BRPI0508842B1 - Conjunto compreendendo uma turbina hidráulica e um gerador, cujo rotor é conectado diretamente a cada uma das palhetas da turbina - Google Patents

Conjunto compreendendo uma turbina hidráulica e um gerador, cujo rotor é conectado diretamente a cada uma das palhetas da turbina Download PDF

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Abstract

conjunto compreendendo uma turina hidráulica e um gerador, cujo rotor é conectado diratamente a cada uma das palhetas da turbina. a presente invenção se refere a um conjunto provido com uma turbina hidráulica (2) e um gerador elétrico giratório (1), cujo rotor (4) esta conectado à turbina (2). a turbina (2) apresenta pelo menos três palhetas com orientação axial (5). de acordo com a invenção, cada palheta (5) é conectada individualmente de forma direta ao rotor (4) do gerador (1). a invenção se refere também à utilização do conjunto da invenção para geração de corrente elétrica a partir de correntes submarinas.

Description

(54) Título: CONJUNTO COMPREENDENDO UMA TURBINA HIDRÁULICA E UM GERADOR, CUJO ROTOR É CONECTADO DIRETAMENTE A CADA UMA DAS PALHETAS DA TURBINA (51) Int.CI.: F03B 3/12; F03B 7/00; F03B 13/10; F03B 13/26 (30) Prioridade Unionista: 16/03/2004 SE 0400667-2 (73) Titular(es): CURRENT POWER SWEDEN AB (72) Inventor(es): LEIJON MATS; BERNHOFF HANS; SEGERGEN ERIK
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CONJUNTO, COMPREENDENDO UMA TURBINA HIDRÁULICA E UM GERADOR, CUJO ROTOR É CONECTADO DIRETAMENTE A CADA UMA DAS PALHETAS DA TURBINA.
Campo da Invenção
A presente invenção relaciona-se a um conjunto que compreende uma turbina hidráulica e um gerador elétrico giratório, cujo rotor é conectado à turbina, turbina que compreende um jogo de palhetas de pelo menos três palhetas com orientação axial.
Antecedentes da Invenção
A presente invenção é basicamente, mas não unicamente, destinada para aplicações de produção de energia elétrica a partir de correntes submarinas em mares e cursos de água. As correntes marinas podem ser causadas por diferenças nas águas das marés, de temperatura ou salinidade, a força de Coriolis de rotação da terra como, por exemplo, correntes de golfo ou diferenças em nível, por exemplo, em cada lado.
A velocidade do fluxo da água em correntes marinas é, geralmente, razoavelmente moderada, isto é, tipicamente apenas alguns m/s e pode atingir 5 m/s como máximo. A velocidade do fluxo em percursos aquáticos irregulares é normalmente do mesmo valor, mas nas corredeiras pode aumentar em até 10-15 m/s.
No presente, a fonte de energia oferecida por correntes submarinas é muito pouco utilizada para geração de eletricidade. Isto depende acima de tudo, das dificuldades para se conseguir uma tecnologia econômica competitiva. Neste sentido, um dos problemas está na baixa
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I · · · · «· · ··» da energia de tais fluxos ··· · • · • * » · · • · velocidade do fluxo. A utilização leva a que as turbinas tenham um baixo número de revoluções e que tenha que ser usado torque elevado.
Nestas condições uma turbina de tipo provisório é uma 5 que tem palhetas axialmente orientadas. Convencionalmente, esta é formada com palhetas conectadas a um eixo através de estais com orientação substancialmente radial, cujo eixo esta conectado por sua vez ao rotor do gerador. Nas aplicações onde uma turbina de dimensões relativamente 10 grandes é requerida, os esforços na estrutura que carrega as palhetas tornam-se maiores. Isto pode envolver o risco de distorções e de oscilações nas construções, que podem conduzir à deterioração na geometria do ajuste de palhetas com eficiência deteriorada acompanhante. Isto pode ser 15 especíalmente sensível se o fluxo de água que impele a turbina for instável, isto é, flutuações ocorrem na velocidade e no sentido do fluxo. Este pode ser o caso, por exemplo, em determinados tipos de correntes submarinas onde os movimentos da onda na superfície e na água de marés 20 afetam um fluxo que é estável em outros aspectos. Além disso, a estrutura portadora de carga requerida torna à turbina complicada e grotesca.
objetivo da presente invenção é de superar ou pelo menos reduzir estes problemas.
