 77. Os pinos de cisalhamento podem se estender radialmente com respeito ao eixo 71 e assentar nos correspondentes recessos na base da pá rotora e recesso do cubo.

[0048] A Figura 5 é uma vista de cima para baixo de uma pá rotora 52, da qual a porção de ponta da porção de pá foi removida e mostrada em seção transversal, para mais bem ilustrar a raiz 62 e base 64. A raiz 62 da porção de pá rotora é afixada a uma superfície superior da base 64, tal como, por solda, fundição, ou parafusos. A raiz 62 pode se estender substancialmente ao longo de todo comprimento da base. A raiz e porção de pá podem ser inclinadas na base, como mostrado exemplarmente na Figura 5. A borda frontal da porção de pá pode ser deslocada para esquerda, por exemplo, da base, e a borda traseira pode ser deslocada para direita da base.

[0049] A base 64 da pá rotora pode ser geralmente retangular ou trapezoidal, como na Figura 5. Os vértices superiores 74 da base podem ser arredondados, enquanto o vértice inferior 76 pode ter um vértice relativamente agudo de 90°.

[0050] A Figura 6 é uma vista lateral da pá rotora 52. A superfície superior 86 da base 64 pode ser inclinada para se ajustar à conicidade do cubo. A espessura da base na direção radial varia com os degraus formados pelas três superfícies de montagem 80, 82, 84. Como mostrado na Figura 6, a borda traseira da porção de pá 63 pode se estender além da extremidade inferior da base 64.

[0051] As superfícies de montagem 80, 82, 84 podem ter comprimentos irregulares, e os comprimentos de cada superfície podem ser baseados em uma seleção de projeto para determinar a montagem das pás rotoras ao cubo. Os risers 87 na borda dianteira de cada superfície de montagem 80, 82, 84, podem ter um comprimento radial selecionado no projeto de montagem das pás no cubo. Os risers podem ser planos e se ajustarem aos correspondentes risers nos recessos do cubo.

[0052] A Figura 7 é uma vista de borda dianteira 88 da porção de pá 53 da pá rotora 52. A porção de pá inclui uma borda traseira 90 e ponta 92. A base é afixada à raiz 82 da porção de pá. Um filete 94 pode se estender ao longo da borda externa da junta entre a base e raiz. A base pode ser soldada, ou de alguma forma afixada à raiz da pá. A raiz 62 pode se estender diagonalmente através da superfície superior 86 da base. Uma porção da base da raiz 62 pode se estender além da superfície superior da base.

[0053] As superfícies de montagem 80, 82, 84 podem ser paralelas entre si e ao eixo longitudinal paralelo do cubo. Os degraus de montagem podem não ser alinhados com uma superfície da porção de pá. As superfícies de montagem 80, 82, 84 são mostradas como degraus, tendo riser 87 entre cada superfície. Alternativamente, as superfícies de montagem podem ser inclinadas com respeito ao eixo do cubo, tal como uma única superfície geralmente paralela à conicidade do cubo.

[0054] A Figura 8 é uma vista de base das pás rotoras 52, que mostra as superfícies voltadas radialmente para dentro da base 64 e raiz 62. As superfícies de montagem 80, 82, 84 são mostradas tendo perímetros em forma retangular. As formas dos perímetros da montagem podem ser diferentes, tal como convexas ou côncavas, curvadas, ou triangulares, provido que a forma da(s) superfície(s) de montagem se ajuste(m) às superfícies de montagem opostas no cubo. As superfícies de montagem 80, 82, 84 podem ter placas ou flanges 96 incorporadas, cada uma delas tendo uma ou mais aberturas 98 para parafusos que fixam as pás 52 ao cubo.

[0055] A Figura 9 é uma vista lateral de outra configuração de um cubo cônico 100 incluindo recessos 102, para receber pás rotoras. O cubo tem uma extremidade a montante de diâmetro maior 104 e uma extremidade a jusante de diâmetro menor 106. O cubo pode ter uma seção transversal circular, exceto para os recessos. O cubo pode ser oco. A inclinação do cubo cônico pode ser linear, convexa, côncava, etc.. A inclinação do cubo pode se ajustar à inclinação da câmara anular da turbina na barragem. Os recessos 102 podem se estender ao longo da maior parte do comprimento do cubo, tal como mais que metade do comprimento do cubo, mais que três quartos do comprimento do cubo, e mais que quatro quintos do comprimento do cubo. Um cone traseiro (não ilustrado) pode ser afixado e.g., parafusado ou soldado à extremidade a jusante 106 do cubo.

