BRPI0708262A2 - unidades de turbina, e de gerador-turbina - Google Patents

Abstract

UNIDADES DE TURBINA, E DE GERADOR-TURBINA. Uma unidade de turbina compreende um alojamento (20) um rotor de turbina (10) e um difusor (70) que é localizado a jusante de dito rotor de turbina (10) para receber fluido descarregado do rotor que afunila para fora na direção a jusante e que compreende dispositivo (72, 74) para introduzir fluido suplementar do exterior do alojamento (20) para o escoamento descarregado do rotor (10). Além disto, uma unidade de gerador-turbina é fornecida, da qual o rotor (10) compreende uma pluralidade de lâminas de rotor e a unidade ainda compreende um gerador elétrico (80) acoplado ao rotor de turbina (10) para ser acionado assim, o gerador compreendendo um conjunto de rotor e um conjunto de estator, um do conjunto de rotor e do conjunto de estator compreendendo uma ou mais bobinas (86) e o outro do conjunto de rotor e do conjunto de estator compreendendo um ou mais ímãs (84) para acoplar de maneira magnética a uma ou mais bobinas (86) para a indução de corrente elétrica nelas quando o rotor da turbina gira, no qual o conjunto de rotor é carregado para as lâminas do rotor da turbina.

Description

"UNIDADES DE TURBINA, E DE GERADOR-TURBINA"CAMPO DA INVENÇÃO

Esta invenção é relativa a um conjunto de turbina paraenergizar um gerador elétrico. A invenção também é relativa a um conjuntocombinado de rotor, turbina e gerador elétrico.

FUNDAMENTO DA INVENÇÃO

Em diversas localizações surge a necessidade por uma fontelocal de energia elétrica livre de condutores ou outros suprimentos de linha deenergia convencional e que não requeira uma fonte de energia tal como ogerador elétrico convencional acionado por petróleo ou acionado por gás.Uma fonte primária de energia que pode estar disponível é vento ou água.Energia de água pode estar disponível em escoamento de corpos de água emterra, e encontrada em rios e correntes, ou em correntes que se movem emlagos, por exemplo. Energia de água também pode ser encontrada emcorrentes no mar.

A extração de energia para gerar energia elétrica de acordocom corpos naturais de água que se movem, pode ser diferenciada de geraçãode energia hidroelétrica convencional, na qual uma carga de água édeliberadamente engenheirada para energizar uma turbina que aciona ogerador elétrico.

A utilização de correntes de ar naturais é aplicada em turbinasenergizadas pelo vento. Uma turbina de vento é uma estrutura fixa que temum conjunto de lâminas sobre as quais o vento se choca e que é construídapara se orientar para estar de face para o vento.

O desenvolvimento da presente invenção foi orientadoparticularmente para uma unidade capaz de extrair energia de movimentosnaturais ou forçados de corpos de água com uma visão para fornecer umafonte local de energia elétrica. É considerado que os ensinamentos dainvenção podem ser aplicados sobre uma faixa que se estende desde umgerador portátil manual até uma unidade substancial localizada no fundo domar, por exemplo. Contudo, o ensinamento da invenção não está limitado emescala. Ele poderia ser aplicado no que é conhecido como micro-engenharia,por exemplo. A invenção é também aplicável para extrair energia deescoamentos de ar. Referência aqui para escoamento de fluido deve serentendida abrangendo escoamentos de líquido e de gás. A invenção serádescrita e discutida de maneira particular com relevância para extração deenergia de água em escoamento.

Uma forma de gerador-turbina pequeno está descrita naPatente U.S. 4.746.808. A turbina é do tipo roda Pelton que requer ativaçãopor um conjunto de injetores conectados a uma fonte de água pressurizada.Ela não pode tirar vantagem de um escoamento natural de água. O movimentorotativo da turbina é comunicado ao rotor de um gerador elétrico que é do tipoque utiliza ímãs permanentes.

A Patente U.S. 6.013.955 divulga uma turbina de escoamentoaxial que é montada em um alojamento projetado para submersão em umacorrente. A turbina é montada em um conduto que se estende através doalojamento, e através do qual a água escoa para girar a turbina. A unidade deturbina é dotada de uma aleta de cauda para manter a unidade orientada para acorrente. A turbina é acoplada mecanicamente a um gerador elétrico separado.

O projeto do alojamento de turbina e conduto descritos naPatente 955 não fornece auto-alinhamento com uma corrente em escoamento.Além disto, os trajetos de escoamento associados com o alojamento e oconduto através do mesmo não têm um rendimento particularmente elevadode extração de energia para energizar a turbina a partir da água emescoamento. A eficiência com a qual é extraída a energia potencial disponíveldo escoamento de água é uma função de ambos, da estrutura da própriaturbina e do trajeto de escoamento no qual ela opera. Uma deficiência daentrada para o trajeto de escoamento fornecido pelo alojamento divulgado naPatente 955, é que ela tem uma configuração simétrica. O significado distoserá explicado em seguida.

Genericamente é desejável fornecer um gerador-turbina(unidade de turbina mais gerador) que seja capaz de operar com umrendimento relativamente elevado em corrente de água, ou de outro fluidoinclusive a ar, que se move de maneira lenta. Nestas configurações dainvenção descritas abaixo, a única energia disponível para realizar trabalho éaquela da corrente livre, na qual a unidade de turbina está submersa. Umprimeiro objetivo, portanto, foi o projeto de uma turbina que extrai energia demaneira eficiente de uma corrente de fluido de escoamento livre. Oescoamento de fluido pode ser um escoamento relativamente não restringido,tal como uma corrente natural de água: ele pode ser um escoamentorestringido tal como encontrado em um tubo. O arranjo turbina a ser descrito éaplicável em qualquer orientação horizontal, vertical ou inclinada. Ele éutilizável sobre uma ampla faixa de vazões e é escalonável desde dispositivosmuito pequenos até grandes.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Em um aspecto, a presente invenção se preocupa com oprojeto de uma unidade de turbina como um conversor de escoamento defluido para energia mecânica. A utilização particular, para a qual a energiamecânica assim desenvolvida é colocada nas configurações preferenciais dainvenção, é energizar um gerador elétrico. O gerador pode ser separado daunidade de turbina ou pode ter seu rotor feito integrado com ou parte de umaestrutura unitária com o rotor da unidade de turbina.

Um outro aspecto da invenção se preocupa com um geradorelétrico, cujo um rotor emprega um rotor de turbina como um elementointegral ou no qual no mínimo rotor de turbina e gerador são combinados emum conjunto unitário.

Em conexão com o um aspecto que precede, a invençãofornece uma unidade de turbina como descrito na reivindicação 1.

Uma unidade de turbina preferencial é fornecida com a porçãode admissão e o difusor de acordo com a reivindicação 6. Ainda maispreferencial é ter o rotor de turbina como parte de uma estrutura unitária como rotor de um gerador elétrico como descrito na reivindicação 10,reivindicação 11 ou 12.

O outro aspecto da invenção acima mencionado preocupadocom um gerador elétrico, é aplicável a uma unidade de gerador-turbina quecompreende: um alojamento que define um conduto para o escoamento defluido através do mesmo, um rotor de turbina localizado no conduto pararotação por meio do escoamento de fluido que passa por ele, o rotorcompreendendo uma pluralidade de lâminas de rotor, e um gerador elétricoacoplado ao rotor da turbina para ser assim acionado, o geradorcompreendendo um conjunto de rotor e um conjunto de estator. De acordocom este outro aspecto da invenção, o conjunto de rotor é feito integrado comou uma estrutura unitária com o rotor da turbina.

Em conexão com este outro aspecto, a invenção tambémfornece um gerador-turbina como descrito na reivindicação 13.

Estes e outros aspectos, configurações e vantagens da unidadede turbina e gerador-turbina de acordo com a invenção, estão descritos nasreivindicações que acompanham, resumo e na descrição detalhada a seguir deconfigurações preferenciais, nas quais referência é feita aos desenhos queacompanham.