Sumário da Invenção
O objeto acima é alcançado pelo fato que um conjunto do tipo definido no preâmbulo da reivindicação 1 compreende a característica especial de que cada palheta está
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Figure BRPI0508842B1_D0001
conectada individualmente de forma direta ao rotor do gerador.
Pelo fato que as palhetas estão sustentadas de forma direta pelo rotor, a necessidade para uma estrutura particular sustentactora de carga para o mesmo é eliminada. O rotor, que normalmente é um corpo relativamente sólido e robusto, assegura boa sustentação às palhetas em pelo menos uma extremidade das mesmas. Desse modo, as palhetas assumem posições melhor definidas e estáveis. Além disso, a complexidade total do conjunto é reduzida pelo fato que a estrutura sustentadora (ou arrasto) de carga se torna muito mais simples e consiste em grande medida de um componente que de qualquer maneira estaria presente por outras razões. Consequentemente, um conjunto de acordo com a invenção torna-se muito vantajoso nas situações onde um conjunto grande é necessário e onde as condições de fluxo são não sempre estáveis.
De acordo com uma concretização preferida do conjunto, a turbina compreende um primeiro grupo de palhetas dirigidas em uma primeira direção a partir do rotor e um segundo grupo de palhetas dirigidas em direção ao sentido oposto do rotor, onde cada grupo compreende pelo menos três palhetas.
Isto resulta na vantagem do conjunto inteiro incorporar uma simetria que é favorável para suportar os tipos diferentes de forças que ocorrem. O arranjo bidirecional envolve também que cada palheta possa ser feita mais curta, o que proporciona uma estabilidade de conformação aumentada à parte da peça mais distante da
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Figure BRPI0508842B1_D0002
montagem no rotor. Alternativamente, uma turbina tendo um comprimento axial total maior pode ser fornecida.
De acordo com uma concretização preferida adicional, cada palheta no primeiro grupo esta disposta em alinhamento com uma palheta no segundo grupo. Desse modo, a simetria do conjunto é aumentada adicionalmente com características ainda mais estáveis de operação, conseqüentemente.
De acordo com uma concretização preferida adicional, as palhetas posicionadas em alinhamento recíproco são mecanicamente conectadas de forma direta umas com as outras. Desse modo, a vantagem alcançada é que as palhetas se estabilizam ente si por pares pelo fato que as forças de flexão em uma das palhetas são carregadas por forças de flexão na outra.
De acordo com uma concretização preferida adicional, cada palheta é montada por meios de estai. Embora o conjunto de acordo com a invenção em princípio elimine a necessidade de travamento ou estaiagem com separação daquela que é obtida de forma direta a partir do rotor, pode freqüentemente ser vantajoso fornecer as palhetas com travamento suplementar a fim de melhorar a estabilidade das palhetas. Entretanto, os meios de estai para essa finalidade podem ser consideravelmente mais simples e mais frágeis do que em uma turbina convencional onde as palhetas sejam carregadas inteiramente por uma construção da estai. Isto é graças ao fato das palhetas serem carregadas principalmente por e obter estabilidade a partir do rotor.
De acordo com uma concretização preferida adicional, os meios de estai compreendem elementos que conectam as
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palhetas umas às outras. Desse modo, o travamento é
alcançado em uma maneira simples.
De acordo com uma concretização preferida, os
referidos elementos são dirigidos de forma radial para dentro da palheta respectiva e conectados umas as outras com as extremidades radiais mais internas. De acordo com uma concretização preferida alternativa, os elementos se estendem entre cada palheta adjacente no sentido circunferencial.