[0056] Os recessos 102 no cubo podem ser alinhados (e.g., paralelos) ao eixo longitudinal 108 do cubo 100. O número de recessos pode se ajustar ao número de pás a ser afixado ao cubo. A forma de seção transversal de cada recesso 102 pode se ajustar à forma de seção transversal do perímetro da base de cada pá rotora.

[0057] Cada recesso 102 no cubo tem uma seção transversal que se ajusta geralmente à seção transversal da base de uma pá rotora. Cada um dos recessos pode ter a mesma forma de seção transversal e geometria interna. Alternativamente, cada um dos recessos pode ter uma forma de seção transversal ou geometria interna se ajustando às variações nas bases das pás rotoras. Por exemplo, cada um dos recessos pode ter uma forma em seção transversal que se ajusta a apenas uma das bases. Estas variações de forma do recesso podem ser usadas para garantir que cada pá rotora se ajuste ao recesso apropriado.

[0058] As superfícies de montagem de cubo 110, 112, 114 em cada recesso 102 se ajustam às superfícies de montagem de pá na base. As superfícies de montagem de cubo podem ser planas e paralelas ao eixo 108 do cubo. As superfícies de montagem de cubo 110, 112, 114 têm furos 116 através dos quais se estendem os eixos dos parafusos que fixam as porções ao cubo. As superfícies de montagem de cubo são escalonadas em sentido oposto aos degraus das superfícies de montagem nos dutos das pás. As superfícies de montagem de cubo topam as superfícies de montagem de pá para prover uma estrutura suporte segura e rígida pelo cubo para a pá rotora. Parafusos que se estendem nos furos 116 pressionam as superfícies de montagem de cubo contra as superfícies de montagem das pás.

[0059] O escalonamento as superfícies de montagem de cubo 110 permite que as superfícies de montagem se estendam uma grande parte do comprimento do cubo escalonado. À medida que aumenta o diâmetro do cubo, cada superfície de montagem de cubo sucessivo é escalonada radialmente para dentro. Os risers 118 entre as superfícies de montagem de cubo e o comprimento de cada superfície de montagem podem ser selecionados de acordo com a inclinação (conicidade) do cubo.

[0060] A Figura 10 mostra pás rotoras 120 afixadas a um cubo 10. Um dos recessos 102 no cubo é deixado aberto para propósito de ilustração. Os outros recessos de cubo são mostrados como bases de assentamento 122 de suas respectivas pás rotoras 122. A Figura 10 ilustra que, na porção dianteira da raiz, uma porção de pá de uma pá rotora pode se estender para fora da base e acima da superfície do cubo. A porção inferior da raiz se estende para fora da base e se ajusta à superfície externa do cubo. A superfície inferior da raiz da porção de pá pode confinar a superfície externa do cubo.

[0061] A Figura 11 é uma vista lateral em seção transversal do cubo 100 e pás rotoras 120. A Figura 11 mostra uma porção do cubo em seção transversal, para ilustrar o interior oco 122, incluindo paredes laterais internas planas 124 opostas às superfícies de montagem de cubo mostradas nas Figuras 9 e 10. As paredes laterais internas 124 podem ser escalonadas de maneira similar às superfícies de montagem de cubo. As paredes laterais internas também podem ser paralelas ao eixo 108 do cubo. Alternativamente, as paredes laterais internas podem ser inclinadas de maneira similar à inclinação do cubo, especialmente se o conjunto do cubo for cônico.

[0062] A Figura 12 é uma vista em seção transversal ampliada de uma região superior do conjunto do cubo 100 e pás rotoras 126. As paredes laterais internas 124 têm furos através dos quais se estendem eixo roscados 128 a partir da base 130 das pás rotoras. Os eixos roscados são assentados em furos roscados, que se estendem radialmente para dentro da base das pás rotoras. Os eixos se estendem da base para dentro do cubo e através das paredes laterais internas 124 da parte interna 122 do cubo. Porcas ou outros fixadores 132 são afixados às extremidades dos eixos para fixar a pá rotora ao cubo.

[0063] As superfícies de montagem 80, 82, 84 na base 130 da pá rotora, e.g., topam superfícies de montagem 110, 112 114 do cubo 10. Os eixos roscados 128 e fixadores 132 pressionam as superfícies de montagem da base contra as superfícies de montagem do cubo.