A invenção e sua prática serão descritos em detalhe comreferência às suas configurações preferenciais, e ilustradas nos desenhos queacompanham.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

As figuras Ia e Ib mostram vistas externas em perspectiva deuma unidade de gerador-turbina que configura a invenção;A figura 2 mostra em uma representação diagramática umaseção transversal axial da unidade de gerador-turbina;

A figura 3 mostra uma meia vista esquemática axial desucessivos estágios da unidade de turbina e suas interfaces;

As figuras 4a e 4b mostram, respectivamente, velocidade deescoamento absoluta (C) e pressão estática (P) como uma função da distância(x) quando fluido escoa através dos sucessivos estágios da unidade de turbina;

A figura 5 mostra relações de vetoriais de velocidade quepertencem à palheta guia de admissão (IGV) e estágios de rotor da turbina,triângulos de velocidade a) e b) que se referem a interfaces 92 e 93,respectivamente;

A figura 6 é um diagrama vetorial normalizado que combinadiagramas a) e b) da figura 5;

A figura 7 ilustra uma seção através do estágio de admissão daunidade de turbina e da aerodinâmica associada com a admissão de fluidopara o estágio de admissão;

A figura 7a ilustra os diferenciais de pressão e velocidadeestabelecidos entre as superfícies interna e externa do estágio de admissão;

A figura 8 mostra uma seção transversal através da unidade degerador-turbina para mostrar uma vista de face do estágio de rotor que fazparte de um gerador elétrico, somente uma lâmina de rotor sendo mostrada;

A figura 9 mostra uma seção transversal axial diagramáticaatravés de uma configuração modificada da unidade de gerador-turbina dafigura 2; e

A figura 10 mostra uma vista em seção transversal diametralatravés da unidade de gerador da figura 9 em uma escala maior.

DESCRIÇÃO DAS CONFIGURAÇÕES PREFERENCIAIS

A presente invenção será descrita com relação a um gerador-turbina que inclui uma unidade de turbina que é feita como parte de umacombinação unitária com um gerador elétrico ou dínamo. A configuração aser descrita inclui elementos do gerador como uma parte unitária do rotor deturbina. Contudo, o projeto da própria unidade de turbina como um conversorda energia de um escoamento de fluido para energia mecânica,especificamente energia rotativa, é aplicável a geradores-turbinas nas quais ogerador é uma entidade separada da turbina à qual o gerador está acopladopara ser acionado pela rotação da turbina. A descrição a seguir descreve oselementos principais da unidade de gerador-turbina seguida por umaconsideração mais detalhada da unidade de turbina, e daí em diante umadiscussão mais detalhada de um gerador incorporado na unidade de gerador-turbina.

A UNIDADE DE GERADOR-TURBINA

As figuras Ia e Ib mostram, cada uma, uma vista externa deuma unidade de turbina que configura a invenção, e mostra elementosprincipais da estrutura. O gerador elétrico dentro da unidade não é visto nestasfiguras. Como será descrito abaixo, a unidade de turbina completa tem umasucessão de estágios. Será admitido que a unidade deve ser energizada por umcorpo de fluido em escoamento, no qual a unidade é submersa.

Especificamente, será admitido um corpo de água em escoamento.

A unidade de turbina tem um rotor de turbina 10 rotativo aoredor de um eixo longitudinal da unidade. O rotor 10 é colocado para rotaçãoem um alojamento circularmente anelar 20 que fornece um conduto para umtrajeto de escoamento genericamente axial através do mesmo. O alojamento20 inclui um estágio de admissão 30 que tem uma abertura de admissão 32. Aágua penetra no estágio de admissão escoando em uma direção de escoamentogenérica axial F. O estágio de admissão 30 é alargado para estreitar na direçãode escoamento F no sentido do rotor 10.

Entre o estágio de admissão 30 e o rotor de turbina 10 existeum conjunto de palhetas guia de admissão 40 (referidos de maneiraconveniente como o IGV 40) cujas extremidades externas 42 são fixadas àsuperfície interna do alojamento 20 e cujas extremidades internas 44 sãofixadas a uma saliência axial 50, pelo que, a saliência é suportada em umaposição axialmente centralizada no conduto de escoamento. As palhetas guiade admissão fornecem um estágio por meio do qual um componente deredemoinho é fornecido ao escoamento axial da água que penetra no estágioIGV 40. O componente de redemoinho aciona o rotor de turbina 10 como umaturbina de reação, como será mais completamente explicado abaixo. Aslaminas 12 do rotor de turbina 10 são presas a um cubo de rotor 60 que émontado de maneira rotativa na saliência 50 para girar ao redor do eixolongitudinal comum. A construção será descrita mais tarde com referência àfigura 2. O lado a jusante do rotor 10 conduz a um difusor 70 que é montadona traseira do alojamento 20 por meio de suportes (não mostrado). O difusor70 se alarga para fora na direção para trás ou direção a jusante. E um aspectoimportante do difusor que ele fornece escoamento suplementar de águatrazida externamente da unidade para o interior da câmara do difusor. Odispositivo para possibilitar escoamento suplementar de água circundante parao interior do difusor 70 está mostrado como um par de ranhuras anelares 72,74 nas figuras Iae lb. Assim, o escoamento total de água que deixa a traseirado difusor é o escoamento através do alojamento 20 e depois do rotor 10 maiso escoamento adicional trazido para dentro através das ranhuras anelares. Istopossibilita que um benefício operacional importante seja obtido, como seráexplicado abaixo.

Diversas maneiras de fornecer uma admissão de escoamentosuplementar podem ser previstas. Algumas são mencionadas em seguida. Oarranjo de ranhura ilustrado mostrado fornece uma primeira ranhura 72 entrea traseira do alojamento 20 e uma primeira parte difusor 70a e uma segundaranhura 74 entre a parte 70a e uma segunda a parte difusor 70b. As ranhurasse voltam no sentido do escoamento. A primeira parte difusor 70a superpõe atraseira do alojamento 20 na direção axial e é de diâmetro maior para formaruma ranhura voltada para a frente 72. De maneira similar, a segunda ranhuravoltada para a frente 74 é formada pela superposição das partes 70b e 70a. Oalojamento 20 e parte 70a e as partes 70a e 70b podem ser conectadas porescoras radiais 73 e 75 nas regiões de superposição. Não é essencial que asranhuras sejam definidas por partes que se superpõem, como se tornaráevidente da configuração modificada descrita daqui em diante.

A estrutura interna da unidade a turbina é melhor vista nafigura 2 que mostra uma seção axial diagramática que é essencialmentesimétrica de maneira circular ao redor do eixo longitudinal A-A. Numerais dereferência iguais indicam as partes iguais nas figuras Iae lb.

Como se tornará evidente da última descrição, aspectos doprojeto externo da unidade e do escoamento externo são da importânciaconsiderável para a provisão de uma unidade que extrai energia de maneiraeficiente (potência) da água que escoa através da e ao redor da unidade. Adireção do escoamento da água está indicada pela seta F, montante estando àesquerda da figura.

A figura 2 ilustra mais da estrutura interna da unidade degerador-turbina, na qual o rotor da unidade de turbina é formado como umaestrutura unitária com o rotor de um gerador elétrico 80. Na figura 2 oalojamento anelar 20 tem uma primeira porção intermediária 20a na qual oIGV 40 é suportado (as palhetas são mostradas de maneira esquemática comoum bloco) e uma segunda porção intermediária 20b de diâmetro interno maiorno qual o rotor de turbina 10 gira (as lâminas de turbina estão mostradas demaneira esquemática como um bloco). O escalonamento para fora da porçãode alojamento 20b é fornecido para acomodar o elemento rotor do gerador 80,como será descrito. O estágio de admissão alargado 30 é formado em umaporção dianteira 20c do alojamento 20 e conduz para o interior do IGV 40. Aporção para trás 20d do alojamento fornece a conexão de escoamento entre orotor da turbina IOeo difusor 70.

