BR112019023242B1 - Turbina hidráulica com geração de energia elétrica própria, para comandar, monitorar e controlar a pressão e vazão em uma rede de distribuição de água ou outro fluido. - Google Patents

Turbina hidráulica com geração de energia elétrica própria, para comandar, monitorar e controlar a pressão e vazão em uma rede de distribuição de água ou outro fluido. Download PDF

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Abstract

turbina hidráulica com geração de energia elétrica própria, para comandar, monitorar e controlar a pressão e vazão em uma rede de distribuição de água ou outro fluido. a presente invenção refere-se a uma turbina (1) hidráulica para operar em circuitos pressurizados, onde existe um fluxo de um fluido, para controlar a vazão e a pressão a jusante do ponto de sua instalação. ainda assim, a referida turbina (1) é capaz de gerar energia para si própria em função da diferença de pressão e vazão, na medida em que a energia excedente na mesma possa ser utilizada em redes elétricas públicas ou isolada. seu campo de aplicação é voltado para empresas de saneamento, indústrias de bebidas, indústrias de papel e celulose, petroquímicas ou quaisquer locais, onde se faz necessário controlar a vazão e pressão em redes de distribuição.

Description

Introdução
[001] A presente invenção refere-se a uma Turbina Hidráulica Com Geração De Energia Elétrica Própria, Para Comandar, Monitorar E Controlar A Pressão E Vazão Em Uma Rede De Distribuição De Água Ou Outro Fluido, a qual foi desenvolvida para urbine m circuitos pressurizados, onde existe um fluxo de um fluido, ao passo que a vazão e a pressão a jusante do ponto de sua instalação sejam controlados. Ainda assim, a referida urbine é capaz de gerar energia elétrica para si própria, em função da diferença de pressão e vazão, à medida que a energia excedente na mesma possa ser utilizada em redes elétricas públicas ou isolada.
Campo de aplicação
[002] O campo de aplicação da invenção em questão é voltado para empresas de saneamento, indústrias de bebidas, indústrias de papel e celulose, petroquímicas ou quaisquer locais onde se faz necessário controlar a vazão e pressão em redes de distribuição.
Problema a ser resolvido
[003] Sabe-se que o controle de pressão em redes de abastecimento de água é fundamental para evitar ruptura em tubulações e minimizar perdas. Portanto, os dispositivos mais comumente utilizados para suprir estas questões são as válvulas redutoras de pressão e bombas centrífugas funcionando como turbina. As principais desvantagens das válvulas redutoras de pressão consistem em não aproveitar a energia de pressão disponível, dissipando-a em calor. Ainda assim, sua operação não é estável, pois, mesmo com pressões constantes oscila seu curso continuamente, gerando transientes hidráulicos no circuito, o que resulta em pulsos de pressão na linha da tubulação, que pode gerar vazamentos e até mesmo a ruptura da tubulação. Ainda assim, as válvulas redutoras apresentam limitações quanto a sua faixa de trabalho, pois apresentam cavitações nas médias e pequenas aberturas. Já as válvulas redutoras mais modernas utilizam comando elétrico, por meio de baterias como fonte de energia, o que gera frequentes manutenções e até interrupção de operação devido ao colapso da bateria. Ademais, as bombas centrífugas, que funcionam como turbina, aproveitam a energia de pressão disponível, porém, não possuem controle de vazão e não controlam a pressão no circuito e a jusante de sua instalação. Outra desvantagem da bomba centrífuga trabalhando como turbina, é operar a maior parte do tempo fora de seu ponto de projeto, devido às oscilações de vazão, características imposta pelo aproveitamento, com rendimento consideravelmente inferior ao de projeto e em faixas de vazões reduzidas, chega a interromper a geração de energia elétrica.