Ambas estas alternativas implicam em que o travamento se torne estável com um projeto construtivo relativamente simples dos elementos formadores de estaíagem ou travamento.
De acordo com uma concretização preferida adicional, cada palheta é conectada ao rotor através de um dispositivo de união. Desse modo, alcança-se que a transferência de momentos de flexão e de torque prejudiciais ao rotor a partir das palhetas seja limitado.
De acordo com uma concretização preferida adicional, o rotor compreende ímãs permanentes, por meio de que o mesmo se torna robusto e insensível a distúrbios operacionais na transformação eletromagnética da energia.
De acordo com uma concretização preferida adicional, o estator é encapsulado em um alojamento à prova de água. Assim, de maneira simples, o gerador torna-se adaptado a operar em um ambiente submarino.
De acordo com uma concretização preferida adicional, o rotor é posicionado e sentido radial fora do estator e no mesmo plano axial que o estator. Desse modo, o conjunto torna-se compacto tanto em sentido axial como no radial.
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De acordo com uma concretização preferida adicional, o estator é provido com um enrolamento com um cabo de alta tensão fornecido com um núcleo de um material condutor, uma primeira camada de material semicondutor que envolve o material condutor, uma camada de material isolante que envolve a primeira camada e uma segunda camada de material semicondutor que envolve o material isolante.
Por meio de um enrolamento deste tipo, se torna possível comandar a indução de corrente de voltagem muito alta, graças ao campo elétrico envolvente que se torna homogêneo. Pelo fato que a corrente desse modo se pode manter mais baixa, se diminuem as perdas e a liberação de calor.
De acordo com uma concretização preferida adicional, o estator do gerador é passível de rotação e conectado a uma turbina disposta para girar o estator no sentido oposto ao rotor.
A força electromotriz, E, que é induzida em uma bobina é calculada de acordo à lei de Farraday a partir da relação:
E=-N dO/dt onde N é o número de voltas e Φ o fluxo magnético. Isto significa que em um rotor de marcha lenta, dd/dt se torna pequena e resulta em uma força electromotriz induzida pequena. Pelo fato de que o estator também gira e que o sentido de rotação é contraria à direção do rotor, o movimento relativo entre o rotor e o estator será a soma da sua velocidade giratória. Desse modo, o termo dí>/dt vai aumentar correspondentemente. Assim, se o estator girar com a mesma velocidade que o rotor, (valor do) termo
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Figure BRPI0508842B1_D0003
► « · · * • · • ··· • · « · · * • · · · ·· « duplicar-se-á, resultando em uma força electromotriz duplicada em comparação com um estator estacionário.
De acordo com uma concretização vantajosa adicional, o estator possui um enrolamento trifásico.
As concretizações preferidas acima mencionadas do conjunto inventivo são definidas nas reivindicações subordinadas à reivindicação 1.
As vantagens do conjunto da invenção são especialmente valiosas quando o conjunto é utilizado para a produção de energia a partir de correntes submarinas.
Consequentemente, um segundo aspecto da invenção consiste em um uso do conjunto da invenção para a geração da corrente elétrica das correntes submarinas.
A invenção é explicada em maior detalhe a partir da descrição detalhada a seguir, de uma concretização preferida com remissão às figuras apensas.
Breve descrição das figuras
Figura 1 é uma vista esquemática em perspectiva de uma primeira concretização exemplificativa da invenção.
Figura 2 é uma vista esquemática em perspective de uma segunda concretização exemplificativa da invenção.
Figuras 3-5 são vistas esquemáticas de diferentes exemplos da concepção da turbina de acordo com a invenção.
Figura 6 é uma vista esquemática em perspectiva da turbina de acordo com uma concretização exemplificativa adicional da invenção.
Figura 7 ilustra um detalhe da invenção de acordo com uma concretização exemplificativa adicional da invenção.