[0064] A Figura 13 mostra uma respectiva vista em perspectiva lateral de uma projeção 140 tendo uma base alternativa 142 com superfícies de montagem escalonadas 144, 146. As superfícies de montagem 144, 146 são arranjadas em torno de perímetro da chaveta central 148 que se estende radialmente para dentro a partir da base. A chaveta 148 pode ser uma seção elevada da base tendo uma seção transversal de autódromo. As superfícies de montagem 144, 146 podem ser seções em U que se estendem em torno da chaveta.

[0065] A Figura 14 é uma vista em perspectiva de uma porção de um cubo 150, que recebe a pá rotora 140 tendo a base com uma chaveta. O cubo 140 inclui recessos 152 com superfície de montagem de cubo 154, 156 que recebem superfícies de montagem 144, 146 da base da pá rotora. O recesso inclui uma abertura 158 ou recesso profundo no cubo para receber a chaveta da base. A abertura ou recesso profundo é ajustado à parede lateral da chaveta, e daí impedindo a rotação da projeção com respeito ao cubo.

[0066] A Figura 15 é uma vista em seção transversal de um interior oco do cubo 150, que ilustra a chaveta 148 de uma pá rotora 140 assentada no recesso ou abertura profunda 158 do cubo. Os furos fixadores 160 nas paredes laterais do cubo proveem que conjuntos de eixo e porca 162 fixem as pás rotoras no cubo.

[0067] A Figura 16 ilustra um cubo 170 com algumas pás rotoras 172 - mas nem todas elas - afixadas ao cubo. Como nem todas as pás rotoras estão afixadas, o conjunto cubo-turbina pode ser montado e transportado sobre uma plataforma de cavalo mecânico 174. As pás rotoras remanescentes podem ser transportadas separadas e serem afixadas ao cubo na barragem.

[0068] Conquanto eixos e porcas tenham sido mostradas fixando a pá ao cubo, a base da projeção também pode ser soldada ou de alguma forma fixada ao cubo sem usar hastes roscadas e porcas.

[0069] O número, tamanho, e forma das pás rotoras em um cubo dependem do projeto hidráulico da turbina. O número de pás rotoras é pelo menos três, em todas as configurações descritas nesta. As pás podem ser arranjadas para extrair o máximo de energia do fluxo de água que passa na turbina. A carga de força que resulta do fluxo de água e a energia extraída pela turbina são transmitidas pelas pás rotoras através da base ao cubo. Um contribuinte de carga é a gravidade que gera uma força descendente sobre a base e cubo com o peso das pás rotoras. Outro contribuinte de carga é a diferença de pressão de água entre a porção a montante e porção a jusante da turbina. Na operação da turbina, o fluxo de água aplica uma força tangencial às pás rotoras, que é transmitida através da base ao cubo. Em adição, uma força rotacional (e.g., uma força centrífuga) é provida pela rotação das pás rotoras e cubo. O projetista da pá rotora deve levar em conta estas forças e cargas no projeto de pás rotoras e cubos.

[0070] Conquanto a presente invenção tenha sido descrita em conexão com o que se considera presentemente a configuração mais prática e preferida, deve ser entendido que a mesma não se limita à configuração descrita, mas, ao invés, pretende cobrir várias modificações e arranjos equivalentes incluídas no espírito e escopo das reivindicações anexas.

Claims

1. Conjunto de turbina hidráulica, caracterizado pelo fato de que compreende: um cubo (54) configurado para girar em torno de um eixo central e configurado para ser montado em uma passagem de água, em que o cubo (54) inclui uma extremidade a montante, uma extremidade a jusante (106), e uma superfície externa entre a extremidade a montante e a extremidade a jusante (106), e o cubo (54) incluindo pelo menos três recessos de montagem, em que cada um dos recessos de montagem inclui uma primeira superfície de montagem de cubo e uma segunda superfície de montagem de cubo, e em que a segunda superfície de montagem de cubo é disposta a jusante e radialmente para dentro da primeira superfície de montagem de cubo, e pelo menos três pás rotoras (52), cada uma delas incluindo uma base (64) configurada para assentar em um respectivo recesso dos recessos de montagem, em que a base (64) inclui uma primeira superfície de montagem de pá configurada para fixar mecanicamente a primeira superfície de montagem de cubo, e uma segunda superfície de montagem de pá configurada para fixar mecanicamente a segunda superfície de montagem de cubo, em que um riser (73) se estende entre a primeira superfície de montagem de cubo para a segunda superfície de montagem de cubo.