Objetivos da invenção
[004] Os objetivos da invenção são os seguintes: - Manter fixa a pressão a jusante de sua instalação em uma adutora para qualquer vazão aduzida e qualquer pressão a montante; - Utilizar a energia elétrica para a monitoração, comando local ou à distância, e para o controle de pressão e vazão na turbina; - Propor uma turbina que não dependa de nenhuma fonte externa de energia para que funcione; - Propor uma turbina que, a distância, permita alterar os parâmetros de pressão e vazão a qualquer momento; - Propor uma turbina que aproveite a diferença de pressão como força motriz para gerar energia elétrica para si própria; - Prover uma turbina que gere energia excedente, passível de ser exportada para a rede elétrica local, dentre outros locais.
Sumário da invenção
[005] A presente invenção refere-se a uma Turbina Hidráulica Com Geração De Energia Elétrica Própria, Para Comandar, Monitorar E Controlar A Pressão E Vazão Em Uma Rede De Distribuição De Água Ou Outro Fluido, a qual foi desenvolvida para operar em circuitos pressurizados, em que, basicamente, é constituída por um rotor, ainda assim, formado por pás curvas montadas em torno de dois discos laterais e um eixo passante, apoiado em dois mancais de rolamentos. A caixa da turbina possui seção retangular com um injetor a montante, aduzindo o fluido para o rotor. A forma geométrica da caixa da turbina permite um ganho de velocidade do fluido até o rotor da mesma, sendo que o mesmo acontece no processo de sucção. Ainda assim, a turbina compreende um perfil hidrodinâmico coligado a um pistão elétrico ou hidráulico, cuja função é controlar a pressão a jusante da turbina por meio do controle da vazão, o referido pistão elétrico ou hidráulico, é comandado por um controlador programável, cujo parâmetro de referência é dado por um transdutor de pressão, que é instalado na jusante da turbina.
[006] Portanto, a invenção objetiva controlar a pressão por meio do controle de vazão em uma rede adutora, exercendo a mesma função de uma válvula redutora de pressão convencional, ou seja, reduzindo a pressão, bem como aproveitando a diferença de pressão como força motriz para gerar energia elétrica, a qual é produzida para lhe dar autossuficiência, além de possibilitar a exportação da energia elétrica excedente para uma concessionária local, redes elétricas públicas ou isolada.
Vantagens da invenção
[007] A presente invenção tem como vantagens: - Regular a pressão e a vazão; - Gerar energia elétrica; - Ser auto-suficiente; - Exportar energia elétrica excedente; - Ótima relação custo x benefício.
Descrição das figuras
[008] A invenção será, a seguir, descrita em sua forma de realização, sendo que, para melhor entendimento, referências serão feitas aos desenhos anexos, nos quais estão representadas: Figura 1: Vista em perspectiva da Turbina Hidráulica Com Geração De Energia Elétrica Própria, Para Comandar, Monitorar E Controlar A Pressão E Vazão Em Uma Rede De Distribuição De Água Ou Outro Fluido; Figura 2: Vista em perspectiva invertida da Turbina Hidráulica Com Geração De Energia Elétrica Própria, Para Comandar, Monitorar E Controlar A Pressão E Vazão Em Uma Rede De Distribuição De Água Ou Outro Fluido; Figura 3: Vista em perspectiva explodida da Turbina Hidráulica Com Geração De Energia Elétrica Própria, Para Comandar, Monitorar E Controlar A Pressão E Vazão Em Uma Rede De Distribuição De Água Ou Outro Fluido; Figura 4: Vista em corte perspectivado da Turbina Hidráulica Com Geração De Energia Elétrica Própria, Para Comandar, Monitorar E Controlar A Pressão E Vazão Em Uma Rede De Distribuição De Água Ou Outro Fluido; Figura 5: Vista em corte da Turbina Hidráulica Com Geração De Energia Elétrica Própria, Para Comandar, Monitorar E Controlar A Pressão E Vazão Em Uma Rede De Distribuição De Água Ou Outro Fluido, mostrando o mancal do rotor; Figura 6: Vista em corte da Turbina Hidráulica Com Geração De Energia Elétrica Própria, Para Comandar, Monitorar E Controlar A Pressão E Vazão Em Uma Rede De Distribuição De Água Ou Outro Fluido, mostrando o perfil hidrodinâmico em uma primeira situação de uso; Figura 7: Vista em corte da Turbina Hidráulica Com Geração De Energia Elétrica Própria, Para Comandar, Monitorar E Controlar A Pressão E Vazão Em Uma Rede De Distribuição De Água Ou Outro Fluido, mostrando o perfil hidrodinâmico em uma segunda situação de uso; Figura 8: Vista em perspectiva da Turbina Hidráulica Com Geração De Energia Elétrica Própria, Para Comandar, Monitorar E Controlar A Pressão E Vazão Em Uma Rede De Distribuição De Água Ou Outro Fluido, mostrando o pistão para movimentação do perfil hidrodinâmico em uma primeira situação de uso; Figura 9: Vista em perspectiva da Turbina Hidráulica Com Geração De Energia Elétrica Própria, Para Comandar, Monitorar E Controlar A Pressão E Vazão Em Uma Rede De Distribuição De Água Ou Outro Fluido, mostrando o pistão para movimentação do perfil hidrodinâmico em uma segunda situação de uso; Figura 10: Diagrama de blocos do circuito elétrico da Turbina Hidráulica Com Geração De Energia Elétrica Própria, Para Comandar, Monitorar E Controlar A Pressão E Vazão Em Uma Rede De Distribuição De Água Ou Outro Fluido; Figura 11: Diagrama de blocos do controle da Turbina Hidráulica Com Geração De Energia Elétrica Própria, Para Comandar, Monitorar E Controlar A Pressão E Vazão Em Uma Rede De Distribuição De Água Ou Outro Fluido.
Descrição técnica detalhada da invenção
[009] A Turbina Hidráulica Com Geração De Energia Elétrica Própria, Para Comandar, Monitorar E Controlar A Pressão E Vazão Em Uma Rede De Distribuição De Água Ou Outro Fluido refere-se a uma turbina (1), a qual é montada sobre um chassi (2) e que, basicamente, é compreendida por uma caixa adutora (3) na região montante da turbina (1), que altera gradualmente a seção circular do tubo para seção retangular do corpo da caixa (4) da turbina (1), sendo que para realizar a união da caixa adutora (3) com a seção retangular do corpo da caixa (4), utiliza-se seu flange (F2) com elementos de fixação, para fixá-lo no flange (F1) do corpo da caixa (4) da turbina (1). Ademais, o corpo da caixa (4) da turbina (1) compreende uma estrutura geométrica que facilita o fluxo do fluido para um rotor (5), em que o corpo da caixa (4) da turbina (1) apresenta uma abertura retangular superior (6), onde denota-se uma curvaturas (7A) e (7B), cuja sua função da curvatura (7A) é direcionar o fluxo para o rotor (5), enquanto a curvatura (7B), tem como função direcionar o fluxo para a jusante da turbina (1). Ainda assim, abaixo das curvaturas (7A) e (7B), estão previstas as curvaturas (7C) e (7D), em que a curvatura (7C) direciona o fluxo para o rotor (5) e conforma o injetor (23) do fluxo na turbina (1), enquanto a curvatura (7D) é projetada para ser concordante com o rotor (5), contribuindo com o direcionamento do fluxo do fluido para a jusante da turbina (1).
[010] Ademais, o corpo da caixa (4) apresenta elementos circulares vazados (8) localizados nas extremas laterais do corpo da caixa (4) da turbina (1), sendo que os elementos circulares vazados (8) são dotados de orifícios (9). O rotor (5) é instalado no corpo da caixa (4) da turbina (1) por meio de flanges cônicos (11) onde selos mecânicos (10) conferem a estanqueidade para a turbina (1), e rolamentos rígidos de esferas ou oscilantes de rolos cônicos (12) lubrificado a graxa conferem o posicionamento e alinhamento do rotor (5) no corpo da caixa (4), por fim, uma tampa (13) para fechar o referido conjunto. Os flanges cônicos (11) são fixados nos elementos circulares vazados (8) por meio de elementos de fixação que transpassam os orifícios (14) dos flanges cônicos (11) e os orifícios (9) dos elementos circulares vazados (8).