Como observado acima, o IGV 40 é montado entre a saliência50 e a superfície interna do alojamento (porção) 20a e com isto suporta asaliência alinhada no eixo A-A. O cubo de rotor 60 carrega as lâminas derotor 12 (figuras Iae lb) para girar dentro da porção intermediária 20b doalojamento 20. Como ilustrado, a saliência 50 suporta um fuso que se projetaaxialmente 52 ao redor do qual o cubo 60 gira em pista de esfera 62. Seráapreciado que diversas maneiras de suportar o cubo rotativo 60 de maneirarotativa na saliência fixa 50 podem ser previstas.

Foi feita menção do diâmetro interno maior da porção dealojamento 20b quando comparada com a porção 20a na qual o IGV 40 ésuportado. O rotor 10 tem um diâmetro externo (nas pontas das lâminas derotor) essencialmente igual ao diâmetro interno da porção de alojamento 20apara acomodar o escoamento distribuído através do IGV 40. As pontas dorotor são assim espaçadas da superfície interna 20e da porção de alojamento20b e neste espaço é acomodada uma estrutura anelar que forma a parte rotorde um gerador 80. A estrutura anelar compreende um anel 82 fixado naspontas das lâminas de rotor e no qual são embutidos ímãs 84 que movemjunto à superfície adjacente 20e quando o rotor 10 gira. A superfície internado anel 82 forma uma continuação da superfície interna da porção dealojamento 20a à qual o IGV 40 está preso. Se a saliência 50 e o cubo 60 sãode diâmetro uniforme entre a admissão para IGV 40 e a saída do rotor 10, e damesma maneira o diâmetro externo do conduto formado pela porção dealojamento 20a e superfície 82 é uniforme, então um trajeto de escoamentosuave é fornecido, o qual é de área de seção transversal constante (omitido aspalhetas e as lâminas de rotor). Os ímãs 84 fornecem fluxo magnético queligam com um conjunto de bobinas 86 suportado em um conjunto anelar naporção de alojamento 20b e que se estende até proximamente adjacente àsuperfície 20e, pelo que ligação máxima ou acoplamento magnético entre asbobinas e os ímãs é obtida. O gerador 80 é ainda mais discutido abaixo.Também será capaz de ser visto que a superfície interna traseira 88 do anel 82é alargada para fora no sentido da superfície do alojamento interna 20e paraauxiliar em um escoamento suave de fluido ao longo das superfícies.

A seção 20d do alojamento 20 voltada para trás do rotor daturbina fornece a porção de admissão do difusor 70 que se estende na direçãoa jusante como representado pelas partes alargadas para fora70a e 70b com aprimeira ranhura de admissão 72 fornecida entre a seção de alojamento 20d ea primeira parte difusor 70a e a segunda ranhura difusora 74 fornecida entreas partes 70a e 70b. Os suportes entre partes 20d e 70a e entre 70a e 70b nãoestão mostrados.

Como descrito acima, as ranhuras 72 e 74 são voltadas nosentido do escoamento de fluido F exteriormente à unidade de gerador-turbinaa cuja extremidade a porção aresta dianteira 71a da parte difusor 70a superpõeaxialmente a porção aresta traseira da porção de alojamento 20d; e da mesmamaneira a porção aresta dianteira 71b da parte difusor 70a superpõe a arestatraseira da parte 70a. As arestas dianteiras 71a e 71b são conformadas paraescoamento em canal para o interior do interior do difusor em uma maneirasimilar à conformação do estágio de admissão 30 fornecido pela porção dealojamento 20c como será mais discutido abaixo.

Um outro aspecto das ranhuras é que a ranhura 72 orientaescoamento de adição suplementar de maneira oblíqua no sentido do eixocomo mostrado pela seta SI: a ranhura 74 direciona escoamento em umângulo menos ou mais raso para ser mais proximamente paralelo ao eixocomo mostrado pela seta S2. A operação do difusor está mais completamentediscutida abaixo.

A descrição até aqui delineou os elementos principais daunidade de gerador-turbina e estágios individuais da unidade de turbinacompleta serão agora considerados em maior detalhe.A UNIDADE DE TURBINA

A operação da unidade de turbina com relação aoescoamento através dela pode ser considerada em termos dos estágiosucessivos da unidade juntamente com a respectiva interface entre estágiosadjacentes. Os estágios da unidade e as interfaces estão indicados na figura3. O estágio de admissão 30 fornece a interface de entrada de admissão 90a com a corrente em escoamento uma interface de estágio deadmissão/palheta guia 91 com o estágio IGV 40. O IGV 40 conduz a umainterface 92 com o lado de admissão do rotor 10. O lado de saída do rotor10 tem uma interface 93 com a admissão do difusor 70 e o difusor tem umainterface de saída 94 de volta para a corrente em escoamento. A admissãosuplementar para o difusor 70 não está indicada na figura 3 e é discutidaem seguida.

Consideração mais detalhada será primeiramente fornecida àcombinação das palhetas guia de admissão e o rotor de turbina. O projeto daforma das palhetas guia e da lâmina do rotor emprega técnicas conhecidas naarte. As palhetas guia de admissão 40 recebem um escoamento direcionadoaxialmente na interface 91 e introduzem nele um componente direcionadortangencialmente ou de redemoinho na interface 92. Este componente deredemoinho atua sobre as lâminas de rotor 12 para girar o rotor como umaturbina de reação.

A descrição a seguir introduz diversos parâmetros que podemter diferentes valores em diferentes interfaces. A anexação do subscrito 0, 1,2, 3 ou 4 a um parâmetro (por exemplo, C, V, h ou H) indica o valor doparâmetro na interface 90, 91, 92, 93 e 94, respectivamente.

Como já observado, a unidade de turbina hidráulica que estásendo descrita é do tipo de reação. Os estágios relevantes da unidadeatualmente em consideração são IGV 40 e rotor 10, que envolvem interfaces91, 92 e 93. O "dado" para medir ângulos é a direção do escoamento axial A-Α. O ângulo α pertence a vetores que indicam velocidade de escoamentoabsoluta C; o ângulo β pertence a vetores que indicam velocidade deescoamento V relativa às lâminas de rotor em um raio médio da laminado derotor rm. É admitido o que o escoamento para o IGV 40 na interface 91 é axial

(a = 0) e que o escoamento que sai do rotor para penetrar nodifusor na interface 93 também é axial (a = 0). Em adição às velocidade C eV, é feita referência à velocidade tangencial U das lâminas de rotor no raiomédio rm de modo que

U = Qrm, onde Ω é a velocidade angular de rotação do rotor 10.

Dois outros parâmetros que são utilizados são um parâmetrode escoamento não dimensional (normalizado)

O = CnAJ (1)

onde η é relativo à interface relevante,e a carga Ψ que atua sobre a unidade de turbina fornecida por

<formula>formula see original document page 13</formula>

onde ΔΗ representa uma mudança na entalpia total doescoamento de fluido entre as interfaces 91 e 93.

Assim, ΔΗ = H1 - H3. (3)

A reação R da um unidade de turbina (IGV 40 mais o rotor 10)pode ser expressa como a seguir:

<formula>formula see original document page 13</formula>

onde h indica entalpia estática e H indica entalpia total.

Fazendo referência agora à figura 5, a direção axial atravésdos estágios 40 e 10 é vertical, do topo para o fundo. Os triângulos develocidade a serem discutidos se relacionam a escoamento no raio médio dalâmina rm. A água penetra no IGV 40 em uma velocidade absoluta C1. Ela éentão suavemente acelerada quando o ângulo da palheta aumenta para a2 , oângulo de saída da palheta guia, de modo que a velocidade absoluta doescoamento na interface 92 é representada por C2. C2 pode ser expressa como

<formula>formula see original document page 14</formula>

onde Vw é o componente de velocidade tangencial ou deredemoinho conferido pelo IGV 40. Ci e Vw estão mostrados em linhatracejada no diagrama a .