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Figura 8 é uma vista esquemática em perspectiva de uma concretização adicional da invenção.
Figura 9 é uma vista em seção transversal de um cabo usado no enrolamento do estator em uma concretização exemplificativa da invenção.
Descrição de concretizações exemplifi cativas vantajosas da invenção.
A figura 1 é uma vista esquemática em perspectiva de um primeiro exemplo de um conjunto de acordo com a invenção. O conjunto consiste em um gerador 1 e em uma turbina 2. O gerador 1 tem um estator externo 3 arranjado em uma armação 7, pousada no fundo do mar. 0 eixo respectivo 8 de quatro palhetas com orientação axial 5 é prendido ao rotor interno 4. Nas suas extremidades opostas ao rotor 4, as palhetas 5 são escoradas por meio de quatro estais 6, cada qual se estendendo entre duas palhetas adjacentes 5. Uma corrente submarina A leva a turbina 2 a girar e assim também o rotor 4, sendo induzida uma corrente nos enrolamentos do estator. Os cabos de saída indicam se tratar de três fases. Alternativamente, as palhetas podem naturalmente ser direcionadas de forma descendente apartir do rotor.
No exemplo da concretização de acordo com a figura 2, o rotor 4 é radialmente posicionado por fora do estator 3. 0 estator é sustentado por um pedestal (não mostrado), que pousa no fundo do mar. Ao rotor, são fixados dois grupos de palhetas 5a, 5b, dirigidas em direção axialmente oposta. Cada palheta 5a no primeiro grupo está disposta em
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Figure BRPI0508842B1_D0004
<··» • · ♦ • ♦ • · · • · · · • · • · ··*· ♦♦ alinhamento com uma palheta 5b do segundo grupo. Cada par oposto de palhetas 5a, 5b está unido um ao outro.
Nas figuras 3-5, ilustra-se em vistas de topo, diferentes exemplos de escoramento de extremidades de palhetas afastadas do rotor.
No exemplo da figura 3, a turbina têm cinco palhetas 5 e o arranjo de estais corresponde em princípio àquele mostrado na figura 1.
Na figura 4, onde a turbina tem três palhetas 5, os estais 5 são posicionados radialmente e conectados uns aos outros no centro.
Na figura 5, onde a turbina tem seis palhetas 5, os estais 5 são posicionados radialmente como na figura 4, mas aqui são todos conectados a um estai aneliforme 9 disposto no centro.
Alternativamente, os estais 5 podem, naturalmente, ser dispostos a uma distância interna a partir das extremidades de palhetas. Além disso, uma pluralidade de estais axialmente distribuídos pode ser arranjados. Uma concretização assim é ilustrada na figura 6.
A figura 7 ilustra uma fixação articulada de uma palheta 5 com o eixo 8 da mesma, estando presa ao rotor 4 através de um dispositivo de união 10.
A figura 8 ilustra uma concretização exemplificativa alternativa que tem um rotor externo 4 de encontro a três palhetas 5 na turbina 2 e um estator interno 3. Aqui, o estator está arranjado para giro e conectado a uma turbina 22 que tem três palhetas 25. As palhetas 25 da turbina do estator são anguladas de tal maneira que o estator girará no sentido B oposto ao sentido de rotação C do rotor.
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Na figura 9 é mostrada uma concretização exemplificativa vantajosa do enrolamento do estator do gerador. O estator possui um enrolamento com cabo de alta tensão e a figura é a sua vista em corte transversal. 0 cabo consiste em um núcleo que tem um ou mais fios condutores de cobre 31. O núcleo é envolto por uma camada interna semicondutora 32. Por fora desta, é disposta uma camada isolante sólida 33, por exemplo, isolação PEX. Em torno da isolação, é disposta uma camada semicondutora externa 34. Cada uma das camadas semicondutoras forma uma superfície equipotencial.
As figuras descritas são esquemáticas para a compreensão da invenção havendo-se omitido detalhes menos importantes com a finalidade de se enfatizar os aspectos específicos significativos para a invenção.
