BR112019015036B1 - Rotor para uma turbina ou bomba hidráulica - Google Patents

Abstract

A presente invenção refere-se a um rotor para uma turbina ou bomba hidráulica, compreendendo uma pluralidade de lâminas (2), cada lâmina (2) sendo definida por uma superfície de pressão, uma superfície de sucção voltada de maneira oposta, uma borda de entrada (3) e um borda de saída (4) espaçada a parte, pelo menos uma das lâminas (2) tendo meios para suprir um fluxo de oxigênio, contendo gás para a borda de saída (4) da mesma lâmina (2), em que os ditos meios compreendem uma abertura da entrada de gás (6), e uma passagem de gás (5), em que a mesma lâmina (2) compreende uma abertura contínua (7) na borda de saída (4), para admissão do gás fora da passagem de gás (5), para o fluido de passagem durante a operação do rotor, em que a abertura contínua (7) se estende sobre pelo menos 15% do comprimento desenvolvido da borda de saída (4).

Description

[001] A presente invenção refere-se, de um modo geral, às instalações de turbina hidroelétrica ou bomba. Mais particularmente, esta invenção diz respeito às instalações hidroelétricas, com meios para intensificar o nível de gás dissolvido na água, passando através da turbina ou da bomba.

[002] Um problema ambiental significativo, para muitas instalações hidroelétricas, é a qualidade da água de descargas. Várias tentativas têm sido feitas para intensificar o nível de oxigênio dissolvido na água descarregada de instalações hidroelétricas. Por exemplo, a Patente Norte Americana No. 5.924.842 para Beyer, James R. descreve um rotor para uma turbina de Francis compreendendo uma coroa; uma faixa (tira) substancialmente concêntrica com a coroa; e uma pluralidade de lâminas se estendendo entre a coroa e a faixa, em intervalos espaçados ao longo da coroa, cada lâmina fixamente presa à coroa em uma borda interna, e para a faixa em uma borda externa distal, cada lâmina tendo uma superfície dirigindo a água, definida por um lado da pressão, um lado oposto voltado para o lado de sucção, uma borda de entrada e uma borda de saída espaçadas a parte, pelo menos uma das lâminas incluindo: uma porção da lâmina da borda de entrada, que tem uma borda traseira em que um primeiro encaixe é maquinado ao longo de, pelo menos, uma porção da borda traseira; uma porção de saída que tem uma borda dianteira, em que um segundo encaixe é maquinado ao longo de, pelo menos, uma porção da borda dianteira; sobre o qual a porção de saída é fixamente presa à porção da lâmina de entrada, ao longo da borda dianteira e da borda traseira, respectivamente, de modo que um primeiro e um segundo canais cooperam para formar uma passagem integral, em pelo menos uma das lâminas; e meios para descarregar um oxigênio contendo gás a partir da passagem integral, para um local adjacente à borda de saída. Estes meios incluem uma pluralidade de passagens de descarga, se estendendo da passagem integral para a borda de saída.

[003] O objetivo do estado da técnica mencionado, é aumentar o nível de oxigênio dissolvido à jusante da turbino ou bomba, através da introdução de um oxigênio contendo gás, dentro da água passando através da unidade. O objetivo da presente invenção é aumentar o nível de oxigênio dissolvido, a jusante da turbina ou bomba, ou o nível de oxigênio dissolvido realizado pelo estado da técnica.

[004] A presente invenção fornece um rotor de uma turbina ou bomba hidráulica, que é capaz de dissolver mais oxigênio do que os rotores de acordo com o estado da técnica.

[005] Os inventores reconheceram que a quantidade de oxigênio contendo gás fluindo na direção da borda de saída, depende da diferença entre a pressão na entrada da passagem de gás (normalmente pressão atmosférica), e a pressão na borda de saída. No entanto, qualquer obstáculo para o fluxo de gás localizado na passagem de gás entre esses dois locais, provocará uma queda de pressão e desta maneira diminui o fluxo de gás, e desse modo a quantidade de oxigênio dissolvido. Os inventores reconheceram que o principal obstáculo para o fluxo de gás da técnica anterior, é a pluralidade de passagens de descarga, cada uma delas consistindo em um canal estreito na direção da borda de saída. Isto leva a um fluxo de gás sub ideal, e desse modo à uma sub quantidade ideal de oxigênio dissolvido, na técnica anterior.