[011] Portanto, o rotor (5) é fixado por meio das extremas do corpo da caixa (4) da turbina (1).
[012] Ademais, o rotor (5) da turbina (1) é formado por pás curvas (15) solidárias a dois discos laterais, em que o ângulo de ataque das pás curvas (15), o raio de curvatura, o comprimento de arco e o número de pás curvas (15), são definidos pela diferença de pressões montante/jusante impostas ao circuito hidráulico; então, um eixo (E) atravessa o interior do rotor (5), no qual os dois discos laterais são fixados.
[013] O eixo (E) do rotor (5) da turbina (1) é apoiado em rolamentos rígidos de esferas ou oscilantes de rolos cônicos (12), em que a carga hidráulica, devido a diferença de pressão montante/jusante, e a vazão na turbina (1) gera no rotor (5) um torque mecânico, que é transmitido através de seu eixo (E) a um gerador elétrico assíncrono ou a um alternador elétrico (16), produzindo energia elétrica em função da diferença de pressão e vazão para a turbina (1). A energia elétrica excedente no mesmo pode ser utilizada em redes elétricas públicas ou isolada.
[014] De mais a mais, um perfil hidrodinâmico (PH) é instalado logo a jusante do rotor (5), em que o mesmo recebe um elemento de conexão (17), um eixo (18) que é ligado a um braço articulador (BA). Por seguinte, o braço articulador (BA) é ligado a um pistão elétrico ou hidráulico (19), em que sua amplitude de movimento é delimitada por fins de cursos elétricos (20).
[015] O corpo da caixa (4) da turbina (1) ainda compreende uma caixa de saída (21), que altera gradualmente seção retangular do corpo da caixa (4) da turbina (1), para a seção circular do tubo situada na jusante da mesma, sendo que para realizar a união da caixa de saída (21) com a seção retangular do corpo da caixa (4), utiliza-se seu flange (F4) para fixá-lo no flange (F3) do corpo da caixa (4) da turbina (1). A caixa de saída (21) ainda prevê um elemento de espera cilíndrico (22), o qual tem função de receber um transdutor de pressão (A).
[016] Funcionamento: o fluido inicia-se pela caixa adutora (3), que altera gradualmente a seção circular do tubo para seção retangular da caixa (4) da turbina (1), sendo que a entrada do fluxo se da através de um injetor (23) localizado no interior do corpo da caixa (4), o qual é projetado para promover o aumento gradual da velocidade, desde a entrada no corpo da caixa (4) da turbina (1), até a entrada do rotor (5), em que as curvaturas (7A) e (7C) previstas no interior do corpo da caixa (4) direcionam o fluxo para o rotor (5), sendo que as mesmas são compatíveis com o ângulo de ataque das pás curvas (15) do rotor (5); então, o perfil hidrodinâmico (PH) controla a pressão no circuito hidráulico a jusante da turbina (1) por meio do controle da vazão do fluido, movimentando o pistão elétrico ou hidráulico (19). Mais precisamente, um controlador universal (B) realiza o controle das etapas na turbina (1), em que o transdutor de pressão (A) instalado no elemento de espera cilíndrico (22), a jusante da turbina (1), monitora a pressão do circuito e a transmite em sinal de corrente proporcional ao valor medido ao referido controlador universal (B). Ao passo que o mesmo após receber o sinal de corrente transmitido pelo referido transdutor de pressão (A), realiza um comparativo com o padrão previamente estabelecido no sistema. Após esta etapa, o contator elétrico (D) é acionado e energiza o pistão elétrico ou hidráulico (19), o qual é coligado ao perfil hidrodinâmico (PH). Portanto, o perfil hidrodinâmico (PH) é articulado por meio de seu eixo (E), coligado ao braço articulador (BA), a proporção que o movimento rotativo no sentido horário (abertura) ou no sentido anti- horário (fechamento) do perfil hidrodinâmico (PH), promova o controle da vazão de fluido na turbina (1).