Normalmente, um conjunto de acordo com a invenção apresenta um tamanho correspondente a um diâmetro de turbina de 2 a 10 m. Entretanto, para fornecimento de energia local para um ou mais usuários, podem ser considerados tamanhos menores, com um diâmetro de rotor na faixa de 0,5 a 2 m. Em determinadas aplicações, como, por exemplo, distantes no mar na Corrente do Golfo, podem se considerar dimensões muito maiores, com um diâmetro de rotor de até 100 m.
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Claims (14)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Conjunto que compreende uma turbina de água (2) e um gerador elétrico giratório (1), cujo rotor (4) é
    5 conectado à turbina (2), turbina (2) que por sua vez compreende pelo menos três palhetas em orientação axial (5), caracterizado pelo fato que cada palheta (5) está conectada individualmente de forma direta ao rotor (4) do gerador (1) .
  2. 2. Conjunto de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato que a turbina (2) compreende um primeiro grupo de palhetas (5a) dirigidas para um primeiro sentido a partir do rotor (4) e um segundo grupo de
    15 palhetas (5b) dirigidas para o sentido oposto a partir do rotor (4), cada grupo compreendendo pelo menos 3 palhetas (5a, 5b).
  3. 3. Conjunto de acordo com a reivindicação 2, 20 caracterizado pelo fato que cada palheta (5a) no primeiro grupo está disposta em alinhamento com uma palheta (5b) no segundo grupo.
  4. 4. Conjunto de acordo com a reivindicação 3,
    25 caracterizado pelo fato que as palhetas (5a, 5b) posicionadas em co-alinhamento estão mecanicamente conectadas de forma direta entre si.
    2/3
  5. 5. Conjunto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato que cada palheta (5) está escorada por meios de estai.
  6. 6. Conjunto de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato que os meios de estai compreendem elementos (6) que conectam as palhetas (5) uma com a outra.
  7. 7. Conjunto de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato que os meios de estai compreendem um elemento (6) dirigido radialmente para dentro a partir da palheta respectiva (5) , cujas extremidades radialmente mais internas estão em conexão umas com as outras.
  8. 8. Conjunto de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato que os meios de estai compreendem elementos que estendem entre cada palheta adjacente no sentido circunferencial.
    9. Conjunto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato que cada palheta (5) está conectada ao rotor através de um dispositivo de união (10) . 10. Conjunto de acordo com qualquer uma das
    reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato que o rotor (4) compreende imãs permanentes (21) .
    11. Conjunto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato que o
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  9. 9 · • · ··· ·· ···· · : :=-.
    « · · · . ·« ·· ' » » · · • · · ·.
    • ·· · estator d'água.
    (3) está encapsulado em um alojamento à prova
  10. 12. Conjunto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato que o rotor está posicionado radialmente por fora do estator e no mesmo plano axial que o estator.
  11. 13. Conjunto de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato que o estator possui um enrolamento com um cabo de alta tensão fornecido com um núcleo (31) de material condutor, uma primeira camada (32) de material semicondutor que envolve o material condutor, uma camada (33) de material isolante que envolve a primeira camada (32) e uma segunda camada (34) de material semicondutor que envolve o material isolante.
  12. 14. Conjunto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato que o estator (3) do gerador é passível de rotação e conectado a uma turbina (22) disposta para girar o estator (3) no sentido oposto ao rotor (4).
  13. 15. Conjunto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato que o estator (9) possui um enrolamento para conexão trifásíca.
  14. 16. Uso de um conjunto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15, caracterizado por ser para a geração de corrente elétrica de correntes submarinas.
BRPI0508842-9A 2004-03-16 2005-03-10 Conjunto compreendendo uma turbina hidráulica e um gerador, cujo rotor é conectado diretamente a cada uma das palhetas da turbina BRPI0508842B1 (pt)

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