BR112017010541B1

BR112017010541B1 - Turbomáquina hidráulica

Info

Publication number: BR112017010541B1
Application number: BR112017010541-1A
Authority: BR
Inventors: Thomas Popelka; Martin Schabasser
Original assignee: Voith Patent Gmbh
Priority date: 2014-12-01
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2022-01-25
Also published as: DE102014224480B3; CN107002627A; CA2969485A1; CN107002627B; EP3227550A1; US20170260959A1; BR112017010541A2; WO2016087135A1; EP3227550B1; CA2969485C

Abstract

A invenção refere-se a uma turbomáquina hidráulica com uma roda impulsora admitida com água, com um aparelho de guia com uma infinidade de palhetas de guia, o qual compreende um anel de regulagem para o giro das palhetas de guia, e com pelo menos um servomotor hidráulico, sendo que, o pelo menos um servomotor é executado com vários estágios, sendo que, as carcaças dos estágios estão ligadas fixamente entre si, e os pistões dos estágios atuam em conjunto somente em uma área parcial de toda a área de regulagem.

Description

[001] A invenção refere-se a uma turbomáquina hidráulica, em particular, para uma turbina de água, turbina de bombear ou bomba. Neste caso, pode se tratar de máquinas do tipo de construção do tipo Francis ou do tipo Kaplan ou de outras máquinas. Essencial é que se trata de máquinas com um aparelho de guia.

[002] Como exemplo é remetido ao documento de patente ameri cano US1706372.

[003] O aparelho de guia de uma turbomáquina hidráulica desse tipo compreende uma infinidade de palhetas de guia, as quais envolvem a roda impulsora. As palhetas de guia individuais estão apoiadas podendo girar e podem ser giradas respectivamente em torno de um eixo, que passa paralelo ao eixo da roda impulsora. Dessa forma a passagem de água através da turbomáquina hidráulica pode ser regulada. Neste caso, as palhetas de guia podem ser fixadas por meio de alavancas e guidões em um anel de regulagem. O anel de regulagem está apoiado podendo girar de modo concêntrico em relação ao eixo da roda impulsora. Se o anel de regulagem for girado, então as palhetas de guia são giradas em torno de seu respectivo eixo de rotação. A rotação do anel de regulagem é realizada com pelo menos um servomotor hidráulico, o qual está fixado entre o anel de regulagem e uma parte da carcaça estacionária, de tal modo que o anel de regulagem é girado quando o pistão do servomotor é movimentado.

[004] Uma vez que para o movimento, em função do estado de operação, forças consideráveis têm que ser aplicadas, os servomoto- res hidráulicos, em geral, são muito grandes e com isso também caros. Além disso, como fluido hidráulico em geral é empregado óleo mineral. Em virtude do tamanho dos servomotores é necessária uma quantidade de óleo hidráulico considerável para a operação. No caso de falha esse óleo pode levar a uma poluição ambiental.

[005] À invenção cabe a tarefa de configurar uma turbomáquina hidráulica do tipo mencionado no início, de tal modo que os custos de fabricação sejam reduzidos e o risco ambiental através de uma saída de óleo indesejada seja reduzido. Essa meta é alcançada pelo fato de que por meio do dispositivo de acordo com a invenção, por um lado, o servomotor pode ser executado menor e, por outro lado, que a quantidade de óleo necessária é reduzida, razão pela qual no caso de dano o risco ambiental é reduzido. Proporcional à quantidade de óleo necessária, os custos para o sistema de óleo também se reduzem (por exemplo, no reservatório de óleo ou no reservatório de ar).

[006] Os inventores reconheceram que o tamanho dos servomo-tores empregados para a regulagem do anel de regulagem é definido pelo máximo momento que surge na palheta de guia. Esse momento define o diâmetro ou a superfície do pistão dos servomotores. A superfície do pistão dos servomotores tem que ser tão grande que eles possam aplicar esse momento com pressão mínima dada do fluido hidráulico. Além disso, eles reconheceram que esse momento máximo surge somente em uma extremidade do trajeto de regulagem do anel de re- gulagem.

[007] Esse fato e a solução de acordo com a invenção devem ser esclarecidos agora com auxílio das figuras.

[008] São mostrados: Na figura 1 um servomotor hidráulico para o giro de um anel de regulagem de uma máquina hidráulica de acordo com o estado da técnica; Na figura 2 um servomotor hidráulico de acordo com a invenção para o giro de um anel de regulagem de uma máquina hidráulica na primeira posição final; Na figura 3 um servomotor hidráulico de acordo com a in- venção para o giro de um anel de regulagem de uma máquina hidráulica em uma posição central; Na figura 4 um servomotor hidráulico de acordo com a invenção para o giro de um anel de regulagem de uma máquina hidráulica na segunda posição final; Na figura 5 um servomotor hidráulico de acordo com a invenção em uma outra forma de execução.