[017] Então, ocorrendo uma variação na pressão para mais ou para menos a jusante da turbina (1), o transdutor de pressão (A) informa ao controlador universal (B) sobre a nova pressão, que a compara com a pressão nominal programada que, como dito anteriormente, promove a movimentação do pistão elétrico ou hidráulico (19) no sentido de abertura ou de fechamento e, assim, abrindo ou fechando o perfil hidrodinâmico (PH), conseguindo reestabelecer a pressão nominal. Vale frisar, que o pistão elétrico ou hidráulico (19), conta com fins de cursos elétricos (20), que delimitam a amplitude do movimento do perfil hidrodinâmico (PH) desde totalmente fechado a totalmente aberto.
[018] A carga hidráulica, devido a diferença de pressão na montante/jusante e a vazão na turbina (1), gera no rotor (5) um torque mecânico, que é transmitido através de seu eixo (E) a um gerador elétrico assíncrono ou a um alternador elétrico (16), ao passo que o rotor (5) aproveita a diferença de pressão e vazão na turbina (1), convertendo-a em força motriz para gerar energia elétrica, que lhe dá autossuficiência, além de possibilitar exportar o excedente desta energia elétrica para a concessionária local, ou em redes elétricas públicas ou isolada.

Claims (5)

1) TURBINA HIDRÁULICA COM GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA PRÓPRIA, PARA COMANDAR, MONITORAR E CONTROLAR A PRESSÃO E VAZÃO EM UMA REDE DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA OU OUTRO FLUIDO refere-se a uma turbina (1), a qual é montada sobre um chassi (2), caracterizada por um corpo da caixa (4) ser dotada de uma abertura retangular superior (6) coligada a uma curvatura (7A), e apresentar uma curvatura (7C) em sua parte inferior, utilizadas para direcionarem o fluido ao um rotor (5) pela montante da turbina (1), ainda assim, por constituir de uma curvatura (7B) coligada a abertura retangular superior (6), e uma curvatura (7D) localizada na parte inferior da turbina (1), usadas para direcionarem o fluxo do fluido para a jusante da turbina (1); por elementos circulares vazados (8) dotados de orifícios (9) para receber flanges cônicos (11) dotados de orifícios (14); por receber uma caixa adutora (3) por meio de flanges (F1) e (F2); pelo corpo da caixa (4) compreender de forma interna uma região injetora (23) utilizada para aumentar gradualmente a velocidade do fluido para o rotor (5); por um perfil hidrodinâmico (PH) ser ligado a um eixo (18) por meio de um elemento de conexão (17), ainda assim, coligado a um braço articulador (BA); pelo braço articulador (BA) ser ligado a um pistão elétrico ou hidráulico (19), em que sua amplitude é delimitada por fins de cursos elétricos (20); pelo rotor (5) ser formado por pás curvas (15), solidárias a dois discos laterais, em que o ângulo de ataque das pás curvas (15), o raio de curvatura, o comprimento de arco e o número de pás curvas (15), são definidos pela diferença de pressões montante/jusante imposta ao circuito hidráulico; pelo rotor (5) ser instalado na turbina (1) por meio rolamentos rígidos de esferas ou oscilantes de rolos cônicos (12) lubrificado a graxa, de selos mecânicos (10) utilizados para conferir estanqueidade para turbina (1), e por uma tampa (13) utilizada para fechar o referido conjunto; pela vazão na turbina (1) ser controlada por meio do perfil hidrodinâmico (PH) coligado ao pistão elétrico ou hidráulico (19) e gerar no rotor (5) um torque mecânico que é transmitido através de seu eixo (E) a um gerador elétrico assíncrono ou a um alternador elétrico (16); pelo rotor (5) aproveitar a diferença de pressão e vazão na turbina (1), e a converter em força motriz para gerar energia elétrica, que lhe dá autossuficiência; pelo corpo da caixa (4) da turbina (1) compreender uma caixa de saída (21) que altera gradualmente a seção retangular do corpo da caixa (4) para seção circular do tubo, situada na jusante da turbina (1), utilizada para realizar a união da