[006] O problema é solucionado por um rotor de acordo com a reivindicação 1. Outras implementações favoráveis da invenção, são descritas nas reivindicações dependentes.

[007] Os inventores têm reconhecido que o problema pode ser solucionado, substituindo a pluralidade de passagens de descarga estreitas, através de uma abertura contínua na borda de saída, que se estende sobre pelo menos 15% do comprimento desenvolvido da borda de saída.

[008] A invenção vai, daqui em diante, ser descrita em conjunto com os desenhos em anexo:

[009] A Figura 1 é uma vista de corte transversal de um rotor de turbina axial, de acordo com a Figura 25 de US 5.924.842 (Técnica anterior);

[0010] A Figura 2 é uma vista de corte transversal de uma lâmina de rotor, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[0011] A Figura 3 mostra a secção A e diferentes tipos de modalidades da secção B da lâmina de rotor, de acordo com a Figura 2;

[0012] A Figura 4 é uma vista de corte transversal de uma lâmina do rotor, de acordo com outra modalidade da presente invenção;

[0013] A Figura 5 mostra a secção A da lâmina do rotor, de acordo com a Figura 4;

[0014] A Figura 6 é uma vista de corte transversal de uma lâmina do rotor, de acordo com outra modalidade da presente invenção;

[0015] A Figura 7 é uma vista de corte transversal de um rotor da turbina de Francis, de acordo com a presente invenção;

[0016] A Figura 8 é uma vista de corte transversal de um rotor de turbina axial, de acordo com a presente invenção.

[0017] A Figura 1 exibe um rotor de acordo com a técnica anterior (Figura 25 de US 5.924.842). É claramente visível a pluralidade das passagens de descarga estreitas, localizadas na borda de saída, que é designada como 526.

[0018] A Figura 2 exibe, esquematicamente, uma vista de corte transversal de uma lâmina de rotor, de acordo com a presente invenção. A lâmina é designada como 2. A lâmina 2 tem uma borda de entrada 3 e uma borda de saída 4, significando que o fluido entrando no rotor flui de uma borda de entrada 3 na direção da borda de saída 4. O fluxo de fluido é dividido pela lâmina 2, enquanto que um lado da lâmina 2 forma a superfície de pressão, e o outro lado a superfície de sucção. A lâmina 2 mostrada na figura 2 contém uma passagem de gás, que é designada como 5. A lâmina 2 tem aberturas de uma entrada de gás designada como 6. Na borda de saída 4, se encontra uma abertura contínua designada como 7. A abertura contínua 7 se estende sobre pelo menos 15% do comprimento desenvolvido da borda de saída 4 (x/L >= 0,15). A passagem de gás 5 é capaz de distribuir oxigênio contendo gás, a partir da abertura da entrada de gás 6 para a abertura contínua 7. O gás fluindo através das aberturas da entrada de gás 6, é admitido através da abertura contínua 7, dentro da borda de saída 4 dentro do fluido, isto é, a água passando a borda de saída 4. A abertura de entrada 6, a passagem de gás 5 e a abertura contínua 7, estão formando uma passagem suave através da lâmina, minimizando as perdas de pressão, quando o gás flui através da lâmina. Isto resulta em níveis aumentados de oxigênio dissolvido na água, passando a borda de saída 4.