[009] A figura 1 mostra um corte através de um servomotor, como o que se encontra em uma máquina hidráulica de acordo com o estado da técnica. O servomotor apresenta uma carcaça cilíndrica 10, na qual se encontra um pistão 11 com uma haste 12 ligada com o pistão 11 com união devido à forma. Neste caso, o pistão 11 e a haste 12 são colocados dentro da carcaça 10 podendo deslizar livremente. O pistão 11 fecha na circunferência vedando com a carcaça, de tal modo que dentro da carcaça surgem duas câmaras, as quais podem ser preenchidas respectivamente com fluido hidráulico que está sob pressão. De forma conhecida, com auxílio do fluido hidráulico o pistão 11 com a haste 12 podem ser movimentados de um lado para o outro.

[010] Neste caso, dentro da máquina hidráulica o servomotor é colocado entre o anel de regulagem e a carcaça estacionária da máquina, de tal modo que através de um deslocamento do pistão 11 o anel de regulagem pode ser girado. Isto, no entanto, não está representado na figura 1.

[011] Com pressão máxima dada do fluido hidráulico empregado, o momento máximo que pode ser transmitido pelo servomotor para o anel de regulagem é proporcional à superfície do pistão 11, de tal modo que como já foi descrito, a carcaça cilíndrica do servomotor pode ser dimensionada correspondente ao momento máximo necessário. De modo correspondente, então são grandes também o volume do servomotor e por conseguinte, também a quantidade do óleo hidráulico necessário.

[012] A ideia da invenção agora consiste no fato de executar o servomotor de forma particularmente apropriada com vários estágios, sendo que, para a área de operação, na qual é necessário somente um momento pequeno é empregado somente um estágio do servomotor, e nas áreas de operação, que necessitam um momento mais alto são acrescentados os outros estágios sucessivos. Em princípio, a execução dos outros estágios é independente do estágio principal, isto é, pressão de trabalho e diâmetro não estão ligados ao estágio principal.

[013] O caso é particularmente simples, quando a área de opera ção toda decai somente em duas áreas parciais. De acordo com a invenção esse é o caso normal em muitas máquinas hidráulicas. Muitas vezes há uma grande área que exige somente um momento relativamente pequeno, e uma área menor na qual é necessário um momento até duas vezes mais alto. Os termos "grande" e "pequeno" na frase anterior referem-se neste caso, aos trajetos de regulagem do servomotor a serem vencidos nas áreas mencionadas.

[014] Para o caso mencionado no último parágrado o servomotor de acordo com a invenção é executado com vários estágios. Uma forma de execução possível está representada no corte na figura 2. O servomotor de acordo com a invenção apresenta duas partes da carcaça 20 e 30 ligadas entre si, as quais compreendem respectivamente um pistão 21 e 31 e respectivamente uma haste 22 e 32 ligada com o respectivo pistão com união devido à forma. Neste caso, a carcaça esquerda 20 é mais longa do que a carcaça direita 30. Como ainda será descrito mais abaixo, o comprimento da carcaça corresponde aos trajetos de regulagem de tamanhos diferentes nas duas faixas de ajuste operacional. O servomotor de acordo com a invenção representado na figura 2 encontra-se em uma posição, na qual a haste 22 que se projeta para fora da carcaça total é retraída o mais possível, o que cor- responde a uma extremidade da faixa de operação. Se agora as duas câmaras que ficam respectivamente à direita do pistão 21 e 31 da carcaça parcial 20 e 30 forem preenchidas com fluido hidráulico que está sob pressão apropriada, então os pistões 21 e 31 vão se movimentar respectivamente para a esquerda, e a haste 22 vai se movimentar para fora da carcaça total. Neste caso, os pistões 21 e 31 atuam em conjunto, isto é, as forças aplicadas pelos dois se somam, e correspondentemente alto é o momento transmitido para o anel de re- gulagem. O momento máximo, que pode ser aplicado dessa forma é proporcional em soma à superfície dos pistões 21 e 31 que atua hi-draulicamente.