caixa de saída (21) com a seção retangular do corpo da caixa (4), por meio de flanges (F3) e (F4); pela caixa de saída (21) compreender um elemento de espera cilíndrico (22) utilizado para acomodar um transdutor de pressão (A), o qual é usado para monitorar a pressão do circuito e a transmitir em sinal de corrente proporcional ao valor medido a um controlador universal (B); pelo controlador universal (B) receber o sinal de corrente transmitido pelo referido transdutor de pressão (A) e realizar um comparativo com o padrão previamente estabelecido no sistema; pelo contato elétrico (D) ser utilizado para energizar o pistão elétrico ou hidráulico (19), que é coligado ao perfil hidrodinâmico (PH); pelo perfil hidrodinâmico (PH) ser articulado por meio de seu eixo (18) coligado ao braço articulador (BA), a proporção que o movimento rotativo no sentido horário (abertura) ou no sentido anti-horário (fechamento) do perfil hidrodinâmico (PH), promova o controle da vazão de fluido na turbina (1); pelo transdutor de pressão (A) informar ao controlador universal (B) sobre a nova pressão, que a compara com a pressão nominal programada; pelo pistão elétrico ou hidráulico (19), abrir ou fechar o perfil hidrodinâmico (PH) e reestabelecer a pressão nominal através da alteração da vazão; por fins de cursos elétricos (20) delimitar a amplitude do movimento do perfil hidrodinâmico (PH) desde totalmente fechado a totalmente aberto; por utilizar uma parcela da energia elétrica gerada pela turbina (1) para monitorar e comandar o controle de pressão e vazão a distância.
2) TURBINA HIDRÁULICA COM GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA PRÓPRIA, PARA COMANDAR, MONITORAR E CONTROLAR A PRESSÃO E VAZÃO EM UMA REDE DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA OU OUTRO FLUIDO, de acordo com a reivindicação 1, a turbina (1) é caracterizada por um perfil hidrodinâmico (PH) utilizado para controlar da turbina (1), por meio de um pistão elétrico ou hidráulico (19), articulado por um braço articulador (BA), que é solidário a um eixo (18) do perfil hidrodinâmico (PH).
3) TURBINA HIDRÁULICA COM GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA PRÓPRIA, PARA COMANDAR, MONITORAR E CONTROLAR A PRESSÃO E VAZÃO EM UMA REDE DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA OU OUTRO FLUIDO, de acordo com a reivindicação 2, o perfil hidrodinâmico (PH) é caracterizado pelo pistão elétrico ou hidráulico (19) ser coligado a um braço articulador (BA) e o eixo (18) a ele solidário, para promover mudança na posição do perfil hidrodinâmico (PH), alterando a vazão na turbina (1) e a pressão no circuito hidráulico à jusante.
4) TURBINA HIDRÁULICA COM GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA PRÓPRIA, PARA COMANDAR, MONITORAR E CONTROLAR A PRESSÃO E VAZÃO EM UMA REDE DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA OU OUTRO FLUIDO, de acordo com a reivindicação 1, o rotor (5) é caracterizado por pás curvas (15) compreendidas por um ângulo de ataque, um raio de curvatura, comprimento de arco e o número de pás curvas (15) serem definidos pela diferença de pressões montante/jusante impostas ao circuito hidráulico.
5) TURBINA HIDRÁULICA COM GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA PRÓPRIA, PARA COMANDAR, MONITORAR E CONTROLAR A PRESSÃO E VAZÃO EM UMA REDE DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA OU OUTRO FLUIDO, de acordo com a reivindicação 4, o rotor (5) é caracterizado por um eixo (E) ser apoiado em mancais de rolamentos formados por flanges cônicos (11), juntamente com selos mecânicos (10), rolamentos oscilantes de rolos cônicos (12) e uma tampa (13), em que a carga hidráulica devido a diferença de pressão montante/jusante e a vazão na turbina (1) gera no rotor (5) um torque mecânico transmitido através de seu eixo (E) a um gerador elétrico assíncrono, ou a um alternador elétrico (16).
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