A água agora penetra no rotor 10 para se chocar em suaslâminas 12 e girar o rotor na velocidade Ω.

A água que sai do rotor 10 está, de forma desejada,escoando na direção axial com uma velocidade absoluta C3 e umavelocidade V3 em relação ao rotor em um ângulo β3. De maneira ideal, oredemoinho ou o componente de velocidade de tangencial Vw foitotalmente dissipado na energização do rotor 10. Também deve serobservado que C3 = Ci e que a velocidade de escoamento axial através daunidade de turbina permanece constante se a continuidade de escoamentoé mantida através da unidade. Isto admite que as áreas de seçãotransversal Ai e A3 do trajeto de escoamento são iguais. Na estruturadescrita com referência à figura 2, Aj = A2 = A3.

Os triângulos de velocidade fornecidos nos diagramas a) e b)da figura 5 podem ser combinados como mostrado na figura 6, onde osvetores velocidade são normalizados com referência à velocidade do rotor U,e com isto se tornam adimensionais. O vetor velocidade do rotor U se tornaassim unitário (1,0) e a velocidade de escoamento axial pode ser normalizadapara Φ = Cj/U + C3/U. A carga normalizada Ψ que atua sobre a unidade deturbina também é vista na figura 6. Também está mostrado um ângulo ε8, adeflexão de escoamento no IGV 40, e o ângulo sR, a deflexão do escoamentoao passar através do rotor. Utilizando estes triângulos de velocidadeadimensionais, as relações a seguir são utilizadas para definir os ângulos evelocidades:<formula>formula see original document page 15</formula>

Para resumir ο que foi discutido acima, o IGV 40 confere umcomponente de redemoinho de rotação para o fluido e esta energia motora éconvertida em torque nas lâminas do rotor. A energia extraída pela turbina éproporcional à velocidade de redemoinho que atua no rotor. Para desperdíciomínimo de energia, o escoamento que sai do rotor da turbina deveria terredemoinho mínimo. Perdas tais como atrito de superfície e perdas decisalhamento foram ignoradas nesta discussão.

Em termos da entalpia total nas interfaces 91 e 92 orendimento ηχτ pode ser expresso comode admissão (estator) e o rotor da turbina, respectivamente. Estes coeficienteslevam em consideração perdas de atrito no perfil e perdas de escoamentosecundárias.

admissão 90 até a interface de saída 94 do sistema completo pode serrealizada utilizando a equação de Bernouilli e utilizando os componentes develocidade absoluta nas diversas interfaces.

<formula>formula see original document page 15</formula>

onde ζ5 e são os coeficientes de perda para as palhetas guia

A variação de pressão estática e total a partir da interface dePerdas hidráulicas no estágio turbina também podem serlevadas em consideração.

A discussão precedente de parâmetros de projeto relacionadosao IGV e estágios de rotor referiu-se a parâmetros identificados com o raiomédio da lamina do rotor rm. Para realizar um protótipo de um projetocompleto seu projeto hidrodinâmico foi realizado em três estágios.

Primeiramente um modelo de uma dimensão foi utilizado paradefinir as dimensões básicas, os componentes de velocidade e ângulos delâminas de admissão e de saída em uma seção transversal a meio caminho. Oescoamento foi admitido ser axial a montante do rotor e um dos objetivos doprojeto era minimizar o escoamento secundário (redemoinho) na descarga dorotor, admitindo assim escoamento axial penetrando no difusor. As perdashidrodinâmicas devido ao atrito nas superfícies da lâmina e devido aoescoamento secundário foram levadas em consideração. Um projeto devórtice livre foi considerado admitindo uma distribuição uniforme do trabalhoao longo do espaço da lamina. Esta suposição foi utilizada para especificar osângulos da lâmina com o cubo e as seções de ponta das palhetas guia deadmissão e o rotor.

Na segunda etapa, o projeto geométrico das lâminas foirealizado. Perfis de lamina sob medida foram utilizados nasseções junto ao cubo, junto à ponta e a meio caminho e foramligados juntos para conformar a forma da lâmina tridimensional.

Na terceira etapa uma análise computacional de dinâmica defluidos tridimensional do escoamento turbulento foi realizada para conhecer odesempenho hidrodinâmico do estágio turbina e para predizer os fenômenosde escoamento detalhados dentro do IGV e das passagens do rotor. Estaanálise forneceu uma descrição detalhada da distribuição de pressão evelocidade juntamente com parâmetros globais de desempenho, tal comosaída de energia, rendimento e torque. Inúmeras iterações das segunda eterceira etapas foram necessárias para conhecer os parâmetros de desempenhohidrodinâmicos objetivados. O desempenho detalhado destas etapas éconsiderado estar dentro da competência daqueles versados na técnica deprojeto de turbina.

As três etapas de projeto foram precedidas por umainvestigação paramétrica para identificar o espaço paramétrico que deveriaproduzir projetos úteis de turbina. Foi descoberto que para generalizar oprocedimento de projeto, os coeficientes adimensionais de escoamento Φ e Ψdeveriam ser selecionados como variáveis independentes. Este procedimentoé o que foi discutido acima.

Para considerar ainda mais a operação da unidade de turbinacompleta desde a admissão até a descarga inclusive o estágio de admissão 30e o difusor 70, referência será novamente feita à figura 3 e às curvas develocidade e pressão das figuras 4a e 4b que ilustram de maneira diagramáticaas variações de velocidade e de pressão através da unidade completa. Seráentendido que estas figuras são para finalidades ilustrativas e, como a figura3, não têm intenção de estarem em escala.

Será dada atenção agora ao projeto do estágio de admissão 30.Uma vez que a unidade deve ser submersa em água em escoamento, deve serreconhecido que a água tem probabilidade de encontrar um trajeto deescoamento ao redor do exterior da unidade, de modo encontrar um trajeto deescoamento através da unidade. A conformação do estágio de admissão é tal afornecer um afunilamento da água para as palhetas guia de admissão 40 erotor 10. O estágio de admissão tem uma entrada efetiva maior ou área decoleta A0 na interface 90 (figura 3a) do que a área Aj na interface 91, de modoque a velocidade de escoamento em Aj é aumentada por Ao/Ai. Assim, afinalidade do estágio de admissão é coletar tanto escoamento quanto possívela montante e acelerá-lo para uma velocidade maior Ci na área A1 da interface91 fornecida por<formula>formula see original document page 18</formula>

onde Co é a velocidade de escoamento axial na interface 90acerca da qual mais é dito abaixo. Um dos aspectos da conformação doestágio de admissão 30 é que a área de admissão efetiva é maior do que a áreafísica da abertura de admissão 32.

Fazendo referência ao estágio de admissão 30 como ilustradonas figuras laelbe 2, a porção dianteira 20c do alojamento tem umasuperfície interior alargada ou afunilada a 22 que se estreita desde a bocafísica 32 até as palhetas guia de admissão 40. A boca física é a aresta dianteiracircular ou periferia do alojamento. Além disto, esta superfície alargada éencurvada e tem uma curvatura maior (taxa menor de mudança de ângulomencionada abaixo - curvatura é uma função inversa da velocidade demudança de ângulo) do que a superfície exterior 24 da porção de alojamento20c que é mais chata, que está mais próxima de um cilindro circular emforma. A periferia 32 na qual as superfícies 22 e 24 se unem deveria ter umatransição suave para evitar introduzir turbulência no escoamento para e sem aporção de alojamento 20. A diferença em curvatura das superfície 22 e 24introduz uma assimetria no estágio de admissão 30 que tem o efeito decapturar o escoamento da água através de uma área maior do que a área físicada boca 32. Isto é equivalente em termos da figura 3 de definir a interface 90como estando efetivamente localizada a montante da periferia da admissão 32na figura 2. A boca de admissão da unidade de turbina divulgada na Patenteacima mencionada U.S. 6. 013. 955 tem uma área de captura que não é maiordo que a área física da boca de admissão.

