BRPI0612641B1 - Turbina para uma central hidroelétrica para geração de energia elétrica, e, central hidroelétrica - Google Patents

Turbina para uma central hidroelétrica para geração de energia elétrica, e, central hidroelétrica Download PDF

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Abstract

turbina para uma central hidroelétrica para geração de energia elétrica, e, central hidroelétrica. é fornecida uma turbina para uma central hidroelétrica. a turbina tem um rotor com uma pluralidade de lâminas, com o rotor sendo arranjado à frente de um aparelho guia (na direção do fluxo). o ângulo de passo das lâminas do rotor é adaptado para ser varável. como o rotor está arranjado à frente do aparelho guia (na direção do fluxo), o fluxo encontra, primeiro, o rotor e, somente depois, encontra o aparelho guia, permitindo, então, condições ótimas de fluxo para o rotor.

Description

“TURBINA PARA UMA CENTRAL HIDROELÉTRICA PARA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA, E, CENTRAL HIDROELÉTRICA” [001] A presente invenção diz respeito a uma turbina para uma central hidroelétrica para gerar energia elétrica, bem como a uma central hidroelétrica tendo uma turbina correspondente.
[002] Sabe-se que centrais hidroelétricas ou usinas hidroelétricas com turbinas são divididas, substancialmente, em três níveis. O primeiro nível, em geral, representa um aparelho de suporte, com o qual a turbina fica mantida em sua posição em uma passagem. Ademais, é provido um aparelho guia que fica normalmente arranjado à frente do rotor. Finalmente, o próprio rotor que está arranjado com as lâminas por trás dele. Isto significa que um fluxo em relação a uma turbina deste tipo é influenciado nestes três níveis, ou locais.
[003] ‘Wasserkraftanlagen’ [‘Hydroelectric Power Installations’], 3a edição, Springer Verlag 2003, por Jürgen Giesecke e Emil Mosonyi, apresenta uma variedade de centrais hidroelétricas. Nela, está apresentada, por exemplo, uma turbina tubular Kaplan. Tal turbina tem um conduto de admissão, a própria turbina, e um conduto de sucção, que estão dispostos muito substancialmente alinhados e são horizontais, ou ligeiramente inclinados em relação à horizontal. Isto tem a vantagem de evitar uma pluralidade de mudanças em uma direção do fluxo, favorecendo uma produção de energia maior. A turbina tem lâminas de suporte, lâminas-guia, e um rotor arranjado por trás delas, possuindo lâminas correspondentes.
[004] Também são conhecidas unidades de turbina de fluxo direto, onde um gerador fica concentricamente arranjado fora da tubulação do fluxo, de modo que o gerador não fique localizado no interior do vaso hospedeiro. O rotor compreende um cubo, as lâminas do rotor, e um anel de rotor, estes sendo produzidos, tipicamente, no formato de uma estrutura soldada para formar uma unidade. Um arranjo de suporte em cruz é arranjado na direção do fluxo, a montante das lâminas guia e do rotor com as lâminas do rotor.
Petição 870180156042, de 28/11/2018, pág. 10/28 / 7 [005] O aparelho guia, arranjado à frente do rotor, é empregado pela rotação das lâminas-guia, ou lâminas de suporte, para fechar a turbina, com as lâminas estando dispostas de tal modo a repousar uma contra a outra e, assim, fechar a passagem.
[006] Neste sentido, deve-se considerar como sendo estado da técnica para esta invenção as seguintes publicações: DE 34 29 288 A1, DE 884 930 C, EP 0 622 543 A1, CH 332 959, US 2005/0001432 A1 e WO 03/056169 A1.
[007] Assim, o objetivo da presente invenção é fornecer uma turbina e uma central hidroelétrica tendo uma turbina correspondente que tenha uma estrutura simplificada e permita maior produção de energia.
[008] Tal objetivo é alcançado por uma turbina como apresentada na reivindicação 1 e por uma central hidroelétrica conforme será apresentada na reivindicação 2.
[009] É provida, então, uma turbina para uma central hidroelétrica.
A turbina possui um rotor com uma pluralidade de lâminas, onde o rotor fica arranjado à frente de um aparelho guia em uma direção do fluxo. O ângulo de passo das lâminas de turbina do rotor é adaptado para ser variável.