[015] Na figura 3 está representado o servomotor de acordo com a invenção da figura 2 em uma outra posição. As partes são as mesmas como na figura 2 e os números de referência foram omitidos para maior clareza. O estágio do servomotor constituído da parte da carcaça 30, do pistão 31 e da haste 32 está completamente estendido, isto é, o pistão 31 se encontra agora totalmente no lado esquerdo da carcaça parcial 30. Os pistões 21 e 31 atuam em conjunto nos estados, que ficam entre os estados mostrados nas figuras 2 e 3. Se a haste 22 ainda tiver que ser movimentada mais para a esquerda do que está representado na figura 3, então isto só pode ocorrer se o pistão 21 for deslocado independentemente do pistão 31 mais para a esquerda. Isto só é possível se entre o pistão 21 e a haste 32 não existir qualquer ligação com união devido à forma. Por isso o pistão 21 e a haste 32 estão em ligação nas figuras 2 e 3 e todos os estados que ficam entre eles com união devido à força. Dessa forma, é claro que a atuação conjunta dos dois estágios do servomotor só acontece em uma direção, e de fato no caso representado nas figuras 2 e 3 só quando a haste 22 é deslocada para fora da carcaça total. Neste caso, as pressões do fluido hidráulico nas carcaças parciais 20 e 30 precisam ser escolhidas de modo correspondente, de tal modo que o pistão 21 e a haste 32 se encontrem permanentemente em ligação com união devido à força, o que é fácil de cumprir, enquanto a pressão à direita do pistão 31 for maior que à esquerda dele. Porém o fato de a atuação conjunta dos pistões 21 e 31 só atuar em uma direção, durante a operação de uma máquina hidráulica de acordo com a invenção não representa qualquer problema, uma vez que o momento máximo só tem que ser transmitido em uma direção. Para o movimento para a outra direção é suficiente a força da superfície à esquerda do pistão 21, de tal modo que não é necessária uma força adicional do pistão 31.

[016] Na figura 4 está representado o mesmo servomotor de acordo com a invenção em uma posição, na qual a haste 22 está estendida o mais possível para fora da carcaça total, o que corresponde à outra extremidade da área de operação (referente ao estado descrito na figura 2). O pistão 21 agora está separado da haste 32. Em todos os estados, que ficam entre os estados da figura 3 e da figura 4, o pistão 21 está separado da haste 32. Por conseguinte, nesses estados o pistão 21 atua independente do pistão 31. O momento transmitido, por conseguinte, é somente proporcional à superfície do pistão 21 sozinho.

[017] Finalmente, para a forma de execução representada nas figuras de 2 a 4 deve ser dito que os trajetos de regulagem atravessados nas duas áreas de operação são de tamanho diferente, uma vez que os estágios do servomotor são de comprimentos diferentes. A área de operação, na qual os dois estágios atuam em conjunto (entre a figura 2 e a figura 3) tem uma área do trajeto de regulagem a ser atravessada muito menor, comparados com a área de operação na qual somente o estágio do servomotor esquerdo atua sozinho (entre a figura 3 e a figura 4). Isso corresponde à condição, presente na maioria das máquinas hidráulicas, de que o alto momento é necessário somente através de uma área do trajeto de regulagem menor. Contudo também são concebíveis casos, nos quais as duas áreas (uma área na qual os dois estágios atuam em conjunto e uma área na qual somente um atua sozinho) necessitam, em proporções aproximadamente do mesmo tamanho, do trajeto de regulagem todo ou que até mesmo a relação inversa existe (isto é, que a área da atuação em conjunto compreende uma proporção do trajeto de regulagem maior do que a área na qual somente um atua sozinho). Então os comprimentos dos estágios do servomotor têm que ser escolhidos de modo correspondente. Se no exemplo representado (figuras 2 a 4) os dois estágios do servomotor ambos iriam apresentar o mesmo comprimento, então os dois estágios iriam atuar em conjunto ao longo de toda a área do trajeto de regulagem. Por isso um estágio, que deve ser atuante somente através de uma área restrita do trajeto de regulagem, sempre é mais curto do que o estágio que atua através de toda ou através de uma área maior do trajeto de regulagem. O comprimento do estágio mais curto, neste caso, define o comprimento do trajeto de regulagem, através do qual os dois estágios atuam em conjunto.

[018] Do que foi dito também fica claro que o servomotor de acordo com a invenção, partindo do momento máximo necessário que precisa ser transmitido, necessita apenas de um diâmetro nitidamente menor. Uma vez que as superfícies dos dois pistões 21 e 31 atuam em conjunto, o diâmetro pode ser reduzido em comparação com o estado da técnica quase em torno do fator 1/raiz(2) (na autação em conjunto a superfície efetiva hidraulicamente do pistão 21 em torno da superfície da seção transversal da haste 32 é menor do que a superfície efetiva hidraulicamente do pistão 31 - por isso o fator não é inteiro 1/raiz(2)). Também a quantidade de óleo hidráulico necessário é nitidamente menor do que no estado da técnica, uma vez que a atuação em conjunto dos dois estágios do servomotor se estende através de uma parte do trajeto de regulagem.

