BR112020005584A2

BR112020005584A2 - usina hidrelétrica com um acionamento elétrico para acionamento de válvula de comporta

Info

Publication number: BR112020005584A2
Application number: BR112020005584-0A
Authority: BR
Inventors: Peter Richter; Andreas Lechner
Original assignee: Voith Patent Gmbh
Priority date: 2017-09-28
Filing date: 2018-07-11
Publication date: 2020-10-27
Also published as: US11053650B2; DE102017122541B3; WO2019063156A1; EP3688231A1; CN111164262B; US20200224381A1; EP3688231B1; CN111164262A

Abstract

  Uma usina hidrelétrica compreendendo uma bacia de água a montante, uma bacia de água a jusante, um sistema de hidrovias com várias hidrovias parciais que conectam a bacia de água a montante à bacia de água a jusante, uma máquina hidráulica disposta no sistema de hidrovias, uma válvula de comporta disposta em uma hidrovia parcial e um acionamento elétrico para acionar a válvula de comporta, em que o acionamento elétrico é projetado de modo que ele assegure um fechamento seguro da válvula de comporta, mesmo em caso de falha de energia, sem que seja prevista uma fonte de alimentação de emergência para esse fim.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "USINA

HIDRELÉTRICA COM UM ACIONAMENTO ELÉTRICO PARA ACIONAMENTO DE VÁLVULA DE COMPORTA".

[001] A presente invenção refere-se a uma usina hidrelétrica com um acionamento elétrico para acionar uma válvula de comporta.

[002] Por razões de segurança, muitas usinas hidrelétricas têm uma válvula de comporta, que pode ser usada para desligar a usina com segurança em caso de danos. Convencionalmente, essa válvula de comporta é operada com a ajuda de um servo motor hidráulico e uma unidade hidráulica. Neste caso, é necessária uma grande quantidade de óleo hidráulico que representa um risco para o meio ambiente. Os acionamentos para válvulas de comporta de uma usina hidrelétrica também são conhecidos do estado da técnica, que são operados eletricamente. Por exemplo, o documento DE 10 2012 224 188 A1 divulga um acionamento elétrico para acionar a válvula de comporta de uma usina hidrelétrica, que compreende uma máquina elétrica e um freio de ventoinha. O acionamento também inclui duas linhas de corrente: uma primeira linha de corrente para operação normal e uma segunda linha de corrente para operação de emergência. A segunda linha de corrente foi projetada para operar a máquina elétrica automaticamente como gerador no modo ilha. O acionamento também é adequado para operação em caso de falha de energia sem a necessidade de uma fonte de alimentação de emergência.

[003] O inventor assumiu a tarefa de especificar um acionamento elétrico alternativo para acionar a válvula de comporta de uma usina hidrelétrica, que é de construção mais simples e garante com segurança o fechamento da válvula de comporta mesmo no caso de uma falha de energia, sem a necessidade de uma fonte de alimentação de emergência ou algo semelhante.

[004] O inventor reconheceu que a tarefa pode ser resolvida por uma usina hidrelétrica com os recursos da reivindicação 1. Formas de concretização vantajosas resultam das reivindicações dependentes da reivindicação 1.

[005] A solução de acordo com a invenção é explicada abaixo com referência às Figuras. A seguir é ilustrado em detalhes:

[006] Figura 1 usina hidrelétrica;

[007] Figura 2 válvula de comporta;

[008] Figura 3 acionamento de acordo com a invenção para acionar uma válvula de comporta.