[0010] Em virtude de o rotor estar arranjado à frente do aparelho guia (na direção do fluxo), o fluxo encontra primeiro o rotor, e, somente depois, ele encontra o aparelho guia, permitindo, assim, condições ótimas do fluxo para o rotor.
[0011] O fato de não ser provido de aparelho de suporte separado quer dizer que perdas de fluxo em volta do aparelho de suporte são completamente eliminadas, permitindo, por conseguinte, um nível aumentado de eficiência em comparação com o estado da técnica.
[0012] De acordo com um aspecto da presente invenção, o rotor possui um cubo esférico para conectar as lâminas de turbina ao rotor. A configuração esférica do cubo torna possível ajustar o ângulo de passo das lâminas de turbina por uma grande extensão.
Petição 870180156042, de 28/11/2018, pág. 11/28 / 7 [0013] De acordo com outro aspecto da presente invenção, as lâminas de turbina repousam em relação de travamento positivo contra o cubo esférico de tal modo que seja possível evitar condições desvantajosas do fluxo quando as lâminas de turbina se juntam ao cubo.
[0014] De acordo, ainda, com outro aspecto da invenção, o ângulo de passo das lâminas de turbina pode ser ajustado em um ângulo de -20° a 140°, de maneira tal que o rotor possa ser desacelerado ou acelerado, se o ângulo de passo das lâminas da turbina for selecionado apropriadamente.
[0015] Outros aspectos da presente invenção serão objetos daquelas reivindicações anexas.
[0016] A invenção é descrita adiante em maior detalhe com referência aos desenhos, nos quais:
A figura 1 a mostra uma vista diagramática de uma turbina, de acordo com o primeiro modo de realização,
A figura 1b mostra outra vista diagramática de uma turbina, de acordo com o primeiro modo de realização,
A figura 1c mostra uma vista frontal de uma turbina, de acordo com o primeiro modo de realização,
A figura 2a mostra uma vista diagramática de uma turbina, de acordo com o segundo modo de realização,
A figura 2b mostra outra vista diagramática de uma turbina, de acordo com o segundo modo de realização,
A figura 2c mostra uma vista frontal de uma turbina, de acordo com o segundo modo de realização,
A figura 3 a mostra uma vista diagramática de uma turbina, de acordo com o terceiro modo de realização,
A figura 3b mostra outra vista diagramática de uma turbina, de acordo com o terceiro modo de realização,
A figura 3c mostra uma vista frontal de uma turbina, de acordo
Petição 870180156042, de 28/11/2018, pág. 12/28 / 7 com o terceiro modo de realização.
[0017] A figura 1a mostra uma vista diagramática de uma turbina, de acordo com um primeiro modo de realização. Figura 1b mostra outra vista da turbina, como mostrada na Figura 1a. Figura 1c mostra uma vista frontal das turbinas das Figuras 1a e 1b. A dita turbina possui um rotor 4, com lâminas de turbina 1 que são conectadas ao cubo 3, tendo configuração substancialmente esférica. O rotor 4, com as lâminas de turbina 1, está disposto à frente de um aparelho guia 6, na direção do fluxo. A presente turbina é, então, uma turbina de rotor a montante. Em outras palavras, o aparelho guia 6, está atrás do rotor 4, e, ao mesmo tempo, suporta o rotor na passagem, de modo que um aparelho de suporte adicional possa ser omitido. O referido aparelho guia tem, então, adicionalmente, um arranjo de montagem.
[0018] Por causa disto, o fluxo encontra, primeiramente, o rotor 4, em uma condição inalterada, de tal modo que uma quantidade máxima de energia possa ser obtida do fluxo, antes de encontrar o aparelho guia 6. Em relação a isto, tal aparelho guia 6 é projetado de maneira a assegurar um fluxo ótimo de descarga da água, reduzindo perdas por turbilhonamento, prevenindo, com isso, um acúmulo por aumento gradual e um colapso no nível de eficiência exigido para isto.
[0019] Tal aparelho guia tem lâminas de suporte 5. No primeiro modo de realização, existem sete lâminas de suporte 5. Tais lâminas de suporte, de preferência, não são projetadas para serem ajustáveis.