[019] Na figura 5 está representada uma outra forma de execução possível do servomotor de acordo com a invenção. Neste caso, os dois estágios do servomotor são invertidos localmente. Essa forma de execução então é apropriada quando o máximo momento a ser transmitido ocorre no outro lado da faixa de operação. No caso das figuras de 2 a 4 o máximo momento ocorre quando a haste 22 está totalmente retraída. Os dois pistões atuam em conjunto ali, quando a haste 22 é estendida partindo desse estado. No caso da figura 5, o máximo momento ocorre quando a haste 22 está totalmente estendida. Neste caso, os dois pistões atuam em conjunto quando partindo desse estado a haste 22 é retraída. Só então há uma ligação com união devido à força dos dois pistões. O análogo à haste 32 da figura 2 é formado na figura 5 através da projeção de forma tubular do pistão 31, que envolve a haste 22. O estado representado na figura 5 corresponde a um estado no qual atua somente o pistão 21.

[020] Do mesmo modo são concebíveis servomotores de acordo com a invenção com mais que dois estágios, e podem ampliar ainda mais os aperfeiçoamentos mencionados acima. Na maioria dos casos, contudo, com uma forma de execução de dois estágios já é obtido um aperfeiçoamento satisfatório.

[021] Além disso, do mesmo modo é concebível combinar as duas formas de execução (isto é, as mostradas nas figuras 2 a 4 com a forma da figura 5) de tal forma que tanto à direita como também à esquerda do estágio do servomotor que atua permanentemente é colocado respectivamente um estágio do servomotor que atua somente em uma faixa parcial.

[022] Usinas hidroelétricas com rodas impulsoras do tipo Kaplan representam uma particularidade na medida em que elas são duplamente reguladas, isto é, o estado de operação não é influenciado somente pela abertura e fechamento do aparelho de guia, mas também pela regulagem das palhetas da roda impulsora. Para a regulagem das palhetas da roda impulsora em geral é empregado, do mesmo modo, um servomotor hidráulico, e neste caso, surgem exigências similares relativas ao momento a ser aplicado, como no caso dos servomotores descritos até o momento para a regulagem do aparelho de guia. Por isso, a disposição de acordo com a invenção descrita de estágios do servomotor pode ser empregada de modo bem análogo para a regula- gem das palhetas da roda impulsora de uma roda impulsora do tipo Kaplan.

[023] Finalmente ainda deve ser mencionado que o dispositivo de acordo com a invenção também oferece vantagens com respeito à segurança de operação, por exemplo, quando os estágios individuais do servomotor são admitidos com fluido hidráulico independentes um do outro. Assim, por exemplo, um estágio do servomotor que atua somente em uma faixa parcial do trajeto de regulagem total pode ser alimentado a partir de um reservatório de ar separado. Dessa forma obtém- se um sistema de fehamento adicional independente para a usina hidroelétrica.

Claims

1. Turbomáquina hidráulica com uma roda impulsora carregada com água, com um aparelho de guia com uma pluralidade de palhetas de guia, o qual compreende um anel de regulagem para o giro das palhetas de guia, e com pelo menos um servomotor hidráulico, caracterizada pelo fato de que o, pelo menos um servomotor é executado com vários estágios, sendo que, as carcaças (20, 30) dos estágios estão ligadas fixamente entre si, e os pistões (21, 31) dos estágios atuam em conjunto somente em uma faixa parcial de toda a faixa de regulagem.

2. Turbomáquina hidráulica de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o, pelo menos um servomotor hidráulico de vários estágios gira o anel de regulagem durante o acionamento.

3. Turbomáquina hidráulica de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a roda impulsora é do tipo Kaplan e o, pelo menos um servomotor hidráulico de vários estágios movimenta as palhetas da roda impulsora durante o acionamento.

4. Turbomáquina hidráulica de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que na faixa parcial de toda a faixa de regulagem, na qual os pistões dos estágios atuam em conjunto, a atuação em conjunto de estágios adjacentes ocorre por meio de uma ligação com união devido à força do respectivo pistão com a haste dos estágios adjacentes.

5. Turbomáquina hidráulica de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que na faixa parcial de toda a faixa de regulagem, na qual os pistões dos estágios atuam em conjunto, a atuação em conjunto de estágios adjacentes ocorre por meio de uma ligação com união devido à força do respectivo pistão com uma projeção tubular do pistão dos estágios adjacentes.