[009] A Figura 1 mostra a estrutura esquemática de uma usina hidrelétrica. A usina hidrelétrica compreende uma bacia de água a montante, indicada por 1, e uma bacia de água a jusante, indicada por 2, em que o nível da água na bacia de água a montante 1 se situa acima do nível da água da bacia de água a jusante 2. No caso das bacias 1 e 2 também pode se tratar de corpos de água naturais, tais como lagos, rios ou enseadas. A usina hidrelétrica compreende ainda um sistema de hidrovia, que é assinalado com número 3 e conecta a bacia de água a montante 1 à bacia de água a jusante 2. Uma máquina hidráulica, designada por 4, está disposta em pelo menos uma hidrovia parcial do sistema hidroviário 3. A hidrovia parcial acima da máquina hidráulica 4 - a tubulação de pressão - é indicada por 31, e a hidrovia parcial abaixo da máquina hidráulica 4 - o tubo de sucção - é indicada por 32. No caso da máquina hidráulica 4 pode se tratar de uma turbina, uma bomba ou uma turbina de bomba. Uma válvula de comporta assinalada por 5, fica disposta na área de fluxo de entrada da tubulação de pressão 31. Em geral, uma válvula de comporta 5 disposta na tubulação de pressão 31 é usada como um dispositivo de segurança para desligamento da usina hidrelétrica. Outra válvula de comporta é disposta no tubo de sucção 32, que também é designado por 5. Uma válvula de comporta 5 na tubulação de sucção 32 é geralmente usada para drenar completamente a máquina hidráulica 4, o que é necessário para o trabalho de manutenção. Como regra, no entanto, a válvula de comporta 5 na tubulação de sucção 32 é fechada no caso de uma falha, a fim de impedir que a água retorne da bacia de água a jusante 2 para a casa de máquinas das usinas hidrelétricas, o que é particularmente importante em usinas de energia que para evitar cavitação são baixadas profundamente no subsolo. Também existem usinas hidrelétricas que possuem apenas uma válvula de comporta 5 na tubulação de sucção 32, que, portanto, serve apenas para desligar a usina hidrelétrica em caso de falha. Uma usina hidrelétrica de acordo com a invenção pode ter uma válvula de comporta 5 na tubulação de pressão 31, na tubulação de sucção 32 ou em ambas as linhas.

[0010] As válvulas de comporta 5 descritas até agora, que estão dispostas na tubulação de pressão 31 e/ou na tubulação de sucção 32, estão na posição aberta no estado operacional normal de uma usina hidrelétrica de acordo com a invenção. Em certas usinas hidrelétricas, no entanto, existem válvulas de comporta adicionais 5 que são movidas apenas para a posição aberta em modos operacionais especiais. Algumas usinas possuem outra via navegável parcial, que conecta a bacia de água a montante 1 diretamente à bacia de água a jusante 2. Ou seja, nesta hidrovia parcial, a água não flui através da máquina hidráulica 4, mas passa por ela. Uma hidrovia parcial é mostrada na Figura 1 e conecta a tubulação de pressão 31 ao tubo de sucção 32 e é designada 33. Essa derivação 33 pode desembocar diretamente na bacia de água a jusante 2. Uma válvula de comporta 5 é disposta na derivação 33 e é fechada durante a operação normal. Em muitos casos, esta válvula de comporta 5 é permanente ou transborda temporariamente, por exemplo, apenas em caso de inundações. Essa válvula de comporta 5 também é referida como dispositivo de proteção contra transbordamento ("Spillway"). Ocasionalmente, esse dispositivo de proteção contra transbordamento 5 também é movido para a posição aberta, por exemplo quando a máquina hidráulica 4 é reparada. A Figura 1 mostra ainda outra hidrovia parcial, que é designada 34 e conecta a bacia de água a montante 1 com a derivação 33. Neste caso, trata-se do chamado dreno de fundo, que geralmente é disposto na barragem da bacia de água a montante e com a ajuda da qual a água da bacia de água a montante 1 pode ser drenada perto do fundo da mesma. Uma válvula de comporta 5 também está disposta no dreno de fundo, que também é aberto apenas em determinadas situações, por exemplo para remover aluvião a bacia de água a montante 1. As válvulas de comporta adicionais 5 descritas nesta seção geralmente também devem ter uma função de desligamento de emergência.

[0011] A Figura 2 mostra em ilustração bem esquemática uma válvula de comporta 5 de acordo com a invenção. A válvula de comporta 5 encontra-se localizada em uma hidrovia parcial, designada 31, 32, 33, 34. A válvula de comporta 5 compreende um painel de proteção, indicado por 51, e um acionamento, indicado por 55. O painel de proteção 51 é móvel na direção vertical entre uma primeira posição, na qual a hidrovia parcial é fechada e uma segunda posição na qual a hidrovia parcial é aberta. Na Figura 2, o painel de proteção 51 está na primeira posição. Para garantir essa funcionalidade, a hidrovia parcial possui meios de guia adequados, que não são mostrados em detalhes na Figura 2. O acionamento 55 é disposto na direção vertical acima do painel de proteção 51, de modo a poder mover o painel de proteção 51 na direção vertical entre as posições nomeadas. Para este fim, a hidrovia possui dispositivos estruturais aos quais o alojamento do acionamento 55 está conectado. O acionamento 55 está conectado ao painel de proteção 51. Em princípio, o acionamento 55 também pode ser disposto de forma diferente da mostrada na Figura 2 e conectado ao painel de proteção 51. Por exemplo, o acionamento 55 pode ser orientado horizontalmente e conectado ao painel de proteção 51 através de um cabo defletor.