[0020] As lâminas de turbina 1 do rotor 4 são variáveis em uma faixa de -20° a 140°, de preferência, de -10° a 120°, de tal maneira que seja possível ajustar o passo das lâminas de turbina 1. Consequentemente, aquelas lâminas de turbina 1 do rotor 4 poderão estar dispostas em qualquer posição, sem que se forme um vão entre as lâminas de turbina 1 e o cubo, uma vez que as lâminas de turbina 1 repousam em uma relação de travamento positivo contra o cubo, em virtude de seu formato esférico.
Petição 870180156042, de 28/11/2018, pág. 13/28 / 7 [0021] Ajustando-se as lâminas 1 até 90°, as lâminas são giradas para o que é chamada de ‘posição embandeirada', significando que a água flui pelas lâminas e através do aparelho guia 6, sem provocar movimentação do rotor 4. Como resultado, a água pode fluir para fora, através da passagem da turbina, quando a turbina não está em operação, e a passagem não tem que ser fechada de modo a desacelerar e, possivelmente, parar o rotor.
[0022] Devido ao ajuste das lâminas do rotor 4 e em virtude do rotor 4 poder ser paralisado devido ao fato das lâminas poderem ser giradas para uma posição de sobreposição, não é necessário que as lâminas de suporte 5 sejam ajustáveis.
[0023] Figuras 2a e 2c mostram uma turbina de acordo com o segundo modo de realização. Neste caso, a estrutura da turbina do segundo modo de realização corresponde, substancialmente, à estrutura do primeiro modo de realização. Como no primeiro modo de realização, há sete lâminas de suporte 5 no aparelho guia 6. Porém, diferentemente do primeiro modo de realização, temos apenas quatro lâminas no rotor.
[0024] Figuras 3a e 3c mostram uma turbina de acordo com o terceiro modo de realização. A estrutura da turbina de dito terceiro modo de realização corresponde, substancialmente, à estrutura da turbina do primeiro e do segundo modos de realização. Em contraste com as turbinas do primeiro e do segundo modos de realização, tem-se, no aparelho guia 6, cinco lâminas de suporte 5.
[0025] Nos três modos de realização aqui mostrados, tais lâminas 1 do rotor 4 são adaptadas para serem ajustáveis, de modo que a turbina possa ser fechada pelo ajuste das lâminas. Isto significa que o ajuste daquelas lâminas do aparelho guia não é necessária para interromper o fluxo na passagem.
[0026] Nos três modos de realização mostrados anteriormente, o rotor está conectado a um eixo 10, que, por sua vez, pode ser acoplado a um gerador elétrico do modo a converter o movimento giratório de tal eixo 10 em energia elétrica.
Petição 870180156042, de 28/11/2018, pág. 14/28 / 7 [0027] A turbina, de acordo com a invenção, é, assim, uma turbina de rotor a montante, significando que tal aparelho guia está posicionado atrás do rotor 4. O aparelho guia funciona tanto como suporte e arranjo para a montagem da turbina. As lâminas 1 do rotor 4 são adaptadas para serem ajustáveis em um ângulo de -20° a 140°. O cubo 3 do rotor 4 tem configuração substancialmente esférica, de modo que lâminas 1 do rotor 4 possam ser colocadas em qualquer ângulo desejado sem que um vão esteja presente. O fluxo encontra, assim, em primeiro lugar, o rotor 4, antes de passar adiante, para aquele aparelho guia 6, permitindo, com isso, condições ótimas do fluxo para o rotor 4. Tal turbina de acordo com a presente invenção possui, assim, somente dois níveis, a saber, o rotor e o aparelho guia.
[0028] A turbina como descrita acima para uma central hidroelétrica é acoplada, de preferência, num arranjo sem transmissão (por meio do eixo 10) a um gerador para a geração de energia elétrica, a saber, o arranjo envolve um sistema sem transmissão, consistindo de turbina e gerador.