O benefício do projeto assimétrico da boca do estágio deadmissão está visto na figura 7, que mostra uma seção radial diagramáticaatravés da porção de alojamento anelar 26 que define o estágio de admissãocom sua superfície interna 22 e a superfície exterior 24 que se encontram naperiferia 32 porém divergem dela de maneira assimétrica em relação ao eixo26. O eixo 26 é o eixo A-A do cilindro circular imaginário que contém aperiferia 32. Como já divulgado, as superfícies interna e exterior 24 e 26deveriam formar uma curva suave ou transição no ponto periférico 32 comocompartilhando uma tangente comum neste ponto.

As superfícies 22 e 24 podem ser segmentos de elipses,embora isto não seja essencial, com a superfície exterior 24 apresentando umavelocidade maior de mudança de ângulo da tangente com a superfície quandoa ela diverge do ponto tangente comum 32 do que a superfície interior 22.Como será visto, a superfície 24 se torna substancialmente chata rapidamenteparalela ao eixo A-A enquanto a superfície 22 afunila para dentro maisgradualmente para fornecer uma mudança mais rápida de área de seçãotransversal. Uma conseqüência deste projeto assimétrico é que a pressão doescoamento interior associado com a superfície 22 cai mais rapidamente daperiferia 32 (o ponto de estagnação) do que aquela do escoamento exterior.Isto está ilustrado na figura 7 pelas respectivas curvas de pressão (P) em linhacheia relacionadas às superfícies 22 e 24, onde a origem do eixo das abscissasé a boca 32 e a abscissas é a distância axial na direção de escoamento nosentido da interface 91. Ao mesmo tempo a velocidade da água nassuperfícies interna e externa sobe em uma maneira inversa à queda depressão, como indicado pelas curvas tracejadas. O diferencial de pressão fazcom que a água escoe para o interior da boca 32 como indicado pelas linhasde corrente 100. Como pode ser visto das linhas de corrente 100, água écapturada de uma região a montante da área estendida de modo que embora ainterface 90 esteja diretamente associada com a área física da boca 32, ela temuma área de seção transversal efetiva que é maior do que A0. Além disto, odiferencial de pressão auxilia a orientar a unidade de turbina para a direção deescoamento F. A planura relativa da superfície externa fornece menosperturbação ao escoamento exterior e evita provocar grandes perdas depressão indesejadas e acelerações/desacelerações de fluido. A superfícieinterna 24 é naturalmente projetada para fornecer o escoamento o mais suavepossível (mínimo arraste da camada limite) para realizar a área de capturaaprimorada descrita acima.

Como já indicado, a forma do estágio de admissão alargadadescrita em combinação com a assimetria com a superfície externa do corpode alojamento, conduz ao aspecto importante que a unidade se auto-orientapara o escoamento da água. Isto torna a amarração ou outra fixação daunidade em uma localização necessária, mais simples de arranjar,particularmente em circunstâncias onde a orientação da unidade é requeridaseguida uma mudança na direção de escoamento de tempos a tempos. Estacapacidade de auto-orientar é uma vantagem considerável sobre a estruturamostrada na Patente U.S. 6. 013. 955 mencionada acima, e na qual a unidadede turbina é suportada em uma estrutura com palhetas que respondem àdireção de escoamento e é, por sua vez, suportada de maneira rotativa em umaestrutura base substancial.

Voltando agora para o difusor 70, ele será consideradoinicialmente como uma superfície contínua alargada sem provisão paraintroduzir o escoamento suplementar na câmara do difusor. Isto é, o difusorcomo ilustrado na figura 3. O difusor serve à função de recuperação depressão restaurando a pressão baixa estabelecida na interface 93 para apressão ambiente na interface de saída 94. O difusor deveria possibilitarrecuperação de pressão sem efeitos indesejáveis, tais como cavitação ou perdade estabilidade da camada limite.

A função do difusor será descrita como um dos elementos quedeterminam os parâmetros de escoamento global de velocidade e pressãoatravés da unidade. As variações de velocidade absoluta C e pressão Passociadas com a extração de energia pela unidade de turbina estão ilustradasnas figuras 4a e 4b, respectivamente. Elas são mostradas como uma função dadistância axial ao longo do eixo da turbina e as linhas verticais finas indicamas posições das interfaces 90 a 94 na figura 3a com relação às curvas develocidade e pressão. A velocidade C é a velocidade de escoamento absolutaem uma dada localização axial. O vetor velocidade não é necessariamenteaxial. A pressão P é a pressão estática em uma dada localização axial. Paraconveniência de explicação, os gráficos das figuras 4a e 4b são mostrados,cada um, algo simplificados, como uma seqüência de segmentos de linha reta.Os índices 0 a 4 aplicados aos parâmetro C e P na descrição a seguir, serelacionam a valores nas interfaces 90 a 94, respectivamente.

Os dois gráficos começam em um ponto a montante a partir dainterface 80 e mostram uma velocidade inicial Co e pressão Po relacionadas àcorrente em escoamento ou outro corpo de água. Como já descrito, devido àsaceleração no estágio de admissão 30, a velocidade aumenta até um valor Cina interface 91 como estabelecido na equação 4 acima e visto na figura 3a.Contudo, quando a velocidade aumenta, a pressão diminui. Entre as interfaces91 e 92 a velocidade de fluido continua a aumentar quando ela passa atravésdo IGV 40. A velocidade aqui é a velocidade absoluta do fluido que agoratem o componente tangencial ou de redemoinho adicionado pelas palhetasguia. Isto é observado na equação 5 acima.

A energia gerada no rotor da turbina de reação 10 aumentacom o valor de Vw (figura 5). O ângulo girado pelas palhetas guia paraconferir o componente de velocidade de redemoinho é selecionado paraotimizar o valor de Vw. Contudo, o aumento do componente de velocidade deredemoinho Vw é acompanhado por uma queda aumentada na pressão nainterface de admissão 92 para o rotor 10.

A aceleração de velocidade de Ci para C2 é acompanhada poruma queda de pressão de Pi até P2 na admissão para o rotor 10. A pressão nainterface 92 é fornecida por:

<formula>formula see original document page 121</formula>

onde ρ é a densidade do fluido, isto é, água.A velocidade do fluido que deixa as lâminas do rotor terácaído para um valor C3, ponto no qual o componente de redemoinhoconferido na admissão do rotor será idealmente reduzido a zero. Na interface93 a velocidade de escoamento absoluta C3 é axial e igual a C1 comoexplicado com referência à figura 5, desprezando perdas. A pressão terá caídosignificativamente mais baixo até um valor baixo P3. A energia W extraídaidealmente pelo rotor da turbina é proporcional à queda de pressão Pd no rotore à vazão em volume Q, isto é,

W = Q. Pd = p. C2. A2(P2 - P3) (9)

Segue-se da equação 9 que idealmente o valor de P3 deveriaser minimizado para maximizar o valor de Pd. Contudo, o valor mínimo quese consegue praticamente para P3 está limitado pela limitação de recuperaçãode pressão no difusor a jusante 70, e a necessidade de evitar cavitação, maisespecialmente em escoamentos de alta velocidade. A implementação nodifusor de uma medida que facilite a limitação de recuperação de pressão éassim valiosa. O desempenho do difusor receberá agora mais consideração.

Como foi descrito, a água que sai do rotor 10 tem energiacinética em uma baixa pressão. A recuperação de pressão fornecida pelodifusor dificulta a transformação da energia cinética da água que sai do rotorpara uma subida de pressão. Admitindo que a velocidade C3 é inteiramenteaxial e desprezando perdas de pressão da interface 93 até a interface 94, arecuperação de pressão no difusor 70 pode ser expressa como a seguir.