[0019] A Figura 3 exibe, esquematicamente, as vistas de cortes transversais, através da lâmina 2 da figura 2, ao longo das secções marcadas A e B. A Figura 3 exibe três modalidades diferentes da abertura contínua 7, que é exibida em três vistas diferentes, ao longo da secção B. Na vista ao longo da secção A, pode ser visto que a lâmina 2 compreende uma parte da base, que é designada por 8, e uma parte da tampa que é designada por 9. A parte da base 8 inclui o lado de sucção inteiro, ou a superfície do lado da pressão, como também a superfície da borda de entrada inteira, e uma porção substancial da superfície da borda de saída. Uma cavidade é maquinada ou fundida na parte da base 8. A parte mais fina da tampa 9 é acoplada à parte da base 5, desse modo formando a passagem de gás 5. A parte da tampe 9 pode ser de metal ou de material de adubo, pode ser formada fundida ou maquinada, e pode ser acoplada por soldagem ou por material de ligação (epóxi, cola etc.). A vista de corte transversal mais alta ao longo da secção B, mostra uma primeira modalidade da abertura contínua 7. A abertura contínua 7 é confinada através da pressão e das superfícies do lado de sucção, que se encontram na borda de saída 4. Nesta primeira modalidade a pressão e as superfícies do lado de sucção, estão terminando, respectivamente na mesma distância, medida a partir da borda de entrada 3, ao longo da linha de curvatura da seção. A vista de corte transversal do meio, ao longo da secção B, mostra uma segunda modalidade da abertura contínua 7. Nesta segunda modalidade, a superfície do lado da pressão se estende mais adiante do que a superfície do lado de seção, medida a partir da borda de entrada 3, ao longo da linha de curvatura da seção. A vista de fundo do corte transversal, ao longo da secção B, mostra uma terceira modalidade da abertura contínua 7. Na terceira modalidade, a borda de saída 4 na região de abertura 7, é perfilada (recortada) para minimizar o derramamento de vórtice. É claro que este tipo de perfil pode estar presente por todo o comprimento da borda de saída 4.

[0020] A Figura 4 exibe, esquematicamente, uma vista de corte transversal de uma lâmina de rotor, de acordo com a presente invenção, em outra modalidade. Adicionalmente à lâmina da figura 2, a modalidade de acordo com a figura 4 inclui três peças espaçadoras, uma delas sendo designada como 10.

[0021] A Figura 5 mostra uma vista de corte transversal ao longo da secção A, exibindo uma vista lateral da peça do espaçador 10. As peças do espaçador 10 são posicionadas dentro da passagem de gás 5, como é necessário para evitar a deformação (curvatura) da parte da tampa 9. As peças espaçadoras 10 podem ser integrais para a parte de base 8, ou fixamente acopladas à parte de base 8, ou à parte da tampa 9. É claro que o número de peças espaçadoras 10 não é restrito ao número dos três, mas pode ser qualquer número de peças espaçadoras 10.

[0022] Os inventores compreenderam que as peças espaçadoras 10 estão criando um obstáculo para o fluxo de gás. Por isso, é favorável que as peças espaçadoras sejam de forma aerodinâmica. A Figura 6 mostra o rotor de acordo com a presente invenção, apresentando as peças espaçadoras 10 aerodinamicamente formadas.

[0023] A Figura 7 exibe, esquematicamente, uma vista de corte transversal de um rotor da turbina de Francis, de acordo com a presente invenção. A coroa do rotor é designada como 11. A lâmina do rotor 2 se estende entre a coroa 11 e a faixa designada como 12. A abertura da entrada de gás 6 é localizada na coroa 11 do rotor. As setas estão indicando o fluxo de gás. A passagem de gás, a borda de entrada e de saída são designadas como usualmente.

[0024] A Figura 8 exibe, esquematicamente, uma vista de corte transversal de um rotor de turbina de fluxo axial, de acordo com a presente invenção. O eixo do rotor é designado como 1. Uma lâmina do rotor 2 se estende radialmente a partir do eixo 1. A abertura da entrada de gás 6 é localizada no eixo 1 do rotor. As setas indicam o fluxo de gás. A passagem de gás, e a borda de entrada e saída, são designadas como usualmente.

[0025] É claro que as modalidades mostradas nas figuras, são exemplos de uma variedade muito mais ampla de cada uma das modalidades empregando as ideias inventivas. Por exemplo, podem ter diversas passagens de gás separadas, através de uma lâmina levando das aberturas da entrada de gás separada para diversas aberturas contínuas separadas, localizadas em diferentes porções da borda de saída. Ou uma entrada de gás poderá ser localizada na faixa de uma turbina de Francis.

