BR112019015020A2 - Rotor de fluxo radial para uma máquina hidráulica - Google Patents

Abstract

um rotor do tipo francis, compreendendo uma coroa, uma pluralidade de pás, cada pá sendo definida por uma superfície de pressão, uma superfície de sucção, uma borda unindo o lado de alta pressão e uma borda espaçada separadamente unindo o lado de baixa pressão, pelo que a coroa compreende meios de vedação para vedar o espaço acima da coroa contra água a partir do lado de alta pressão, pelo que o rotor compreende pelo menos uma passagem sendo capaz de drenar vazamento de água de alta pressão para o lado de baixa pressão, e a passagem compreende uma abertura de entrada localizada em uma porção da coroa que é exposta à vazamento de água de alta pressão, pelo que a passagem está localizada no interior de uma lamina, e conduz a partir da abertura de entrada para a borda da mesma pá se unindo ao lado de baixa pressão, pelo que a passagem é moldada para formar uma abertura contínua na mesma borda que se une ao lado de baixa pressão.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para ROTOR DE FLUXO RADIAL PARA UMA MÁQUINA HIDRÁULICA.

[0001] A presente invenção refere-se geralmente a instalações de turbina ou bomba hidroelétrica compreendendo um rotor de fluxo radial do tipo Francis.

[0002] As máquinas hidráulicas compreendendo um rotor de fluxo radial do tipo Francis estão sofrendo de impulso axial aplicado ao rotor da máquina hidráulica. Desde que a vedação entre o rotor e o lado de alta pressão da passagem de água não pode ser feita perfeitamente hermética, a água pode permanecer no espaço entre a cobertura superior da máquina hidráulica e a coroa do rotor, resultando em um alto impulso axial. Para reduzir o impulso axial, a técnica anterior tem proposto vários conceitos. Um conceito compreende tubos de balanceamento que drenam a água que passa nas vedações para o lado de baixa pressão da passagem de água (ver, por exemplo, US 1.820.150 para Moody). Outro conceito compreende furos de alinhamento dentro da coroa do rotor que conduzem ao cubo do rotor, ou ao espaço entre as pás do rotor (ver, por exemplo, US 4.086.020 para Seiichi e Syoji). Os tubos de balanceamento são custosos. A eficácia dos furos de alinhamento da técnica anterior depende da velocidade de revolução do rotor e da geometria da pá e, portanto, conduzindo nem sempre a resultados satisfatórios concernentes à redução de impulso. Especialmente no caso de projetos de modernização quando um rotor existente depende dos furos de alinhamento tem que ser substituído por um novo rotor, a situação pode ocorrer que a geometria moderna da pá não pode ser acomodada pelos furos de alinhamento do tipo conhecido, e a instalação de tubos de balanceamento é imprática, visto que a máquina hidráulica existente é embebida em concreto. É desejável em muitos projetos de modernização ter novos rotores com pás que se estendem mais próximas ao eixo de rotação na borda de fuga próxima

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2/7 à coroa do rotor. Esta geometria proporciona características de desempenho aperfeiçoadas, mas, em muitos casos, toma o uso de furos de alinhamento na coroa do rotor menos efetivo na redução de impulso devido aos efeitos de bombeio radial no interior do espaço de coroa do rotor abaixo do flange de eixo. Em alguns casos onde o flange que conecta o rotor ao eixo está em uma elevação relativamente baixa, não pode mais existir espaço suficiente disponível no flange da coroa do rotor para acomodar furos de alinhamento do tipo conhecido e, desse modo, uma solução alternativa para redução de impulso é necessária.

[0003] O objetivo da presente invenção é propor um conceito alternativo para redução do impulso axial sendo menos dispendioso do que os tubos de balanceamento, e facilmente aplicáveis em projetos de modernização.

[0004] Este objetivo é alcançado por um rotor, de acordo com a reivindicação 1. Outras implementações favoráveis da invenção são reveladas nas reivindicações dependentes.