Na interface 93 a energia (estática e dinâmica) disponível é

<formula>formula see original document page 22</formula>

Na interface 94 a energia (estática e dinâmica) disponível é

<formula>formula see original document page 22</formula>

como estas energias são iguais, a recuperação de pressão Pralcançada no difusor 70 é P4 - P3 de modo que a partir da expressão de energianas interfaces 93 e 94 fornecidas acima, Pr pode ser expresso como

<formula>formula see original document page 23</formula>

Também admitindo um balanço da massa de escoamento daágua em cada uma das interfaces 93 e 94,

C3. A3 = C4. A4

onde A3 e A4 são as respectivas áreas de seção transversal deescoamento nas interfaces.

Conseqüentemente, a recuperação de pressão Pr pode serexpressa como

<formula>formula see original document page 23</formula>

Será visto que a recuperação de pressão se aproxima de seu valor máximo

<formula>formula see original document page 23</formula>

quando A3 « A4. O afunilamento do difusor para aumentar aseção transversal de escoamento de A3 para A4 deve ser mantido baixo osuficiente para estabelecer uma condição de camada limite estável ao longoda superfície do difusor e para evitar introduzir turbulência entre oescoamento através da interface 93 e da água circundante para o interior daqual o escoamento finalmente se une.

Fazendo novamente referência às figuras 4a e 4b, a diminuiçãona velocidade de escoamento C ao longo do difusor é correspondida por umaumento na pressão Ρ, o difusor tendo um comprimento suficiente parafornecer uma transição suave para o escoamento da água circundante, isto é,os valores de C e P na interface 94 são próximos daqueles na interface deadmissão 90.

O difusor da figura 3 até aqui desprezou as ranhuras 72, 74(figuras la, Ib e 2) para introduzir um escoamento suplementar no difusor. Afigura 2 indica a introdução de escoamento suplementar no difusor 70 empontos 72 e 74 por setas Sl e S2, respectivamente. O fluido adicional quepenetra na ranhura a montante 72 é direcionado para um escoamento que saido rotor 10 com um ângulo. O fluido adicional que penetra na ranhura ajusante é direcionado para o escoamento adjacente à saída do difusor em umângulo substancialmente paralelo àquele escoamento.

Será lembrado da equação 11 que a recuperação máxima depressão é

<formula>formula see original document page 24</formula>

O que as ranhuras do difusor 72 e 74 fornecem por meio doescoamento suplementar é a introdução de um termo de energia cinéticaadicional a partir do qual recuperação de pressão pode ser obtida. Tomando ocaso de apenas uma ranhura que introduz o escoamento suplementar a uma

velocidade C3, ele adiciona um termo adicional

<formula>formula see original document page 24</formula>

Para duas ou mais ranhuras isto pode ser expressocomo

<formula>formula see original document page 24</formula>

onde Σ indicar o resultado líquido das contribuiçõesindividuais de ranhuras individuais.

Assim, a recuperação máxima de pressão pode ser expressacomo

<formula>formula see original document page 24</formula>

Este fator adicional possibilita:

1. a queda de pressão, Pd, no rotor ser feita maior do quepoderia ser de outra forma

2. a velocidade de escoamento na saída do rotor na interface93 ser feita mais baixa do que poderia ser de outra forma

3. o comprimento do difusor e com ele a seção transversal desaída final ser reduzida do que poderia ser necessário se de outra forma.

As possibilidades podem ser realizadas individualmente e/ouem uma combinação selecionada.

Será apreciado que, como já indicado, o dispositivo paraintroduzir o escoamento suplementar possa ser diferente de ranhuras. Outrasformas de abertura podem ser utilizadas, preferivelmente mantendo umaintrodução de fluido substancialmente uniforme ao redor do eixo do difusor.Uma ou mais seções perfuradas ou em malha podem ser incluídas no difusor.

Aspectos preferenciais das ranhuras são: o escoamento Sj paradentro através da ranhura a montante 72 (ou outro dispositivo equivalente)deveria ser direcionado para dentro no sentido do eixo A-A, isto é, com umângulo com o eixo) como indicado pela seta Si, enquanto o escoamento paradentro através da ranhura a jusante 74 (ou outro dispositivo equivalente)deveria ser mais proximamente paralelo ao eixo A-A. Também é preferidoconformar as porções de aresta dianteira 71a, 71b das partes difusor 70a e 70bem uma maneira similar àquela descrita para a porção aresta dianteira doestágio de admissão 30 com referência à figura 2 e à figura 7. Isto é, asuperfície interna recebe uma curvatura maior do que a superfície externa. Aconformação das partes que se superpõem da porção de alojamento traseira20d e da porção aresta dianteira 71a da parte difusor 70a e da porção arestatraseira da parte difusor 70a e da porção aresta dianteira 71b da parte difusora70b, deveria ser tal a produzir a direção de escoamento para dentro desejadaSle S2, respectivamente, embora ao mesmo tempo mantendo a estabilidadedo escoamento interno, inclusive mantendo as camadas limite ligadas àssuperfícies da câmara do difusor.

O projeto de auto-orientação do estágio de admissão paraalinhar com a direção de escoamento para dentro, já foi mencionado. Estacaracterística auxilia de maneira considerável o suporte ou amarração doconjunto completo em um fluido em escoamento. A amarração pode serefetuada por uma ligação no sentido da frente do alojamento 20 de modo quea unidade tenda a agir como uma palheta mesmo sem tomar as medidasadicionais de auto- alinhamento. Será entendido que o projeto descrito nãoimpede a provisão de uma palheta externa, se desejado.

A descrição precedente foi direcionada para a energia motrizque é derivada de um líquido em escoamento, especificamente água. Osensinamentos aqui, são também aplicáveis a uma unidade de turbinaenergizada por um gás em escoamento tal como ar.

O GERADOR ELÉTRICO

Uma utilização óbvia da energia mecânica disponível daunidade da turbina é a geração de energia elétrica, porém a aplicação não estárestringida a este campo. O gerador elétrico, ou dínamo, pode ser umaentidade separada acoplada ao rotor, embora possa ainda ser abrigada dentroda unidade global. Por exemplo, um gerador elétrico poderia ser abrigado noconjunto saliência/cubo do rotor 50, 60 visto nas figuras la, Ib e 2.

Uma alternativa que está ilustrada na figura 2 é utilizar umrotor da turbina também para fornecer o componente rotor ou parte de umgerador elétrico, de modo que nenhum acoplamento de transição separado dorotor para o gerador é necessário. Uma possibilidade é embutir um respectivoimã permanente em cada ponta de lamina de rotor para girar depois de umconjunto de bobinas espaçadas angularmente circunferencialmente suportadasna porção 20b do alojamento 20.

Uma construção mais preferencial é aquela já delineada comreferência à figura 2, na qual um anel 82 no qual ímãs permanentes 84 sãoembutidos é fixado ao rotor da turbina 10 para girar com ele como o rotor dogerador elétrico. Esta construção unitária deveria ser tal que mantenha umarotação balanceada.

A figura 8 ilustra uma vista de face do rotor da turbina 10 coma porção de alojamento 20b. O anel 82 é fixado às pontas das lâminas derotor, somente uma das quais está mostrada. Os ímãs 84 são embutidos noanel 82 pendendo da superfície externa dele. Para proteção os ímãs podemnão emergir na superfície externa, mas poderiam ser protegidos por uma luvafina que circunda o anel 82. Uma vantagem de separar os ímãs das lâminas dorotor 12 é que o número de ímãs pode ser escolhido independentemente denúmero de laminas do rotor.