[0012] Deve-se notar que também existem outras formas de concretização possíveis para válvulas de comportas, que são compatíveis com o conceito de acordo com a invenção, por exemplo os chamados dispositivos de proteção radiais, nos quais o painel de proteção não é plano, mas curvo e é montado rotativamente em torno de um eixo. Esses dispositivos de proteção radiais são frequentemente usados para vertedouros. O acionamento 55 então não engata diretamente no painel de proteção, mas nos braços giratórios conectados ao painel de proteção. Além disso, há formas de concretização, nas quais o painel de proteção é projetado planar, mas este não pode ser movido em uma direção puramente vertical, mas é aberto e fechado em uma direção oblíqua. Em qualquer caso, as formas de concretização compatíveis com a ideia da invenção têm em comum o fato de que o painel de proteção 51 é projetado de modo que ele possa se mover entre uma primeira posição, na qual a hidrovia parcial está fechada e uma segunda posição, na qual a hidrovia parcial está aberta, e que a válvual de comporta 5 é projetada, de tal modo que ela possa ser fechada apenas pela ação do peso.

[0013] A Figura 3 mostra um acionamento 55 de acordo com a invenção de uma maneira altamente esquemática. O acionamento 55 compreende um motor elétrico, que é indicado por 551, um freio mecânico com força de frenagem ajustável, que é indicado por 552, uma unidade de travamento, que é indicada por 553, uma transmissão, que é indicada por 554, e um eixo roscado de fuso sem travamento automático, que é designado 555. O motor 551 é conectado à engrenagem 554 e ao eixo roscado de fuso 555 de modo que o fuso do eixo roscado de fuso 555 possa ser movido para dentro e para fora girando o motor 551. Na forma de concretização da válvula de comporta 5 de acordo com a Figura 2, a extremidade livre do fuso do eixo roscado de fuso 555 é conectada ao painel de proteção 51. Os componentes mencionados são, em qualquer caso, projetados para que a força necessária possa ser aplicada pelo acionamento para trazer a válvula de comporta 5 para a posição aberta. A engrenagem 554 atuará de modo que o movimento rotativo fornecido pelo motor 551 - velocidade relativamente alta com torque relativamente baixo - seja transformado em um movimento rotativo com velocidade mais baixa e torque mais alto e seja transmitido ao eixo roscado de fuso

555. Como o eixo roscado de fuso 555 não possui travamento automático, é suficiente desligar ou cortar a alimentação do motor 551 para o fechamento da válvula de comporta 5, uma vez que a válvula de comporta 5 é projetada, de modo que ela possa ser trazida para a posição fechada apenas pelo peso. O freio mecânico 552 com força de frenagem ajustável serve para ajustar o tempo de fechamento da válvula de comporta 5 - quanto maior a força de frenagem, maior o tempo de fechamento. O freio 552 é disposto de modo que ele possa inibir o movimento rotacional do trem de acionamento dentro do acionamento 55. Para atingir este objetivo, o freio 552 pode ser localizado em vários locais, por exemplo entre o motor 551 e a engrenagem 554, como mostrado na Figura 3, ou entre a engrenagem 554 e o eixo de parafuso de fuso 555. Ele também pode ser integrado no motor 551 ou ficar localizado dentro da engrenagem 554. No entanto, é vantajoso que o freio 552 engate de maneira inibidora em um ponto da linha localizado no lado do motor da engrenagem 554, uma vez que forças de frenagem menores são suficientes para neutralizar o torque menor existente ali. O acionamento 55 compreende ainda uma unidade de travamento eletricamente controlável, que é designada 553 e é projetada de modo que, em um primeiro estado, ela possa impedir completamente o movimento rotativo do trem de acionamento e, em um segundo estado, ela possa liberar completamente o movimento rotativo, em que o primeiro estado é assumido quando a unidade de travamento 553 recebe um sinal elétrico e o segundo estado é assumido quando não há sinal elétrico.