[0005] Os inventores reconheceram que o impulso axial pode ser reduzido por um rotor compreendendo pelo menos uma passagem conduzindo a partir da coroa do rotor à borda de fuga de pelo menos uma das pás do rotor. Os inventores também reconheceram que tendo água de vazamento saindo da borda de fuga reduz-se as forças de arraste à medida que o rotor gira, e resulta em um aperfeiçoamento na eficiência hidráulica.

[0006] A invenção será daqui por diante descrita em conjunto com os desenhos em anexo:

Fig. 1 é uma vista em corte transversal de uma pá de turbina de Francis, de acordo com a presente invenção;

Fig. 2 é uma vista em corte transversal de uma pá de rotor, de acordo com uma concretização da presente invenção;

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Fig. 3 mostra o corte A e tipos diferentes de concretizações de corte B da pá do rotor, de acordo com a Figura 2;

Fig. 4 é uma vista em corte transversal de uma pá do rotor, de acordo com outra concretização da presente invenção;

Fig. 5 mostra o corte A da pá do rotor, de acordo com a Figura 4;

Fig. 6 é uma vista em corte transversal de uma pá do rotor, de acordo com outra concretização da presente invenção.

[0007] A Figura 1 mostra esquematicamente uma vista em corte transversal de uma pá de turbina de Francis, de acordo com a presente invenção. A coroa do rotor é designada como 11. Uma pá do rotor 2 se estende entre a coroa 11 e a banda designada como 12. A pá 2 tem duas bordas designadas por 3 e 4. O fluido que entra no rotor flui da borda 3 em direção à borda 4, pelo que o lado de alta pressão se une à borda 3, e o lado de baixa pressão se une à borda 4. Fica claro que no modo de bombeio, a direção de fluxo do fluido é invertida. A coroa do rotor 11 compreende circunferenciais localizados meios de vedação designados como 13. Os meios de vedação 13 são construídos para vedar o espaço acima da coroa 11 contra água de alta pressão. Contudo, devido à imperfeição da vedação, uma pequena quantidade de água de alta pressão estará presente no espaço acima da coroa do rotor 11 conduzindo ao impulso axial indesejado. A coroa do rotor 11 compreende uma abertura de entrada designada por 6. A abertura de entrada 6 está localizada em uma porção da coroa, que é exposta à água de alta pressão que passa nos meios de vedação 13. A pá 2 compreende uma passagem designada por 5. A passagem 5 conduz da abertura de entrada 6 a uma porção da borda 4 que une o lado de baixa pressão onde a passagem 5 forma uma abertura que é designada por 7. O impulso axial é aliviado por drenagem da água de vazamento a partir do espaço acima da coroa 11 diretamente através da

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AH passagem 5 dentro da pá 2 para o lado de baixa pressão. Desde que a abertura 7 está localizada na borda 4 diretamente unindo o lado de baixa pressão, o impulso é aliviado a um alto grau. Em uma concretização preferida da invenção, a localização da abertura 7 está a uma distância radial igual ou maior a partir do eixo de rotação do que a abertura de entrada 6. Isto evita contrapressão devido ao efeito de bombeio radial de rotação. Portanto, o rotor, de acordo com a invenção, alivia o impulso a valores mais baixos comparados com o rotor da US 4.086.020 porque os furos de alinhamento da US 4.086.020 conduzem ao cubo, e o espaço entre as pás não se une diretamente ao lado de baixa pressão do rotor. O efeito de bombeio radial dentro do cubo da US 4.086.020 é significante, e resulta em pressão mais alta acima do rotor e, consequentemente, impulso descendente axial mais alto.