Embora a figura 2 mostre as bobinas do gerador embutidas naporção de alojamento 20b, a figura 2 mostra um arranjo mais preferencial noqual a porção de alojamento 20b é formada em duas partes anelares. Umaparte externa indicada 20b na figura 8 é integrada com o restante doalojamento 20. Assentada de maneira apertada dentro da parte externa existeuma parte inserivel 88 que pode se estender até e ser inserida a partir datraseira do alojamento 20 ou um conjunto de estator que circunda anellocalizado no rotor 82 colocado por uma porção interna que se estende paratrás do alojamento. Ele pode ser enchavetado ao alojamento para prendê-locontra rotação. A parte inserível 88 equipa com isto o componente estator dogerador que tem a superfície interna 20e anteriormente mencionada comreferência à figura 2. A parte 88 contém as bobinas 86 que se projetam paradentro para terminar na ou adjacente à superfície 20e de modo a engatar demaneira magnética os ímãs 84 através do espaço de ar G. O número debobinas é normalmente igual ao número bem ímãs, tipicamente 6 a 8. Onúmero de lâminas do rotor da turbina pode estar na faixa de 4 a 10. Asbobinas 86 são suportadas em peças pólo ferromagnético que podem sermagneticamente integradas com um anel ferromagnético 87 que circunda oeixo A para formar um circuito magnético completo. Toda a estruturaferromagnética é preferivelmente laminada para reduzir correntes parasitas,de modo que ela pode ser formada como uma pilha de estampagens.

Diversas configurações de gerador de ímã permanente sãoconhecidas e estão bem dentro do conhecimento daqueles versados no campode geradores. Um aspecto importante do projeto para a presente aplicação éassegurar que as partes do gerador são bem protegidas da água emescoamento, ou outro fluido que pode ser corrosivo. Assim, técnicas queenvolvem embutir componentes em material plástico resistente à corrosão, ouluvas de vedação, podem ser empregadas.

Os ímãs deveriam ser de materiais de alto desempenho, talcomo ímãs de terras raras. O desempenho do ímã é muitas vezes classificadopela energia produto do material. Por exemplo, Neodímio sinterizado é ummaterial magnético baseado em terra rara de energia produto elevada, emborao composto tenha um teor ferroso elevado. Cobalto Samário é um outrocandidato e não tem teor de ferro.

O rotor 10 pode ser feito de diversos materiais. Resistência àcorrosão é um fator a ser mantido em mente juntamente com resistência. Orotor deveria ser não friável para evitar estilhaçar com detritos trazidos pelaágua. Ele deveria ser leve e de um material que seja maleável ou moldávelpara a curva complexa que caracteriza o projeto de lâmina de rotor de turbina.O rotor também deveria ser econômico de ser substituído. Como a partemóvel principal da unidade é provável que seja a primeiro a quebrar.Materiais que podem ser considerados para alcançar estes requisitos são fibrade carbono, alumínio fundido ou usinado bronze silício ou composto de resinaepóxi e aço inoxidável. Estas preocupações se aplicam ao mesmo tempo auma unidade de turbina com gerador elétrico separado e uma unidade deturbina na qual o rotor faz parte do gerador. O estágio de admissão 30 podeser dotado de uma grade para restringir acesso para o interior da unidade deno mínimo itens maiores de detritos sem afetar de maneira indevida oescoamento.

Será entendido que a freqüência da voltagem alternadainduzida nas bobinas é uma função da velocidade do rotor. Se a saída dogerador é retificada para produzir um suprimento de corrente contínua, entãovariações de velocidade são de pequena importância, uma vez que o rotor érotativo acima de alguma velocidade inferior.

A parte de estator 88 do gerador 80 na qual correntes elétricasescoam, deveria ser protegida da água que escoa através do conduto daunidade de turbina e que se choca sobre o rotor. E preferido para isso fornecerum revestimento interno impermeável à água, ou alojamento 90, para oestator do gerador e com este se estendendo ao redor do rotor. O revestimentodeveria ser mantido tão fino quanto possível, para permitir a passagem a maispróxima dos ímãs do rotor 84 para os elementos pólos de bobina. Orevestimento não deveria afetar o fluxo magnético emanado pelos ímãs 84.Embora seja possível ter as bobinas sobre o rotor e os ímãs sobre o estator,existe vantagem considerável ter os componentes suporte do rotor nãoenvolvendo escoamento de corrente e consignar os escoamentos de correnteao estator.

As figuras 9 e 10 dos desenhos mostram seções,genericamente correspondendo às figuras 2 e 8 de uma unidade de gerador-turbina construída de acordo com a invenção e que incorpora alguns aspectosatualmente preferenciais de construção. Partes como aquelas vistas nas figuras2 e 8 recebem os mesmos numerais de referência aumentados por 100.

Como na configuração descrita acima, a unidade de gerador-turbina da figura 9 compreende um alojamento 120 que tem um estágio deadmissão conformado 130 que afunila ou que empina o escoamento de água Faté um rotor 110 precedido pelas palhetas guia de admissão 140. O rotor 110e o IGV 40 são projetados de acordo com as considerações fornecidas acima.As palhetas guia 140 suportam uma saliência axialmente central 150 a partirda qual uma espiga 152 se estende para trás e termina em um nariz 200 queafunila para dentro para promover escoamento suave de água depois dele. Aespiga 152 pode ser rosqueada para engatar um furo rosqueado na saliência150. As lâminas de rotor 10 são presas a um cubo central 160 que é localizadoaxialmente entre a saliência 150 e o nariz 200 e é livremente rotativa ao redorda espiga 152.

O escoamento da água que sai do rotor 110 escoa através daporção voltada para trás 120d do alojamento para o interior da primeira parte170a do difusor 170 e daí em diante para o interior da parte a jusante 170b dodifusor. A ranhura 172 é definida entre a porção de alojamento 120d e a partea montante 170a do difusor. A ranhura 174 é definida entre as partes 170a e170b. Contudo, será observado que nesta configuração a porção dealojamento 120d e a parte do difusor 170a não se superpõem, porém a arestadianteira desta última é de diâmetro maior do que a aresta traseira do anterior,enquanto a superfície externa da porção de alojamento 120d é conformadapara auxiliar no afiinilamento de uma admissão Sl de escoamentosuplementar para o interior do difusor, S1 sendo no sentido do eixo A-A. Damesma maneira, existe pouca superposição entre partes do difusor 170b e170a, a aresta dianteira do anterior sendo de diâmetro maior do que a arestatraseira do último para promover um escoamento de admissão S2substancialmente na direção do eixo A-A.

Voltando para o gerador ilustrado nas figuras 9 e 10, ele seguea configuração descrita anteriormente tendo um anel que é carregado pelaslâminas de turbina e que suporta os ímãs. Como melhor visto na figura 10, oanel 182 é suportado nas pontas de 8 do lâminas de rotor colocadas demaneira equiangular 112 presas ao cubo 160. O anel 182 suporta umapluralidade de ímãs radiais arqueados colocados de maneira equiangular 184,oito na configuração ilustrada. Cada ímã é magnetizado radialmente paraapresentar um pólo externo Norte ou Sul e os ímãs alternam em polaridade demodo que ímãs adjacentes próximos são de polaridade oposta. A porção dealojamento 120b que circunda o conjunto de rotor suporta uma pluralidade debobinas espaçadas de maneira equiangular 186 que neste caso são iguais emnúmero ao número de ímãs 184. Cada bobina individual 186 também temuma forma arqueada para corresponder ao trajeto viajado pelos ímãs. Asbobinas estão ilustradas como sendo espaçadas por ar, isto é, não enroladassobre material núcleo ferromagnético. A adição de um circuitoferromagnético para aprimorar rendimento é também considerada comoindicado anteriormente. Testes mostraram que quantidades muito úteis deenergia podem ser geradas não obstante, especialmente para aplicações comrequisitos de energia mais baixos. Para acoplamento magnético eficiente dosímãs às bobinas, o espaço de ar efetivo entre os ímãs e as bobinas deveria sermantido em um mínimo. Como será descrito agora com referência particular àfigura 9, a construção adotada nesta configuração é efetiva em alcançar esteobjetivo.