2. Conjunto de turbina hidráulica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende uma terceira superfície de montagem de cubo radialmente para dentro e disposta a jusante da segunda superfície de montagem de cubo, em que um segundo riser (73) se estende entre a segunda superfície de montagem de cubo e a terceira superfície de montagem de cubo e uma terceira superfície de montagem de pá é configurada para fixar mecanicamente a terceira superfície de montagem de cubo.

3. Conjunto de turbina hidráulica, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que cada um dos três recessos de montagem inclui um eixo longitudinal paralelo ao eixo central e às primeira e segunda superfícies de montagem de cubo paralelas ao eixo central.

4. Conjunto de turbina hidráulica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que um riser (73) é perpendicular ao eixo central e às primeira e segunda superfícies de montagem de cubo.

5. Conjunto de turbina hidráulica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que as primeira e segunda superfícies de montagem de cubo são planas, e as primeira e segunda superfícies de montagem de pá são planas.

6. Conjunto de turbina hidráulica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a base (64) para cada uma das pás rotoras (52) inclui uma chaveta, e de cada um dos recessos de montagem inclui uma ranhura de chaveta (79), em que a chaveta se assenta na ranhura de chaveta (79) quando a base (64) estiver assentada em um dos recessos de montagem.

7. Conjunto de turbina hidráulica, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a ranhura de chaveta (79) é uma região central elevada e adjacente às primeira e segunda superfícies de montagem de cubo.

8. Conjunto de turbina hidráulica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a base (64) de cada uma das pás rotoras (52) inclui uma superfície superior afixada à raiz da pá do rotor (52), e de a superfície superior ser oblíqua em relação a cada uma das superfícies de montagem de pá.

9. Conjunto de turbina hidráulica, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a superfície superior da base (64) é alinhada com a superfície externa do cubo (54), enquanto a base (64) da correspondente pá rotora (52) é assentada no recesso de montagem.

10. Conjunto de turbina hidráulica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que os pelo menos três recessos de montagem serem simetricamente arranjados no cubo (54) em torno do eixo central.

11. Método para instalar uma turbina hidráulica substituta, o método caracterizado pelo fato de que compreende: retirar a turbina hidráulica (50) existente de uma passagem de água; substituir um cubo (54) existente na turbina hidráulica (50) existente com um cubo (54) estreito de diâmetro mais estreito que do cubo (54) existente, em que o cubo (54) estreito inclui uma extremidade a montante, uma extremidade a jusante (106), e uma superfície externa entre a extremidade a montante e a extremidade a jusante (106), em que o cubo (54) estreito inclui pelo menos três recessos de montagem, em que cada um dos recessos de montagem inclui uma primeira superfície de montagem de cubo e uma segunda superfície de montagem de cubo, em que a segunda superfície de montagem de cubo é disposta a jusante e radialmente para dentro da primeira superfície de montagem de cubo, e em que um riser (73) se estende entre a primeira superfície de montagem de cubo até a segunda superfície de montagem de cubo; montar cada uma das três pás rotoras (52) em um recesso correspondente dos recessos de montagem, em que cada uma das pás rotoras (52) compreende uma base (64) incluindo uma primeira superfície de montagem de pá configurada para fixar mecanicamente a primeira superfície de montagem de cubo e uma segunda superfície de montagem de pá configurada para fixar mecanicamente a segunda superfície de montagem de cubo; e colocar o cubo estreito (54) tendo as pás rotoras (52) montadas, na passagem de água.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a passagem de cubo ser definida por um alojamento anular de diâmetro fixo, em que o diâmetro fixo se mantém constante durante as etapas de remoção, substituição, e colocação, e em que a área de passagem de fluxo entre o alojamento anular e o cubo original (54) é menor que uma área de passagem de fluxo entre o alojamento anular e o cubo estreito (54).

13. Método, de acordo com a reivindicação 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que cada um dos recessos de montagem do cubo estreito (54) incluir uma terceira superfície de montagem de cubo radialmente para dentro e disposta a jusante da segunda superfície de montagem de cubo, em que um segundo riser (73) se estende entre a segunda superfície de montagem de cubo e a terceira superfície de montagem de cubo e em que a base (64) de cada uma das pás rotoras (52) incluir uma terceira superfície de montagem de pá configurada para fixar mecanicamente a terceira superfície de montagem de cubo.

14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13, caracterizado pelo fato de que cada um dos três recessos de montagem ter um eixo longitudinal disposto paralelo a um eixo de rotação vertical do cubo estreito (54) e as primeira e segunda superfícies de montagem de cubo serem paralelas ao eixo rotacional vertical.

15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 14, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma das pás rotoras (52) ser montada no cubo estreito em um local próximo da passagem de água.