[0008] A Figura 2 mostra esquematicamente uma vista em corte transversal de uma pá do rotor, de acordo com a presente invenção. A pá é designada como 2. A pá 2 tem uma borda 3 que une o lado de alta pressão e uma borda 4 que une o lado de baixa pressão. O fluxo de fluido é dividido pela pá 2, pelo que um lado da pá 2 forma a superfície de pressão, e o outro lado, a superfície de sucção. A pá 2 mostrada na figura 2 contém uma passagem que é designada como 5. A pá 2 tem umas aberturas de entrada designadas como 6. Na borda 4, existe uma abertura contínua designada como 7. A abertura contínua 7 se estende preferivelmente sobre pelo menos 15% do comprimento desenvolvido da borda 4 (x/L >= 0,15). A extensão da abertura contínua 7 sobre uma área relativamente grande da borda 4 assegura que a pressão de alto vazamento de água possa passar facilmente para o lado de baixa pressão para uma ampla faixa de números de revolução que conduzem a um baixo impulso axial para todos os modos de operação. A abertura de entrada 6, passagem 5, e a abertura contínua 7,

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5/7 estão formando uma passagem suave através da pá, minimizando perdas à medida que a água de vazamento flui através da pá.

[0009] A Figura 3 mostra esquematicamente vistas em corte transversal através da pá 2 da figura 2 ao longo das seções marcadas A e B. A Figura 3 mostra três concretizações diferentes da abertura contínua 7 que é exibida em três vistas diferentes ao longo do corte B. Na vista ao longo do corte A, pode ser visto que a pá 2 compreende uma parte de base que é designada por 8, e uma parte de cobertura que é designada por 9. A parte de base 8 inclui, ou o lado de sucção total ou superfície lateral de pressão da pá, bem como a superfície total da borda que une o lado de alta pressão e uma porção substancial da superfície da borda que une o lado de baixa pressão. Uma cavidade é usinada ou fundida na parte de base 8. A parte de cobertura mais delgada 9 é fixada à parte de base 8, desse modo, formando a passagem de gás 5. A parte de cobertura 9 pode ser de metal ou de material composto, pode ser fundida formada ou usinada, e pode ser fixada por soldagem, ou por um material de ligação (epóxi, cola, etc.). A vista em corte transversal mais superior ao longo do corte B mostra uma primeira concretização da abertura contínua 7. A abertura contínua 7 é confinada pela superfície lateral de pressão e superfície lateral de sucção que se encontram na borda de fuga 4. Nesta primeira concretização, a superfície lateral de pressão e superfície lateral de sucção estão terminando respectivamente na mesma distância medida a partir da borda 3 que une o lado de alta pressão ao longo da linha de cambeamento de seção. A vista em corte transversal média ao longo do corte B mostra uma segunda concretização da abertura contínua 7. Nesta segunda concretização, a superfície lateral de pressão se estende adicionalmente do que a superfície lateral de sucção medida a partir da borda 3 que une o lado de alta pressão ao longo da linha de cambeamento de seção. A vista em corte transversal de fundo ao longo do

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6/7 corte B mostra uma terceira concretização da abertura contínua 7. Na terceira concretização, a borda 4 que une o lado de baixa pressão na região de abertura 7 é perfilada para minimizar desprendimento de vórtice. Naturalmente, este tipo de perfil pode estar presente sobre o comprimento total da borda 4.

[0010] A Figura 4 mostra esquematicamente uma vista em corte transversal de uma pá do rotor, de acordo com a presente invenção, em outra concretização. Adicionalmente à pá da figura 2, a concretização de acordo com a figura 4 inclui três peças espaçadoras, uma delas sendo designadas como 10.

[0011] A Figura 5 mostra uma vista em corte transversal ao longo de um corte A exibindo uma vista lateral da peça espaçadoralO. As peças espaçadoras 10 estão posicionadas no interior da passagem 5 conforme necessário para evitar o dobramento da parte de cobertura 9. As peças espaçadoras 10 podem ser integrais à parte de base 8, ou fixadamente fixada a, ou à parte de base 8, ou à parte de cobertura 9. Fica claro que o número de peças espaçadoras 10 não é restrito ao número de três, mas pode existir qualquer número de peças espaçadoras 10.