E visto na figura 9 que o anel 182 carregado pelo rotor e quecarrega os ímãs 184 penetra em um recesso anelar 202 na porção dealojamento 120b. Este recesso se estende voltado para fora a partir do condutode escoamento de fluido através do alojamento 120 e termina em uma câmaraanelar 204 na qual as bobinas 186 são acomodadas. Como explicadoanteriormente, o alojamento 120 pode ser feita em peças separadas parapermitir a colocação e localização dos componentes do gerador.

O anel anelar 182 é formado com um recesso anelar externo212 no qual os ímãs 184 são acomodados. É preferido que uma bordarespectiva se projete para dentro a partir da extremidade externa de cadaparede do recesso 212 para reter os ímãs 184 contra forças centrífugas quandoo rotor gira. Os ímãs também podem ser presos no lugar por meio de adesivoe revestimento à prova d'água - por exemplo, um revestimento epóxi -fornecido para proteger os ímãs.

O cubo 160 pode ser feito em mais do que uma peça. Ele podecompreender um corpo anelar principal 222 ao qual as lâminas do rotor 112são fixadas. O corpo gira ao redor da espiga 152 e para cada lado existe umanel de deslizamento mais fino 224a e 224b também montados ao redor daespiga 152. A extremidade externa da espiga 152 compreende uma cabeça226 que assenta contra um ombro no nariz 200 de modo que quando a espigaestá fixada no lugar, o nariz, o corpo 222 e os anéis de deslizamento 224a e224b são todos localizados no lugar sobre a espiga.

Será entendido que diversos aspectos como descrito e/oureivindicado podem ser combinados de diversas maneiras.

Claims (18)

1. Unidade de turbina, caracterizada pelo fato de compreender:um alojamento que define um conduto para o escoamento dafluido através do mesmo, dito ao conduto tendo uma abertura de admissão;um rotor de turbina localizado em uma porção do conduto pararotação por meio do escoamento do fluido que passa no mesmo;dito alojamento sendo submersível em um fluido emescoamento para o escoamento da fluido ao mesmo tempo através do condutoe exteriormente ao alojamento;um difusor localizado a jusante de dito rotor de turbina parareceber fluido descarregado do rotor, dito difusor afunilando para fora nadireção a jusante,na qualdito difusor compreende dispositivo para introduzir fluidosuplementar a partir de exteriormente ao alojamento para o escoamentodescarregado do rotor.

2. Unidade de turbina de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pelo fato de dito dispositivo compreender no mínimo umaranhura, perfurações, uma estrutura de malha, ou similar, em uma parede dodifusor.

3. Unidade de turbina de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pelo fato de dito dispositivo para introduzir o escoamentosuplementar ser localizado em uma porção a montante do difusor e serconformado para introduzir um escoamento suplementar com um ângulo parao escoamento que sai do rotor.

4. Unidade de turbina de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pelo fato de dito dispositivo para introduzir o escoamentosuplementar ser localizada em uma porção a jusante do difusor e serconformado para introduzir um escoamento suplementar substancialmenteparalelo à direção de escoamento prestes a sair do difusor.

5. Unidade de turbina de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pelo fato de dito dispositivo para introduzir o escoamentosuplementar compreender uma parte a montante e uma parte a jusante, a partea montante sendo conformada para introduzir um escoamento suplementar emum ângulo com o escoamento que sai do rotor e a parte a jusante sendoconformada para introduzir um escoamento suplementar substancialmenteparalelo à direção de escoamento prestes a sair do difusor.

6. Unidade de turbina de acordo com a reivindicação 3 ou 4,caracterizada pelo fato de dito dispositivo compreender uma ranhura,conjunto de perfurações, uma estrutura de malha, ou similar, em uma parededo difusor.

7. Unidade de turbina de acordo com a reivindicação 5,caracterizada pelo fato de cada uma de dita parte a montante e dita parte ajusante compreender uma ranhura, conjunto de perfurações, uma estrutura demalha, ou similar, em uma parede do difusor.

8. Unidade de turbina de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 7, caracterizada pelo fato de dito dispositivo serconformado para estar voltado para a frente o escoamento exterior de ditoalojamento.

9. Unidade de turbina de acordo com qualquer uma dasreivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de dito rotor de turbinaatuar como uma turbina de reação e a unidade ainda compreender umconjunto de palhetas guia a montante de dito rotor de turbina para conferir umcomponente de redemoinho ao escoamento direcionado para o rotor.

10. Unidade de turbina de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 9, caracterizada pelo fato de ainda compreender umgerador elétrico que compreende um conjunto de rotor e um conjunto deestator, dito conjunto de rotor sendo montado a ditas lâminas de rotor paragirar com as mesmas, e dito conjunto de estator sendo montado ao ditoalojamento.

11. Unidade de turbina de acordo com qualquer reivindicaçãoprecedente, caracterizada pelo fato de dito rotor de turbina ser circundado porum anel fixado às lâminas de rotor para girar com as mesmas, dito anelcarregando um de uma pluralidade de ímãs e uma pluralidade de bobinaselétricas, e o alojamento tendo uma porção que circunda dito anel e quesuporta o outro de dita pluralidade ímãs e pluralidade de bobinas em umconjunto de estator, pelo que, os ímãs acoplam magneticamente as bobinasquando o rotor de turbina gira, para fornecer um gerador elétrico.

12. Unidade da turbina de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 11, caracterizada pelo fato de dito rotor de turbinacompreender uma pluralidade de lâminas, um ímã respectivo sendo colocadona ou em cada porção ponta de uma lâmina, e na qual uma pluralidade debobinas interconectadas são suportadas por uma porção do alojamento quecircunda o rotor de turbina para ser influenciado pelos campos magnéticosemanados pelos ímãs, e com isto formar um gerador elétrico.

13. Unidade de gerador-turbina, caracterizada pelo fato decompreender:um alojamento que define um conduto para o escoamento defluido através do mesmo;um rotor de turbina localizado em uma porção de dito condutopara rotação pelo escoamento de fluido que passa pelo mesmo, o rotorcompreendendo uma pluralidade de lâminas de rotor,um gerador elétrico acoplado ao rotor de turbina para seracionado com o mesmo, o gerador compreendendo um conjunto de rotor e umconjunto de estator,um do conjunto de rotor e do conjunto de estatorcompreendendo uma ou mais bobinas e o outro do conjunto de rotor e doconjunto de estator compreendendo um ou mais ímãs para acoplarmagneticamente à uma ou mais bobinas para indução de corrente elétricanelas quando o rotor de turbina gira,no qualo conjunto de rotor é carregado às lâminas do rotor da turbina.

14. Unidade de gerador-turbina de acordo com a reivindicação-13, caracterizada pelo fato de o conjunto de rotor compreender um anel fixadoàs lâminas do rotor de turbina para girar com as mesmas, dito anel carregandouma de ditas uma ou mais bobinas ou dito um ou mais ímãs.

15. Unidade de gerador-turbina de acordo com a reivindicação-13, caracterizada pelo fato de o conjunto de rotor compreender a uma ou maisbobinas ou o um ou mais ímãs, a ou cada uma das bobinas ou o um ou cadaum dos ímãs sendo colocado na ou em uma porção ponta de uma lâmina dorotor de bobina.

16. Unidade de gerador-turbina de acordo com a reivindicação-13, 14 ou 15, caracterizada pelo fato de o conjunto de rotor compreender o umou mais ímãs e o conjunto de estator compreender a uma ou mais bobinas.

17. Unidade de gerador-turbina de acordo com qualquer umadas reivindicações 13 a 16, caracterizada pelo fato de o conjunto de estatorcompreender uma parte anelar inserida dentro de dito alojamento paracircundar dito conjunto de rotor.

18. Unidade de gerador-turbina de acordo com qualquer umadas reivindicações 13 a 16, caracterizada pelo fato de ainda compreender:um difusor localizado a jusante de dito rotor de turbina parareceber fluido descarregado do rotor, dito difusor afunilando para fora nadireção a jusante, cujo difusor compreende dispositivo para introduzir fluidosuplementar de exteriormente ao alojamento para o escoamento descarregadodo rotor.