Em relação à posição da unidade de travamento 553, o que foi dito em relação ao freio 552 se aplica analogamente.

Existem muitas formas de concretização possíveis que são adequadas para a unidade de travamento 553. Por exemplo, pode se tratar de um freio controlável, cuja força de frenagem no primeiro estado fechado é tão grande que a força do peso do painel de proteção 51 não é suficiente para superar o atrito estático do freio.

Por exemplo, poderia se tratar de uma construção de catraca que engata em uma roda dentada correspondente (por exemplo, na engrenagem) para impedir completamente o movimento de rotação do trem de acionamento.

Ou poderia ser um dispositivo com um pino retrátil e extensível que pode ser inserido em uma abertura correspondente, por exemplo engata no eixo de transmissão do trem, como indicado na Figura 3, ou em uma roda da engrenagem 554. O modo de funcionamento descrito do controle da unidade de travamento 553 pode ser alcançado, por exemplo, pela interação de eletroímãs, ímãs permanentes e/ou molas mecânicas.

O objetivo da unidade de travamento 553 reside no fato de que, no estado aberto da válvula de comporta 5, o acionamento 55 possa ser bloqueado, de modo que o motor 551 possa ser desligado.

Uma vez que a válvula de comporta 5 se encontra neste estado na maioria das vezes, é possível economizar energia, uma vez que a unidade de travamento 553 consome apenas pouca energia elétrica no primeiro estado bloqueado.

Por outro lado, através da lógica de comutação descrita é garantido que, no caso de uma falha de energia,

a unidade de travamento 553 assuma o segundo estado e, assim, libere o trem de acionamento, de modo que a válvula de comporta 5 possa fechar com o tempo de fechamento ajustado pelo freio 552. O acionamento da presente invenção permite que o painel de proteção 51 seja travado em quase qualquer posição do mesmo. Por exemplo, a válvula de comporta 5 também pode ser bloqueada no estado fechado, o que por exemplo aumenta a segurança durante o trabalho de manutenção.

[0014] Quando a válvula de comporta 5 é aberta, o tempo para a abertura é regulado pela velocidade do motor 551. Em geral, o motor 551 funcionará a uma velocidade constante. Se o freio 552 engatar permanentemente com ação retentora no trem de acionamento, o motor 551 trabalhará, neste caso, contra a força de frenagem. Opcionalmente, o consumo de energia durante a abertura pode ser reduzido desativando o freio 552 de uma maneira controlada eletricamente, isto é, em um primeiro estado, o freio 552 engata no trem de acionamento com a força de frenagem predefinida com ação retentora, e em um segundo estado, o freio 552 libera completamente o trem de acionamento. O freio 552, neste caso, é projetado de modo que o segundo estado seja assumido quando um sinal de controle elétrico está presente e o primeiro estado é assumido quando nenhum sinal de controle elétrico está presente. Isso garante que, mesmo em caso de falta de energia, a válvula de comporta 5 possa ser fechada de forma confiável com o tempo de fechamento definido. Alternativamente, o freio 552 também pode ser projetado de modo que ele engate no trem de acionamento apenas em um sentido de rotação. Ou seja, somente quando o trem de acionamento gira na direção de fechamento (por meio da qual o painel de proteção 51 abaixa) o freio 552 engata no trem de acionamento, e na direção aberta (com o painel de proteção 51 sendo levantado) o trem de acionamento pode girar livremente.

[0015] O fechamento da válvula de comporta 5 pode ser realizado de duas maneiras. Primeiramente, através do desligamento do motor 551 com o freio 552 ativo ou através do recuo do eixo roscado de fuso com a ajuda do motor 551. Em ambos os casos, naturalmente, a unidade de travamento 553 deve liberar o trem de acionamento. No segundo caso, o tempo de fechamento é regulado pela velocidade do motor 551 e o freio 552 pode ser desativado para economizar energia.

[0016] Fica evidente pelo que foi dito que o freio 552 pode ser desativado sempre que o motor 551 estiver funcionando, isto é, sempre que estiver ligado. Portanto, é particularmente conveniente se um freio 552, que pode ser controlável, estiver integrado ao motor 551, uma vez que o freio 552 pode ser controlado através da fonte de alimentação do motor 551. Isso significa que menos componentes são necessários e a estrutura do acionamento é ainda mais simplificada.

[0017] Eixos de parafuso esféricos ou eixos de parafuso de rolos planetários podem ser usados para eixos de parafuso de fuso 555, uma vez que não possuem travamento automático.