[0029] O gerador acoplado a turbina tem preferencialmente velocidade de rotação variável. Para este fim, o sistema ou central hidroelétrica tem, além do gerador, de preferência, um retificador e um inversor, o qual, por sua vez, pode ser conectado a uma rede. Devido ao suprimento do retificador e inversor, gerador também pode ser operado a diferentes velocidades de rotação, ao passo que a tensão gerada pelo gerador ou a produção de força pode ser convertida, por meio do retificador e inversor.
[0030] A configuração de projeção da velocidade variável do gerador faz possível alcançar uma saída mais alta que a energia gerada pelo gerador elétrico que pode ser distribuído pela rede quando a velocidade de rotação do gerador não é suficiente para distribuir a frequência solicitada pela rede.
[0031] Se tal turbina, de acordo com a invenção, estiver acoplada a um gerador elétrico e se ela for utilizada numa central hidroelétrica, podem ocorrer diferenças consideráveis entre a água a montante (a parte armazenada da água)
Petição 870180156042, de 28/11/2018, pág. 15/28 / 7 e a água a jusante (a parte exposta por um movimento de flutuação, abaixo de um estágio de acúmulo). Não obstante, a força gerada pela central hidroelétrica é dependente, diretamente, da diferença da altura entre a água a montante e a água a jusante. Se, agora, for usada uma turbina com um gerador de velocidade fixa, este gerador só pode ser usado quando o gradiente de água (diferença na altura entre a água a montante e a água a jusante) permitir uma velocidade de rotação adequada para o gerador.
[0032] Tal gerador elétrico de velocidade variável de acordo com esta invenção, com um inversor subsequente, também poderá ser operado em uma velocidade de rotação abaixo da velocidade de rotação necessária, i.e., também com diferentes níveis de produção de energia. Do mesmo modo, tal turbina de acordo com a invenção também pode operar quando a velocidade de rotação da turbina cair abaixo de uma velocidade de rotação que, de outra maneira, seria necessária.

Claims (6)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Turbina para uma central hidroelétrica para geração de energia elétrica, compreendendo:
    um rotor (4) e uma pluralidade de lâminas de turbina (1), um aparelho guia (6) com uma pluralidade de lâminas de suporte (5) que ficam arranjadas depois do rotor (4) na direção de fluxo atravessante e que servem como um aparelho de suporte da turbina, caracterizada pelo fato de que o ângulo de passo das lâminas de turbina (1) do rotor (4) é adaptado para ser variável, e em que a referida turbina está na forma de uma turbina de rotor a montante de modo que as lâminas de turbina (1) tenham um fluxo afluxo que é substancialmente não perturbado pela turbina na direção de fluxo atravessante, em que o rotor (4) tem um cubo esférico (3) para conexão das lâminas (1) ao rotor (4), em que as lâminas (1) estão conectadas em relação de travamento positivo com o cubo (3), em que o ângulo de passo das lâminas de turbina (1) é adaptado para ser ajustável de -20° a 140°, e as referidas lâminas de turbina (1) podem ser colocadas nessa faixa de ângulo sem que se forme um vão entre as lâminas de turbina (1) e o cubo (3).
  2. 2. Central hidroelétrica, caracterizada por ter pelo menos uma turbina como definida na reivindicação 1.
  3. 3. Central hidroelétrica de acordo com a reivindicação 2, sendo caracterizada pelo fato de que a turbina está arranjada em uma passagem, e o aparelho guia (6) é adaptado para suportar o rotor (4) na passagem.
  4. 4. Central hidroelétrica de acordo com a reivindicação 3, sendo caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente um gerador elétrico para geração de energia elétrica, em que o referido gerador elétrico é acoplado sem transmissão à turbina.
    Petição 870180156042, de 28/11/2018, pág. 17/28
    2 / 2
  5. 5. Central hidroelétrica de acordo com a reivindicação 3, sendo caracterizada pelo fato de que o referido gerador é adaptado para ser variável em velocidade de rotação.
  6. 6. Central hidroelétrica de acordo com a reivindicação 4 ou 5, caracterizada por compreender adicionalmente um retificador para retificar a tensão elétrica de saída do gerador, e um inversor que está acoplado em uma extremidade ao retificador, e, em outra extremidade, a uma conexão de rede, em que o inversor serve para fornecer energia elétrica à rede numa frequência solicitada pela rede.
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