[0012] Os inventores compreenderam que as peças espaçadoras 10 estão formando um obstáculo ao fluxo de vazamento de água. Portanto, é favorável que as peças espaçadoras são de forma aerodinâmica. A Figura 6 mostra o rotor de acordo com a presente invenção caracterizando peças espaçadoras aerodinamicamente moldadas 10.

[0013] Fica claro que as concretizações mostradas nas figuras são exemplos de uma variedade muito ampla de concretizações, cada empregando as idéias inventivas. Por exemplo, podem existir várias passagens separadas através de uma pá conduzindo de aberturas de entrada separadas a várias aberturas contínuas separadas localizadas em porções diferentes da borda que une o lado de baixa pressão. As

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ΊΠ passagens diferentes podem também estarem localizadas em pás diferentes.

Claims (9)

REIVINDICAÇÕES

1. Rotor do tipo Francis para uma turbina ou bomba hidráulica, compreendendo um lado de baixa pressão e um lado de alta pressão, uma coroa (11), uma pluralidade de pás (2), cada pá (2) sendo definida por uma superfície de pressão, uma superfície de sucção que faceia opostamente, uma borda (3) que une o lado de alta pressão, e uma borda espaçada separadamente (4) que une o lado de baixa pressão do rotor, pelo que a coroa compreende meios de vedação (13) para vedar o espaço acima da coroa (11) contra água a partir do lado de alta pressão, pelo que o rotor compreende pelo menos uma passagem (5) sendo capaz de drenar vazamento de água de alta pressão que passa nos meios de vedação (13) para o lado de baixa pressão, e a passagem (5) compreende uma abertura de entrada (6) localizada em uma da coroa (11) que durante operação é exposta à vazamento de água de alta pressão, caracterizado pelo fato de que a passagem (5) está localizada no interior de uma pá (2), e conduz a partir da abertura de entrada (6) para a borda (4) que se une ao lado de baixa pressão da mesma pá (2), pelo que a passagem (5) é moldada para formar uma abertura contínua (7) na mesma borda (4) que se une ao lado de baixa pressão.

2/3 tura contínua (7), a superfície lateral de pressão se estende adicionalmente do que a superfície lateral de sucção medida a partir da borda (3) une o lado de alta pressão ao longo da linha de cambeamento de seção.

2. Rotor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a abertura contínua (7) se estende sobre pelo menos 15% do comprimento desenvolvido da borda (4) que se une ao lado de baixa pressão.

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3. Rotor, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a localização da abertura contínua (7) está a uma distância radial igual ou maior a partir do eixo de rotação do rotor do que a abertura de entrada (6).

4. Rotor, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que na região da aber

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5. Rotor, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a borda (4) que une o lado de baixa pressão na região da abertura contínua (7) é perfilada para minimizar desprendimento de vórtice.

6. Rotor, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a pá (2) em que a passagem (5) está localizada compreende uma parte de base (8) e uma parte de cobertura (9), onde a parte de base (8) é de construção de peça única incluindo a borda total (3) que une o lado de alta pressão, o lado de pressão total da pá (2), bem como uma porção substancial da superfície da borda (4) que une o lado de baixa pressão, e onde a parte de base (8) contém uma cavidade, e a parte de cobertura (9) é fixada à parte de base (8) acima da cavidade para formar a passagem (5).

7. Rotor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a pá (2) na qual a passagem (5) está localizada compreende uma parte de base (8) e uma parte de cobertura (9), onde a parte de base (8) é de construção de peça única incluindo a borda total (3) que une o lado de alta pressão, o lado de sucção total da pás (2), bem como uma porção substancial da superfície da borda (4) que une o lado de baixa pressão, e onde a parte de base (8) contém uma cavidade, e a parte de cobertura (9) é fixada à parte de base (8) acima da cavidade para formar a passagem (5).

8. Rotor, de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma peça espaçadora (10) está localizada entre a parte de base (8) e a parte de cobertura (9) no interior da passagem (5).

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9. Rotor, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a peça espaçadora (10) é moldada aerodinamicamente.