[0018] Também deve ser mencionado que o arranjo dos componentes individuais na Figura 3 deve ser entendido apenas como um exemplo. Por exemplo, o trem de acionamento pode ser desviado pelo uso de engrenagens cônicas adequadas ou similares, e o comprimento do acionamento 55 pode, assim, ser reduzido. No entanto, sempre há a seguinte sequência no trem de acionamento: Motor 551, engrenagem 554, eixo de parafuso de fuso 555.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Usina hidrelétrica, compreendendo uma bacia de água a montante (1), uma bacia de água a jusante (2), um sistema de hidrovias (3) que conecta a bacia de água a montante (1) à bacia de água a jusante (2) e compreende várias hidrovias parciais (31, 32, 33, 34), uma máquina hidráulica (4) que está disposta no sistema de hidrovias (3) e uma válvula de comporta (5) que está disposta em uma hidrovia parcial (31, 32, 33, 34), em que a válvula de comporta (5) compreende um painel de proteção móvel (51 ), que é projetado de modo que ele possa se mover entre uma primeira posição, na qual a hidrovia parcial (31, 32, 33, 34) é fechada e uma segunda posição, na qual a hidrovia parcial (31, 32, 33, 34) está aberta, e compreende ainda uma unidade de travamento eletricamente controlável (553) para travar o painel de proteção (51) e um acionamento elétrico (55), em que a válvula de comporta (5) é projetada, de modo que que ela possa ser trazida para a posição fechada somente pela força do peso, e em que o acionamento (55) é projetado, de modo que ele possa trazer a válvula de comporta (5) para a posição aberta e fechada, e em que o acionamento (55) compreende um trem de acionamento, que compreende um motor elétrico (551) e um acionamento (554), caracterizada pelo fato de que o trem de acionamento compreende ainda um eixo de parafuso de fuso (555), em que os componentes do trem de acionamento ficam dispostos na ordem mencionada, de modo que através da operação do motor (551 ) o fuso do eixo de parafuso de fuso possa ser estendido e retraído para trazer a válvula de comporta (5) para as posições aberta e fechada, em que a unidade de travamento (553) é integrada no acionamento (55) e projetada de tal maneira que ela possa bloquear o trem de acionamento, se um sinal de controle elétrico estiver presente e possa liberar o trem de acionamento se não houver sinal de controle elétrico e o acionamento

(55) compreende ainda um freio mecânico (552) com força de frenagem ajustável, que é projetado, de modo que ele possa engatar com ação retentora no trem de acionamento, a fim de ajustar o tempo de fechamento da válvula de comporta (5), em que o freio (552) pode engatar em em um ponto no trem de acionamento com ação retentora, que fica localizado no lado do motor da engrenagem (554).

2. Usina hidrelétrica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o freio (552) está disposto de modo que ele possa engatar em um ponto no trem de acionamento, no qual os torques baixos atuam.

3. Usina hidrelétrica, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a unidade de travamento (553) está disposta de modo que ela possa engatar em um ponto no trem de acionamento, no qual atuam baixos torques.

4. Usina hidrelétrica de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que o freio (552) é projetado para ser eletricamente controlável, de modo que, em um primeiro estado, o freio (552) possa engatar no trem de acionamento com a força de frenagem predefinida e, em um segundo estado, possa liberar o trem de acionamento completamente, em que o segundo estado pode ser assumido quando um sinal de controle elétrico está presente e o primeiro estado pode ser assumido quando nenhum sinal de controle elétrico está presente.

5. Usina hidrelétrica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que o freio (552) é projetado de modo que ele pode engatar com ação retontora somente no trem de acionamento somente naquele sentido de rotação, no qual a válvula de comporta (5) está fechada e no outro sentido de rotação o trem de acionamento pode girar desimpedidamente através do freio (552).

6. Usina hidrelétrica de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que o freio (552) é projetado integrado no motor (551).

7. Usina hidrelétrica de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de que a unidade de travamento (553) é projetada integrada na engrenagem (554).

8. Usina hidrelétrica de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada pelo fato de que o eixo de rotação de fuso (555) é projetado como um eixo de parafuso esférico.

9. Usina hidrelétrica de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada pelo fato de que o eixo de parafuso de fuso (555) é projetado como um eixo de parafuso de rolo planetário.