[0026] A invenção também não está restrita às turbinas e bombas do tipo Francis, ou turbinas e bombas axiais de lâmina fixa, mas se estende também para as turbinas e bombas de Kaplan de fluxo axial, e do tipo Kaplan.

[0027] Em princípio qualquer oxigênio contendo gás pode ser usado, por exemplo ar ou oxigênio puro.

[0028] Finalmente, é observado que a presente invenção não só é capaz de aumentar a quantidade de oxigênio dissolvido em uma magnitude maior, em comparação com a técnica anterior, mas economiza também os custos de fabricação. De acordo com a invenção, a lâmina é feita de somente duas partes principais. Isto simplifica a elaboração por minimizar o número de superfícies para ser juntas. A passagem de gás na borda de saída, é o resultado de localmente espaçar a parte a parte da tampa e a parte de base. Isto elimina a necessidade de, e a complexidade das muitas passagens de gás pequenas na borda de saída.

Claims (10)

1. Rotor para uma turbina ou bomba hidráulica, compreendendo uma pluralidade de lâminas (2), cada lâmina (2) sendo definida por uma superfície de pressão, uma superfície de sucção voltada de maneira oposta, uma borda de entrada (3) e uma borda de saída (4) espaçada à parte, pelo menos uma das lâminas (2) tendo meios de suprir um fluxo de oxigênio contendo gás, para a borda de saída (4) da mesma lâmina (2), enquanto que os ditos meios compreendem uma abertura da entrada de gás (6), e uma passagem de gás (5), caracterizado pelo fato de que a mesma lâmina (2) compreende uma abertura contínua (7) na borda de saída (4), para admitir gás fora da passagem de gás (5) para o fluido de passagem, durante a operação do rotor, enquanto a abertura contínua (7) se estende sobre, pelo menos, 15% do comprimento desenvolvido da borda de saída (4).

2. Rotor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o rotor é um rotor de fluxo axial, compreendendo um eixo (1), e em que as lâminas (2) estão se estendendo do eixo (1), em intervalos espaçados circunferencialmente.

3. Rotor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o rotor é uma turbina de Francis, compreendendo uma coroa (11) e uma faixa (12), e em que as lâminas (2) se estendem a partir da coroa (11) para a faixa (12), em intervalos espaçados circunferencialmente.

4. Rotor de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que uma abertura da entrada de gás (6) é localizada dentro da coroa (11).

5. Rotor de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que a abertura da entrada de gás (6) é localizada dentro da faixa (12).

6. Rotor de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a abertura da entrada de gás (6) é localizada dentro do eixo (1).

7. Rotor de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que na região da abertura contínua (7) a superfície do lado da pressão se estende ainda mais do que a superfície do lado de sucção, medida da borda de entrada (3) ao longo da linha de curvatura da secção.

8. Rotor de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a lâmina (2), tendo meios para suprir um fluxo de oxigênio contendo gás, para a borda de saída (4), compreende uma parte de base (8) e uma parte de tampa (9), em que a parte de base (8) é de peça de construção única, incluindo a inteira borda de entrada (3), o inteiro lado de pressão, como também uma porção da superfície da borda de saída (4), e em que a parte de base (8) contém uma cavidade, e a parte da tampa (9) é acoplada à parte da base (8) acima da cavidade, para formar a passagem de gás (5).

9. Rotor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que a lâmina (2) que tem meios para suprir um fluxo de oxigênio contendo gás, para a borda de saída (4), compreende a parte da base (8) e uma parte da tampa (9), em que a parte de base (8) é de uma única peça de construção, incluindo a borda de entrada (3) inteira, o lado de sucção inteiro, como também uma porção da superfície da borda de saída (4), e em que a parte de base (8) contém uma cavidade e a parte da tampa (9) é acoplada à parte de base (8), acima da cavidade para formar a passagem de gás (5).

10. Rotor de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma peça espaçadora (10) é localizada entre a parte de base (8) e a parte da tampa (9) dentro da passagem de gás (5).